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【一】:拉瓦锡测定空气组成实验的赏析
拉瓦锡测定空气组成实验的赏析
2012-08-26 06:44:16宋心琦
说明：本讲座中的很多内容宋心琦先生还没有发表，有些内容已编入新修订的教材中，正在送审，还未公开发表。请老师们注意知识产权问题，只能阅读，不要转载或发表在网络上，谢谢！
理解和把握化学学科的定义是初等化学教学的要点，它包含了最基本的化学概念和理论。组成：元素的种类和原子、离子的数目（以及形态、化学环境和结合方式）。典型元素的教学应当突出它们的特点和差别，特别是它们的典型性。教学实验的要点亦在此。
物质由微粒构成是化学的最基本概念，化学以原子分子为核心概念。处于稳定结构的原子分子，是了解和预见所有不稳定物种，如自由基、分子离子、原子分子的激发态等的基础。研究化学结构的要点是全部组成元素原子核的排布方式。分析化学反应时，从静态结构出发，基于动态结构的概念。就能够比较容易地解决学习诸如 H2SO4 、 HNO3 、 CH3COOH 、 C2H5OH 、两性氢氧化物等在不同条件下的不同变化方式。并且把握住化学键的作用力本质。分子的化学结构不仅可以代表分子组成各部分的拓扑关系（静态），而且可以预示分子发生化学变化时的所有可能性（动态）。
课程标准提出的基本观念，从学科角度可以简化为以下 4 个方面，即元素观、微粒观、结构观（静态）和组分动态观（决定了变化的可能起因和途径）。
化学实验体系三要素：服务于教学和探究目标的实验体系，可以大致地区分为三个必要的组成部分 , 即（ 1 ）经过优选后确定的化学体系，通常以影响因素或变量尽可能少的实验体系为首选，因为实验现象或结论的不确定性越低，越有利于初学者获得比较确定的结果，以便认知过程更好地符合循序渐进和少而精的原则；（ 2 ）合理并有明确探究目标的实验步骤和安全措施；（ 3 ）
必需的试剂、仪器装置及合乎规范的操作技术，三者缺一不可。但是就学习和探究化学而言，化学体系的选定往往起着关键的作用。因为在选定化学体系时，往往要求事先对于探究目标的化学本质或预期现象进行深入而全面的思索和实验设计（这也是化学实验要求预习的原因之一），涉及到的方面很多，这个过程将十分有利于学习化学。所以，通过实验学习化学原则的体现，首先应当提高对这个过程的重视程度。即使在比较简单的经典教学或演示实验中，也可以举出许多实际的例子。
例如对金属的观察，中外教材都比较偏爱单质钠。钠是一个常见元素，但是人们熟悉的主要是它的化合物。金属钠和食盐中的“钠”所形成的极大差异，对于初学者来说，具有振聋发聩的作用。
其次金属钠在存放期间所发生的外观变化，和金属钠被切开后所呈现的非常典型的金属光泽，可以使学生知道，为什么化学要以纯净物为研究对象（何况金属钠比较柔软，容易观察到它的未经氧化的真面目）。通过和此前已经熟悉的铁、铜、镁等金属单质的对比，学生对金属的部分共性的了解将得到进一步的深化。更重要的是，加深了对它们之间不仅存在着差异，而且这些差异正是人们在生活中用于认识和识别物质的基础。
有关科学实验设计的优劣和运用基础知识与方法水平的分析与评价，对于初学者可以起到示范的作用。从而可以得出如下的认识：寻找影响因素最少的化学体系；选取适当的仪器设备；和确定与探究思路相关的实验步骤，是进行探究性学习，特别是探究性实验设计的重要组成部分。它的质量决定了探究活动是否安全有序，和能否获得不确定性较少的结论。原子、分子从假说、学说到理论的发展过程，以及原子结构模型在科学实验事实的 “ 逼迫 ” 下，不断修正的历史，其中所包含的教育元素也都并非仅限于科学知识本身。所以充分发掘这类化学史料所包含的教育元素，对于提高学生的科学素质将能够起到
“ 潜移默化 ” 和 “ 循循然善诱人 ” 的作用。
