“空气中氧气含量测定”实验的改进与创新

摘要

在实际课堂教学中，人教版化学九年级上册教材中“测定空气里氧气的含量”实验存在操作困难、有污染和误差大等问题。针对以上问题，设计一款智能化程度高、绿色环保和误差小的创新实验装置，一方面借助远程遥控电热丝加热实现红磷的快速自动引燃，另一方面利用注射器可精确测定氧气的体积分数，实验效果显著，具有推广价值。

Graphical abstract

关键词

初中化学 / 遥控引燃 / 红磷 / 注射器 / 氧气含量 / 空气 / 测定

“测定空气里氧气的含量”实验是人教版化学九年级上册中的第一个定量实验，也是初中化学经典的演示实验之一，它为后面氧气的性质和其他实验的学习起到了重要铺垫作用，具有教学上的引导价值。

1 教材实验主要疑难点及原因分析

人教版化学九年级上册教材中有实验2-1“测定空气里氧气的含量”，该实验在实际的课堂教学中很难成功，主要存在以下的疑难点，笔者对这些疑难点进行了原因分析，希望找到解决办法。①误差较大：红磷燃烧的整个过程没有在密闭装置内完成，另外在点燃红磷到插入集气瓶的过程中，装置内的空气容易受热逸出，造成误差；② 污染环境：燃烧匙在伸入集气瓶的过程中，红磷燃烧所产生的大量白烟会逸散到空气中，造成空气污染，危害师生的健康；③有一定安全隐患：红磷燃烧放出热量会导致装置内的温度升高，而空气受热膨胀后会引起装置内的压强增大，容易使瓶塞冲出。

2 研究现状与分析

金隆等^［1-3］将实验药品红磷换成白磷进行实验。白磷比红磷的着火点更低，实验操作更加简单节能；通过水浴、太阳光照射等方式就能引燃白磷，整个实验在密闭装置内进行；实验生成的五氧化二磷不会排放在空气中，避免了空气污染。但白磷属于危险化学品，其采购、使用、废弃物处理等环节都需要实时记录于公安系统中，程序复杂；白磷具有剧毒属性，易自燃，故在课堂上利用白磷开展实验活动具有较大的危险性。

俞佳等^［4-5］将红磷替换成铁粉进行实验，利用铁的氧化反应测定空气里氧气含量。原材料来源于生活，产物无污染，环保安全。但实验时间较长，大约需要10 min，不利于在课堂上推广。

王培明等^［6］利用电烙铁引燃白磷测定空气中氧气的含量。使用的粗铜丝、电烙铁等原材料是常见的生活器材，取材容易；整个实验过程在密闭装置中进行，避免了燃烧产物对环境的污染。但电烙铁连接的是220 V电压，具有一定的安全隐患；整个热量传递过程的热量损失大，传热过程耗时长，仅引燃红磷就需要约3 min，浪费了宝贵的课堂教学时间。

3 装置设计思路与原理

3.1 遥控引燃红磷的原理

（1） 采用电热丝加热的方式点燃红磷，即可直接在集气瓶内加热引燃红磷。电热丝选用镍铬合金材料，将电热丝绕成螺旋线圈状，达到快速升温的效果。

（2） 选用截面直径0.5 mm、长度21 cm、螺旋线匝数16的电热丝，具有易成型、加热效率高的优点。红磷加热采用电池作为供电装置，而电池的电压与容量均会影响到红磷的加热效率，考虑到实验操作的安全性，应在保证引燃红磷的基础上，尽可能选用较低的电压。经过多次测试，使用额定容量为1 300 mAh、电压为11.1 V的电池给电热丝供电，恰好能够快速加热到红磷的着火点，因此实验选用该参数的电池。

（3） 为提升实验的安全性和可控性，电热丝加热的控制采用远程遥控的方式。将继电器以串联方式接入电热丝加热的电路中，通过遥控器发射红外信号控制继电器开关的闭合或断开，从而实现对电热丝工作状态的精准遥控。

