對(duì)“測(cè)定空氣中氧氣含量”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例與教學(xué)問(wèn)題的探討

摘要：分析現(xiàn)行教材測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)存在的不足，對(duì)文獻(xiàn)中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例進(jìn)行了評(píng)述，分析并指出部分實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例在試劑、裝置和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面存在的若干問(wèn)題；探討了實(shí)驗(yàn)和教學(xué)中易被忽視的空氣成分與氧氣含量、準(zhǔn)確度與分辨率的不同含義，對(duì)認(rèn)識(shí)拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的價(jià)值和相關(guān)教學(xué)提出了建議。關(guān)鍵詞：氧氣含量；空氣成分；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例評(píng)述；教學(xué)研討“測(cè)定空氣中氧氣含量”實(shí)驗(yàn)是各版本初中化學(xué)教材在“空氣”單元中的傳統(tǒng)內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)依據(jù)拉瓦錫經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的原理探究空氣的組成，在中學(xué)化學(xué)啟蒙階段的教學(xué)中具有重要意義。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有關(guān)該實(shí)驗(yàn)的研究論文已超過(guò)200篇（見(jiàn)表1），多年來(lái)一直是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究關(guān)注的熱點(diǎn)。本文將對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)情況進(jìn)行梳理和回顧，并對(duì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及相關(guān)教學(xué)過(guò)程中易被忽視的若干問(wèn)題進(jìn)行探討。1教材中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)行各版本初中化學(xué)教材均編入了測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)。其中，魯教版化學(xué)教材采用銅粉氧化消耗氧氣的方法[]，其余版本教材主要使用圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置，利用紅磷燃燒消耗裝置中的氧氣[]?，F(xiàn)有研究認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)存在以下幾方面不足，在準(zhǔn)確度和安全性等方面存在改進(jìn)的空間。有研究表明，足量紅磷在燃燒后仍難以耗盡裝置內(nèi)的氧氣，殘留氧氣含量為2.45%[]、3.45%～7.6%[]。燃著的紅磷進(jìn)入集氣瓶時(shí)，瓶?jī)?nèi)溫度迅速上升使空氣膨脹并部分逸出，研究對(duì)象不是嚴(yán)格意義上的封閉體系，影響測(cè)量的準(zhǔn)確度[]。實(shí)驗(yàn)容器和導(dǎo)管形狀不規(guī)則，且導(dǎo)管內(nèi)空氣或水的體積不易統(tǒng)計(jì)，難以準(zhǔn)確將容積五等分[3]。紅磷在密閉空間內(nèi)燃燒，氣體受熱膨脹可能使橡膠塞彈出，且紅磷燃燒產(chǎn)生的P2O5具有毒性，存在一定安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[]。2實(shí)驗(yàn)改進(jìn)針對(duì)以上不足，研究者主要從試劑和實(shí)驗(yàn)裝置兩方面對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，取得了大量成果。2.1改進(jìn)試劑為了充分消耗實(shí)驗(yàn)體系內(nèi)的氧氣、提高密閉性、減少環(huán)境污染，一些研究將紅磷替換為白磷[][]、鐵粉[][]、鋼絲絨[]、銅粉[][]，以及焦性沒(méi)食子酸[]（鄰苯三酚[]）、多硫化鈉[]、Fe（OH）2[]、NO[]等物質(zhì)；或?qū)⒓t磷替換為乙醇[]或蠟燭[]，同時(shí)將水改為堿溶液。2.2改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置文獻(xiàn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，主要著眼于提高密閉性、安全性，以及測(cè)量的準(zhǔn)確度和操作的便捷性。將集氣瓶改為內(nèi)徑均勻的容器，如注射器[5][17]、量筒[9][18]、試管[11][]、滴定管[7]、U型管[]、玻璃管[8]等；或使用傳感器直接[]或間接[]測(cè)定氧氣含量。