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该实验的原理是:根据红磷的燃烧,消耗集气瓶里的氧气,使得瓶内气体减少,压强减小,在大气压的作用下,将烧杯中的水压入集气瓶,进入瓶内水的体积约为氧气的体积。
步骤:先连接好装置,再检查装置的气密性,然后在集气瓶内装少量水,并将水面上方空间分为五等份。用弹簧夹夹紧胶皮管。点燃燃烧匙内的红磷后,立即伸入瓶中并把塞子塞紧,观察红磷燃烧的现象。待红磷熄灭,整个装置冷却到室温,再观察瓶内水面上升的情况。
现象:红磷剧烈燃烧,产生大量白烟,放出热量。待整个装置冷却到室温后,打开弹簧夹,可以看到水沿导管进入集气瓶内,瓶内液面逐渐上升,上升的液面约为瓶内空气的1/5。
误差分析:
实验结果偏小的原因(即集气瓶内水面上升小于1/5):①红磷的量不足;因红磷的量不足,则不能将瓶内的氧气完全反应掉,导致实验结果偏小。②装置的气密性不好;使外界的空气进入集气瓶,使进入水的体积偏小。导致实验结果偏小。③没有冷却到室温就打开了弹簧夹;气体体积随温度的升高而增大,使进入瓶内水的体积偏小,导致实验结果偏小。④导管内没有先装满水;最后有一部分水留在导管中,没有进入瓶内,导致实验结果偏小。
实验结果偏大的原因(即集气瓶内水面上升大于1/5):①点燃红磷后没有立即伸入集气瓶中,并塞紧塞子;因瓶内气体受热膨胀逸出,使得瓶内气体减少,使进入瓶内水的体积偏大,导致实验结果偏大。②实验中没有夹紧弹簧夹;红磷燃烧过程中,空气膨胀,部分气体从导管逸出,使进入瓶内的水的体积偏大,导致实验结果偏大。③实验过程中根本没夹弹簧夹,导致实验结果更偏大。
该实验药品的选择依据:只能与空气中的氧气反应,且生成固体物质;如果生成物是气体,烧杯中的液体物质能吸收该气体,也能用于该实验。因此一般不能用木炭、蜡烛、硫磺、铁丝、镁等代替红磷做该实验。
实验弊端:红磷燃烧产生的白烟污染空气,整个实验操作过程容易引起误差,导致实验结果不准确。
关键词:燃烧;实验
作者简介:曹明华(1979-),男,江苏海安人,本科,中学一级,方向为主要研究初中化学教学研究.空气中氧气含量测定是人教版九年级化学上册的一个实验,教材实验装置中选择的可燃物是红磷.实验原理是:红磷燃烧消耗空气中的氧气且生成了五氧化二磷的白色固体,使密闭容器内压强减小,外界大气压将水沿导管压入集气瓶内,进入瓶中水的体积即为减少的气体体积.实验现象:(1)红磷燃烧产生大量的白烟,放出热量;(2)打开弹簧夹,烧杯内的水沿导管进入集气瓶,约占集气瓶容积的1/5.反应化学方程式:4P+5O2点燃2P2O5.实验结论:(1)氧气约占空气总体积的1/5;(2)空气中还有4/5体积的气体,不可燃也不助燃且不溶于水.
实验误差分析:(1)实验后若结果偏小,可能的原因有:红磷量不足、装置漏气、没有冷却到室温就打开弹簧夹;(2)实验后若结果偏大,可能的原因有:弹簧夹没有夹紧、燃烧匙伸入集气瓶内过慢.
实验成功的关键:红磷足量;装置的气密性良好;操作时要注意待集气瓶冷s到室温后再打开弹簧夹等.可燃物红磷的替代品应满足的条件是:(1)可燃物能够在空气中燃烧;(2)可燃物在空气中燃烧时只消耗氧气,不与空气中的其他成分反应;(3)可燃物燃烧时只生成固体(若生成物是气体,可将水换成易吸收该气体的溶液).
实验优缺点分析:实验化教材中的实验操作简单,现象明显直观,但实验开始时在空气中点燃燃烧匙内红磷会对空气造成污染.针对课本实验装置进行改进,改进方案的基本思路包括两个方面:
方案一:着火点方式的改进
如将红磷换成白磷,通过光、热使其在密闭的环境中燃烧,既减少对空气的污染又保证实验的成功,如图1.