合理并有明确探究目标的实验步骤和安全措施同样重要，但是它依从于所选择的化学体系。包含着实验者对化学体系的探究目标；过程的设想或推测；以及对于所用试剂、产物和仪器装置性能的了解。这时的学习范围虽然局限于选定的化学体系，但是所考虑的方面却比较广泛，涉及到某些物质的动态性质、包括反应的剧烈程度（过程）、反应产物的特性（包括毒性和后处理）等方面。这方面的化学知识和经验通常只有亲身实践过的人，才能真正得到。也许可以作为重视实验、重视过程方法的教育的注解之一。必需的试剂、仪器装置及合乎规范的操作技术也是不可或缺的组分之一，前者关系到完成实验工作的物质条件，后者就广义的教育价值而言，可以视为学习使用工具的方法。各个领域和各种行当常用的工具也许并不相同，但是都有使用工具的要求。学会使用工具，进而做到灵巧和熟练，本来就是人类和其他动物的主要区别之一，工具的使用促进了人类的手和脑的发展，从而形成生产力中最为重要、能够自动地发展和改善的要素之一。化学实验基本操作训练的教育价值也在于此，此外还有培养科学作风、科学习惯、学会观察实验现象和学习“见著而知微”的化学思维方法的作用。
对化学实验教学重要性的认识：化学是一门实验的科学，它在原子分子水平上通过对物质的组成、结构、性质和变化的研究，促进了人们对物质世界形成和发展的认识；通过对物质构成及稳定性等关系的了解，大量复杂天然产物以及自然界原来不存在的新物质的合成，使得物质世界的内涵日益丰富。和其他基础科学相比，化学更注重物质的个性，个性的发现、认定和鉴别已成为实验化学家的主要工作。虽然近年来理论化学方法得到了长足的进步，但是所得结论仍然需要通过精心设计的实验数来验证。从而说明了化学仍然是一门实验性科学。这就确定了化学实验在化学教育和教学中不可替代的地位。
实验教学改革要从实验预习开始，实验预习的要求。（略，请大家关注近期《化学教育》将要发表的 宋心琦先生的论文）什么是好的化学实验——
案例 1.1: 拉瓦西测定空气组成实验的赏析
拉瓦锡测定空气组成实验是一个在 18 世纪就已经完成了的经典实验，在大多数初等化学教材中都可以找到。经典实验何止千万，它之所以被选入教材，不仅因为空气属于化学启蒙阶段，必不可少的重要化学物质体系，也不仅因为空气组成已经成为人们普遍具有的基本常识。因为发现空气组成实验的研究，可以充分体现化学学科的特点（尽管这里所说的组成并非纯物质的化学组成，而是由多种纯物质混合而成的混合物的组成。）其实这个著名的化学实验所包含的化学教育内容十分丰富，遗憾的是，在教学中往往被当成一个历史事件一带而过。
拉瓦锡测定空气组成实验赏析：这个实验值得着重提到的有两个方面。一个是化学体系的选择。因为空气是一个由多种气体组成的混合物，要测定其中氧气的百分率，最佳选择应当是，挑选出一种只和氧气起反应的化学物质，而且反应产物容易分离。可以和氧气直接作用的物质很多，中学化学涉及到的至少有：大多数金属；氢、碳、硅、磷和硫等非金属；此外还有碳氢化合物及许多有机物。但是只和氧气反应，而且产物不溶或部分溶解的可选对象并不多。拉瓦锡所选用的汞，应当认为是上上之选。汞在常温下呈液态，所以除去用作反应物外，还可以通过连通器直接用于测量反应器（曲颈甑）内空间体积的变化。其次汞的沸点为 356.6℃, 源源不断气化的汞原子和空气中的氧分子发生的反应属于气相反应，而且远远超过化学计量比的要求，反应可以达到完全。反应生成的氧化汞，在这个温度下呈固态，且不溶于汞。因为密度低于液态汞，所以浮在汞的液面上，很容易分离。你还能找到具有类似优点的反应体系吗？ HgO 为红色固体，于 500℃ 左右可以分解，同一曲颈甑即可完成它的分解。
使分解后得到的气体产物回到留有剩余气体的空间后，可以发现原来减少的气体是否因为和汞结合在 HgO 中了。拉瓦锡还证明了混合后的气体，其性质和原来放置在曲颈甑中的空气，完全相同。
我们可以把上述的实验过程，简化为 3 个步骤： 步骤 3 步骤 2 得到的 O2 和步骤 1 剩余的 N2 混合，得到 “ 原来 ” 的空气。通过这个实验，可以看到这个实验的设计的完美，空气试样的还原，是对汞的氧化源于它和空气中氧气间的反应的结论，几乎无懈可击。
通过和以磷代汞的实验的对比，可以帮助学生了解如何评价科学实验的优劣。其次，通过这个实验，不仅可以帮助学生学习和分清什么是物质的化学性质及物理性质；什么是化学变化及物理变化；以及什么是混合物和化合物；当然还有单质和化合物的区别等等。