同時(shí)，為達(dá)到以上目的，并適應(yīng)不同試劑的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，改進(jìn)耗氧劑的點(diǎn)火方式，如使用激光筆[7]、凸透鏡[]、電熱絲[6]、電磁爐[]，以及熱的金屬絲[21][]、金屬陶瓷發(fā)熱體（MCH，MetalCeramicsHeater）[]、熱水[]、玻璃棒[]、吹風(fēng)機(jī)[]等引燃紅磷或白磷。3實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例和教學(xué)中的若干問(wèn)題通過(guò)梳理上述實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例，可以看出已有研究在實(shí)驗(yàn)的安全性、準(zhǔn)確度和綠色化方面進(jìn)行了大量改進(jìn)，對(duì)解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題、培育學(xué)生的創(chuàng)新精神和環(huán)保意識(shí)具有積極意義。與此同時(shí)，部分實(shí)驗(yàn)改進(jìn)也引入了新的問(wèn)題，影響其推廣應(yīng)用，并對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生了一定影響。3.1在試劑改進(jìn)方面有相當(dāng)數(shù)量的研究以白磷代替紅磷作為耗氧劑，以便改進(jìn)點(diǎn)燃方式，提高體系的密閉性，減少污染。但白磷本身屬于劇毒、易自燃物品，根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品安全管理?xiàng)l例》，其采購(gòu)、儲(chǔ)存和使用存在諸多困難；同時(shí)，使用白磷開(kāi)展課堂教學(xué)，實(shí)驗(yàn)操作和廢棄物處理都存在較多安全風(fēng)險(xiǎn)。使用蠟燭和酒精取材方便，操作簡(jiǎn)單。但維持其燃燒需要的最低含氧量分別為16.0%和15.0%，明顯高于紅磷[]。燃燒產(chǎn)生的CO2需用堿溶液吸收，教學(xué)中需補(bǔ)充中和反應(yīng)等知識(shí)；且不完全燃燒產(chǎn)生的CO不能被吸收，引入了額外的實(shí)驗(yàn)誤差。使用NO、Fe（OH）2、多硫化鈉、鄰苯三酚等物質(zhì)作為耗氧劑，實(shí)驗(yàn)無(wú)需加熱，操作較為便捷。但這些物質(zhì)具有一定毒性或需現(xiàn)場(chǎng)制備，存在安全隱患，并增加了操作難度和實(shí)驗(yàn)時(shí)間。同時(shí)，相關(guān)制備和吸收原理較為復(fù)雜，教學(xué)中需補(bǔ)充高中或大學(xué)化學(xué)知識(shí)，超越了學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知水平。鐵粉和銅粉可消耗裝置中的絕大部分氧氣[4][13]，有助于提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度；其自身及氧化產(chǎn)物較為安全環(huán)保，試劑容易獲取。但鐵粉吸氧腐蝕耗時(shí)較多，現(xiàn)象不夠明顯；銅粉充分氧化需在加熱時(shí)反復(fù)推拉注射器活塞，并保持裝置的氣密性，對(duì)儀器和操作的要求較高。3.2在實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方面大量實(shí)驗(yàn)改進(jìn)使用了注射器或量筒，其刻度清晰，便于準(zhǔn)確讀數(shù)，且注射器的氣密性較好。但部分實(shí)驗(yàn)將這些內(nèi)徑較小的不耐熱玻璃容器代替集氣瓶作為燃燒容器，進(jìn)行不規(guī)范操作，即便用陶瓷片隔熱仍相當(dāng)危險(xiǎn)。使用凸透鏡易受天氣影響，使用大功率激光筆可能造成眼部損傷。使用電熱絲、金屬絲、熱水等加熱，部分用品需二次加工，裝置復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和操作的要求較高，增加了難度，不利于學(xué)生獨(dú)立開(kāi)展探究。3.3在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面部分實(shí)驗(yàn)改進(jìn)未能充分考慮大多數(shù)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)、認(rèn)知水平和實(shí)踐能力，裝置和原理過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致教學(xué)中不得不將更多時(shí)間和精力放在儀器裝置、實(shí)驗(yàn)操作和反應(yīng)原理的介紹上，偏離了教學(xué)主題，影響教學(xué)效果。也有部分基于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的課堂教學(xué)，忽視了本應(yīng)采取的必要的防護(hù)和通風(fēng)措施，以及試劑的合理用量，過(guò)分夸大教學(xué)中少量紅磷及其燃燒產(chǎn)物的危害[]，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)化學(xué)物質(zhì)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生負(fù)面和抵觸情緒[]，對(duì)學(xué)習(xí)興趣、教學(xué)效果和學(xué)科形象均產(chǎn)生不利影響。