Question

14．我校化學(xué)興趣小組測(cè)定空氣中氧氣的含量，并改進(jìn)教材方案．
【實(shí)驗(yàn)方案】選用實(shí)驗(yàn)容積為40mL的試管作反應(yīng)容器，通過(guò)導(dǎo)管與容積為60mL且潤(rùn)滑性很好的針筒注射器組成如圖的實(shí)驗(yàn)裝置．（白磷所占體積與導(dǎo)管內(nèi)的氣體體積忽略不計(jì)）
【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】（1）實(shí)驗(yàn)前，打開(kāi)彈簧夾，將注射器的活塞前湍從20mL刻度處推至15mL刻度處，然后松手，若活塞仍能返回至20mL刻度處，則說(shuō)明裝置的氣密性好．
（2）若先夾緊彈簧夾，用酒精燈加熱白磷，可觀察現(xiàn)象白磷燃燒，產(chǎn)生大量白煙，放熱．寫出化學(xué)反應(yīng)方程式4P+5O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2P₂O₅，燃燒結(jié)束，等到試管冷卻后再松形式彈簧夾，預(yù)測(cè)活塞移動(dòng)到12mL處．
（3）若不使用彈簧夾，用酒精燈加熱白磷，充分反應(yīng)直至燃燒結(jié)束，試管冷卻．可觀察到活塞的移動(dòng)現(xiàn)象為先向右移動(dòng)，再向左移動(dòng)．
【交流與反思】實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，活塞停止的刻度始終大于理論刻度值．在老師的指導(dǎo)下，同學(xué)們利用鐵銹原理再次測(cè)量空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)．
【查閱資料】①脫氧劑的主要成分為鐵粉、少許活性炭、少量氯化鈉和水．
②鐵銹的主要成分化學(xué)式為：Fe₂O₃．
【實(shí)驗(yàn)原理】鐵生銹消耗氧氣和水，生成固體鐵銹；氧化鈉可以加快鐵銹的速率．
【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】
（1）取一個(gè)集氣瓶，其實(shí)際容積是150mL；取一個(gè)量筒，內(nèi)盛有100mL的水．
（2）室溫時(shí)，先夾緊彈簧夾，將一定量的脫氧劑懸吊在橡皮塞反面，再將橡皮塞旋緊到集氣瓶口，將導(dǎo)氣管插入量筒水中．2個(gè)小時(shí)后打開(kāi)彈簧夾，觀察到量筒內(nèi)的現(xiàn)象液面下降水進(jìn)入到集氣瓶?jī)?nèi)．
（3）當(dāng)量筒內(nèi)水面高度不再變化，且溫度恢復(fù)至室溫時(shí)，讀出水面在71mL刻度處．
【數(shù)據(jù)分析】由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以算出，空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)是19.3%%．理論上空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%，請(qǐng)你分析產(chǎn)生這一差異的可能原因是：集氣瓶?jī)?nèi)還有氧氣．

Answer 1

分析 本題是測(cè)定氧氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)探究，要把空氣中的氧氣消耗掉，在本實(shí)驗(yàn)中用的是過(guò)量的白磷，燃燒后的生成物是固體，不需要占很大的空間．本實(shí)驗(yàn)中用的是40mL的試管與實(shí)際容積為60mL且潤(rùn)滑性很好的針筒注射器，并且活塞在20mL處，有助于反應(yīng)結(jié)束后計(jì)算體積．要使本實(shí)驗(yàn)成功，必須注意以下幾點(diǎn)：①裝置的氣密性好；②白磷足量；③必須冷卻到室溫再讀數(shù)．還要注意防止試管受熱不均或氣體體積受熱膨脹過(guò)大，從而造成試管炸裂．

解答 解：
（1）打開(kāi)彈簧夾，將注射器活塞前沿從20mL刻度處推至15mL刻度處，然后松開(kāi)手，若活塞仍能返回至20mL刻度處，則說(shuō)明整個(gè)裝置都不漏氣；
（2）若先夾緊彈簧夾，用酒精燈加熱白磷，可觀察到：白磷燃燒，產(chǎn)生大量白煙，放熱；白磷燃燒的化學(xué)方程式為：4P+5O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2P₂O₅．這時(shí)白磷燃燒消耗掉的只是試管內(nèi)的氧氣為40mL×$\frac{1}{5}$=8mL，所以活塞應(yīng)停在20mL-8mL=12mL的刻度處；
（3）若不使用彈簧夾，用酒精燈加熱白磷，充分反應(yīng)直至燃燒結(jié)束，試管冷卻．可觀察到活塞的移動(dòng)現(xiàn)象為先向右移動(dòng)，再向左移動(dòng)；
【查閱資料】
鐵生銹消耗氧氣和水，生成固體鐵銹；
（2）如圖所示的裝置內(nèi)一會(huì)兒觀察到量筒內(nèi)的現(xiàn)象液面下降，水進(jìn)入到集氣瓶?jī)?nèi)，這是因?yàn)榧瘹馄績(jī)?nèi)壓強(qiáng)小于外界大氣壓；
（3）當(dāng)量筒內(nèi)水面高度不再變化，且溫度恢復(fù)至室溫時(shí)，讀出水面在71mL刻度處．由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以算出，空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)是$\frac{100mL-71mL}{150mL}$×100%=19.3%；本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果與理論值不一致，原因可能是脫氧劑中有部分鐵粉在實(shí)驗(yàn)前已被氧化；脫氧劑中的內(nèi)層的鐵粉沒(méi)有與氧氣接觸．集氣瓶?jī)?nèi)還有氧氣．
故答案為：
（1）裝置的氣密性好；
（2）白磷燃燒，產(chǎn)生大量白煙，放熱；4P+5O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2P₂O₅；12；
（3）先向右移動(dòng)，再向左移動(dòng)；
【實(shí)驗(yàn)原理】氧氣；
（2）液面下降水進(jìn)入到集氣瓶?jī)?nèi)；
（3）19.3%；集氣瓶?jī)?nèi)還有氧氣．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查實(shí)驗(yàn)測(cè)定空氣中氧氣含量的原理及可能造成實(shí)驗(yàn)失敗的原因的分析，解此類問(wèn)題時(shí)關(guān)鍵是分析清楚實(shí)驗(yàn)原理，了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)．