空气中测量氧气的实验原理

空气中氧气含量测量实验的新设计

作者：沙琦波

来源：《化学教学》2021年第11期

摘要：針对教材中某些实验方案的缺陷，在文献研究基础上，通过装置改进，设计了一种空气中氧气含量的测量方法： 在两针筒中分别装入水和食品脱氧剂，用橡胶导管过盈套接在两个针筒之间，利用食品脱氧剂消耗氧气使两针筒产生压强差引起水进入另一个针筒，调整两容器高度消除打开止水夹后两液面的高度差带来的压强差，从而精准测量氧气的体积。本装置简单实用、造价低，便于学生自主完成测定，且实验误差小、安全性高、可靠性强。

关键词：实验装置改进; 氧气含量测量; 食品脱氧剂; 实验探究

文章编号：10056629（2021）11007604

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 问题提出

“简单测量空气中的氧含量”是《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》中明确提出的“活动建议”[1]，该活动是华师大版《科学》七年级下册第2章第2节“空气的成分”中的内容，是初中化学重要的探究性实验之一。教材介绍的实验方法是在密闭的玻璃容器中燃烧红磷，待红磷熄灭并冷却后，通过计算倒吸入的水的体积与原空气所占体积的比值来测定空气中的氧气含量（如图1所示）。但是，该实验方案存在一定的缺陷，例如： （1） 装置的气密性很难达到标准;在外点燃红磷后再伸入集气瓶，使装置无法始终完全密闭，该过程导致瓶内的空气发生膨胀，一部分逸出;经色谱分析[2]，红磷在集气瓶内燃烧结束后，瓶内仍有7%以上的氧气剩余，因此无法彻底消耗氧气;装置中的导管原来是有空气的，这部分体积并不小且不易估计，后来导管里充满了水，这部分水没有进入集气瓶中，导致产生测量的系统误差;用于测量气体体积所标示的刻度线不够精确等。以上几点均导致实验结果不准确，实验的成功率较低。

空气中氧气含量测定实验

1.测定原理：

（1）红磷（白磷）在密闭的容器中燃烧，消耗氧气，生成白色固体。密闭容器内压强减小，大气压将水压入容器，通过测定容器中的水的量测定氧气在空气中的含量。

（2）利用金属与氧气反应，消耗密闭容器中的氧气使密闭容器内压强减小，在大气压的作用下，推动刻度器上的活塞移动，测出氧气体积。

2.装置

3.实验现象

a中水面上升约占钟罩内空气体积的1/5 b中进入集气瓶中水的体积约占集气瓶液面以上容积的1/5 c中活塞移动到4处 d中U形管左侧液面上升至刻度1处

e中试管中液面上升至刻度1处 f中右侧的活塞会左移

4.

b中气球的作用：防止压强过大，把橡皮塞弹出。c中活塞先向右运动，最后向左运动停留在“4”刻度处。

5、同学设计了测定空气中氧气含量的实验，实验装置如下图。

图1 图2

某同学对实验进行反思后，提出了改进方法(如图2所示 )，你认为改进后的优点是：

节约资源，减少污染，减少实验误差。

6.

两套装置中的现象。

答案为：（1）甲装置的A中有水流入，约占原瓶空气体积的五分之一，B中无现象；

乙装置的A B 中均有水流入，因为两管相通，红磷燃烧消耗了氧气使两个集气瓶内的气压都下降了．

龙源期刊网

空气中氧气含量测定实验的改进

作者：钟德明

来源：《速读·下旬》2015年第12期

人教版九年级化学上册实验2-1中测定空气里氧气含量所需要的仪器设备都比较常见，操作流程简单明了，现象直观，容易引导学生得出结论。但是我们看到集气瓶内的水增加量有时多于1/5，有时少于1/5。为了让这个实验更能准确环保论证氧气约占空气总含量的1/5，该实验应当进行简单的改进。