通过化学实验来建立有关的基本概念，难道不比现在教材或试题中出现的诸如木材做成桌子、盘子打碎、徽墨制造等更能说明为什么在化学启蒙阶段，要学习这些似乎意义不大的化学术语，它们能够帮助学生明确些什么？
案例 1.2 ：为了避免因汞的毒性可能带来的安全问题，教材中对空气组成测定体系放弃了汞体系。一般多选择磷来代替汞。磷和氧的反应如下：随之，应当引导学生思考和讨论以下的问题：
1. 已知 S 、 C 、 Mg 、 Na 、蜡烛等都可以满足和空气中的 O2 发生燃烧反应的条件，为什么 P 是最佳选择？
2. 对这个探究性实验来说，为什么以磷方案最为理想？（通过与 Hg 方案的对比）
3. 实施 “ 磷 ” 方案时，最重要的前提假设是什么？（磷可以把空气中的 O2 用尽）
4. 采用 “ 磷 ” 方案时，除去经典的体积测定法外，还能想到哪些方
【二】:测定空气成分的实验专题
测定空气成分的实验专题
一、知识点
二百多年前，法国化学家拉瓦锡通过实验，得出了空气由氧气和氮气组成，其中氧气
约占空气总体积的1/5的结论。
测定空气中氧气含量的实验
【实验原理】红磷在空气中燃烧消耗氧气生成五氧
【实验装置】如右图所示。弹簧夹关闭。集气瓶内加入少量水，并做上记号。
【实验步骤】
① 连接装置，并检查装置的气密性。
② 点燃燃烧匙内的红磷，立即伸入集气瓶中，并塞紧塞子。
③ 待红磷熄灭并冷却后，打开弹簧夹。
【实验现象】① 红磷燃烧，产生大量白烟；② 放热；③ 冷却后打开弹簧夹，水沿着导管
进入集气瓶中，进入集气瓶内水的体积约占集气瓶空气总体积的1/5。
【实验结论】① 红磷燃烧消耗空气中的氧气，生成五氧化二磷固体；② 空气中氧气的体积约
占空气总体积的1/5。
【注意事项】
1. 如果红磷的量不足，集气瓶内的氧气没有被完全消耗，测量结果会偏小。
2. 如果装置的气密性不好，集气瓶外的空气进入集气瓶，测量结果会偏
小。
3. 否则当红磷燃烧并冷却后，进入的水会有一部分残留在试管中，导致
测量结果偏小。
4.
5. 如果弹簧夹未夹紧，或者塞塞子的动作太慢，测量结果会偏大。
6. 在集气瓶底加水的目的：吸收有毒的五氧化二磷。
7. 不要用木炭或硫代替红磷！原因：木炭和硫燃烧尽管消耗气体，但是产生了新的气体，
气体体积不变，容器内压强几乎不变，水面不会有变化。
8. 如果预先在集气瓶内放入氢氧化钠溶液，就可以用木炭或硫代替红磷进行实验。
9. 不要用镁代替红磷！原因：镁在空气中燃烧时能与氮气和二氧化碳发生反应，这样不仅
消耗氧气，还消耗了氮气和二氧化碳，使测量结果偏大。
练习：
1.用燃烧法除去密闭容器中空气成分里的氧气，应选择下列物质中的
A．细铁丝 B．红磷 C．硫粉 D．木炭
2.如图所示装置可用于测定空气中氧气的含量，实验前在集气瓶内加入少量水，并做上记号。
下列说法不正确的是（ ）
A．实验时红磷一定要过量
B．点燃红磷前先用弹簧夹夹紧乳胶管
C．红磷熄灭后立刻打开弹簧夹 D．最终进入瓶中水的体积约为氧气的体积
3.小明用右图装置来测定空气中氧气的含量，对该实验认识正确的是（ ）
A．使用红磷的量多或少，都不会影响实验结果
B．燃烧足够的红磷可使进入容器的水占容器的4/5
C．红磷燃烧消耗空气中的氧气，使容器内压强下降，水面上升
D．红磷一燃烧完，就要立即观察，并记录水进入容器的刻度www.fz173.com_拉瓦锡测定空气成分的实验过程。
4.拉瓦锡通过实验得出的结论是氧气约占空气总体积的1/5，而我们在实验中为什么气体减
少的体积小于1/5？下列分析的原因正确的是(只有一个正确答案)（ ）
A．有残余氧气 B．未完全冷却就打开止水夹
C．生成物溶于水 D．空气中的某种成分溶于水
5.如下图所示，有三种不同的实验装置，集气瓶中均充满空气，燃烧匙内所盛有的物质
(装置一中物质为红磷：装置二中物质为木炭；装置三中分别装有红磷和木炭)均为过量，
大烧杯内盛有水．当充分燃烧后，冷却至室温，打开弹簧夹：
装置一 装置二 装置三打开止水夹，请依次描
述打开止水夹后三种装置所出现的现象及其原因：
（1）装置一中所出现的现象为_____ _，原因是___ ___ ________；