方案二:反应物的改进
如反应物可以用铜代替,因为铜在密闭装置中,加热的条件下与氧气发生反应生成氧化物,气体体积的减少量即为空气中氧气的含量,如图2.
近两年有关这部分的中考命题内容及考查角度则是以空气中氧气含量的测定实验为基础,考查药品的选择、实验现象与结论、误差分析等知识.
二、相关中考题型链接
例1(1)用图3甲装置测定空气中氧气的含量,证明氧气约占空气总体积的1/5,图中a、b两种物质可分别选用(选序号).
A.铁丝、水B.红磷、水
C.木炭、NaOH溶液D.硫粉、水
(2)图乙是对图甲测定空气中氧气含量的实验的改进(图甲中a所对应的药品均用酒精灯点燃),你认为改进后的优点是(选序号).
A.节约能源B.不会对空气造成污染
C.测定结果更加准确D.操作简便、安全
解析(1)空气中氧气含量测定实验的原理是:通过可燃物燃烧消耗集气瓶内的氧气,使瓶内压强减小,烧杯中的水倒流进入瓶内,通过进入的水的体积间接测量空气中氧气的体积,所以实验过程中集气瓶内的氧气是否完全耗尽是实验成败的关键.铁丝不能在空气中燃烧,故选项A错误;红磷燃烧生成五氧化二磷固体,故选项B正确;木炭燃烧生成二氧化碳气体,二氧化碳气体能被氢氧化钠溶液吸收,故选项C正确;硫燃烧生成二氧化硫气体,二氧化硫气体不能被水完全吸收,故选项D错误;(2)图甲必须将药品点燃后才能伸入集气瓶内,而图乙中的白磷着火点较低,用激光笔就可以点燃,从而节约了能源,且装置始终保持密封,操作简便,没有污染,测定结果更加准确.
【答案】(1)B C(2)A B C D
例2实验回顾:图4甲是实验室测定空气中氧气含量的装置.
(1)写出集气瓶内红磷燃烧的化学方程式.
(2)实验原理:通过红磷燃烧耗尽氧气,使集气瓶内外产生压强差,在此压强差的作用下,水被压入集气瓶.进入集气瓶中水的体积即为的体积.
【提出问题】兴趣小组用上述方法测定的氧气含量常常小于1/5,查阅资料发现:空气中的氧气含量低于7%时,红磷就不能继续燃烧,提出用怎样的实验方法可以使测定结果与理论值误差相对较小?
【实验探究】Ⅰ.根据铁生锈的原理,探究用铁能否准确测定空气中氧气的含量.实验装置如图4乙,浸有饱和食盐水的纸袋内装有活性炭粉(会加快铁的生锈)和足量的铁粉.Ⅱ.测得实验数据如表1
表1测量项目实验前实验后烧杯中水
的体积烧杯中剩余
水的体积集气瓶(扣除内容
物)和导管的容积体积/mL80.054.5126.0【交流表达】(1)根据表格中提供的数据计算,实验改进后测得空气中氧气的体积分数是.
(2)对照两套实验装置,你认为通过改进后测定结果更准确的原因是(选序号).
A.装置密闭性更好B.不会对空气造成污染
C.铁的缓慢氧化使集气瓶内氧气充分耗尽
D.测量时考虑到导管容积和扣除内容物
解析【实验回顾】(1)红磷燃烧的化学方程式为:4P+5O2点燃2P2O5.(2)通过红磷燃烧耗尽氧气,使集气瓶内外产生压强差,在此压强差的作用下,水被压入集气瓶,进入其中水的体积约等于瓶中氧气的体积,可以粗略测定空气中氧气的体积分数.
【交流表达】(1)由表1数据可知,消耗的氧气的体积是: 80mL54.5mL=25.5mL, 故空气中氧气的体积分数为:25mL126mL×100%≈1202%.(2)对照两套实验装置,通过改进后测定结果更准确的原因是:装置密闭性更好、铁的缓慢氧化使集气瓶内氧气充分耗尽、测量时考虑到导管容积和扣除内容物,使实验结果更准确.
