用食品脱氧剂测定空气组成实验的新设计

马志超 伍强

摘要： 阐述精确测量空气组成的意义，指出现有测量方法的不足之处，改进用食品脱氧剂测定空气中氧气含量的方法。采用粗细均匀且长度与内径比值大于100的有机玻璃管作为实验仪器，通过测定密闭体系中空气在脱氧前的体积及在脱氧后减少的体积的比值，精确地测定空气中氧气含量为20.94%。根据食品脱氧剂的脱氧效果，分析讨论气体体积测量装置能精确测量气体体积和空气组成的原因。

关键词： 测定空气组成; 食品脱氧剂; 实验改进

文章编号： 10056629（2019）7006603中图分类号： G633.8文献标识码： B

英国学者柏廷顿[1]在1957年版的《化学简史》中指出，18世纪末，一场关于测定空气组成的竞赛正在几个科学家间悄然进行。1775年普里斯特利测出空气中含有1/5的氧气，1777年舍勒测出氧气含量为1/4，1780年拉瓦锡测出了1/6的数值，1781年英国科学家卡文迪什测定出氧气含量为20.83%。卡文迪什的数据与现代测量值20.946%已非常接近[2]，同时，卡文迪什还测出空气中含1/120的惰性气体，这与1894年瑞利和拉姆齐的测定值也非常相似[3]。卡文迪什在实验过程中精益求精的精神是英国工匠精神的体现，他的工作虽然不是首创，但足够精确之后，量变引起质变，使他能够提前100多年预测出稀有气体的存在，从另一个角度体现了创新精神。如卡文迪什这样的精神，使英国在工业革命中拔得头筹，一跃成为世界强国。

如何像卡文迪什那样准确测出空气中氧气含量，一直是国内从事化学教育的学者们难以解决的问题，例如，张欣荣[4]等用白磷脱氧，并用注射器作为气体体积测量工具，测出空气中氧气含量为21%。但该设计有以下缺点： 白磷毒性较强，不易作为实验试剂让初中生使用;注射器长度与内径比值较小，测量精度低;注射器内层活塞与外层空筒间有较强摩擦力，灵敏度较低。王胤琪[5]利用多硫化钠脱氧，并用倒置在液面上的试管作为气体体积测量工具，测出空气中氧气含量为20.5%。但多硫化钠制备较为繁琐，且有一定毒性，用试管作测量气体体积的仪器精确度也不够高。徐泓[6]利用食品脱氧剂在密闭的集气瓶中脱氧，并用压强传感器对瓶中脱氧前后气压变化进行测定，从而计算出空气中氧气含量为20.6%。但徐泓老师在测定前，为了增强脱氧效果，将食品脱氧剂用蒸馏水润湿。食品脱氧剂润湿后会迅速放热，使集气瓶中空气温度升高，从而使瓶中压强增大，对实验结果产生干扰。

依据以上文献可知，白磷、多硫化钠和食品脱氧剂的脱氧效果较好，而食品脱氧剂的毒性最小，故本实验选用食品脱氧剂进行脱氧最为适宜。注射器和试管作为体积测量仪器，精确度太低，不宜作为精密量器，压强传感器虽然是数字化仪器，但精度与试管相差不大，因此需要设计一种新的精密量器来测量气体体积。该测量仪器应该具有较强的灵敏度和较高的测量精度。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

不锈钢直尺（量程600mm）、市售有机玻璃管（内径4mm，外径6mm，长600mm）、5mL注射器、橡皮塞（1mL注射器上的橡皮活塞）、剪刀、小刀

市售食品脱氧剂（每小袋1.5g，额定吸氧量30mL，适用空气量150mL）、蒸馏水

1.2 实验原理

市售食品脱氧剂的主要成分是活性铁粉，利用铁的吸氧腐蚀可以除去氧气[7]，而且只要空气含有少量水分，该反应就可以迅速发生。

在一定条件下，测定密闭体系中空气脱氧前的体积与脱氧后减少的体积的比值，就可以测出空气中氧气的含量。

常见的气体体积测量仪器，如注射器等的长度与内径的比值一般小于10，这导致测量结果的精度不高。本实验采用经过现代精密仪器切削，粗细均匀，且长度与内径比值大于100的有机玻璃管作为实验仪器，能极大地提高测量精度。

