测定空气中氧气的含量实验改进集锦.doc

测定空气中氧气的含量探究实验设计1化学反应原理如图5-1所示，利用磷燃烧消耗空气中的氧气，从而使容器内形成负压，打开止水夹后，水进入容器内。进入容器中的水的体积，可粗略地认为是空气中所含氧气的体积。2实验仪器：集气瓶、燃烧匙、烧杯、玻璃管、乳胶管、止水夹。实验药品：红磷、水。3探究方案： 在集气瓶中放入少是水（用于溶解生成的五氧化二磷，同时可吸收燃烧产生的热，有利于瓶内降温），做上记号，并将瓶内剩余体积均分为五等分。 用止水夹夹紧乳胶管，点燃燃烧匙内的红磷后，立即伸入集气瓶中并把塞子塞紧。观察到红磷燃烧，产生浓厚的白烟。红磷熄灭后，冷却至室温，打开止不夹，观察到水进入集气瓶内，最终水面在五分之一记号处。4探究评价：该探究实验在反应原理上就存在错误。我们都知道，反应物浓度越小，反应的速率越慢。当燃烧持续进行时，氧气的浓度越来越小，氧化的速率也越来越小。一旦燃烧放出的热量不足以维持可燃物在着火点以上温度时，燃烧便停止了。这也是有些物质不能在空气中燃烧，但能在氧气中燃烧的原因。因此，从这个意义上说，利用燃烧试图除尽空气中的氧气，是很难达到目的的。维持红磷燃烧需要的氧气浓度相对较高，因此就更无法除尽氧气了。很多教师在做该实验时，都发现，最终水面停在十分之一处，而不是五分之一处，原因就在于此。 该实验装置可能发生气体泄漏的地方太多，加之燃烧的红磷伸入集气瓶中加热了内部的空气，使之外逸，都会导致实验的误差。要做好该实验，关键要注意以下几点： 用更易燃烧的可燃物代替红磷（如白磷）； 装置的气密性要好； 燃烧匙伸入集气瓶中的速度要快，并塞紧塞子。5 资源开发：通过刚才的分析，我们知道，在做好本探究实验除用白磷代替红磷外，就是尽可能防止或减少气体泄漏的可能。我们可以利用以下装置来进行探究： 用凸透镜将太阳光聚焦到白磷，使白磷燃烧。此法可以防止燃烧匙伸入集气瓶时气体的散逸。如图5-2。 用水浴加热的办法使白磷燃烧，也可以防止燃烧匙伸入集气瓶内气体的散逸。白磷的着火点仅40，水温稍高，足以使白磷着火燃烧。如图5-3。做此实验时，盛白磷的广口瓶不能直接放入沸水中，也以免广口瓶因骤热而爆裂。可先用温水淋浴后，再将热水注入外面的大烧杯中。用钟罩代替集气瓶进行实验，如图5-4所示。钟罩下方敞口，气体受热膨胀时，可将水压出一部分从产生减压作用。用此法既减少了气体泄漏的可能，准确性比原实验方案高。 在一端封闭的粗玻璃管内放一颗白磷，用胶塞塞住，并使从推入到玻璃管中部，记下位置。用酒精灯微微加热白磷，使之燃烧，同样可观察到白磷燃烧，有大量白烟生成，胶塞被推向外侧（右侧）。待装置冷却，胶塞逐渐向内侧（左侧）移动，根据胶塞停止时的位置，确定空气中氧气的体积。如图5-5。这种方法在不透气的情况下进行，几乎可以完全防止漏气。但要注意的是，胶塞在干燥条件下很难塞入玻璃管内，可蘸少量水后向管内推入；推入时，还须在胶塞上插一根注射器针头，以便排出气体，待胶塞推到合适位置时，拔出针头即可。做该实验时，玻璃管不宜太短，太短，加热时胶塞会被推出管外。