探討測定空氣中氧氣含量的不同裝置

高福華

空氣中氧氣含量的測定實驗是初中化學(xué)的重要實驗，近年來的中考在課本實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展、創(chuàng)新，其裝置多種多樣，實驗原理既涉及化學(xué)知識，又涉及物理知識，旨在考查學(xué)生的實驗探究能力及創(chuàng)新思維能力，已成為中考命題的熱點和焦點。

圖1例1.在按書本裝置測定空氣中氧氣含量的實驗時，當(dāng)裝置內(nèi)的氧氣低于一定含量時，紅磷就不再與氧氣反應(yīng)，從而導(dǎo)致測量結(jié)果偏小。有老師對該實驗進(jìn)行了改進(jìn)，裝置如圖1所示，在一容器中倒入剛拆封的“暖寶寶”黑色粉末，再在上面放足量的白磷，迅速扣上燒杯，隨后白磷自燃，利用這一裝置可更準(zhǔn)確地測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

（1）黑色粉末的主要成分是什么？對此同學(xué)們作出了以下兩種猜想：

猜想一：該粉末可能是木炭粉；

猜想二：該粉末可能是鐵粉。

根據(jù)學(xué)過的科學(xué)知識，有同學(xué)認(rèn)為猜想一肯定是錯誤的，你認(rèn)為他的理由是

（2）通過實驗證明加入的黑色粉末是鐵粉。加入鐵粉后使測定結(jié)果更加準(zhǔn)確，原因是

解析：（1）由于木炭燃燒生成的是二氧化碳?xì)怏w，所以裝置內(nèi)壓強(qiáng)變化不大，進(jìn)入的水的量也就不多。因此，若用猜想一的方法測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果會偏低。（2）鐵生銹需要水和氧氣，鐵粉能進(jìn)一步與燒杯中的氧氣反應(yīng)，使結(jié)果更準(zhǔn)確。

答案：（1）木炭粉和氧氣燃燒生成二氧化碳?xì)怏w，會影響實驗結(jié)果 （2）鐵粉能進(jìn)一步和燒杯中的氧氣反應(yīng)

例2.某化學(xué)興趣小組對教材中“測定空氣中氧氣含量”的實驗（見圖Ⅰ）進(jìn)行了大膽改進(jìn)，設(shè)計了圖Ⅱ（選用容積為45mL的18×180mm的試管作反應(yīng)容器）實驗方案進(jìn)行，收到了良好的效果。請你對比分析兩個實驗，回答下列有關(guān)問題。

（1）實驗過程中，觀察到的紅磷燃燒現(xiàn)象是

該反應(yīng)的文字表達(dá)式是

上述實驗和拉瓦錫研究空氣成分實驗（將汞與空氣封閉在一起加熱，生成氧化汞）的化學(xué)反應(yīng)都屬于

（填基本反應(yīng)類型）反應(yīng)。

（2）圖Ⅰ實驗不僅可以說明氧氣占空氣的體積分?jǐn)?shù)，還可以說明氮氣具有的化學(xué)性質(zhì)是

（寫出一點即可）。

（3）用圖Ⅰ實驗裝置測定的結(jié)果是：集氣瓶內(nèi)水面上升明顯大于瓶內(nèi)空氣體積的1/5，你認(rèn)為導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是

（寫出一點即可）。

（4）某學(xué)生用木炭代替圖Ⅰ中的紅磷，當(dāng)木炭停止燃燒，集氣瓶冷卻到室溫，打開彈簧夾后，發(fā)現(xiàn)水不能進(jìn)入集氣瓶，原因是

