《空气中氧气含量的测定》实验探究分析.docx

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《空气中氧气含量的测定》实验探究分析

《空气中氧气含量的测定》实验探究分析

空气对于所有学生来说都是一种非常熟悉的物质，学生对于空气的组成已有一定的认识，例如：

可通过可燃物的燃烧感知空气中含有氧气，通过绿色植物的光合作用和动植物的呼吸作用感知空气中含有二氧化碳和氧气，通过雨雾冰雪的形成感知到空气中存在水蒸气，通过对空气污染的了解知道空气中存在有害气体等。

虽然在小学自然课中学生学习过空气主要有氮气和氧气组成的结论，但对于空气中各种成分的含量是怎样测定的却没有深刻的认识。

基于以上认识，将空气的成分一节“空气中氧气含量的测定”设计成探究实验。

该实验教育功能主要体现在以下几方面

从知识与技能来看

（1）了解空气的主要成分；

（2）初步认识纯净物、混合物的概念，能区分—些常见的纯净物和混合物；

2、过程与方法

（1）通过对“测定空气里氧气含量”实验的操作、观察、分析，了解空气的组成；

3、情感、态度与价值观

（1）在探究过程中，能主动与人交流、讨论，清晰地表达自己的观点，逐步形成良好的学习习惯和科学的学习方法；

【教学模式】

调查与讨论，自主学习，实验探究等

教学思路设计

1、对于实验原理的研究

空气是一种有多种气体组成的混合物，各种成分均匀的混合在一起，怎样才能测量出其中所含氧气的体积？

问题一经提出，同学们便陷于了思考。

经小组讨论后，得出了两种不同原理的方法：

将空气液化后，利用各种物质的沸点不同，升高温度使各物质依次分离出来，将所的氧气恢复为原来的温度和压强，将所得氧气的体积与原来空气体积做比较；或者利用可燃物质的燃烧将氧气反应掉，测量剩余气体的体积，这也是测量或和气体中某种气体体积含量的常用方法。

2、对于可燃物的选择

能够和氧气反应的常见可燃物有许多，实验选择哪一种呢？

对此我没有直接给出答案，而是首先给出木炭、硫磺、红磷、镁、铜分别与氧气反应的化学反应表达式，并且标出生成物的状态，让学生通过自己的思考、小组内的讨论去获得结论。

学生们在对实验原理理解的基础上，结合教师给出的信息，比较顺利的就将问题解决了，而且通过讨论也明确了药品选择的依据：

能与氧气反应但不能产生气体。

实验药品的选择：

A红磷B木炭C硫磺、D镁、E铜

磷+氧气—五氧化二磷（固体）

碳+氧气—二氧化碳（气体）

硫+氧气—二氧化硫（气体）

镁+氧气—氧化镁（固体）

镁+氮气—氮化镁（固体）

铜+氧气—氧化铜（固体）

讨论分析：

答案选A。

碳与氧气反应，虽消耗了空气的氧气但却生成了新的气体—二氧化碳，填充了所消耗的氧气的空间，所以不选B；同理不选C。

镁既与空气中的氧气反应又与氮气反应，无法测定氧气的含量，故不选D；而铜与氧气要反应的话，需要在加热的条件下进行，E也不合适。

3、试验装置的设计

对于反应容器的要求：

密封、透明、有刻度同学们没有什么障碍，但如何读取可燃物燃烧所消耗掉的氧气的体积？

这个问题使课堂一度陷入了沉寂，毕竟这是一个需要深入思考的问题。

但是终于有了结果，有的同学认为，可以用容易读取体积的物质来填充被消耗掉的氧气的体积，于是实验装置的雏形就出现了。

化学实验以它特有的魅力在探究性学习中占有一席之地，为学生形成探究性学习的方式，培养学生解决问题的能力提供了条件。

所以，应该提倡利用化学实验进行探究性学习，使学生掌握科学的学习方法，形成终身学习的习惯。

反思：

通过学生的亲身探究、设计、动手操作实验，培养了学生科学探究的兴趣，严肃认真的科学态度，同学间合作的互助精神，不但使学生获得了知识，综合能力也得到了提高，利用实验、多媒体教学，生动直观，效果好。

学生动手操作能力有待提高。

测定空气中氧气的含量探究实验设计

河北　司志书

　　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：

⑴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。

⑶ 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。

⑶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：

⑴用更易燃烧的可燃物代替红磷（如白磷）；

⑶装置的气密性要好；

⑶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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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：

