空气中氧气含量测量实验的新设计

沙琦波

摘要：针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，后来導管里充满了水，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。

（2）实验过程中需要使用较多的玻璃器皿，不小心容易打碎，且在酒精灯上点燃红磷时，生成的五氧化二磷颗粒以白烟的形式扩散到空气中，有一定的毒性，因而存在割伤、烧伤、中毒等安全隐患。

为此，需要研究设计更为优化的实验方案，解决上述问题，以期提高教学效果。

2 相关文献分析

检索近几年的相关文献资料，并将众多的改进方案归纳如下。

2.1 换用更易于点燃的白磷

由于红磷的着火点是260℃，白磷的着火点只有40℃，所以可以用更为简便的方式将白磷点燃。如朱华英和刘怀乐[3]改进了教材装置中的集气瓶塞，在燃烧匙里放一块白磷，用力把预先加热的玻璃棒从集气瓶瓶塞按下与白磷接触使其燃烧（如图2所示），但玻璃棒的预热程度并不易于控制;俞红星[4]利用放大镜会聚太阳光（如图3所示）或热水浴来加热白磷（如图4所示）。但放大镜聚焦法难免会受到天气影响，只有在阳光充足的情况下实验才有可能成功。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;曹碧华[5]采用电热丝通电加热或酒精灯加热铝丝导热的方法来使白磷燃烧。但装置稍显复杂，对电池功率的要求较高。铝丝导热效率也不够理想，且因其质软，在穿过橡胶塞时容易弯曲，导致装置漏气，使实验成功率低;姚秋玲和王锋[6]用激光笔在室温下5s内点燃白磷，而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。

2.2 设计更精密的实验装置

反应容器往往为试管、U型管、直玻璃管，不仅使反应容积减小，节省了药品用量和实验时间，容器内径上下基本一致，增加了测量的准确性。例如，尚广斗[7]将底部有一小孔的大试管竖直置于盛有水的烧杯中，塞紧带有燃烧匙和粗铜丝的橡皮塞，用灼热的铜丝引燃燃烧匙中的白磷，气体体积用试管中间部分的气体高度来表示（如图5所示）;师海满等[8]在U型管内注入适量水，在金属网勺内放入适量白磷，将橡皮塞置于U型管有刻度一端使其充分密闭，用酒精灯给导热金属棒加热使白磷燃烧，充分冷却后，U型管封闭端水面上升（如图6所示）。但反应结束后，玻璃管内外或两侧的高低液面产生压强差，由于装置本身的问题而难以缓解调整，致使实验测量不准确。

以上改进思路均具有一定的科学性，基本满足了装置密闭性要求，但仍难以避免白磷燃烧的产物五氧化二磷外逸污染空气;有的装置过于复杂，器材需要再加工才能使用，组装、操作、气体体积计算均较繁琐，现象不够直观，使实验难度增加了不少，不利于学生独立开展实验。

2.3 食品脱氧剂的应用

常见的食品脱氧剂多为无机铁系脱氧剂，主要成分为高纯度的活性铁粉和催化剂的混合物，其原理为铁粉和氧气在催化剂作用下发生氧化反应，并释放一定热量（常用作暖宝宝内容物），实质是利用铁的吸氧腐蚀除去氧气。

徐泓[9]将脱氧剂置于100mL量筒中，用玻璃棒将其捅入量筒底部并使之固定，再将量筒迅速倒置于盛有水的大烧杯中，进而观察量筒内液面的上升情况（如图7所示）;他的另一个实验方案是将脱氧剂用弯曲的大头针固定在橡皮塞上，迅速将橡皮塞塞紧在广口瓶上，观察量筒中水的减少量（如图8所示）;朱清勇[10]将还原铁粉和活性炭粉充分混合后均匀地铺在试管中，迅速塞紧橡皮塞，导管伸入装有水的量筒中，一段时间后打开止水夹，观察到导管中的水面不断上升，待水位稳定后读取量筒内的剩余水量（如图9所示）。但以上三个方案的共同缺陷是未排除脱氧剂本身体积对测量结果的影响，且导管内外的水位差亦会引起压强差，从而造成一定的误差。

3 优化方案设计

通过对上述改进方案的讨论，根据中学化学探究性实验必须遵循的科学性、可行性、简约性、直观性、安全性等原则，笔者进行深入研究，设计了新的改进方案。

3.1 装置结构

本装置（如图10所示）涉及实验教学和教具领域，包括底座和固定在其上面的立板，在立板上水平间隔固定有两个夹子，夹子内分别夹持有上下呈连通状态且形状和体积一致的第一容器和第二容器（两个塑料针筒），它们的表面带有相同的刻度，下端开口之间过盈（过盈是指孔的尺寸减去相配合的轴的尺寸所得代数差为负值）套接有橡胶导管，橡胶导管上设置有止水夹。在第一容器内装有水（滴有红墨水，方便观察）;在第二容器内装有铁系列食品脱氧剂（如暖宝宝内容物），上口设置活塞。