6创新思维： 利用缓慢氧气测定氧气的体积分数如图5-6所示，取长10cm，宽1.5cm的铝箔，用细线系好。在其表面涂一层硝酸汞的药液，立即用滤纸将铝箔擦干，迅速放入粗玻璃管中，悬于玻璃管上部，立即插入盛水的小烧杯中，塞上塞子，静置观察。 铝跟空气中的氧气反应放出的热，使玻璃管壁变得温热； 玻璃管内水位慢慢上升，10min左右，水位上升停止。进入的水的体积约为玻璃管未浸入水中部分容积的15。进行该实验时，应当注意：硝酸汞溶液的浓度要大。铝箔表面涂硝酸汞溶液后要立即用滤纸擦干后再放入试管中，否则，铝跟硝酸汞反应置换出来的汞，在形成铝汞齐的条件下，铝会跟水反应产生氢气，使测定出的氧气体积分数偏低。 利用蜡烛燃烧测定氧气的体积分数蜡烛燃烧产生二氧化碳气体，常温下二氧化碳仅微溶于水，且溶解速度比较慢，因此一般不用蜡烛燃烧测定氧气的体积分数。但若能吸收二氧化碳，此法也不失为一种简便的方法。而且蜡烛易燃烧，取材方便，可鼓励学生在家自己动手实验。如图5-7所示，在水槽中盛适量的稀氢氧化钠溶液，并滴入23滴酚酞试液，在小木片上固定一只短蜡烛（普通蜡烛1cm，生日蜡烛23cm），用火柴点燃蜡烛。把集气瓶倒扣在小木块上方，并将瓶口水封。几秒钟后，蜡烛火焰熄灭，水位上升。且进入瓶中的液体变红色。在水下用玻片盖上集气瓶，取出，量得集气瓶中水的体积，约为集气瓶容积的15。若学生在家做此实验，可用茶杯代替集气瓶，用石灰水代替稀氢氧化钠溶液（若无石灰水，用清水效果也很好）。该实验简便、粗略，可多次重复，容易被学生接受。缺点是，在盖上集气瓶开始时，由于气体膨胀，有气泡从瓶口冒出，导致实验测得的值偏大。用加热氧化法测空气成分把长约2cm的一束细铜丝装进一根长约56cm的普通玻璃管中部，两端用两节橡皮管分别跟两只注射器（其中一只注射器留出50mL空气，另一只注射器不留空气）连接起来，使之成为一个密闭系统（如图5-8）。推动注射器活塞，空气可以通过装铜丝的玻璃管在两只注射器间来回传送，不会泄漏。给装有细铜丝的玻璃管加热，待铜丝的温度升高以后，缓缓地交替推动两只注射器的活塞，使空气在铜丝上来回流动。经过56次以后，空气里的氧气可以全部与铜结合。停止加热，冷至室温，读出残留的注射器里气体的体积数。减少的体积即为50mL空气中所含氧气的体积。由此可以推算出空气中氧气的体积分数。做该实验时，要注意注射器不宜太小，太小体积变化不大，现象不明显。测定空气里氧气含量实验的改进人教版义务教育课程标准实验教科书化学九年级上册中实验2-1，利用红磷燃烧消耗集气瓶里的氧气，形成一定的体积差，使密封装置中的压强减少，引起烧杯中的水沿着导管上升进入集气瓶中并约占瓶体积容积的1/5。但在实际操作中，常常由于装置的气密性和温度差等问题使红磷燃烧停止后需较长的时间冷却，或是冷却后，打开弹簧夹，只有极少量的水进入集气瓶，甚至根本就不会出现水沿着导管进入集气瓶的情况，造成实验现象不准确甚至实验失败。对此，我对该实验进了分析和探讨，改进了实验装置，形成了如下所示的实验装置：仪器改动：改变燃烧匙的形状，把直柄弯曲成“ V ”形。实验准备：在水槽中加入少量的水，把烧杯倒置其中并用橡皮筋套上作为水位标记。