⑴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。

①铝跟空气中的氧气反应放出的热，使玻璃管壁变得温热；

②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1／5。

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。

⑶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2～3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2～3cm），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1／5。

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。

⑶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5～6cm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5～6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。

《测定空气中氧气的含量》实验教学设计及反思

教学目标：

1、知识目标：

以测定空气中氧气含量的实验装置为探究点，探讨如何设计实验来提高演示实验质量，指出原实验的装置存在缺点，对实验进行探索设计。

2、能力目标：

通过自主的探究，交流讨论，培养学生的实验设计能力。

3、情感目标：

学生在探究过程中学到了技能，获取知识，更重要是锤炼了学生的思维，使学生真正体验到探究的乐趣。

教学重点：

通过学生自己设计实验方案，培养学生的科学探究能力和实践精神。

教学难点：

如何引导学生去挖掘实验的条件和结果之间存在的误差，并分析，设计合理的装置进行改进。

 教学过程：

一、测定空气中氧气的含量

1、 【改进实验并提出问题】

鲁教版九年级化学教科书上册P61活动天地，操作装置进行改进，即在集气瓶内加少量水，并记上记号，用弹簧夹夹紧乳胶管，点燃燃烧匙内的红磷，立即伸入瓶中塞紧塞子，观察实验现象，待红磷熄灭后并冷却，打开弹簧夹，观察实验现象及水面变化情况。

（装置图略）

该实验现象：

红磷在集气瓶内燃烧有大量白烟生成，冷却后观察到水沿导管流入集气瓶中，并不断上升。

同学们多次在实际教学中却发现，除实验结果的准确性存在很大的差异外，磷在空气中燃烧时生成的白烟有污染，实验开始时有少量白烟从瓶口逸出，影响实验。

为了提高实验结果的准确性，减少产物污染，同学们思考一下，怎样对实验再进行改进设计呢？

2、【讨论探究】

如何设计实验测定空气中氧气的含量

【教师】我想请在座各位同学尝试解决一个问题，设计一个实验粗略地测定空气中氧气体积分数。

3、【学生猜想、形成假设】

（学生积极分组讨论）设计实验方案

【教师】5分钟后，请各组组长发表自己的见解（4人一组展开讨论，要求学生设计装置可与课本上相似，但不能相同）

4、 【设计实验】学生方案①：

取一个圆形玻璃水槽，把一支蜡烛固定在水槽中，再用一个玻璃杯罩上，杯边缘放在水中，使蜡烛在密闭容器中燃烧，观察蜡烛、水位有何变化。

【教师评价】我很欣赏这组同学的方案，他巧妙运用物理知识，利用倒吸入杯内的体积，明确表达出被消耗氧气的体积，从而测出空气的体积，很有创意。

【教师】学生实验结束后相互讨论，完成下列表格：

实验次数

烧杯（ml）

操作

实验主要现象

原因分析

1

50ml

 2

400ml

【学生讨论、交流】组长代表组内汇报方案①的实验情况：

现象：

两次实验中都有大量白烟生成；不同点：

50ml的烧杯内水位上升大于1/5；400ml的烧杯内的水位上升小于1/5。

【教师设疑】为什么会出现这两种截然不同的现象呢？

【引导学生分析原因】:

小烧杯由于直径小，所罩区域正好是蜡烛火焰的最高区域，该区域的温度高，空气受热膨胀较大；大烧杯直径较大，所罩区域大，大区域内的空气受热膨胀的平均值也小；这是产生两种潜然不同的现象的原因所在。

【教师】从上述实验可判断方案①不理想，有改进方法吗？

【学生】纷纷议论，展示第二套方案。

学生方案②:

用木炭燃烧测空气中氧气的含量

按课本的装置图进行实验：

（图略）

现象：

（木炭燃烧结束后，打开水止夹）有少量水进入瓶中。

分析：

教师与学生在课堂上经多次实验测定，发现进水量的多少与空气受热膨胀程度（即木炭的大小、燃烧的程度、木炭深入瓶中的速度有关）。

（备注：

有些参考书和往年的统考题中出现类似的题型，答案却是“没有水进入瓶中”，原因是“体系内消耗的氧气体积等于生成二氧化碳的体积；要想成功，只要在瓶中加入浓碱（氢氧化钠即可），我认为这样的答案是不合理的。

）

【教师】经分析后方案②也不理想，同学们认真思考一下，还有其它方案吗？

怎样改进呢?