答案【实验回顾】4P+5O2点燃2P2O5
【交流表达】(1)20.2%(2)A C D
参考文献:
【关键词】初中化学实验教学实验改进
一、实验改进的原因
化学是一门以实验为基础的学科,化学实验对于化学课程目标的全面落实具有重要的作用。化学课程标准明确指出:化学实验应高度关注安全问题,避免污染环境。教材中的某些实验存在着操作复杂、现象欠明显、不环保、缺乏安全性等问题。因此,对实验进行优化改进,使之更简便、现象明显、安全、环保、科学。
二、实验改进的原则
1、科学性原则:做到实验准确无误,实验方案的设计要科学,实验装置设计合理,实验操作符合。
2、简约性原则:取材容易,装置简单,操作简便,缩短实验时间,有创造性。
3、直观性原则:实验现象明显,感官性高。
4、安全性原则:实验过程安全,不出事故,不危害人身安全。
5、环保性原则:减少药品用量,减少环境污染。
6、可行性原则:实验的设计应符合实际情况,教师要先做验证实验,确保实验的可行性。
三、实验改进举例
(一)测定空气里氧气含量的实验。
1、【实验2-1】的不足:
(1)测得数据不准确。因为在实验过程中,点燃燃烧匙中的红磷,再放入集气瓶中,瓶中的空气因受热逸散在空气中,气密性无法保证,从而使进入瓶中水的体积出现误差。
(2)污染空气。因为在实验过程中,红磷燃烧,生成白烟进入空气,造成空气污染。由于这白烟是五氧化二磷,能溶于水,放出大量的热,先形成偏磷酸,后变成正磷酸。五氧化二磷在空气中吸湿潮解,与有机物接触会发生燃烧。接触有机物有引起燃烧危险。受热或遇水分解放热,放出有毒的腐蚀性烟气,具有强腐蚀性。
2、实验的改进。
实验目的:测定空气中氧气的含量,避免五氧化二磷污染空气。
实验所需仪器及用品:注射器、烧杯、镊子、白磷、石蜡、热水、凡士林。
实验原理:用开水的温度引燃密封注射器中的白磷,白磷燃烧消耗注射器内的氧气,使活塞移动,从而测出空气中氧气的含量。
实验装置如图:
实验步骤
(1)用镊子夹取一小块白磷,放入注射器中。
(2)将注射器的活塞推到最大刻度出,将注射器口用石蜡密封并用橡皮筋固定活塞。
(3)在烧杯中装满热水,将注射器放于烧杯上方。
(4)将注射器放在桌面上冷却,观察实验现象。
(5)对产生的五氧化二磷和剩余的白磷进行处理。把注射器中的活塞拿出,加入热水后把液体到入烧杯中,向烧杯中加入碳酸钠溶液直到不再产生气泡为止,不要倒入冷水,由于五氧化二磷与冷水反应生成偏磷酸,偏磷酸有毒;向注射器中再倒入冷水,用镊子取回白磷即可。
实验注意:
(1)注射器的活塞要涂上凡士林。
(2)白磷要足量,放在注射器中间。
(3)注射器冷却后再读数据。
实验的优点:
(1)整个实验过程都是在密封的环境中进行,安全环保无污染。
(2)实验操作简单,现象明显,实验结果准确。
(3)该套装置简单实用,注射器的实用,贴近学生的实际生活,提高学生动手动脑能力。
(二)燃烧条件的实验
1、实验的不足:
(1)白磷燃烧会产生白烟,飘洒在空气中污染空气,白磷燃烧生成物溶于水造成水污染。
(2)铜片的红磷有可能会燃烧。由于白磷燃烧,放出大量的热,通过铜片传给红磷,使红磷的温度达到其着火点,使红磷燃烧起来。
(3)制取氧气,操作步骤麻烦,用氧气吹白磷会造成白磷飞溅造成事故。
2、实验改进:
改进实验目的:探究物质燃烧的条件,避免水污染和空气污染。
实验所需仪器及用品:大烧杯、大试管、金属圆柱体、金属瓶盖、镊子、药匙、玻璃导管、白磷、红磷、滤纸、热水、气球
实验装置如图:
实验步骤:
(1)按图1所示,将红磷、白磷分别放入两试管中,用带玻璃导管的橡皮塞塞住试管口,玻璃管的外端固定一气球,保证试管内有较多的空气,完全封闭后再将两试管同时浸入热水中进行对比实验。观察红磷、白磷哪个燃烧。
