燃磷法測定氧氣含量實驗的新改進(jìn)

　　摘要：磷及其燃燒產(chǎn)物和水化物都有較大毒性，而且最終都可能被排放到環(huán)境中會造成污染。為解決“測定空氣中氧氣含量”實驗的污染問題，我們經(jīng)過實驗探究，最終根據(jù)氫氧化亞鐵易被空氣中氧氣氧化的性質(zhì)，利用過量氫氧化亞鐵吸收一定體積空氣中氧氣的方法對該實驗進(jìn)行改進(jìn)獲得了成功。此改進(jìn)實驗具有裝置簡化、操作簡單、無污染等優(yōu)點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：燃磷法；測定空氣中氧氣含量；綠色化學(xué)；氫氧化亞鐵；實驗改進(jìn)
　　文章編號：1005–6629（2016）12–0053–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
　　測定空氣中氧氣含量是初中化學(xué)的第一個定量實驗，對于培養(yǎng)中學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、規(guī)范的操作方法、環(huán)境保護(hù)的意識等方面具有重要的意義和作用。但目前對該實驗的研究中，主要是從兩角度進(jìn)行改進(jìn)：一是對裝置進(jìn)行改進(jìn)，將教材中的敞口裝置改為密閉裝置，而所選用的耗氧物質(zhì)仍然是紅磷；二是用白磷代替紅磷，目的是降低引燃的難度。但這兩種改進(jìn)方法都是治標(biāo)不治本，并沒有從根本上解決實驗中的污染問題。
　　為了從源頭上解決“測定空氣中氧氣含量”實驗的污染問題，我們受氫氧化亞鐵易被氧化的性質(zhì)啟發(fā)，利用過量氫氧化亞鐵吸收一定體積空氣中氧氣的方法對該實驗進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果獲得了成功。
　　1 燃磷法測定氧氣含量實驗的思考
　　1.1 對磷及其燃燒產(chǎn)物毒性的探究
　　經(jīng)資料查閱了解到除紅磷本身無毒外，其燃燒產(chǎn)物及其水化物、白磷本身以及燃燒產(chǎn)物及其水化物均有毒，甚至為劇毒，都是有危害的藥品，使用中都要防止與人體接觸。但目前在實際使用中，特別是實驗教學(xué)中產(chǎn)生的煙塵卻又是不可避免的，無論采取何種方式處理產(chǎn)物，它們最終都可能被排放到環(huán)境中。因此，無論是用紅磷還是白磷，無論對實驗裝置如何改進(jìn)，只要我們使用燃磷法來測定空氣中氧氣含量，環(huán)境都會被污染，師生的健康就會遭受傷害。但燃磷法測定空氣中氧氣含量的實驗方法卻用了幾十年，非常令人費(fèi)解。
　　1.2 對實驗教學(xué)中污染問題的思考
　　有的專家在談到教學(xué)中的污染問題時，說實驗教學(xué)中產(chǎn)生的污染物對于整個環(huán)境來說是微不足道的，這類實驗并沒有改進(jìn)的必要。而且還說“如果不讓學(xué)生體驗一下，他們?nèi)绾握J(rèn)識到這些物質(zhì)是污染物？”，這不知是何邏輯！
　　也許，某一次教學(xué)中產(chǎn)生的污染，對于整個環(huán)境來說可能是微不足道的，對師生健康的傷害也不是那么明顯。然而，我們改進(jìn)或優(yōu)化這類實驗的目的，正是為了通過解決教學(xué)中的污染問題，使學(xué)生樹立保護(hù)環(huán)境的意識，增強(qiáng)他們的社會責(zé)任感，這與我國“培養(yǎng)德、智、體等方面全面發(fā)展的社會主義事業(yè)建設(shè)者和接班人”的教育目的[1]是完全相吻合的。
　　在各種雜志上曾發(fā)表很多對測定空氣中氧氣含量實驗的研究論文[2～9]，有的是對實驗裝置的改進(jìn)，將教材中的敞口裝置改為密閉裝置，有的是將紅磷改為白磷，最后在對改進(jìn)后實驗的優(yōu)點(diǎn)的描述中，他們一致認(rèn)為，這樣的改進(jìn)“完全避免了環(huán)境污染，符合綠色化學(xué)的理念”，其實并不盡然。
　　1.3“綠色化學(xué)”的涵義
　　“綠色化學(xué)”由美國化學(xué)會（ACS）提出，目前得到世界廣泛的響應(yīng)。其核心是利用化學(xué)原理從源頭上減少和消除工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的污染；反應(yīng)物的原子全部轉(zhuǎn)化為期望的最終產(chǎn)物[10]。
　　這句話的關(guān)鍵詞應(yīng)該是“從源頭上減少和消除工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的污染”，達(dá)到“零排放”。但是，無論是教材實驗還是研究者們的改進(jìn)實驗，實驗結(jié)束后的廢棄物是怎么處理的？倒入廢液罐（缸）？然后呢？最終還是倒入下水道，進(jìn)入環(huán)境。
　　如果要完全避免環(huán)境污染，符合綠色化學(xué)的理念，那就不應(yīng)該使用有毒或者本身無毒但在實驗過程中產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)，或者即使產(chǎn)生了有毒有害的物質(zhì)，但經(jīng)過簡單的處理后，能夠轉(zhuǎn)化為無毒無害的物質(zhì)，排放后對環(huán)境無害，或者最終的產(chǎn)物能夠進(jìn)行回收循環(huán)使用，從而達(dá)到零排放。
　　那么，在中學(xué)階段，有沒有符合這一要求的物質(zhì)和實驗方法？
　　2 對燃磷法測定氧氣含量實驗的改進(jìn)
　　高中化學(xué)“氫氧化亞鐵制備實驗”中的實驗現(xiàn)象為：新制硫酸亞鐵與氫氧化鈉反應(yīng)產(chǎn)生的白色氫氧化亞鐵沉淀在空氣中氧氣的作用下迅速變?yōu)榛揖G色，最后變?yōu)榧t褐色的氫氧化鐵，整個變化過程大約只需三分鐘，這還是在不振蕩的情況下，如果進(jìn)行振蕩，所需時間應(yīng)該更短。假設(shè)在一密閉容器中利用這一反應(yīng)來消耗一定體積空氣中的氧氣，然后根據(jù)反應(yīng)前后氣體體積的變化情況，應(yīng)該能夠計算出空氣中氧氣的含量。于是設(shè)計了如下實驗來對我們的猜想進(jìn)行驗證。
　　2.1 實驗原理
　　首先，在課前用過量的鐵粉和飽和硫酸鐵溶液反應(yīng)制備硫酸亞鐵溶液備用：
　　需要消耗飽和硫酸亞鐵溶液的體積計算如下。
　　從表1中可知，20℃時飽和硫酸亞鐵溶液濃度為：
　�。�152÷278）×48g≈26.3g
　　26.3/（26.3+100）×100%≈20.8%
　　雖然查不到飽和硫酸亞鐵溶液的密度，但我們可以進(jìn)行估算，100g水的體積為100mL，假設(shè)配制好溶液后溶液總體積不變，則飽和硫酸亞鐵溶液的密度為：ρ=m/V=（100+26.3）÷100=1.263 g·mL-1，由密度公式m=ρV、溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計算公式a%= m質(zhì)/m液×100%和溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與物質(zhì)的量濃度的換算公式c=1000ρ·a%/M得：
　　V=m質(zhì)/（ρ·a%）=0.057g÷（1.263 g·mL-1×20.8%）≈0.22mL
　　c=1000ρ·a%/M=1000×1.263×20.8%÷278≈0.944 mol·L-1

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