3.2 实验原理

用食品脱氧剂将第二容器内空气中的氧气耗尽形成负压，然后打开止水夹，在压强差的作用下，第一容器内的水倒吸入第二容器中。调节第二容器的高度，使第二容器中的液面与第一容器中的液面最终高度相同，防止液体压强对实验结果的影响。此时进行读数，进入第二容器的水的体积则为消耗的氧气体积，由此通过计算验证氧气所占原空气体积的百分比。

3.3 实验步骤和结果

（1） 先將夹有止水夹的橡胶导管的一端过盈套在第一容器底部，在第一容器内加入适量水，在水中滴加几滴红墨水使其更加明显。

（2） 气密性检查： 将第二容器的活塞向上拉至一定刻度处，然后将橡胶导管远离第一容器的一端与第二容器连接，打开止水夹，此时，第二容器和橡胶导管的连接处没有声音且第二容器内没有水进入，则说明第二容器的气密性良好。

（3） 打开止水夹将套在第二容器底部的橡胶导管一端取下，让橡皮管中充满水，排除橡胶导管内的空气，减小实验误差。

（4） 用药匙将新拆封的食品脱氧剂快速送入第二容器内至与2mL刻度线相平，然后将活塞拉至V1刻度线处[此时第二容器内空气的体积为（V1-2）mL]。再迅速将夹有止水夹的橡胶导管与第二容器连接，静置20分钟，利用食品脱氧剂将第二容器内的氧气消耗完全，使第二容器产生负压（如图11所示）。

（5） 打开止水夹，可以发现第一容器中的水进入第二容器中，调节第二容器高度使第一容器内的液面与第二容器的液面高度一致，以消除液面压强对实验的干扰，读出第二容器中的液面位于V2刻度线处（如图12所示），则原第二容器中氧气的体积为（V2-2）mL，从而计算出空气中氧气的体积分数为： O2%=（V2-2）mL/（V1-2）mL×100%，将实验数据记录在表1中。

由表1可知，利用本实验测得的空气中氧气的体积分数平均值为20.8%，约等于21%。

3.4 设计创新点

（1） 为证明脱氧剂中的铁粉与氧气反应比红磷燃烧耗氧更彻底，有研究者[11]在铁的吸氧腐蚀装置中用氧气传感器测量了体系中氧气含量的变化： 在162s内从最初的21%逐渐下降到0;实验现象直观明显，针筒上的体积刻度线均匀、准确，从而使读数更加精准;反应的整个过程在密闭的第二容器内进行，装置的气密性很好，与外界不存在气体交换的契机。通过调整两容器高度来消除打开止水夹后两液面的高度差带来的压强差，也避免了教材实验中导管体积产生的误差。

因此本方案的实验误差大为减小，由原先不需要处理数据的“半定量”实验改进为可以进行读取、记录、数据处理和误差分析的“定量”测定实验。

（2） 整套实验装置结构简单，不使用玻璃器皿，塑料针筒也较易获取，且容积小，药品用量少，整体造价低廉，且可反复使用。实验过程操作简便，不涉及明火，无毒无污染，基本排除了各种安全隐患。

（3） 由于实验者存在一定的身高差，对夹子高度的不同需求从而导致观察不便，因此设置了升降装置，实验者可以在一定范围内任意调节夹子高度，更为人性化。

另外，此反应需要时间稍长，为提高吸氧的速率，“脱氧剂”也可按下列方法自制： 称取2g还原铁粉、0.5g NaCl和0.5g活性炭于滤纸上，混合均匀后包好，滴入约1mL水润湿，用密封塑料袋装好备用。

总之，本方案实验原理清晰易懂，可靠性、安全性和可操作性均较高。测量装置新颖实用，无需教师演示，学生按照步骤即可独立完成测量。学生在探究过程中不仅巩固了化学反应原理，掌握了一定的实验方法和实验技能，充分体验到科学实验的严谨性，而且还进一步培养了创新意识和环保理念，认识到食品脱氧剂等化学物质在日常生活中的应用，感受到了化学对提高人类生活质量的积极作用。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 义务教育初中科学课程标准（2011年版）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2012： 28.

[2][10][11]朱清勇. 空气中氧气含量测定实验的改进[J]. 中学化学， 2014， （12）： 21～22.

[3]朱华英， 刘怀乐. 对空气中氧气含量测定实验的改进[J]. 化学教学， 2005， （1）： 21.

[4]俞红星. “空气中氧气含量的测定”实验改进[J]. 中学化学教学参考， 2009， （4）： 47.

[5]曹碧华. “空气中氧气含量的测定”实验改进[J]. 实验教学与仪器， 2010， （1）： 25.

[6]姚秋玲， 王锋. 空气里氧气含量测定实验的新设计[J]. 化学教学， 2017， （3）： 72～74.

[7]尚广斗. “空气中氧气含量的测定”实验的研究与改进[J]. 化学教学， 2009， （11）： 13～15.

[8]师海满， 师月. 一种空气中氧气含量测定演示仪[P]. 中国： 203422886. 2014～02～05.

[9]徐泓. 利用“食品脱氧剂”测定空气中氧气含量的系列设计[J]. 化学教育， 2010， （11）： 71～72.