(2)按图2所示,在烧杯中放一金属圆柱体和金属瓶盖,瓶盖周围要用打一小孔使水流下,注入适量热水浸没金属螺栓上层,螺栓上层放一小块白磷。观察白磷是否燃烧。
(3)按图3所示,用纸板固定试管,试管向下罩住水中的金属圆柱体(白磷)。观察白磷是否燃烧。
实验注意:
白磷要用滤纸吸干其表面的水分,用干布擦干试管内壁,保持试管内壁干燥。
金属圆柱体和瓶盖用粘合剂粘在一起,金属圆柱体可用粗钢筋或金属螺栓,对金属瓶盖周围要有小孔,使水能流下白磷会露出水面,对剩余的白磷要进行回收。
(4)五氧化二磷处理,对试管中产生的五氧化二磷加入热水使其生成磷酸,在倒入实验二的烧杯中,再加入碳酸钠溶液直到不再产生气泡为止即可。不要倒入冷水,由于五氧化二磷与冷水反应生成偏磷酸,偏磷酸有毒。
实验优点:
(1)白磷在试管中燃烧,用气球缓解气体的受热膨胀,防止将橡皮塞冲出。
(2)生成的五氧化二磷能及时处理,既能让学生观察到白磷燃烧的现象,又能减少白磷燃烧对空气和水的污染。
(3)将空试管倒扣在水中的金属圆柱体的瓶盖(白磷)上,白磷迅速燃烧,不需要制备氧气,操作简单。
(4)将白磷放在金属圆柱体上的瓶盖中,解决了向热水中通入氧气时将白磷吹散的问题。
(5)对白磷和五氧化二磷进行了回收和处理。
(6)使用了生活中常见的气球、金属瓶盖等,体现了化学的生活化。
教师在教学中应高度重视和加强实验教学,充分发挥实验的教育功能。选用的实验应具有教育价值,力求简明易做、安全环保。在实验教学中,应重视培养学生的实验安全和环境保护意识,形成良好的实验习惯。对实验进行设计和改进,激发学生的学习化学的兴趣,能促进学生对知识的理解和掌握,能培养学生的科学创新的精神。
参考文献:
实验操作步骤:在500 mL的烧杯中注入400 mL热水,并放入用硬纸圈圈住的一小块白磷;在烧杯上盖一片薄铜片,铜片上一端放一小堆干燥的红磷,另一端放一小块已用滤纸吸去表面上水的白磷(图1),观察现象;然后用导管对准上述烧杯中的白磷,通入少量氧气(或空气)(图2),观察现象。
笔者认为教材中的这一演示实验存在不足。
1)薄铜片上的白磷燃烧产生的大量白烟扩散到空气中,会导致室内污染。白磷燃烧生成的五氧化二磷严重腐蚀眼睛、皮肤和呼吸道,吸入粉尘可能引起肺水肿。空气中五氧化二磷的最高允许浓度为2 mg/m3。
2)不能充分说明燃烧需要可燃物这一必不可少的条件。
3)用薄铜片传递热开水散发的热量达到白磷的着火点引起燃烧,时间较长,需要热水较多。
4)通入氧气使热水中的白磷燃烧,白磷易游散,现象不明显。
基于上述情况,笔者将实验进行改进,有效解决了上述问题,改进后的实验装置如图3、图4所示。下面介绍实验操作步骤。
1)在250 mL的烧杯中注入200 mL的热水。
2)在两支试管底部分别装适量的干燥细沙,然后分别放入适量的白磷和红磷并塞上带气球的橡皮塞。红磷要干燥,白磷用滤纸吸去表面的水。
3)在烧杯的热水中浸入和试管中大小相同的白磷。
4)把两支试管同时浸入热水中,仔细观察现象并做好记录。
5)从烧杯中取出两支试管,将收集满氧气的另一支试管倒扣在热水中的白磷上,观察现象并记录。
这样改进有下面一些优点。
1)白磷燃烧在密闭体系内进行,五氧化二磷不会扩散到空气中引起污染(如图3所示)。
2)能充分说明燃烧必须要有可燃物这一必备条件。放有白磷的试管中,白磷温度达到着火点而燃烧,但白磷燃烧放出的热量没有引起干燥的细沙燃烧,说明细沙不是可燃物,尽管温度高,也与氧气接触,但是不会燃烧。
3)将两支试管浸入热水中,传热快,缩短了实验时间。
4)在试管中进行实验,所用红磷、白磷都比铺在铜片上的少;将500 mL的烧杯改为250 mL的烧杯,减少了热水的用量。
5)试管中的白磷在细沙上燃烧,实验后试管很容易清洗干净。
第一步,激趣引题,自学探究