4討論與建議4.1空氣成分與氧氣含量由于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的著力點(diǎn)在于提高空氣中氧氣含量測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，因此有必要進(jìn)一步討論空氣成分與氧氣含量的多重含義。地球大氣除了氧、氮等氣體成分外，還有呈懸浮狀態(tài)的液態(tài)（霾滴、云霧滴）和固態(tài)（煙炱、塵、花粉等）氣溶膠質(zhì)粒；高度在86km以下的大氣層，湍流擴(kuò)散作用遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散作用，其化學(xué)組分比例不變，被稱(chēng)為均質(zhì)層；均質(zhì)層內(nèi)的空氣不考慮水蒸氣（水汽）和氣溶膠質(zhì)粒時(shí)，被稱(chēng)為干潔空氣，一般討論空氣成分均是在干潔空氣的前提下，其中氧氣的含量約為21%（體積分?jǐn)?shù)）；均質(zhì)層內(nèi)成分可變氣體主要有水蒸氣、二氧化碳和臭氧，其中水蒸氣的含量較高，二氧化碳和臭氧的含量極低；空氣中水蒸氣的含量隨時(shí)空的變幅很大，沙漠和極地上空極低，熱帶洋面其體積分?jǐn)?shù)可達(dá)5%以上。[]空氣中水蒸氣和氧氣的相對(duì)含量存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，水蒸氣的比例增大，則氧氣的比例減小[]。根據(jù)道爾頓分壓定律，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)降至約20%。由于均質(zhì)層內(nèi)大氣各組分的比例不變，因此在陸地海拔范圍內(nèi)（≤珠穆朗瑪峰海拔8848.86m[]），氧氣的相對(duì)含量（體積分?jǐn)?shù)）保持不變，與海拔并無(wú)關(guān)系[35]。日常生活中所謂“高原氧氣稀薄”“氧氣含量隨海拔升高而降低”，具體指氧氣分壓，或以mol/L、g/m3等為單位的絕對(duì)含量降低，而非以體積分?jǐn)?shù)表示的相對(duì)含量降低（見(jiàn)表2）。個(gè)別教學(xué)和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例，以當(dāng)?shù)睾０屋^高來(lái)解釋低于21%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，或?qū)⑦@樣的數(shù)值作為實(shí)驗(yàn)改進(jìn)目標(biāo)，混淆了氧氣的絕對(duì)含量與相對(duì)含量，得出錯(cuò)誤結(jié)論。實(shí)驗(yàn)室使用的氧氣傳感器[]，以及本文所述各類(lèi)實(shí)驗(yàn)通過(guò)吸入水的體積獲得的數(shù)據(jù)，均為氧氣的體積分?jǐn)?shù)，即相對(duì)含氧量。這是進(jìn)行測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)與教學(xué)時(shí)容易忽視的一個(gè)問(wèn)題。4.2準(zhǔn)確度與分辨率儀器或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，一般指“在一定測(cè)量條件下測(cè)量值與被測(cè)定量的真值之間一致的程度”，而分辨率一般是“測(cè)量或顯示系統(tǒng)對(duì)細(xì)節(jié)的分辨能力”。[]中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用氧氣傳感器的準(zhǔn)確度一般為±1%（體積分?jǐn)?shù)），分辨率為0.01%[38]；煤礦用氧氣傳感器的準(zhǔn)確度一般為±3%，分辨率為0.1%[]。教材中的實(shí)驗(yàn)是粗略測(cè)定空氣中的氧氣含量，為適應(yīng)本階段的教學(xué)和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，采用圖1所示裝置和相應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作。其裝置原理和操作本身都決定了這一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度不高，正如教學(xué)實(shí)踐所表明的，其測(cè)量結(jié)果與氧氣含量21%存在一定偏差。基于此，為提高實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)健性[40]，其裝置體積測(cè)量的分辨率與準(zhǔn)確度相匹配，采取較低的分辨率設(shè)定，其讀數(shù)只可能為“0、1/5、2/5、3/5、4/5、1”；同時(shí)，選擇體積較大的集氣瓶，以減小導(dǎo)管體積未計(jì)入導(dǎo)致的誤差，并給出更大的膨脹空間。