江蘇省徐州三中云龍實(shí)驗(yàn)學(xué)校(221000) 魏 海

江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221000) 李德前 張 羿

測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)，一直是初中化學(xué)教科書(shū)中編排的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)行人教版、滬教版、仁愛(ài)版、粵教版化學(xué)教材中，都是采用燃磷法測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 燃磷法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)裝置圖

該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)進(jìn)程快，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀。但是，該實(shí)驗(yàn)的常規(guī)操作都是將紅磷在集氣瓶外引燃，再伸入集氣瓶?jī)?nèi)，然后封閉集氣瓶；由于橡皮塞封閉集氣瓶的操作總是滯后于紅磷在集氣瓶?jī)?nèi)的燃燒，導(dǎo)致部分空氣受熱逸出集氣瓶，因此增大了實(shí)驗(yàn)誤差。紅磷被引燃后，為了能盡快將其伸入集氣瓶?jī)?nèi)，并及時(shí)封閉集氣瓶，操作者常會(huì)手忙腳亂。另外，磷在集氣瓶外燃燒冒出的白煙擴(kuò)散到空氣中，對(duì)環(huán)境也有一定的污染。

現(xiàn)行魯教版化學(xué)教材中，采用的是銅氧化法測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

圖2 銅氧化法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)裝置圖

該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有污染，而且耗氧徹底。但是，教科書(shū)中提供的實(shí)驗(yàn)裝置組裝起來(lái)很麻煩，操作較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不夠直觀。

1 對(duì)教科書(shū)上燃磷法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.1 改進(jìn)思路

主要是基于 “逆向法”，將紅磷 (或白磷)封閉于容器后，再去引燃；以及 “替換法”，用U型管替換集氣瓶、小燒杯和導(dǎo)氣管，用硫酸銅溶液代替水。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3(夾持裝置略)。

圖3 燃磷法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)用品

20mm×200mm的U型管(含配套的橡皮塞)、短柄燃燒匙(普通燃燒匙截短)、鐵架臺(tái)、藥匙、紅磷(或白磷)、硫酸銅溶液等。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)取一個(gè)20mm×200mm的U型管(總?cè)莘e約50mL)，向其中注入大約25mL的硫酸銅溶液(此時(shí)液面在U型管支管的中下部)，然后將其固定在鐵架臺(tái)上。

(2)將U型管的左支管液面以上的空間5等分(要考慮下一步塞入橡皮塞時(shí)所占的容積)，并用記號(hào)筆標(biāo)識(shí)刻度為0、1、2、3、4。

(3)取一個(gè)與U型管口配套的橡皮塞，在橡皮塞反面插入一個(gè)短柄燃燒匙，在燃燒匙里放入足量的紅磷(或白磷)。

(4)如圖3所示，快速連好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，并確保裝置的氣密性良好(傾斜U型管，如果左、右兩個(gè)支管內(nèi)的液面不在同一水平面并形成穩(wěn)定的高度差，則裝置不漏氣)。

(5)如果耗氧物使用的是紅磷，可以借助于大功率的激光筆，照射紅磷使其燃燒。如果耗氧均使用的是白磷則無(wú)需加熱，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)多在9～10月份進(jìn)行，當(dāng)時(shí)的氣溫足以使白磷很快自燃。

在磷剛?cè)紵囊凰查g，U型管的左支管內(nèi)封閉的空氣受熱膨脹，從而引起左支管內(nèi)的液面下降、右支管內(nèi)的液面上升。稍后，磷燃燒結(jié)束，由于左支管內(nèi)的氧氣被消耗，從而引起左支管內(nèi)的液面緩慢上升、右支管內(nèi)的液面緩慢回落。

(6)等到U型管恢復(fù)到室溫，觀察到左支管內(nèi)的液面最終處于刻度1處，說(shuō)明空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)大約是1/5。

(7)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，殘留的紅磷可以用蒸餾水清洗干凈，再回收利用；殘留的白磷可以直接浸入硫酸銅溶液中，以化解白磷的毒性。

1.5 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)在封閉的體系里進(jìn)行，并用硫酸銅溶液化解白磷的毒性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程幾乎沒(méi)有污染，因此提高了實(shí)驗(yàn)的安全性。

(2)使用U型管代替集氣瓶、小燒杯和導(dǎo)氣管，因此簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)操作也變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

(3)使用硫酸銅溶液代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)使用的水，液面變化清晰，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀，因此增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

(4)將磷先封閉于容器內(nèi)再設(shè)法引燃，容器內(nèi)空氣不會(huì)逸出，確保了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 對(duì)教科書(shū)上銅氧化法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)思路

主要是基于“縮小省略法”，將硬質(zhì)玻璃管和注射器縮減為全玻璃注射器，以此為基礎(chǔ)組合新的簡(jiǎn)單裝置。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4(夾持裝置略)。

2.3 實(shí)驗(yàn)用品

50mL硅硼鋁材質(zhì)的全玻璃注射器(耐高溫)，小氣球，鐵架臺(tái)，酒精燈，藥匙，銅粉(或細(xì)銅絲)等。

圖4 銅氧化法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置圖

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)準(zhǔn)備一個(gè)50mL的全玻璃注射器，取出里面的玻璃芯桿，然后將適量的銅粉送入注射器針筒內(nèi)，并平鋪在針筒底部偏左的位置；再將玻璃芯桿重新插入針筒內(nèi)，并使玻璃芯桿的頂端處于50mL刻度處。

(2)在注射器的吸入口上套一個(gè)癟的小氣球，然后來(lái)回推拉玻璃芯桿幾次，如果小氣球隨之變大、變小，則說(shuō)明裝置不漏氣。

(3)將裝置固定在鐵架臺(tái)上，用酒精燈外焰預(yù)熱玻璃針筒，然后對(duì)準(zhǔn)銅粉加熱。在加熱銅粉的同時(shí)，緩慢推拉玻璃芯桿十幾次(每次推拉幅度不要超過(guò)30mL刻度線(xiàn))。可以觀察到銅粉逐漸變黑，說(shuō)明銅與氧氣發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

(4)充分反應(yīng)后停止加熱，待注射器針筒冷卻至室溫，將小氣球內(nèi)殘留的氣體擠入針筒內(nèi)(確保小氣球與實(shí)驗(yàn)前一樣癟)，此時(shí)玻璃芯桿最前端大約位于40mL刻度處，說(shuō)明空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)大約是1/5。

2.5 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)儀器減少了，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單了，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便了，由觀察現(xiàn)象到得出結(jié)論更加直觀、流暢。

(2)該實(shí)驗(yàn)裝置也可以用于燃磷法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)。

(3)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)蘊(yùn)含著一些定量數(shù)據(jù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的定量意識(shí)和理性思維。

6 小結(jié)

總之，對(duì)課本上傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，不僅是為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效益，更關(guān)鍵的是開(kāi)闊學(xué)生的眼界，引發(fā)學(xué)生的懷疑精神，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情，從而不斷發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，同時(shí)在教學(xué)相長(zhǎng)中提升化學(xué)教師的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。