空气中氧气含量的测定实验

浅析空气中氧气含量测定实验

“空气中氧气含量测定实验”位于人教版九年级上册第二章，是初中化学的第一个定量实验。教材本实验是利用红磷燃烧消耗烧杯内氧气，装置如图1所示，通过水倒吸的体积，粗略测定密闭装置内氧气的体积，集气瓶内水平面上升约 1/5，说明空气中的氧气被消耗了，消耗的氧气约占空气体积的1/5，从而测出空气中氧气的含量。通过对该实验的探究，揭示了空气的组成，开启了具体物质的学习。

但是，该实验方案存在一定的缺陷，产生一定误差，难以得出氧气约占空气体积的1/5的结论，实验误差原因如下：

(1)药品选择不合理

红磷的着火点为 240℃，如果在集气瓶外用酒精灯进行点燃，生成物五氧化二磷白烟会大量逸散到空气中，这样造成环境污染；除此之外，红磷燃烧无法彻底消耗氧气，磷在集气瓶内燃烧结束后，瓶内仍有7%以上的氧气剩余。

(2)装置系统误差

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，装置的气密性很难达到标准；红磷燃烧过程中放热，会使瓶内气体受热膨胀，有可能使塞子弹出，造成实验的偶然误差；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，导致测量误差; 用于测量气体体积所标示的刻度线不够精确等。

图1 测定空气中氧气的含量

1 实验改进药品的选用

1.1 白磷

白磷，着火点比红磷更低，约为 40 ℃，易燃烧。一些化学老师使用水浴加热、通电后铜丝发热、吹风机加热、激光笔等方式引燃密闭装置内的白磷，生成的白烟始终在装置里，不会造成空气污染，对环境友好；同时与外界没有物质交换，避免了装置系统误差。

俞红星老师利用放大镜会聚太阳光(图2)和热水浴法(图3)使白磷燃烧，放大镜聚焦法只有光源充足情况下实验才有可能成功，出于课堂场地、安全与课时等方面考量，无法组织学 生在课外进行该实验；热水浴法则需不断给水加热，同时要避免集气瓶过热导致爆裂，该方法比较耗时且存在安全隐患，不适合演示实验。姚秋玲和王锋老师用激光笔在室温下 5 s 内点燃白磷，但这需要使用大功率的激光笔，学生一旦使用不当可能会造成眼睛灼伤、甚至引起火灾等不良后果。朱华英和刘怀乐老师用预先加热的玻璃棒与白磷接触使其燃烧(图4) ，但玻璃棒的预热程度并不易于控制。

测定空气中氧气的含量

探究：（1）可用多种方法测定空气中氧气的含量，其原理都是利用某些物质在一定量的空气中，完全消耗其中的氧气而又不产生其他气体，导致压强减小，减少的体积即为空气中氧气的体积。

（2）常用来研究空气成分的药品和装置

研究空气成分的常用药品必须是易与氧气反应且没有气体生成的物质，如磷、铜丝，因为它们在空气中与氧气反应生成固体物质，一般不选择铁丝，因为铁丝在空气中难以燃烧，也不选择碳和硫，因为它们燃烧后生成的产物分别是二氧化碳气体和二氧化硫气体，燃烧后装置内压强变化不大。装置除课本提供的类型外通常还有如下四种：