自学探究是指教师指导下的学生活动,是影响全局、辐射全课的重要环节。在信息社会开放式教育的条件下,教师和学生之间的关系已不再是教师“单向输出”和学生“被动接受”的关系,教师的角色必然转化为既是知识的输出者又是学生自主学习的引导者。作为学生自主学习的引导者,教师应该在学生自学探究的过程中为他们指明方向,传授方法,关键时刻给予指导和支持。在《空气组成》一课中,课堂伊始,教师利用简短、生动的语言向同学们介绍舍勒、普利斯特里和拉瓦锡发现空气组成的化学史,在短短一两分钟里,吸引学生注意力,调动学生的情绪,打动学生的心灵,形成良好的课堂氛围,为学生指出读书的方法和阅读重点后让学生阅读。学生在5分钟时间内读书自学,不但可以熟悉教材,而且可以在读中感知、在读中感悟,将学、思、疑、问连接起来。自学完成后,学生会提出很多问题,如:为什么今天我们不用拉瓦锡分解氧化汞的实验来验证空气中氧气含量?为什么要用红磷燃烧的实验来验证空气中氧气含量?可不可以选用其他物质的燃烧来验证空气中氧气含量?红磷燃烧之后,水为什么就进入集气瓶?红磷燃烧时什么样?(因刚学化学,学生还不习惯于用“实验现象”一词)等问题,有些问题生生之间可以互相解答,解答不了的问题,我告诉学生不能等老师告诉你们,你们要像科学家一样自己进行实验探究。
第二步,引导点拨,实验探究
初中阶段的各类化学实验,对学生都极具诱惑力,充分利用实验,对培养学生的创新意识是极有价值的。在实验教学过程中,既要重视技能训练的同时,还要重视创新能力的培养。如果将书本中的一些验证性实验改成探索性实验,将激发学生求知、探究的欲望,培养他们自我发现问题、解决问题的能力。
在这一课中,为了解决是否其他物质燃烧也可测定空气中氧气的含量这一问题,我给了学生红磷、木炭、铁、硫四种物质,在他们自学的基础上,引导他们做了类似于红磷燃烧的四个实验。学生自己看到了实验现象,得出结论:铁在空气中不燃烧,木炭、硫能燃烧,但无法测定空气中氧气的含量,只有红磷燃烧才能验证空气中氧气的含量。实验本身又给学生增加了继续探究的乐趣和动力。他们不免又要问:“为什么只有红磷能测定空气中氧气的含量?而且测定的结果为什么会少于五分之一呢?”这些问题中有的不属于这节课的内容,可以给学生留一些悬念,由此调动学生的胃口,对后面的学习又增添了新的乐趣。
第三步,解疑导拨,合作探究
学生通过实验解决问题,同时又在实验中发现问题。在这一环节中,教师可以先用几分钟把解决不了的问题进行一下综合,然后让学生进行合作探究。形式可采取:生生讨论探究、小组讨论探究、整班集体讨论探究(包括师生间互相探究)。通过对话、争论、答辩等方式,发挥学生的探究优势,利用他们集思广益、思维互补、思路开阔、分析透彻、各抒己见的特点,使问题的结论更清楚、更准确。教师要做到眼观六路、耳听八方,随时引导,点拨学生共同解决问题。在《空气组成》一课中,主要采用同桌生生讨论探究和整班集体讨论探究的方式,经过合作讨论探究,在这一课中学生充分理解了“为什么水会进入集气瓶?为什么只能用红磷燃烧来验证空气的组成?为什么进入的水小于集气瓶体积的五分之一?”等问题。
第四步,激励评价,引申探究
问题解决之后,教师还应该以问题解决活动为基础,有意识地指导学生对活动进行反思概括,进行反省性提炼整合。同时,对学生的积极主动学习和探究给予充分的肯定和表扬。反思概括具有以下意义:(1)将新知识和原有的理解联系起来,有意识地提炼出概括性的知识,防止知识变成惰性的,过于受情境限制;(2)理解如何应用不同的方法、策略解决问题。对学生进行适当的表扬和鼓励,有利于提高学生自主学习的积极性。对于知识的引申,教师可以提出一些有深度的问题,这些问题当堂解决不了,可以留在课下让学生思考。如本节课教师先将知识加以总结和归纳,得出结论:(1)红磷燃烧的实验现象;(2)空气中氧气的含量。然后再进一步引申到空气中所含成分及各成分的体积分数及混合物、纯净物等知识上,最后再引申出一些讨论性问题和习题,进一步培养学生的创新思维。