但由于气压差，烧杯中的水面低于水槽的水面，这是烧杯的尖嘴使橡皮筋难以固定标记，可用其他物品夹于橡皮筋上作为烧杯中水面的标记。实验操作及现象：点燃燃烧匙中的红磷，立即伸入倒置于水槽中的烧杯中（烧杯口不能离开水槽中的水面）。可看到烧杯中充满大量的白烟，接触烧杯外壁能感觉明显的炽热感。红磷燃烧完毕后产生的白烟迅速溶解于水中，温度也随之下降，烧杯中的水位则慢慢上升，当温度下降至接近室温时，水面上升至约1/5处。此时，还可在烧杯内壁观察到一些白色附着物，充分说明生成物五氧化二磷的状态和颜色。实验改进评价：改进后的实验装置和操作都较原来实验简便，而且去掉了装置连接而引起气密性不好的影响因素，实验效果明显，反应停止后冷却时间也较为短暂，现象明显更易于观察。 测定空气中氧气含量的几种常见装置序号装置实验操作图1用凸透镜将太阳光聚焦到白磷，使白磷燃烧，一段时间后，白磷燃烧。燃烧完毕，待冷却至室温，打开弹簧夹，烧杯中的水倒吸进入瓶内。图2闭合电源开关，电阻丝发热，温度达到40 时白磷燃烧，产生大量白烟。装置冷却后，由于左侧中氧气被消耗，气体压强减小，水会在左侧中上升，且上升到1刻度处。图3先关闭弹簧夹a，将螺旋状的铜丝在酒精灯的灼烧后迅速插入大试管，接触试管底部的过量的白磷，然后立即塞紧橡皮塞。由于白磷的着火点低，白磷燃烧，产生大量的白烟。燃烧完毕，待冷却至室温，打开弹簧夹，烧杯中的水倒吸进入瓶内。图4用水浴加热的办法使白磷燃烧，足以使白磷着火燃烧。燃烧完毕，待冷却至室温，打开弹簧夹，烧杯中的水倒吸进入瓶内。图5在一封闭的试管内放一颗白磷，用酒精灯微微加热白磷，白磷燃烧，有大量白烟生成，注射器被推向外侧（右侧）。待装置冷却，注射器逐渐向内侧（左侧）移动，根据注射器停止时的位置，确定空气中氧气的体积。图6在一端封闭的粗玻璃管内放一颗白磷，用胶塞塞住，并推入到玻璃管中部，记下位置。用酒精灯微微加热白磷，白磷燃烧，有大量白烟生成，胶塞被推向外侧（右侧）。待装置冷却，胶塞逐渐向内侧（左侧）移动，根据胶塞停止时的位置，确定空气中氧气的体积。图7用生石灰和水反应时放出的热量使白磷燃烧。烧杯上方玻璃管(预先固定好)中部有一可左右滑动的活塞，活塞左端管内密封有空气，活塞右端的玻璃管口跟空气连通，实验开始前活塞处在刻度5 cm处。图8在一个耐热活塞的底部放一小块（足量）白磷，然后迅速将活塞下压，使空气内能增大，温度达到40。白磷燃烧，产生大量白烟，冷却至原来温度时，松开手，活塞最终将回到刻度4处。图10在一玻璃管的两端，通过橡皮塞装上两只注射器，玻璃管内装几团细的铜丝，把一个注射器内的空气体积调到50mL的位置，另一只注射器不留空气加热玻璃管的铜丝部位。待铜丝被灼热后，把注射管缓慢地以23次/分的速度左右推动。大约34min之后停止加热。待玻璃管冷却至室温后，注射器内空气减少。图11在滴管中盛适量的氢氧化钠溶液。将燃着的硫粉迅速插入集气瓶内，硫粉燃烧，发出淡蓝色的火焰。燃烧完毕，待冷却至室温，打开弹簧夹，烧杯中的水倒吸进入瓶内。