一、教材中实验方法易产生误差的原因

首先是集气瓶内气体体积减少量小于1/5的误差分析，原因有这些：第一种，装入燃烧钥匙的红磷量不够多，以至于使瓶内氧气不能耗尽。当然靠燃烧的办法耗尽瓶内氧气是不可能的，我们只能做到使氧气含量达到最低水平。第二种，装置气密性差，而使空气缓慢进入集气瓶内。可能是由于瓶塞不严密，也可能是因为燃烧匙与瓶塞之间有间隙等原因。第三种，燃烧熄灭以后马上打开弹簧夹，也就是集气瓶内空气还未恢复到室温就打开弹簧夹，这样由于剩余空气温度高于原来的温度而使体积膨胀，让进入瓶内水的体积更少。其次是集气瓶内气体体积减少量大于1/5的误差分析，原因有这些：第一，可能是人为的偶然误差，那就是点燃红磷以后瓶塞与集气瓶对接的速度太慢，而此时燃着的红磷已经在加热集气瓶内的空气，集气瓶内的空气受热膨胀，一小部分被挤压到空气中。第二，由于实验开始的时候没有夹紧弹簧夹，等你把导管的右端插入水中时已经有部分膨胀的热空气从导管中排出。这样也会造成进入瓶内水的体积大于1/5。最后，因为集气瓶的不规则，使得划分五等分的刻度不均匀，这样也会产生误差。

二、对空气中氧气含量测定演示教学实验的改进

在按照教材所指出的操作流程反复去做实验以及探究以后，与改进后的实验进行对比发现要能比较成功的做出该实验结果，必须明白这几个注意事项：第一，整个实验必须是在密闭体系里边完成，确保装置不漏气，使得结果准确，而且能避免生成的五氧化二磷的零排放，关于尾气五氧化二磷的零排放笔者在改进实验中会详细介绍。第二，要使实验前后密闭体系内的空气的温度和压强相等，这样才能消除温度、压强的干扰测出空气体积的变化。第三、实现密闭体系中引燃可燃物是关键的步骤，这样就能最大限度减小误差。第四、对反应前密闭体系中空气体积的五等分要做到均匀，且刻度线够细小直观。

一、知识点名称——空气中氧气含量的测定

二、知识点详解

1.实验原理：

现象：实验中可以观察到，红磷燃烧，产生大量的白烟，放出大量热；冷却至室温，打开

弹簧夹后，烧杯中的水倒流入集气瓶中，至约占集气瓶容积的1/5。

结论：通过实验得知，空气中氧气的体积约占1/5。

原理解释：红磷燃烧消耗空气中的氧气，生成固体五氧化二磷，使集气瓶内压强变小，在

外界大气压的作用下，烧杯中的水倒流入集气瓶内，且空气中氧气体积约占空气体积

1/5，所以倒流入集气瓶内的水约占集气瓶容积1/5。

装置：装置气密性良好，（实验前要进行气密性检查）

反应物：1、反应物只与空气中的氧气反应，

2、反应物不能是气体。

3、反应物足量，确保氧气反应完，使测得氧气的体积更

接近空气中氧气的实际体积。

生成物：生成物不能是气体

读数：冷却至室温才能读数

这个实验还可推论出氮气的性质 ：氮气不能支持燃烧（化学性质）；集气瓶内水面上升

一定高度后，不能继续上升，可以说明氮气难溶于水（物理性质）。

实验失败因素分析：

在这个实验中，若气体减少的体积小于1/5，导致结果偏低的原因可能有：（1）红磷

的量不足，瓶内氧气没有耗尽；（2）装置漏气；（3）未冷却至室温就读数。

若该实验中气体减少的体积大于1/5，原因可能是（1）点燃红磷后，插入燃烧匙时，

瓶塞子塞得太慢，使得瓶中空气受热膨胀，部分空气溢出。（2）实验开始时，没有夹或没

夹紧止水夹。（3）装置气密性不好；

2. 空气中氧气含量测定反应物选择：

（1）燃烧法 可用红磷、白磷

加热法 可用Cu、Hg

比较：A:红磷、白磷 原理相同：4P+5O2—→2P2O5

红磷须外部点燃；白磷着火点很低，微热即可，所以可直接在密闭装置内引燃

实验结果：用白磷比用红磷误差小。

B：Cu、Hg 汞有污染，不建议使用

（2）不可用：铁丝 因为铁丝在空气中不能燃烧

不可用： Mg 因为Mg能与空气中的氧气、二氧化碳、氮气反应