تئوری آزمایش

تعیین مقدار اکسیژن هوا یکی از عناوین اصلی درس شیمی سالهای اول دبیرستان در تایوان است و آزمایش تعیین درصد حجمی اکسیژن در هوا ، در دستور کار آزمایشگاه شیمی دیده می‌شود. اما تعیین در صد اکسیژن ، از طریق یک شمع با اکسیژن ، در جامی که وارونه در یک ظرف 500 میلی‌لیتری (تا 3/2 از آب پر شده) قرار دارد، آنچنانکه در دستور کار آزمایشگاه شیمی عمومی شرح داده شده ، دشوار است. از این جهت لازم است آزمایش کمی ساده ای جهت اندازه‌گیری درصد اکسیژن هوا ، برای دبیران شیمی سالهای اول دبیرستان ارائه شود.

"بیرک" و همکارنش ، برای تعیین درصد حجمی اکسیژن هوا از پیروگالل قلیایی ، فسفر سفید و مس در آمونیوم کلرید آمونیاکی یا پشم فولاد به‌عنوان واکنشگر جاذب اکسیژن ، استفاده کردند. برای انتقال کامل اکسیژن از 25 میلی‌لیتر هوای نمونه در این آزمایش ، 4 تا 6 ساعت زمان نیاز است.

"مارتینز" از پشم فولاد در لوله آزمایش خود استفاده کرد. این لوله آزمایش به‌صورت وارونه در یک بشر 400 تا 600 میلی‌لیتری (تا 3/2 از آب پر شده) قرار داشت. این واکنش به 30 دقیقه زمان نیاز دارد. این روشها بر پایه جذب شیمیایی اکسیژن (O₂) است که منجر به بالا رفتن سطح مایع می‌شود. میانگین اکسیژن هوا در هر دو روش 20% بدست می‌آید.

در هیچ یک از روشهای منتشر شده ، الکل محترق نمی‌شود. این مقاله ، راه ساده ای برای تعیین درصد اکسیژن هوا در اختیار می‌گذارد. اساس این روش ، مصرف اکسیژن است که منجر به کاهش فشار و کشیده شدن آب به داخل ظروف وارونه می شود. قاعدتا این آزمایش باید بی‌خطر ، سریع و ساده باشد و جذابیت لازم را برای دانش‌آموزان سالهای اول دبیرستان داشته باشد.

آزمایش احتراق اتیل الکل ( اتانول ) با اکسیژن هوا برای دانش‌آموزان قابل فهم و توسط معلم شیمی قابل توضیح است یا اینکه خود دانش‌آموزان می‌توانند در آزمایشگاه آن را به‌درستی و آسان انجام دهند و از آن لذت ببرند. در این آزمایش یک فواره بوجود می‌آید که اثر سیفون کاهش فشار در ظرف وارون مسبب آن است (همانند فواره آمونیاک).

هدف آزمایش

تعیین درصد اکسیژن هوا

مواد لازم

• بالن‌های ته‌گرد 250 ، 200 ،150 یا 300 میلی‌لیتری
• ارلن 500 میلی‌لیتری
• گیره با یک نوار لاستیکی محکم و پایه آهنی ( حلقه )
• در پوش لاستیکی ( نمره 7 )
• سوزن تزریق فولادی ضد زنگ ( میلی‌لیتری)
• شیلنگ پلاستیک (به طول 30 سانتی‌متر) با یک شیر پلاستیک
• لوله شیشه‌ای با شیر تفلونی
• یک تکه پنبه
• اتیل الکل ( اتانول )

دستگاهها

یک دستگاه ساده با طرح خاص برای تعیین درصد اکسیژن هوا ، با مواد زیر سوار می‌شود: ظرف واکنش یک بالن ته گرد وارون است که ورودی آن با یک درپوش لاستیک (نمره 7) بسته می‌شود. یک سوزن تزریق فولادی ضد زنگ ( میلی‌متری ) در وسط درپوش لاستیکی قرار داده می‌شود. سوزن تزریق باید از طریق یک شیر پلاستیکی به شلینگ پلاستیکی به طول 30 سانتی‌متر متصل شود.

روش آزمایش

اندازه گیری کمی در صد اکسیژن هوا به‌سادگی قابل انجام است. دستور کار کلی به شرح زیر است:

1. یک تکه پنبه را روی نوک سوزن تزریق که در پوش لاستیکی فرو برده شده است، قرار دهید.
   
   
2. یک یا دو قطره اتانول روی پنبه بریزید (احتیاط: اتانول شدیدا آتشگیر است، لذا مطمئن شوید اتانول اضافی در کنار شعله مستقیم وجود نداشته باشد).
   
   
3. شیر روی شیلنگ پلاستیکی را ببندید.
   
   
4. بالن ته‌گرد (250,200,150 یا 300 میلی‌لیتری) را وارونه کنید و با یک بند لاستیکی محکم آن را به پایانه آهنی (حلقه) ببندید.
   
   
5. با یک کبریت ، اتانول روی پنبه را آتش بزنید و در پوش لاستیکی را محکم و سریع روی بالن ته‌گرد وارون مطابق شکل 1 ببندید. پس از چند ثانیه ، هنگامی که اکسیژن به‌طور کامل مصرف شد، فشار در بالن کاهش می‌یابد و شعله خاموش می‌شود.
   
   
6. انتهای شیلنگ پلاستیکی را در یک ارلن 500 میلی‌لیتری که 5/3 آن از آب پر شده است، فرو ببرید و سپس شیر روی شیلنگ پلاستیکی را باز کنید.
   
   
7. بلافاصله فواره ای از سر سوزن تزریق می‌شود تا اینکه فشار داخل و بیرون بالن برابر شود.
   
   
8. حجم آب کشیده در بالن ته‌گرد وارون را با مدرج کردن استوانه یا از روی تغییرات حجم آب در ارلن پیش و پس از واکنش ، اندازه‌گیری کنید. این تغییر در سطح آب با مقدار آب کشیده شده به بالن ته‌گرد برابر است.
   
   
9. پس از اتمام آزمایش ، درصد اکسیژن هوا را تعیین کنید.

نتایج و توضیحات

این دستگاه و روش کار می‌تواند یک آزمایش ساده برای اندازه‌گیری کمی در صد اکسیژن هوا فراهم کند، با این فرض که احتراق اتانول همه اکسیژن موجود در بالن را مصرف کند، تغییری که می‌تواند سودمند باشد، این است که سوزن تزریق را با یک لوله شیشه‌ای جانشین کنیم و حجم آب ارلن اندازه بگیریم. لوله شیشه‌ای را که در وسط ، دارای یک شیر تفلونی است، بردارید و با استفاده از یک بند ، یک تکه پنبه روی یکی از دو سر آن قرار دهید. حتما از یک بالن ته‌گرد بلند استفاده کنید تا وقتی آن را در داخل بالن ته‌گرد قرار می‌دهید، شعله خاموش نشود.

کاهش فشار در بالن ته‌گرد ، سبب می‌شود آب از داخل بالون ارلن زیرین همزمان به داخل بالن وارون کشیده شود و فواره ای بوجود آید. نتایج ، حاکی از آن است که حجم آب کشیده شده به داخل بالن (یا تفاوت در حجم آب ارلن پیش و پس از واکنش) با حجم بالن ته‌گرد نامتناسب است. در صد اکسیژن را از طریق معادلات 1و2 می‌توان محاسبه کرد.

همچنین ببینید

• آزمایشهای مربوط به هوا
• اتانول
• اکسیژن
• الکل
• هوا