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空气里氧气含量测定实验的新设计

乐虎国际娱乐:乐虎国际娱乐场 更新时间:2017-5-2 9:41:05

摘要:基于初中化学教材中空气里氧气含量测定实验的精确性、操作性及环境影响等方面的不足,利用量气管原理、激光笔快速点火等方法设计了新的实验装置及操作方法。实践表明,新设计的实验具有装置简单、操作简便、测量准确、细节鲜明、效率高、效果好等优点。 
  关键词:空气里氧气含量测定;实验装置改进;实验探究 
  文章编号:1005–6629(2017)3–0072–03 中图分类号:G633.8 文献标识码:B 
  空气是人类最重要的生存资源之一,也是学生最熟悉的身边的化学物质之一。初中化学是化学教育的启蒙阶段,教材选用空气作为学生在初中化学重点研究的第一种物质。学生通过小学《科学》及生活经验中已了解其相关内容,但空气看不见,摸不着,因此学生对空气的认识只停留在粗浅的感性认识层面。化学教材借助实验手段,让学生的认识更深入。空气里氧气含量测定的实验,让学生进一步感受空气的存在,更深入认识空气的组成,并在这一基础上进一步建构纯净物和混合物的概念[1]。此外,学生在这一化学实验中,初步学习了进行观察、记录等实验技能;初步学习了分析实验现象获得结论的方法;初步感受了定量测定的科学实验方法。作为较复杂的定量演示,实验过程中还产生五氧化二磷等污染物,因此,实验的精确性、演示的简洁性以及实验的绿色化等方面便成为这一实验改进的重点内容。本实验将从以上几个方面对本实验的改进进行相关探讨。 
  1 教材的经典实验设计 
  1.1 教材的实验装置及原理  
  大部分教材使用的装置如图1所示,利用稍过量的红磷在密闭容器内燃烧,几乎消耗全部的氧气,使集气瓶内气体减少,当温度冷却至室温时,集气瓶中的气体压强减小;打开止水夹,观察到水倒流到集气瓶中,集气瓶中液面上升至约占瓶内空气体积的1/5。可以得出结论:空气的组成不是单一的,氧气约占空气体积的1/5 [2]。 
  1.2 教材实验的不足 
  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;装置无法始终完全密闭,引起测量的系统误差;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;导管中的容积,实验过程中通常只能忽略不计,这也会引起测量误差。 
  2 其他设计与改进评述  
  针对教材的不足,许多化学教师进行了改进,例如图2、图3[3]、图4[4]。这些改进虽然满足了装置始终密闭的要求,但仍然存在不足。  
  在装置上:图2和图3反应结束后玻璃管内液面上升,高低液面产生压强差,由于装置本身的问题而无法去缓解调整,使实验测量不准确。图4的装置比较复杂,所选器材需要进行再加工才能使用,操作时需要来回推动注射器以使反应充分进行,组装和操作上都有困难,气体体积还需要进一步计算,现象不够直观,更使本实验的难度提高了许多。 
  加热方式上:图2采用电热丝通电加热的方式,对电池功率要求较高,裝置显得复杂。图3采用酒精灯加热铝丝的方式,使加热速度慢,成功率低。 
  药品改进上:图4采用铜丝作用来消耗氧气,反应需要约4min,耗时比白磷长了许多;有些学者采用食品脱氧剂,主要成分为活性铁粉[5],反应速率慢,需要时间更长,约30min,不适合用于课堂上演示实验。 
  3 新设计的实验 
  3.1 改进实验装置 
  实验装置如图5(简单示意图)、图6(实物图)所示,使用器材有:玻璃管、燃烧匙、50mL酸式滴定管、高功率激光笔、橡胶导管、铁架台等。 
  本套装置所用器材都是中学化学所涉及的普通仪器,取用方便,且不需要进行再改装。装置看起来简洁大方,用橡胶导管连接玻璃管与滴定管。学生利用已有物理知识,能马上明白教师的意图。用高功率激光笔引燃白磷,达到装置始终密闭的要求。酸式滴定管的使用,随反应进行液面高度可作不断调整,这些都使本次实验的准确性和精确性大大提高。其思路来自于把原装置进行“逆向”设计,把原装置进行倒置,让橡胶导管成为U形连通装置,这样可以排除导管中容积造成的误差。同时也因为整套装置作为连通装置,方便了测量实验过程中各种容积。 