【学生】讨论、交流，模仿教材上的装置，在教师的引导下进行入思考，设计如下方案：

学生方案③：

对教材中的装置进行改进设计

 实验现象：

红磷在密闭容器中燃烧，产生大量白烟，水位基本上升到1/5处。

经过教师和学生多次实验发现：

虽然现象比较明显，红磷在燃烧过程中会使局部缺氧而熄灭，未将容器内的氧气耗完，影响实验的准确性。

5、【实验评价】针对上述三个方案存在的问题，在教师的引导下师生交流、探讨，最后达成共识：

在燃烧丝一端上部再制两个小燃烧匙（并用三根1cm长电阻丝分别连接放在红磷位置处），保证容器内的氧气完全耗完。

通过以上实验方案的设计存在以下优点：

①由于反应容器小且不与外界发生气体交换，易将反应容器内的氧气耗完，使实验结果更加准确；

②反应在密闭容器中进行减少空气污染；

③加然反应时间短，现象直观明显，易于观察。

（说明：

利用三根1cm长电阻丝分别连接是为了通电发热，白磷代替红磷是白磷的着火点比红磷低）

二、课后反思

本节课学生在解决“测定空气中氧气的含量”问题中，采用群体探究形式进行大胆的探索，选择恰当的耗氧物和设计合理的实验装置的探究，不仅在探究过程中学到了技能，获取知识，更重要是锤炼了学生的思维，使学生真正体验到探究的乐趣。

空气中氧气含量测定实验延伸

   九年义务教育课程标准实验教科书,九年级化学上册第二单元,课题1,空气中氧气含量的测定。

通过挖掘实验内涵,拓展知识。

达到完成一个实验教学,理清一批问题。

现将该实验教学延伸总结如下:

   一、实验准备上应更充分

   1、放入燃烧匙内的红磷需说明是足量的,让其燃烧时更多的消耗广口瓶内的O2,使测量更准确。

   2、在集气瓶内加少量的水,做上记号,并在水面以上部分分出五等份来,以便更准确的观察实验结束后,水上升约为1/5处。

   3、点燃红磷时应用酒精灯,有的红磷潮湿后火柴难于点燃,用酒精灯则容易点燃。

   二、实验结论延伸

   该实验除证明空气中O2的体积量约为空气体积的1/5外,还可得到以下结论。

   1、红磷燃烧条件:

红磷不点时不燃——需要温度（达到燃烧时最低温度）。

瓶内红磷燃烧一会就熄灭了——瓶内没有O2或O2含量太少（红磷燃烧需要氧气）。

结合起来,说明红磷燃烧的条件是:

需要一定的温度和一定含量的氧气。

   2、氮气体积含量约占空气体积的4/5:

空气主要由O2和N2组成的,因为实验测得空气中O2约占空气体积的1/5,则剩余气体体积基本为N2。

   3、氮气不支持红磷燃烧:

红磷在瓶内燃烧消耗大部分O2后熄灭,剩下N2并不能支持红磷继续燃烧。

   4、氮气本身也不能燃烧:

燃着的红磷伸入瓶中,若N2也能燃烧,则可能出现瓶内水上升超过1/5。

   5、氮气不易溶于水:

实验中开始红磷燃烧时,瓶内压强增大,实验结束后瓶内压强降低,水被吸入瓶内。

这中间,N2都充分与水接触,若N2易溶于水,则瓶内水上升可能超过1/5。

   三、对做完实验后吸入瓶内水太少的原因分析

   1、红磷量太少,消耗O2太少。

   2、气密性差,漏气。

   3、实验前弹簧夹没夹上。

   4、必须是完全冷却后观察。

   四、若用别的物质代替红磷来完成该实验,有哪些要求?

   1、在瓶内燃烧的物质只能与O2反应。

如Mg除与O2反应外也能与N2反应,Mg就不能代替红磷来做实验。

   2、在瓶内燃烧的物质与O2反应后,生成物中不能有气体,因为消耗了O2又产生了别的气体,使瓶内压强变化不大,实验现象不明显,如用蜡烛代替红磷则不行。

   五、问题讨论

   1、实验开始弹簧夹不夹住橡皮管,会出现什么结论?

   2、实验中利用了哪些物理知识?