数字化实验对传统实验的改进与创新

摘要：传统空气中氧气含量测定实验结果偏重于于定性，对燃烧物红磷的选择也有不足之处，通过数字化实验对传统实验改进与创新，不仅让实验生活化和科技化，而且使实验结论更为精确和直观化。

关键词：氧气含量测定；误差分析；数字实验；实验改进

文章编号：1008-0546（2016）01-0091-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.01.034

一、发现问题

在进行2012人教版九年级化学第二单元课题一空气教学时，演示实验测定空气中氧气含量（装置如图1），课堂上发现进入集气瓶中水的体积超过了五分之一，于是和学生一起分析实验不成功的原因。

二、问题分析

1. 测量值偏小误差分析及对策

（1） 首先要检查装置的气密性。

尤其是玻璃导管和橡皮塞连接的地方（图1中A处）、橡皮塞塞入集气瓶的部位（图1中B处）、橡皮管连接玻璃导管的部位，这些都是容易漏气的地方，用手握法检查整个装置的气密性，如有漏气，重点检查这几个部位，涂抹凡士林。如漏气则集气瓶内外难以形成理想的压强差，导致进水体积偏小。

（2） 红磷一定要足量，保证最大程度消耗瓶内氧气。

红磷在酒精灯上加热点燃一定要充分，否则一进入集气瓶就熄灭；红磷一定要足量，否则不能有效耗尽瓶内氧气，导致进水体积偏小。

（3） 等到完全冷却时观察，否则由于瓶内剩余气体受热膨胀，阻止烧杯中的水流入集气瓶，导致进水体积偏小。

（4） 橡皮管内要注满水（图1中C处），否则有一部分水会因滞留在橡皮管内而无法流入集气瓶，导致进水体积偏小。

2. 测量值偏大误差分析及对策

（1） 橡皮塞上的直角弯管尽可能短，止水夹尽可能夹在离集气瓶的橡皮管近端，夹得过远，则橡皮管内氧气也参与反应，导致有过量的水流入集气瓶，测量值偏大。

（2） 止水夹一定要夹紧，甚至把橡皮管折叠再夹住，否则红磷燃烧，瓶内气体受热膨胀从未夹紧的橡皮管内逸出，让出更大空间，进来过量的水，导致测量值偏大。

（3） 将燃烧的红磷插入集气瓶内动作要快，如果过慢，导致瓶内气体受热膨胀而逸出，让出更大空间，会进入更多体积的水导致测量值偏大。

三、改进与创新研究

如果想要得到更为精确的测定结果，可以借助水，用量筒测量集气瓶所装空气体积；然后倒入一定体积（量筒测量）的水入集气瓶，防止高温熔融物爆裂瓶底；实验结束用量筒测量集气瓶内的水的体积，计算空气中氧气所占体积分数。

即便如上所述，测定空气中氧气含量和教材中的21%也是悬殊较大，原因在于红磷消耗氧气的能力还不是最理想的，换句话说，足量红磷燃烧停止后，集气瓶内还是有体积可观的氧气存在，这一点我们通过如下实验得到证明。将锥形瓶放入冷水中，向瓶中放入一小块白磷。点燃足量的红磷迅速伸入锥形瓶中，塞紧瓶塞。观察到红磷燃烧，产生大量白烟，而瓶底的白磷没有反应。燃烧熄灭后待锥形瓶完全冷却，取出擦干瓶外的水、置于石棉网上加热，观察到瓶底的白磷与瓶中的剩余氧气反应产生大量白烟。这说明足量的红磷燃烧并没有把密闭容器中的氧气耗尽。

为进一步得到准确数据，采用数字化实验进行定量测定：为了避免白磷燃烧产生高温对氧气传感器的损坏，改用三颈烧瓶作反应容器（图2）。在瓶底放一点细砂，将白磷置于细砂上稍稍加热点燃，白磷燃烧产生大量的烟。瓶中氧气含量变化曲线如下，当时间进行至479秒时，氧气浓度达到最低值3.21%。

师生共同查阅资料，经过讨论，可以利用还原性铁粉与氧气反应。于是，我们找到生活中一种常见的原料――暖贴（即暖宝宝）来实验，它的发热原理恰是利用铁粉的缓慢氧化。取一塑料瓶剪去瓶底，2片暖贴粘在塑料瓶内壁，将氧气传感器伸入瓶内，密封、固定。把去底瓶子放到水槽中，将瓶内液面调整与水槽内液面相平，采集数据，注意观察数据的变化和塑料瓶内液面的变化，塑料瓶内水面慢慢上升，氧气含量逐渐下降，瓶内水位，氧气含量趋于0，最终稳定在0.21%。

上图是定量测定的氧气含量变化曲线。不难看出，前1000秒，即十几分钟内氧气含量下降很快，后来慢慢下降，4700秒左右稳定在0.21%，瓶内氧气几乎耗尽。因此我们可以利用此法准确测定空气中氧气的含量。

通过上述数字化技术对传统实验的改进与创新，弥补了传统实验中粗略定性而缺乏实证的不足，让实验效果直观可视化，也培养了学生大胆质疑小心求证的科学精神。

参考文献

[1] 王晶，郑长龙. 义务教育教科书化学九年级上册[M]. 北京：人民教育出版社，2012