对“测定空气里氧气含量”实验的改进一、实验目的测定空气中氧气的含量二、实验仪器及试剂 带铁夹的铁架台、500ml烧杯、带燃烧匙的橡皮塞、带铜丝的橡皮塞、去底大试管、药匙、镊子、吸水纸（可用滤纸代替）、酒精灯、火柴、红墨水、水、红磷、白磷、清洁纸、污物杯。三、实验仪器装置图及仪器的组装说明四、实验操作部分1. 依照图一进行实验时，先在烧杯中装入一定量的水，为了便于观察现象，用红墨水染红，下面垫一木块。再把分成五等分的去底大试管用铁夹固定在铁架台上，去底大试管下端伸入烧杯中的水中，水面与去底大试管下端第一格相平。点燃酒精灯，在橡皮塞上的燃烧匙中用药匙加入一定量的红磷，在酒精灯上点燃。红磷燃烧后迅速把燃烧匙伸入去底大试管中，拧紧橡皮塞，观察现象。2. 依照图二进行实验时，先在烧杯中装入一定量的水，为了便于观察现象，用红墨水染红，下面垫一木块。再把分成五等分的去底大试管用铁夹固定在铁架台上，去底大试管下端伸入烧杯中的水中，水面与去底大试管下端第一格相平。用镊子取一块白磷在吸水纸上吸干水分，然后放在橡皮塞下端的铜网中，拧紧橡皮塞。点燃酒精灯，加热橡皮塞上端的铜丝。过一会，看到去底大试管内的白磷开始燃烧，继续观察现象。五、装置改进的意义新课标的教材中（人教版教材），所用装置进行空气中氧气含量测定实验时，存在以下一些缺陷：如：1. 由于红磷的燃烧，集气瓶内压力增大，有时会把塞子冲出；2. 在把点燃的红磷伸进集气瓶时，动作不够迅速，容易使其中的空气少量膨胀外逸，当集气瓶内的氧气完全与红磷反应后，打开止水夹，进入集气瓶的水会大于1/5体积；3. 集气瓶冷却时间较长；4. 点燃红磷时，红磷燃烧产生大量白烟，在伸入集气瓶中时，会逸散到空气中，污染空气。按图1所示实验装置和方法进行实验，仪器易得，操作简单，克服了上述缺陷1和3，并且节约了药品。但是所用的去底大试管容积太小，把点燃的红磷伸进时，其中的空气膨胀外逸，即使很少，也会对实验造成很大的误差，水面上升甚至会达到标记15处，不能克服缺陷2和4。因此在进行图2所示装置的改进。按图2所示实验装置和方法进行实验时，因为是通过加热橡皮塞上端的铜丝引燃去底大试管内的白磷，所以可以克服上述缺陷，不足之处是加热时间稍长用量筒和锥形瓶测定空气中氧气的含量一、改进后测定空气中氧气含量实验装置量筒锥形瓶装置（如图）二、测定装置改进后的特点1.改进的实验装置原理与教材原理相同，有区别的是，消耗氧气所占空间所填充的水，可用差值法准确读出。2.改进后的装置气密性可检查（检查方法同课本检查试管气密性相同。）3.改进后的装置红磷用量，虽然仍过量，但与前比较仍属于微型实验用量，解决了红磷浪费问题，燃烧匙内红磷可以多次利用，节约实验药品适用农村实验教学。4.改进后的装置不用给装置上画等分线，减少了测量的误差。5.装置所用材料取材容易，普通实验室就有；原理易懂，结构简单，可操作性强。6.实验现象明显，测量误差小，数据可信度强，易于学生掌握科学研究的方法。7.使用改进后的装置教学，变演示实验为学生参与的师生互动的探究实验，提高了学生学习兴趣。8.改进后的实验装置，两直角玻璃导管高度一样，且内部充满水，解决了液面高度差形成的进水惯性误差。三、测定空气中氧气含量改进装置的相关技术资料1. 