  3.2 改进实验步骤及数据处理 
  实验步骤: 
  (1)如图7所示,检查装置气密性后,将稍过量的白磷放入燃烧匙,塞紧上端橡胶塞,调整玻璃管与酸式滴定管内液面于同一水平线,读取酸式滴定管内视数V0。 
  (2)如图8所示,用高功率激光笔点燃白磷,观察玻璃管内有大量白烟生成,液面先下降后再上升,待冷却至室温,调整玻璃管与酸式滴定管内液面于同一水平线,读取酸式滴定管内视数V1。 
  (3)如图9所示,待生成的五氧化二磷白烟被水充分吸收,白烟几乎消散,打开上端橡胶塞,将玻璃管位置下移,酸式滴定管上移,至玻璃管中充满水,立即再塞紧上端橡胶塞,调整酸式滴定管高度至与玻璃管内液面于同一水平线,读取酸式滴定管内视数V2。  
  由表1中数据可知,利用本实验测得空气中氧气的体积分数平均值为20.70%,约等于21%,与空气中氧气含量更为接近。 
  3.3 本实验创新的优点 
  3.3.1 用激光笔点燃白磷 
  如果激光笔点火操作熟练,室温下5s内白磷可燃烧;这一点火方法新奇,可以较好地引起学生兴趣。实验过程中,这种点火方式可保证装置始终密闭,生成物五氧化二磷白烟不会逸散到空气中造成污染;也使测量过程中尽量避免产生误差,提升了实验的准确性。另外,激光笔的使用以及消除实验过程中两液面高低差与两端气体压强差等内容使实验具有了理科综合实验的性质,这一创新拓展了学生的视野,激发了学习兴趣,培养了学生理科综合实验能力[6]。 
  3.3.2 实验精确定量 
  将量气管原理迁移应用到本实验中,起到多方面作用。当可燃物燃烧时,容器内压强瞬间压强增大,连通器起到缓冲作用,防止因压强过大气体冲开塞子,导致误差;通过调整玻璃管与酸式滴定管的高度来缓解实验结束后高低液面的压强差,也避免了教材实验中导管中体积产生的误差,也可以使实验测量更准确。 
  读取V2时能通过多次读取来确定什么时候已完全冷却至室温,使测量更准确。 
  酸式滴定管可读取视数至小数点后两位,提升了实验的精确性。 
  上述关于改进精确定量的方法让学生充分感受到科学实验的严密性,从而培养严谨求实的科学精神[7]。 
  3.3.3 实验效率高 
  白磷燃烧消耗氧气后,液面上升,水没过了燃燒匙,使整个容器内的温度迅速下降,大大缩短等待时间。通过一体化的设计,也减少了许多操作,提高了整体实验的效率。 
  3.3.4 实验细节鲜明 
  白磷点燃后整个实验过程中,先观察到白磷的燃烧及产生的白烟,然后能看到玻璃管内原有的液面先下降再上升的过程,感受气体热胀冷缩的过程。再后来,还能观察到白烟被水慢慢吸收,渐渐消散,体现了水的作用。 
  3.3.5 实验装置简单 
  本实验装置取材容易,所用大部分器材在化学实验室都可配备,且不需要进行复杂的再加工。装置一旦制成以后可以长期保存,反复使用。对于教师来说,实验准备过程较为简便,操作可行性高。所用高功率激光笔电池可充电,可重复使用,使用过程中也不会生成其他物质,减少实验的耗材。 
  3.3.6 实验操作简便 
  每次实验的V0不需要完全一致,所以初始液面的调整很容易。反应结束后,仪器的清洗也简单,只需要让液体从玻璃管流出即可。总之装置简单,操作容易,现象明显,不污染空气,非常适合课堂演示,也可作为学生分组实验。 
  参考文献: 
  [1]王锋.化学教学中基于多维视角促进学生认识发展[J].化学教育,2012,(6):30~32.. 
  [2]王晶,郑长龙.义务教育课程标准实验教科书·化学[M].北京:人民教育出版社,2012:26~27. 
  [3]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. 
  [4]朱华英,刘怀乐.空气里氧气含量的测定实验值得改进[J].教学仪器与实验,2005,(7):25. 
  [5]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):7. 
  [6]杨国萍,齐俊林.空气中氧气体积含量测定实验的新设计[J].化学教学,2016,(3):57~60.