◎湖南省汨羅市屈子祠鎮(zhèn)范家園初級中學 毛雄 熊永玲

在初中化學課程中，空氣中氧氣含量的測定實驗是學生探究空氣成分的重要實驗，能幫助學生由感性認識轉化為理性認識，打開他們探究化學知識、感受化學魅力的大門。

一、教材實驗探究

在人教版化學九年級上冊第二單元課題一“空氣”中，空氣中氧氣含量測定實驗是：在密封的集氣瓶中，通過燃燒紅磷發(fā)生化學反應消耗空氣中的氧氣，使得集氣瓶內(nèi)壓強減小。由于集氣瓶內(nèi)外存在壓強差，水通過導管進入量杯，進入量杯中的水的體積就代表空氣中氧氣的體積，如圖1所示。

圖1 教材中測定空氣中氧氣含量實驗的裝置圖

為了達到實驗目的，實驗選材需滿足以下要求：能在空氣中與氧氣發(fā)生反應且不消耗空氣中的其他成分；反應后不生成其他氣體；實驗中燃燒的紅磷需過量。

該實驗可以改進的地方有：紅磷在外部點燃后再伸進密閉集氣瓶，這樣做會污染空氣；伸入密閉集氣瓶中的導管只能起到吸水的作用，并未充分利用；實驗過程中，氣體受熱膨脹易將橡皮塞沖開，實驗裝置有炸裂的危險；若操作時間把握不準，提早打開開關，會使氣體外泄或者導管末端冒泡，影響實驗所得數(shù)據(jù)的準確性。

二、改進后的實驗裝置

空氣中氧氣含量測定儀如圖2、圖3所示，由適用于學生實驗的直流安全電源、發(fā)熱接頭、鐵架臺、自行設計與制作的紅磷反應玻璃容器等四部分組成。

圖2 裝置說明圖

圖3 空氣中氧氣含量測定儀實物圖

發(fā)熱接頭裝置如圖4所示，制作過程如下：

1.將兩根等長的銅線與燃燒匙插入橡膠塞中，確保塞緊，不漏氣；

2.將銅線一端連接直流安全電源，另一端緊連一根特制電阻絲，使銅絲兩端形成彎扣，另一根銅絲也按如上步驟操作；

3.將兩根銅絲連接電源的一端的電線系緊在彎扣上，并用電膠布包好，確保不漏電；

4.連接電阻絲的一端，需將電阻絲緊緊纏繞在彎扣上，并用老虎鉗夾緊，確保不脫落；

5.將電阻絲放在燃燒匙的正中央，整個發(fā)熱接頭伸入球形玻璃容器的中央部位，確保不靠近玻璃壁。

圖4 發(fā)熱接頭裝置

紅磷反應玻璃容器是我們畫圖設計后，送至四川省的一家玻璃廠定制的，在工廠現(xiàn)場制作模具后用玻璃原料一次性澆筑而成。球形玻璃容器的容積為200 mL，右側玻璃管外壁有刻度標識，用于記錄液面上升與下降的數(shù)值。設計時，球形玻璃容器與玻璃管連接部位順滑，確保了液體流動的順暢。

三、實驗過程

1.準備少量水，將其從玻璃彎管口灌入實驗裝置，再向水中添加少許高錳酸鉀粉末，使溶液呈紫色且不生成其他物質。將實驗裝置固定在鐵架臺上，檢查其氣密性。反應開始前的裝置如圖5所示。

圖5 反應開始前，右側玻璃管中的水位為初始刻度

2.打開電源開關，電阻絲發(fā)熱點燃紅磷，球形玻璃容器內(nèi)的空氣受熱膨脹，右側玻璃管中的水位上升，如圖6所示。

圖6 球形玻璃容器內(nèi)的空氣受熱膨脹，右側玻璃管中的水位上升

3.反應完成后關閉電源，右側玻璃管內(nèi)水位緩慢下降。

4.待裝置冷卻后，對比右側玻璃管的初始刻度和最終刻度，即可計算出球形玻璃容器內(nèi)紅磷燃燒時所消耗的氧氣占空氣的體積分數(shù)，最終刻度如圖7所示。

圖7 反應結束后，右側玻璃管中的水位為最終刻度

四、裝置改進效果

這款空氣中氧氣含量測定儀有以下優(yōu)點。

1.科學環(huán)保

本裝置讓紅磷在密閉環(huán)境中燃燒，生成的五氧化二磷無法飄散，不僅環(huán)保，還保障了師生的身體健康，體現(xiàn)了以人為本的教學理念。

2.新穎獨特

本裝置結構簡單，制造成本低，并且裝置從測量、畫圖、設計模具、澆筑、風干成型，每一步都是我們自主設計完成的，具有創(chuàng)新性和獨特性。

3.安全無毒

紅磷在球形玻璃容器里有充足的燃燒空間，玻璃內(nèi)壁不會因燃燒時受熱不均而炸裂。當紅磷燃燒時，球形玻璃容器內(nèi)的空氣受熱膨脹，右側玻璃管中的水位會上升，有效避免了空氣膨脹帶來的安全隱患，不會出現(xiàn)教材實驗中橡膠塞被沖開、反應容器炸裂的危險。

4.效果直觀

使用本裝置，學生可直接觀察到紅磷燃燒時放出的大量白煙、氣體受熱膨脹的現(xiàn)象，加入了高錳酸鉀的紫色溶液能讓升降效果更直觀、有趣。

5.操作簡單

組裝好儀器后，教師只需開、關儀器，兩步便完成演示。操作極其簡單，解放了教師的雙手，讓教師有更多時間與學生互動。

6.結論明顯

玻璃管右側有刻度標尺，可以直接顯示氣體體積的變化，如氣體膨脹時可以讀取所膨脹的體積數(shù)，氧氣耗盡時可以讀取氧氣占空氣的體積數(shù)。

7.學科融合

本套裝置既包含了化學學科中物質燃燒、空氣中氧氣含量等知識，也包含了物理學科中氣體壓強、液體壓強、連通器、電流的熱效應等知識點，體現(xiàn)了學科融合的特點，對提升學生的綜合素養(yǎng)有很大幫助。