教具名称：测定空气中氧气含量装置量筒锥形瓶装置2. 教具图片：（如上图）3. 教具用途：准确测定氧气在空气中的体积份数4. 制作材料：250 ml锥形瓶瓶1只、8号橡胶塞个、100 ml的量筒1个、长32 cm直角玻璃弯管2个（直角在距一端65cm处）、长275cm的乳胶管段、止水夹个、燃烧匙个、记号笔支5. 制作方法: (1)在乳胶管的距两个端管口cm处，各用记号笔画一圈，乳胶管对折中央处画线一圈，并把两个直角玻璃弯管与乳胶管连接重叠部分至2cm处。(2)在8号橡胶塞偏离中心处打一个燃烧匙柄刚好能通过的小孔。(3)在8号橡胶塞偏离中心另一侧打一个适合直角玻璃弯管插入的孔，并把直角玻璃弯管插入橡胶塞，橡胶塞与锥形瓶组装后玻璃管下端能接触到锥形瓶底。 (4)把止水夹夹在直角玻璃弯管上，乳胶管的另一端与直玻璃管连接。(5)把燃烧匙柄穿过其对应小孔，将橡胶塞塞在锥形瓶上，调整燃烧匙高度，使其底部距瓶底约4cm处，并把燃烧匙柄弯成圆形便于抓握。 6. 使用方法： (1)在锥形瓶内注满水（水与瓶口向平），用量筒测定锥形瓶内水的体积（设该体积为1，本装置中1=345 ml）。（2）将锥形瓶内水在指定地点倒出，即采集的该地点空气样本。（3）用量筒量取45ml水，注入采集有空气的锥形瓶内，同时在100ml量筒中准确量取100ml水。（4）在烧杯中注入半杯水，把第五步制作好的的导管一端浸入水中，在连有橡胶塞的另一导管口用洗耳球吸气，使水连续流出，此时将止水夹夹在中央画线处（注意要使管中都充满水）。（5）把酒精灯、本教具、注水100ml的量筒从左到右放在水平桌面上，把不连接橡胶塞的导管伸入盛水量筒中。（6）向燃烧匙内添加满红磷，在酒精灯上引燃红磷且燃烧剧烈（保证在氧气稀薄时也能继续燃烧）后迅速把燃烧匙伸进锥形瓶内，并塞紧橡胶塞。（7）一手按住橡胶塞，一手握燃烧匙柄，并上下抽动使燃烧匙内红磷与装置内空气充分接触。（8）完全燃烧后冷却，把止水夹移到直角玻璃弯管上让水进入锥形瓶，等到水不在从直角玻璃弯管流入锥形瓶再将止水夹移夹在中央画线处。 （9）小心移开量筒中直玻璃管导管，读数量筒内水的体积（设体积为2）。量筒内水减少的体积数就是进入锥形瓶内水的体积数即消耗掉瓶内空气中氧气的体积数：（1002 ）ml （10）氧气在空气中的体积份数计算公式：（1002 ）ml（34545） ml100四、装置的成功之处1. 两直角玻璃导管高度一样，且内部充满水，解决了液面高度差形成的进水惯性误差。2. 燃烧匙可上下抽动使燃烧匙内红磷与装置内空气充分接触，即便是在装置内空气稀薄也不会轻易熄灭，会把氧气消耗完。3. 该装置气体样品采集使得气体环境温度降低，为保证温度一致最好采用水冷发。五、研究中存在的问题该实验装置可能发生气体泄漏的地方，燃烧的红磷伸入集气瓶中加热了内部的空气，使之外逸，都会导致实验的误差。六、今后的研究设想和装置雏形白磷的着火点仅40，水温稍高，足以使白磷着火燃烧，用水浴加热的办法使白磷燃烧，也可以防止燃烧匙伸入集气瓶内气体的散逸。由于实验室没有白磷，实验只能处于理论猜想阶段，但装置雏形已形成（如右图）。