Question

12．某化學興趣小組對“空氣中氧氣含量的測定”展開探究．
【實驗回顧】實驗室常用紅磷燃燒的方法測定空氣中氧氣的含量（如圖1、圖2），紅磷燃燒的符號表達式為4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅．興趣小組用該方法測出的氧氣含量常常遠低于21%．
【實驗改進】甲同學認為誤差主要是由實驗裝置造成的，于是改用圖3裝置進行實驗．

（1）按圖2裝置實驗，實驗開始前應(yīng)先進行的一步操作是檢查裝置氣密性．實驗中燃燒匙內(nèi)盛放紅磷的量必須足量或過量．
（2）按圖3裝置實驗，點燃紅磷的方式不同于圖1，而是接通電源使電烙鐵發(fā)熱，點燃紅磷后，斷開電源．與圖2裝置相比，圖3裝置使用電烙鐵可以減小實驗誤差，其原因是改進后的裝置無需打開瓶塞點燃紅磷，避免瓶內(nèi)空氣外逸而而造成實驗誤差．
【提出問題】在操作規(guī)范的情況下，用改進后的裝置測得的氧氣含量約為14%．為什么測量結(jié)果與真實值仍有較大差距呢？
【查閱資料】燃燒過程中當氧氣體積分數(shù)低于7%時，紅磷就無法繼續(xù)燃燒．引起本實驗的誤差除裝置外，還與可燃物的性質(zhì)有關(guān)．
【實驗探究1】乙同學利用圖4裝置測定空氣中氧氣的含量．其中與集氣瓶相連的壓強傳感器等電子設(shè)備能將集氣瓶內(nèi)壓強精確地記錄并保存下來．圖5是用該裝置測得的木炭在集氣瓶中燃燒的壓強-時間關(guān)系圖（該裝置氣密性良好，P₀是集氣瓶內(nèi)初始氣壓，P是反應(yīng)結(jié)束時恢復到室溫時集氣瓶內(nèi)的氣壓）．

（3）反應(yīng)開始時集氣瓶中壓強會瞬間變大（填“變大”、“變小”或“不變”），原因是木炭燃燒放熱，使瓶內(nèi)溫度升高，壓強增大．
（4）根據(jù)圖5，木炭不可代替紅磷測定空氣中氧氣含量的原因是木炭燃燒雖消耗氧氣但生成二氧化碳，反應(yīng)前后瓶內(nèi)壓強并未發(fā)生明顯變化．
【實驗探究2】已知常溫下鐵與空氣中的氧氣、水反應(yīng)生成鐵銹（主要成分是Fe₂O₃），在有氯化鈉、炭粉存在條件下，反應(yīng)速度較快．丙同學根據(jù)鐵生銹的原理，探究用鐵能否準確測定空氣中氧氣的含量，設(shè)計了圖6所示實驗裝置，8分鐘后測得數(shù)據(jù)如下表：

實驗前的體積		實驗后的體積
集氣瓶內(nèi)空氣	量筒內(nèi)水	量筒內(nèi)剩余水
262mL	180.0mL	127.2mL

（5）丙同學將鐵粉、炭粉等物質(zhì)不是堆在瓶底，而是撒在浸潤氯化鈉的濾紙條上再貼在廣口瓶內(nèi)側(cè)，其目的是增大反應(yīng)物之間的接觸面積．
（6）根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算空氣中的氧氣含量．（寫出計算過程，計算結(jié)果保留到0.1%）
【結(jié)論與反思】通過上述實驗探究，選擇合適的物質(zhì)和實驗裝置進行實驗，可較為快速地完成實驗并減小實驗誤差．

Answer 1

分析 【實驗回顧】紅磷在空氣中燃燒生成五氧化二磷；
（1）根據(jù)為了保證測定結(jié)果，實驗開始前應(yīng)先進行裝置氣密性的檢驗解答；
（2）根據(jù)裝置特點進行分析解答；
（3）根據(jù)圖5中反應(yīng)開始時集氣瓶中壓強瞬間變大的原因是反應(yīng)放熱，導致集氣瓶中的微粒之間的間隔變大，從而導致壓強增大解答；
（4）碳燃燒生成二氧化碳氣體；
（5）根據(jù)將其涂抹在廣口瓶內(nèi)壁的四周，這樣做的目的是增大與氧氣的接觸面積，加快緩慢氧化解答；
（6）根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析解答；

解答 解：
【實驗回顧】紅磷在空氣中燃燒生成五氧化二磷，紅磷燃燒的化學方程式為：4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅；
（1）為了保證測定結(jié)果，實驗開始前應(yīng)先進行裝置氣密性的檢驗，為了將空氣中的氧氣耗盡，實驗中燃燒匙內(nèi)盛放紅磷的量必須足量或過量；
（2）按圖3裝置實驗，點燃紅磷的方式不同于圖1，而是接通電源使電烙鐵發(fā)熱，點燃紅磷后，斷開電源．與圖2裝置相比，圖3裝置使用電烙鐵可以減小實驗誤差，其原因是改進后的裝置無需打開瓶塞點燃紅磷，避免瓶內(nèi)空氣外逸而而造成實驗誤差；
（3）圖5中反應(yīng)開始時集氣瓶中壓強瞬間變大的原因是木炭燃燒放熱，導致集氣瓶中的微粒之間的間隔變大，從而導致壓強增大．
（4）該實驗中不能用木炭燃燒測定空氣中氧氣含量，這是因為木炭燃燒生成二氧化碳氣體，會導致水不能進入集氣瓶．
（5）丙同學將鐵粉、炭粉等物質(zhì)不是堆在瓶底，而是撒在浸潤氯化鈉的濾紙條上再貼在廣口瓶內(nèi)側(cè)，其目的是增大反應(yīng)物之間的接觸面積；
（6）氧氣的體積=180.0mL-127.2mL=52.8mL，氧氣的含量=$\frac{52.8mL}{262mL}$×100%=20.2%；
答案：
【實驗回顧】4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅；
【實驗改進】（1）檢查裝置氣密性；足量或過量；
（2）改進后的裝置無需打開瓶塞點燃紅磷，避免瓶內(nèi)空氣外逸而而造成實驗誤差；
（3）變大；木炭燃燒放熱，使瓶內(nèi)溫度升高，壓強增大；
（4）木炭燃燒雖消耗氧氣但生成二氧化碳，反應(yīng)前后瓶內(nèi)壓強并未發(fā)生明顯變化；
（5）增大反應(yīng)物之間的接觸面積；
（6）20.2%．

點評 本題主要考查實驗測定空氣中氧氣含量的原理及可能造成實驗失敗的原因的分析，理解實驗的原理是解答本題的關(guān)鍵，增加了學生分析問題的思維跨度，強調(diào)了學生整合知識的能力．