部分實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，在基本實(shí)驗(yàn)原理和操作未作根本性改變的前提下，其體積測(cè)量使用刻度過(guò)于精密的儀器，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的分辨率（如100mL量筒為1%）遠(yuǎn)高于準(zhǔn)確度，這是導(dǎo)致其各次測(cè)量結(jié)果之間出現(xiàn)較大偏差的重要因素之一。4.3拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的價(jià)值與實(shí)驗(yàn)教學(xué)“物質(zhì)的組成”是化學(xué)研究的基本問(wèn)題之一，拉瓦錫研究空氣成分的實(shí)驗(yàn)是人類(lèi)探索物質(zhì)組成的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)論的化學(xué)學(xué)科價(jià)值，主要有定性和定量?jī)蓚€(gè)方面，即空氣由兩種性質(zhì)不同的氣體組成，以及這兩種氣體各自所占比例。其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)方法價(jià)值，主要體現(xiàn)在間接測(cè)量、等效替代[23]和物質(zhì)轉(zhuǎn)化等實(shí)驗(yàn)思想上。教材中的實(shí)驗(yàn)以中學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的標(biāo)準(zhǔn)化儀器代替較為少見(jiàn)的曲頸甑，以毒性較低、反應(yīng)更快的紅磷代替汞作為耗氧劑，以水代替汞呈現(xiàn)氣體體積；在沿用拉瓦錫實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，基于學(xué)校裝備情況和學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)，以簡(jiǎn)化方式模擬和復(fù)現(xiàn)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，承載了“通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究物質(zhì)組成的原理及方法”的滲透、落實(shí)和具體化[]，同樣體現(xiàn)了拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的以上價(jià)值。測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)全面體現(xiàn)這一實(shí)驗(yàn)的化學(xué)學(xué)科價(jià)值，要讓學(xué)生不僅從定量角度了解氧氣含量，而且從定性角度認(rèn)識(shí)空氣主要由兩種氣體組成，二者的化學(xué)性質(zhì)不同。與此同時(shí)，也應(yīng)根據(jù)不同學(xué)生的接受能力，在新課教學(xué)或復(fù)習(xí)提升階段，使實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法價(jià)值顯性化，讓學(xué)生了解、認(rèn)識(shí)和應(yīng)用物質(zhì)轉(zhuǎn)化、間接測(cè)量、等效替代等實(shí)驗(yàn)思想。例如，讓學(xué)生分析生產(chǎn)白熾燈時(shí)在其中放入少量紅磷的原因，以及如何為實(shí)驗(yàn)中的集氣瓶劃分刻度。部分師生認(rèn)為集氣瓶形狀不規(guī)則，難以憑借高度準(zhǔn)確劃分刻度。實(shí)際上，利用拉瓦錫實(shí)驗(yàn)所體現(xiàn)的等效替代思想，向集氣瓶中分次加入其液面上有效容積五分之一的水，即可解決這一問(wèn)題。高中化學(xué)乙醇與鈉反應(yīng)推測(cè)乙醇分子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上也利用了拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的間接測(cè)量與等效替代思想，不同的是前者利用產(chǎn)生氣體所排出的水的體積，后者利用消耗氣體而吸入的水的體積。中學(xué)階段教材與教學(xué)中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，與專(zhuān)業(yè)化學(xué)工作者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，二者既有聯(lián)系又有區(qū)別。除了科學(xué)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等共同的要求外，前者服務(wù)于教學(xué)，更強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的直觀(guān)性、簡(jiǎn)便性和可及性，要求其與學(xué)校裝備條件和學(xué)生認(rèn)知水平同步，服務(wù)于核心素養(yǎng)培育。因此，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)應(yīng)與實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能相適應(yīng)。傳感器和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，使眾多以提高測(cè)量準(zhǔn)確度