3.2 定量测定氧气的原理

（1） 采用去掉针头的200 mL注射器作为测定仪器，通过橡胶塞上的小孔与集气瓶连接。说明：注射器中的活塞可以内外移动，以平衡气压，即：在温度升高时，注射器活塞向外移动，冷却时注射器活塞向内移动；红磷燃烧消耗氧气，注射器活塞向内移动；待红磷熄灭并冷却后，实验前后注射器示数的差值就是注射器中减小的体积，且注射器中减小的体积等于消耗氧气的体积。由此，通过注射器定量测定，就能测出红磷燃烧消耗氧气的量。

（2） 红磷在装置内燃烧，导致装置内压强增大。说明：注射器活塞能够内外移动，当压强增大时，活塞向外移动，规避了因压强过大而致活塞直接冲出的危险；实验前，在注射器中预留一定量的气体，且注射器中气体的体积大于装置中空气体积的1/5。由实验前后对比，就能依据注射器中气体减少的量测定空气中氧气的含量。

（3） 实验数据定量分析。

①空气的体积=集气瓶的容积+注射器中空气的体积-水的体积。

②氧气的体积=实验前后注射器示数的差值。

③氧气体积分数=（氧气体积÷空气体积）×100％。

3.3 实验装置设计

（1） 依据以上实验设计思路和原理设计出如图1所示的改进实验装置，该改进装置分为遥控模块、化学反应模块及测量模块三部分。

（2） 遥控模块主要由电池、继电器、电热丝及遥控器构成，可实现对电热丝的遥控加热功能；化学反应模块主要由红磷、集气瓶、水及燃烧匙组成，用于发生红磷燃烧反应；测量模块主要为200 mL注射器，用于测定红磷燃烧消耗氧气的体积。

4 实验材料

红磷、250 mL集气瓶、橡胶塞、200 mL注射器、燃烧匙、凡士林1瓶、电热丝（直径0.5 mm）、电池（11.1 V）、导线2根、继电器1只、遥控器1个。

5 操作步骤

（1） 推动注射器活塞，在注射器中预留100 mL空气。

（2） 在集气瓶底部加入20 mL水，燃烧匙里加入足量的红磷，活塞润湿塞紧，仪器连接处涂抹适量凡士林加强密封，连接好仪器。

（3） 遥控打开电源，电热丝发热引燃红磷；随即红磷燃烧，集气瓶内产生大量白烟，注射器活塞向上移动。

（4） 当集气瓶中有少量黄烟产生时，遥控关闭电源，停止加热，注射器活塞缓慢向下移动。伴随着整个实验过程的进行，注射器活塞由最初的V₁下降到V₂。

（5） 记录、处理实验数据，并对结果进行分析。

①空气的体积=集气瓶的容积+注射器中空气的体积-水的体积=250 mL+100 mL-20 mL=330 mL。

②实验测得的相关数据如表1所示。

③结果分析与说明：对实验结果取平均值，氧气体积分数为19.03%，大约占空气体积的1/5。数据较为准确，但相比实际的精准氧气含量偏小一点，主要是因为红磷作为耗氧剂并不完美。当装置内氧气含量降低到一定浓度以下时，红磷就不再燃烧。反应结束时，还有少量氧气残留在装置内。张贞等^［7］利用KY-2B型控氧仪精确测量氧气含量，即在红磷燃烧结束后，测出装置内氧气残留量约为2.45%。

（6） 利用红磷作为耗氧剂具有以下优势。

①实验原理简单，符合学生当前认知水平；②不同于铁粉的氧化，红磷燃烧现象更加明显，耗时更短；③白磷易自燃，有剧毒，而红磷不会自燃，几乎无毒，使用相对安全；④相比于其他药品，红磷具有不可替代的优势。