（2）装置二中所出现的现象为_____ ，原因是____ ________；
（3）装置三中所出现的现象为____________________________ __。
6. 红磷能空气中燃烧，生成的白色固体五氧化二磷能溶于水。测定空气中氧气的含量，用
右图所示的装置来完成。（1）下列步骤的先后排列顺序正确的是( )
①先用弹簧夹夹紧橡皮管 ②用燃烧着的火柴检验瓶内剩余气体，火柴熄灭，说明主要
是氮气 ③点燃燃烧匙内的足量的红磷，立即伸人瓶内，并把塞子塞紧 ④冷却到室温
⑤打开弹簧夹，水压入集气瓶中，并接近集气瓶中原空气体积的1／5 ⑥先在集气瓶内加入
少量水 ⑦检查装置的气密性A．⑦⑥②⑤④③① B．⑦⑥③②⑤①④ C．⑦⑥①③④
⑤② D．⑦⑥①③②④⑤(2)实验中观察到红磷燃烧时，产生____________。待冷却后，
打开弹簧夹，观察到_____________由此得出结论：
____________________________________。
该反应的文字表达式是_____________________，属于________反应。www.fz173.com_拉瓦锡测定空气成分的实验过程。
（3）有关实验的说法，不正确的是（ ）
A、红磷的量不足会地影响实验结论 B、装置不漏气是实验成功的重要原因
C、将红磷改为木炭也能得到正确的实验结论 D、瓶内压强的减少会导致水
7.为测定空气中氧气的含量，小华同学打算设计如下方案：选用实际容积为4OmL的试管作
反应容器，将过量的白磷放入试管，用橡皮塞塞紧试管，通过导管与实际容积为60mL
且润滑性很好的针筒注射器组成如下图的实验装置。假设此实验能够按照小华的设想正
常进行，且白磷所占体积与导管内的气体体积忽略不计，请回答下列问题：
（1）实验前，打开弹簧夹，将注射器活塞前沿从20mL 刻度处推至15mL刻度处，然后松开手，
若活塞仍能返回至20mL刻度处，则说明_______________________；
（2）若先夹紧弹簧夹，用酒精灯加热白磷，燃烧结束，等到试管冷却后再松开弹簧夹。可
观察到的现象为____________________________________________；
（3）若不使用弹簧夹，用酒精灯加热白磷，充分反应直至燃烧结束,试管冷却。可观察到的
现象为___________________________________________；
（4）若按小华的设想进行实验，实际可能遇到诸多问题而发生危险，造成实验失败。例如：
__________________________________________________________________。
8.在测定空气中氧气含量的实验中，小强采
用了上图所示装置：在由两个注射器组成的密闭系统中留有25mL空气，给装有细铜丝的玻
璃管加热，同时缓慢推动两个注射器活塞，至玻璃管内的铜丝在较长时间内无进一步变化时
停止加热，待冷却
至室温，将气体全部推至一个注射器内，观察密闭系统内 空气体积变化。
（1）在实验加热过程中，交替缓慢推动两个注射器活塞的目的是 。
（2）写出该实验中反应的化学方程式 。
（3）小强测得实验结果如下：
由此数据可以推算出他测定的空气中氧气的体积分数 2l％
(填“>”、“＝”、 “<”)。造成该实验出现误差的原因可能是 。(填序号)
①没有交替缓缓推动两个注射器活塞；②读数时没有冷却至室温；
③加入铜丝量太少；④加入铜丝量太多
（4）通过上面的实验，你学到的测量混合物中某成分含量的方法是
10：把足量的红磷和硫粉分别放在等体积的A、B两个盛满空气的集
气瓶（气密性良好）中燃烧。如图所示，烧杯中盛放的是水，燃烧
前夹紧止水夹。燃烧完毕冷却后，打开止水夹，烧杯中的水会很快
进入 瓶，此现象产生的原因是 ，进入水的体积约
（填“等于”、“大于”或“小于”）集气瓶
本文来源：http://www.zhuodaoren.com/tuijian551832/
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