1.3 实验操作步骤

取一根在空气中久置的有机玻璃管，將一端用橡皮塞密封，并将未封闭的一端向上放置。将一大包真空包装的食品脱氧剂开封，取一小袋，在袋角剪一个小口，使小口孔径略小于有机玻璃管内径，使袋口对准有机玻璃管管口，将粉末迅速倒入有机玻璃管中，并立即用一个装有蒸馏水的注射器向管口注入一滴水，将有机玻璃管密封。用小刀在有机玻璃管外壁作一个记号，记下水滴下端的位置，标为A点。用手指轻轻弹动有机玻璃管底部，使食品脱氧剂粉末分布得均匀而紧密，用小刀在有机玻璃管外壁食品脱氧剂的最上端处作记号，标为O点。平放有机玻璃管，如图1所示。

然后水平滚动有机玻璃管，使食品脱氧剂粉末平铺在有机玻璃管中靠近橡皮塞的一侧，以增大食品脱氧剂与空气的接触面积。可以观察到水滴从A点向O点缓慢地移动，10min后，水滴移动速度变得非常缓慢，20min后，水滴完全停止移动。用小刀在有机玻璃管外壁作一个记号，记下水滴的位置，标为B点，如图2所示。

用不锈钢直尺测量出AO段的长度l1， AB段的长度l2。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

如表1所示。进行了3次实验，测定结果在20.94%左右，与维基百科[8]提供的数据20.946%基本吻合。

2.2 对脱氧剂效果的分析

由实验结果可知，本实验选用的食品脱氧剂吸氧效果较好，几乎将取样空气中的氧气完全吸收，原因有以下几点： 第一，该食品脱氧剂使用前为真空包装，其脱氧性能不会因为经历了存储、运输等环节而降低。第二，每小袋食品脱氧剂最多可吸收约30mL氧气，而取样空气中只含有约1.4mL氧气，脱氧剂远远过量，足以将氧气完全吸收。第三，由于市售食品脱氧剂一般会放在食品包装袋中使用，并不需要润湿即可迅速吸氧，因此，本设计并没有使食品脱氧剂与水直接接触，避免了食品脱氧剂遇水后迅速放热产生的影响。

2.3 对气体体积测量仪器的讨论

由于本实验使用的有机玻璃管粗細均匀，各处横截面积均相等，因此脱氧前空气体积与脱氧后空气减少的体积之比等于AO段的长度l1与AB段的长度l2之比。

本实验在测量时，食品脱氧剂粉末间的空气所占体积没有被计入。这是因为，首先与取样空气相比，这部分空气的体积很小，对实验结果影响不大。其次，食品脱氧剂在倒入有机玻璃管之前，并不是处于真空状态下，其粉末间隙中已经充满了被脱去氧气的空气，这些空气大部分都随着粉末一起被倒入管中。由于这些空气已被脱去氧气，在实验过程中体积不会减小，因此不会对实验结果产生影响。

使用液封法密封样品空气，能极大增加装置的灵敏度，即使管中有细微的压强变化，液滴也会及时移动。使用小刀在有机玻璃管外壁作记号， 能得到比记号笔更细的线条，用直尺测量时，有利于得到更为准确的读数。

3 结语

虽然本设计的测量精度较高，但所使用的设备廉价易得，无毒无害，操作简单，因此，适合于初中学生进行操作。经过本实验的操作，能激发学生精益求精的工匠精神，让他们明白，得到精确的结论靠的不仅仅是高科技的仪器，更重要的是本着求实严谨的态度去选择正确的实验方法。

参考文献：

[1]柏廷顿. 胡作玄译. 化学简史[M]. 北京： 中国人民大学出版社， 2010： 83～95.

[2][8]Wikipedia. Atmosphere of Earth [EB/OL]. [20180404]（20180404）. https：//en. wikipedia. org/wiki/Atmosphere_of_Earth.

[3]沃尔夫. 周昌忠， 苗以顺， 毛荣运译. 十八世纪科学技术和哲学史[M]. 北京： 商务印书馆， 2009： 450～451.

[4]张欣荣， 王彦昌， 杨承印. 简便、准确测定空气中含氧量的方法[J]. 化学教育， 2010， 31（4）： 74.

[5]王胤琪. 测定空气中氧气含量的环保创新法[J]. 化学教育， 2011， 32（11）： 67～68.

[6][7]徐泓. 利用“食品脱氧剂”测定空气中氧气含量的系列设计[J]. 化学教育， 2010， 32（11）： 71～72.