一道探究氣體成分實驗題引發的思考

陳彩靜

摘要：通過一道常見氣體成分探究題，利用氧氣、二氧化碳、氮氣、鎂的相關性質來進行設計探究實驗。在實驗過程中不斷改進優化實驗方案及實驗裝置，發現排水法收集的薯片包裝袋內氣體因含有較多的水蒸氣，鎂條在其內燃燒觀察不到明顯的黃色，但可用紅色石蕊試紙檢測到堿性氣體氨氣的存在；使用注射器抽取氣體進行實驗，可觀察到淡黃色固體氮化鎂的存在。通過威尼爾氧氣傳感器可測知袋內氣體還含有少量的氧氣。

關鍵詞：氮化鎂；紅色石蕊試紙；氧氣傳感器

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0069-03

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.016

初三學生在化學學習過程中，遇到了這樣一道探究氣體成分的實驗探究題：同學們在吃薯片時，對包裝袋中充人的氣體產生了興趣。他們認為薯片包裝時充人氣體，是為了防止膨化食品被擠壓、破碎，防止產品油脂氧化、酸敗，該氣體應該是清潔、無毒、干燥的，能保證膨化食品長期不變色、變味，食用安全。

[提出問題]這是什么氣體？

[猜想假設]甲同學猜想是氧氣，乙同學猜想是二氧化碳，丙同學猜想是氮氣，丁同學猜想是二氧化硫。

（1）大家討論后認為除了甲同學的猜想不合理外，

同學的猜想也不合理，理由____。

（2）乙同學為了判斷自己的猜想，先用注射器抽取某種品牌薯片包裝袋中的氣體，然后用排水法將注射器中的氣體收集到集氣瓶中，再用燃著的木條伸人集氣瓶中，發現木條熄滅，于是乙同學判斷自己的猜想正確。你是否同意他的觀點？_____ （填“同意”或“不同意”），理由是_____ 。（已知鎂條不僅能在氧氣中燃燒，鎂條在氮氣中也能燃燒，生成淡黃色的氮化鎂（Mg3N2）固體。）

這樣一道實驗探究題，同學們很有興趣，于是，我決定讓同學們實際動手操作，來證實薯片包裝袋內的氣體成分。

一、實驗儀器與藥品

選用可比克和樂事兩個品牌的薯片若干包，蠟燭，澄清石灰水，鎂條，砂紙，pH試紙，紅色石蕊試紙，火柴，導管，集氣瓶，水槽，橡皮筋，硬質玻璃管，水槽等。

二、實驗方法步驟

1．排水法收集薯片包裝袋內氣體

為簡化實驗操作，選擇直接用排水法收集包裝袋內氣體。玻璃彎管一端用水潤濕，然后將其旋進膠皮管中，膠皮管的另一端連接一個30度的玻璃管，膠皮管中間部分夾緊一個止水夾。左手緊緊捏住薯片包裝袋的一角，右手拿起剪刀，剪下一個小口，將玻璃管的另一端快速插入包裝袋內，然后用橡皮筋扎緊。取水槽接滿水，將集氣瓶裝滿水倒扣在水槽中，將膠皮管捏住，移開止水夾，將30度的玻璃管插入水槽中的集氣瓶，慢慢擠壓薯片包裝袋排出氣體。以此操作收集氣體，將收集滿的氣體在水下蓋上玻璃片，移出水面，正放桌面。收集裝置如圖1所示。

2．檢驗該氣體是否為二氧化碳

將玻璃管放人澄清石灰水中，擠壓包裝袋，排出氣體，觀察澄清石灰水是否變渾濁。實驗現象為澄清石灰水未變渾濁。實驗裝置見圖2。

3．檢驗該氣體是否為氧氣

取一瓶排水法收集的氣體，將燃著的小蠟燭置于燃燒匙中，然后緩慢伸人瓶中，觀察蠟燭燃燒情況。實驗現象為燃著的蠟燭熄滅。實驗裝置及現象見圖3。

4．檢驗該氣體是否為氮氣

取打磨過的鎂條，用坩堝鉗夾住，在酒精燈上引燃后緩慢插入一瓶排水法收集的氣體中，玻璃片始終蓋在集氣瓶上，觀察現象。發現鎂條在集氣瓶內繼續燃燒，產生大量白煙。實驗現象如圖4所示。

根據上述實驗，可以推知，該氣體不能使澄清石灰水變渾濁，排除是二氧化碳氣體的猜想；該氣體不支持蠟燭燃燒，排除是氧氣的猜想。但鎂條燃燒時產生大量白煙及白色固體，并沒有黃色固體出現，薯片包裝袋內的氣體到底是不是氮氣呢？有無其他方法進行檢驗呢？