若仍用木炭代替紅磷，對該生的實驗方案應(yīng)作何改進(jìn)，才能保證實驗成功？（只需答出實驗方案中需改進(jìn)的地方）

（5）圖Ⅱ是該興趣小組測定空氣中氧氣含量的改進(jìn)裝置，其實驗的操作步驟如下：

①點燃酒精燈；

②撤去酒精燈，待試管冷卻后松開彈簧夾；

③將少量紅磷平裝入試管中，將20mL的注射器活塞置于10mL刻度處，并按圖Ⅱ中所示的連接方式固定好，再將彈簧夾夾緊橡皮管；

④讀取注射器活塞的數(shù)據(jù)。

你認(rèn)為正確的實驗操作順序是

圖Ⅱ?qū)嶒炛?，注射器活塞將?0mL刻度處慢慢前移到約

mL刻度處才停止；對照圖Ⅱ?qū)嶒灒阏J(rèn)為圖Ⅰ實驗有何不足之處？

（寫出一點即可）。

（6）經(jīng)過研究討論后，該興趣小組又設(shè)計了如圖Ⅲ的測定空氣中氧氣含量的改進(jìn)裝置，主要操作是：在實際容積為150mL的集氣瓶里，先裝進(jìn)50mL的水，再按圖連好儀器，按下熱的玻璃棒，白磷立即被點燃（已知白磷在空氣中燃燒生成五氧化二磷）。

①白磷從燃燒到熄滅冷卻的過程中，瓶內(nèi)水面的變化是

若實驗非常成功，最終集氣瓶中水的體積約為

②集氣瓶里預(yù)先裝進(jìn)的50mL水，在實驗過程中起到哪些作用？

a.加快集氣瓶冷卻

b.液封導(dǎo)氣管末端以防氣體逸出

c.緩沖集氣瓶內(nèi)氣壓的驟然升高

解析：（1）紅磷在空氣中燃燒的現(xiàn)象是發(fā)出黃光、放出熱量、冒出大量的白煙。（2）氮氣的化學(xué)性質(zhì)：不燃燒也不支持燃燒，不與紅磷反應(yīng)等。（3）如果裝置內(nèi)的部分空氣逸散出來，就會導(dǎo)致進(jìn)入集氣瓶中水的體積大于1/5。（4）木炭燃燒生成二氧化碳?xì)怏w，瓶內(nèi)壓強(qiáng)不發(fā)生變化，水便無法進(jìn)入瓶中。若仍用木炭代替紅磷，可在集氣瓶中放一些氫氧化鈉溶液，以吸收生成的二氧化碳?xì)怏w。（5）圖Ⅱ是該興趣小組測定空氣中氧氣含量的改進(jìn)裝置，正確的實驗操作步驟是③①②④。圖Ⅱ?qū)嶒炛?，紅磷燃燒消耗氧氣的體積約為45mL×15=9mL，注射器活塞將從10mL刻度處慢慢前移到約1mL刻度處才停止。對照圖Ⅱ?qū)嶒?，可發(fā)現(xiàn)圖Ⅰ實驗不如圖Ⅱ?qū)嶒瀲?yán)密。（6）圖Ⅲ的測定空氣中氧氣含量裝置中，白磷從燃燒到熄滅冷卻的過程中，瓶內(nèi)水面的變化是先下降后上升，開始時氣體受熱膨脹，瓶內(nèi)的水進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)，瓶內(nèi)水面下降，冷卻后導(dǎo)管中水回落至瓶內(nèi)，瓶內(nèi)水面再上升。若實驗非常成功，消耗氧氣的體積約為100mL×15=20mL，則最終集氣瓶中水的體積約為50mL+20mL=70mL。集氣瓶里預(yù)先裝進(jìn)的水，在實驗過程中可加快集氣瓶冷卻，液封導(dǎo)氣管末端以防氣體逸出，緩沖集氣瓶內(nèi)氣壓的驟然升高等。

答案：（1）發(fā)出黃光、放出熱量、冒出大量的白煙 磷+氧氣加熱五氧化二磷 化合 （2）不燃燒也不支持燃燒（或不與紅磷反應(yīng)） （3）在將燃著的紅磷伸入裝置時動作緩慢，致使裝置內(nèi)的部分空氣逸散出來（合理即可） （4）木炭燃燒生成了二氧化碳?xì)怏w 在集氣瓶中放一些氫氧化鈉溶液 （5）③①②④ 1 圖Ⅰ實驗不嚴(yán)密 （6）①先下降后上升 70②a、b、c

以上例題中的測定裝置各有千秋，主要原理都為消耗空氣中的氧氣，且生成物都不是氣體（若為氣體則需事先加入吸收液體），使得裝置內(nèi)的壓強(qiáng)減小，根據(jù)進(jìn)入容器中水的體積比來確定氧氣所占的體積分?jǐn)?shù)。