图1

注意：所用来反应的物质必须足量，容器的气密性必须良好，不漏气

【例题】用来测定空气成分的方法很多，图1所示的是小明用红磷在空气中燃烧的测定方法。实验过程

第一步：将集气瓶容积划分为五等份，并做好标记。

第二步：点燃燃烧匙内的红磷，伸入集气瓶中并把塞子塞紧。

第三步：待红磷熄灭并冷却后，打开弹簧夹，发现水被吸入集气瓶中，进入集气瓶中水的体积约为集气瓶总容积的1/5。

请回答下列问题：

（1）上面的实验同时证明了氮气有_________________的化学性质。

（2）实验完毕，若进入集气瓶中水的体积不到总容积的1/5，你认为导致这一结果的原因可能是________________。

（3）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________________。

图2 空气中氧气含量的测定

1.小明用上中图装置来测定空气中氧气的含量，对该实验认识正确的是（ ）

A.使用红磷的量多或少，都不会影响实验结果

B.燃烧足够的红磷可使进入容器的水占容器的4/5

C.红磷燃烧消耗空气中的氧气，使容器内压强下降，水面上升

空气中氧气含量的测定、氧气

1．我们已经知道，空气的主要成分是氮气和氧气．

右图是测定空气中氧气含量的实验装置．试回答下列问题：

（1）实验过程中，燃烧匙里为什么要盛放过量的红磷？

（2）这个实验除了可以得出氧气约占空气体积的l/5的结论外，还可推导出氮气 （填“易”或“难”）溶于水和其化学性质 （填“活泼”或“不活拨”）的结论．

（3）在此实验过程中能否用碳、硫代替红磷？ ．

2．学课外活动小组的同学在查阅资料后知道：

铜丝+氧气氧化铜

因此对空气中的氧气含量的测定实验做了如下改进：

在由两个注射器组成的密闭系统内充有20mL空气（如图所示），然后给装有铜丝的玻璃管加热，同时交替缓慢推动两个注射器的活塞，至玻璃管内的铜丝变黑且较长时间内无进一步变化，停止加热后，待冷却至室温将气体全部推至一个注射器中．请根据你对上述实验的理解回答下面的问题：

（1）实验完成后，注射器内空气的体积约减少了 ，这是因为 ．

（2）在实验过程中，交替缓慢推动两个注射器的目的是

（3）改进后的实验只是粗略测定空气中氧气含量的一种方法，你认为造成该实验不够精确的可能原因有 ．（填序号）

①没有交替缓缓推动两个注射器活塞； ②读数时没有冷却至室温；

③加入铜丝量太少； ④加入铜丝量太多．

3．某化学小组测定空气中氧气的体积分数．用四硫化钠（Na2S4）固体可替代红磷测定空气中氧气的体积分数．反应原理为：2Na2S4+O2+2H2O=8S↓+4NaOH（氢氧化钠）．

小资料：四硫化钠（Na2S4）与氧气、水反应生成难溶于水的固体硫（S）和易溶于水的氢氧化钠．

【实验过程】

①取足量的四硫化钠固体加入试管中，再加入适量的水，迅速塞紧橡胶塞，充分振荡．测量液面至橡胶塞下沿的距离，记录数据h1（如图1所示）．

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关于“测定空气中氧气含量”的实验教学

作者：韦秀明

来源：《成才之路》2011年第33期

九年级化学第二单元课题1《空气》中“测定空气中氧气含量”的实验是本课题的重点和难点，也是历年中考的热点。笔者在教学中注意引导学生观察、对照、分析实验原理和现象，并对实验出现的误差进行分析，提高了学生的实验探究能力。

以前，我在上这个内容时，一开始就展示实验装置进行演示，学生只是被动地去看、听，跟着老师走，而至于该实验的原理是什么？为何要做这个实验？为什么要这样做？能否用其他方案？学生都不是很清楚。

过后我认真分析了一下原因，首先是学生还没有学到压强，还不懂压强差这个概念，物理中有压强这一内容，但却编排在化学中该内容的后面；其次是对水为什么能流入集气瓶不太了解。至于根据实验现象得出结论、误差的原因分析，更是无从下手了。

为了提高学生的观察、分析、推理能力，我在上该内容前作了充分的准备，精心备课。首先要让学生了解压强的概念，什么状态的物质受压强的影响；其次引导学生分析该实验是利用压强差的原理，即利用红磷燃烧消耗氧气，致使集气瓶内的气体体积减少，压强也减少，在外界大气压的作用下，烧杯中的水被压入集气瓶中，进入瓶内的水的体积比例即为瓶内空气中氧气的体积含量。为使学生清楚水为什么会流入集气瓶？我先让学生回忆一下小学自然课的“怎样使水往上流”内容，然后再补充做一个实验：取医用塑料注射器，把活塞推到头，针头插到一块橡皮胶上，再用力拉活塞到20mL刻度（给学生观察活塞所到的刻度），然后把针头连同橡皮胶放入水中，拿开橡皮胶并松开手，就会观察到水自动进入注射器，进入的水的体积刚好是20mL。通过直观实验，学生很容易理解进去的水的体积就是气体消耗的体积，为后面的实验作辅垫。当演示该实验时，我还设计了一组对比实验，即把燃烧的红磷分别伸入敞口和密闭的集气瓶中，引导学生分析为何在敞口的红磷能持续燃烧，而在密闭的只能燃烧一会儿就熄灭，从而得出空气中含有氧气，燃烧消耗氧气，氧气消耗完燃烧就停止，加深学生的认识。为了使现象更明显，学生观察得更清楚，我事先把集气瓶分为五等份，并贴上标记，在水中滴入几滴红墨水，导管注满水，然后再演示实验，这样误差较小，效果明显。