三、實驗再探究

繼續進行鎂條在薯片包裝袋氣體中的燃燒實驗，燃燒結束后，在玻璃片上放上潤濕的pH試紙及紅色石蕊試紙，[1]然后將玻璃片扣放回集氣瓶中，一段時間后，觀察現象。發現紅色石蕊試紙變藍，說明有堿性氣體生成；pH試紙變色，與標準比色卡對照，pH約為9。兩種試紙均證明鎂條在薯片包裝袋內氣體中燃燒后有堿性氣體生成。將集氣瓶中的白色固體收集，轉移到帶導管的試管中，并向試管中加少量水，然后用酒精燈外焰對其加熱，將產生的氣體通入無色酚酞溶液中，無色酚酞變紅。現象見圖5、圖6。

將集氣瓶中的氣體換成空氣后重復上述實驗，結果顯示在玻璃片上放上潤濕的pH試紙及紅色石蕊試紙均無明顯現象。將集氣瓶中的白色固體收集并進行加熱，無色酚酞溶液不變紅。此實驗操作排除氧化鎂固體的干擾。

查閱資料可知，[2][3]鎂在氮氣中燃燒會生成氮化鎂，氮化鎂易與水反應生成氫氧化鎂與氨氣，氨氣為堿性氣體，可使酚酞溶液變紅。通過該探究實驗可知，鎂條在薯片包裝袋內氣體中燃燒后生成的固體與水反應后有堿性氣體生成。但氮化鎂固體為黃色，在鎂條燃燒實驗中觀察不到明顯的黃色，只有白色。這是為什么呢？是氮化鎂迅速與氣體中的水蒸氣反應，還是包裝袋內不僅僅是氮氣？

四、氧氣含量的數字化實驗

為進一步探究薯片包裝袋內氣體成分，下面將借助威尼爾氧氣傳感器、二氧化碳傳感器對可比克，樂事，好麗友三個品牌的薯片袋內氣體成分進行數字化實驗，袋內氣體均采用排水法收集。測試結果顯示三者二氧化碳含量差別不大，與空氣中二氧化碳含量相近，約為0.03%，但氧氣含量差別較大，氧氣含量最高的為可比克，達到5.80%，好麗友氧氣含量為3.33%，樂事氧氣含量相對最低為2.16%。結合前文實驗內容及現象，分析可知，薯片包裝袋內的氣體主要是氮氣，其次是氧氣。實驗結果見圖7。

五、實驗裝置改進

鎂條在樂事薯片袋內氣體中燃燒時也產生大量白煙，鎂條呈紅熱狀態。為什么鎂條在氣體中燃燒并沒有明顯的黃色固體呢？排水法收集的氣體中含有較多的水蒸氣，使得生成的氮化鎂與水蒸氣反應，生成了白色的氫氧化鎂與氨氣，鎂條與氧氣反應又生成白色氧化鎂，兩者的干擾使黃色固體現象不明顯，下面對實驗裝置進行改進，見圖8。該裝置可排除水蒸氣的干擾。 該裝置自左向右依次為50 mL注射器，容積為25 mL的硬質玻璃管，管內為0.5 g左右的鎂粉（增大反應時的接觸面積），膠皮管與止水夾。實驗步驟為：（1）先用注射器從樂事薯片包裝袋中抽取約40 mL氣體；（2）將針頭插入到硬質玻璃管一端的橡膠塞里，推動注射器活塞，推動速度不要太快，否則氣流將鎂粉帶出，將硬質玻璃管內空氣排出，然后迅速夾緊止水夾；（3）用酒精燈在鎂粉位置先預熱后固定加熱，觀察現象。

通過此方案，最終得到的固體為淡黃色，見圖9。將淡黃色固體轉移到小試管中，加水，在管口用小橡膠塞固定住潤濕的紅色石蕊試紙，最終試紙變藍，見圖10。通過此清晰的實驗現象，我們可以得出，薯片包裝袋內的氣體確實主要為氮氣。

六、實驗小結

通過此探究實驗，我們可知，薯片包裝袋內的氣體成分并不是單一的，而是混合物，主要成分為氮氣。這樣選擇一方面可滿足食品包裝的需求；另一方面又可降低成本。通過此探究實驗發現，鎂條與潮濕的袋內氣體反應時發生了兩步反應：3Mg+N2=點燃=Mg3N2、Mg3N2+6H2O=3Mg（OH）2+2NH3 ↑，導致觀察不到明顯的黃色固體，但可檢測到氨氣的存在；干燥的薯片包裝袋內氣體與鎂粉反應才能觀察到明顯的黃色固體，該黃色固體與水反應生成堿性氣體氨氣。

參考文獻

[1] 王培明，齊俊林，鎂與氮氣反應的實驗設計[J].創新設計，2013（ 11）：59-60．

[2] 吳瑩．鎂條燃燒實驗的教學設計研究[J]點滴，2013（12）：86-87．

[3]代冬梅，丁偉．氮化鎂的實驗室簡易制備方法[J]．實驗研究，2015（3）：50-53．