6 实验改进的效果

（1） 该实验使用的注射器、电热丝、电池等均为常见的生活工具，取材容易，价格低廉。

（2） 在保证安全性和易操作的前提下，通过分析影响红磷加热效率的主要因素，选择了电热丝和电池的具体参数，从而实现了封闭空间内高效率的红磷可控引燃。

（3） 整个实验都在一个密闭的装置内进行，防止了实验的燃烧产物五氧化二磷的逸出，避免了环境污染，符合绿色化学理念。

（4） 注射器中的活塞能够自由内外移动，避免了因压强增大而导致瓶塞冲出的危险。注射器上标有刻度，学生可实时观察由于压强变化所引起的注射器示数变化。

（5） 引燃方式巧妙、智能，遥控距离超过15 m，只要一键按压遥控器按钮，就能控制红磷的引燃和停止。

（6） 在集气瓶内遥控引燃红磷，省去了将燃着的红磷从集气瓶外迅速伸入集气瓶内的过程，减小了实验误差。

将二氧化锰固定于玻璃棒并结合压强传感器的使用，使催化剂的特性能定量地以数据和动态曲线方式直观呈现，显著提升了学生的探究兴趣，强化了实验的严谨性。学生在数据采集与分析过程中主动讨论压强变化与反应速率的关系，使科学思维得以深化，教学效果佳。

参考文献

[1] 金隆，夏肖华，郑佩.测定空气中氧气含量实验的再改进与再思考［J］中学化学教学参考，2021（19）：48-49.

[2] 刘金利，刘霞.环保型“空气中氧气含量的测定”实验［J］.中学化学教学参考，2018（10）：53.

[3] 平占斌.测定空气中氧气含量实验六法［J］.发明与创新（中学时代），2011（05）：16，19.

[4] 俞佳，曲喜欢.利用生活用品测定空气中氧气的含量［J］.实验教学与仪器，2018，35（10）：36-38.

[5] 颜石珍，夏骏.“空气中氧气含量测定”实验的改进与创新［J］.实验教学与仪器，2022，39（04）：29-31.

[6] 王培明，徐宝刚.利用电烙铁引燃白磷测定空气中氧气的含量［J］.实验教学与仪器，2020，37（02）：41-43.

[7] 张贞，杨承印.空气中氧气含量测定实验原理探析［J］.中学化学教学参考，2010（11）：36-37. （上接第70页）

[8] 强变化基本相同，又从定量角度说明二氧化锰化学性质没有改变。综合本节课上述3个方面的对比，达到了培养学生化学反应速率改变的“一变”、质量和化学性质不变的“二不变”的素养目标，最终得出二氧化锰在过氧化氢分解制氧气中是催化剂，起到催化作用这一实验结论。

[9] 改进优点

[10] 由定性到定量。改进后的实验通过压强传感器将产生的氧气由定性看气泡、验气体，变为看气体压强数据和图象，这就从定量的角度说明了二氧化锰的化学性质不变。

[11] 精准控制变量。用同一注射器分次添加等量H₂O₂溶液进行实验，控制了H₂O₂溶液体积和浓度相等，实验结果更严谨，同时不会因液体的不断增多而外溢，安全系数高。

[12] 数据可视化。采用压强传感器和实验数据分析软件，就能用图象表示氧气引起的压强变化，数据的可视化非但使实验现象直观，更使实验结果具有说服力。

[13] 药品易分离。将二氧化锰粘在玻璃棒上，便于进行固液分离，减少了二氧化锰在转移过程中的损耗，降低了误差，同时便于干燥和称量。

[14] 现象明显。二氧化锰粘在玻璃棒上，当其与H₂O₂溶液反应时，溶液不会变浑浊，气泡现象明显。

[15] 结语

基金资助

长沙市教育科学“十四五”规划重点资助课题“大概念统领下初中化学单元整体教学设计研究”(CJK2023012)

湖南省教育学会“十四五”教育科研课题“基于科学思维的中学‘化学+’跨学科实验教学研究”(A-422)