例析氧氣體積在空氣中含量的測(cè)定

測(cè)定空氣中氧氣體積含量的實(shí)驗(yàn)裝置有多樣，通常有注射器型、集氣瓶型、鐘罩型、活塞型等，涉及的原理卻相同，即在密閉容器中的某些物質(zhì)（如紅磷、銅絲、鐵粉）與氧氣反應(yīng)生成固體物質(zhì)，使容器內(nèi)氣壓降低，從而出現(xiàn)某些現(xiàn)象（如水倒吸、活塞移動(dòng)），最后得出空氣中氧氣的體積含量。

測(cè)定一 紅磷（或白磷）燃燒

例題1 （2023秋·開(kāi)州區(qū)月考節(jié)選）圖1、2是對(duì)課本測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)的方法的改進(jìn)裝置（提示：白磷和紅磷的化學(xué)符號(hào)相同，在空氣中燃燒的現(xiàn)象和產(chǎn)物均相同）。白磷燃燒的最低溫度只有40℃，極易燃燒消耗氧氣。

（1）圖1實(shí)驗(yàn)中，你能觀察到的現(xiàn)象是：白磷燃燒，產(chǎn)生____，U型管中A端的液面上升至刻度“1”處。該反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)___。

（2）在所有的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所用紅磷或白磷均要稍過(guò)量，你認(rèn)為其目的是____。

（3）若用圖2裝置實(shí)驗(yàn)后集氣瓶?jī)?nèi)的水面上升明顯小于瓶?jī)?nèi)原空氣體積的1/5，你認(rèn)為出現(xiàn)該現(xiàn)象的可能原因是____（說(shuō)出一條即可）。

（4）這些改進(jìn)裝置都是先將磷封閉在密閉容器里，然后設(shè)法引燃白磷。你認(rèn)為這些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是____（說(shuō)出一條即可）。

解析 （1）圖1實(shí)驗(yàn)中，觀察到的現(xiàn)象是：白磷燃燒，產(chǎn)生白煙，生成五氧化二磷；反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

4P +5O2=點(diǎn)燃2P2O5

（2）在所有的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所用紅磷和白磷均要過(guò)量，能夠使氧氣消耗完全。（3）若圖2裝置實(shí)驗(yàn)后廣口瓶?jī)?nèi)的水面上升明顯小于瓶?jī)?nèi)空氣的1/5，該現(xiàn)象產(chǎn)生的合理解釋是：裝置漏氣、白磷不足等。（4）這些改進(jìn)裝置都是先將磷封閉在密閉容器里，然后設(shè)法引燃磷，這些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是減小實(shí)驗(yàn)誤差，更環(huán)保。

答案：略

測(cè)定二 銅粉（或銅絲）加熱

例題2 （2023春·萊州市期末節(jié)選）某學(xué)習(xí)小組在用銅粉測(cè)定空氣中氧氣含量時(shí)，用氧氣傳感器測(cè)定了氧氣含量的變化情況。如圖3裝置所示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在50 mL硬質(zhì)玻璃管內(nèi)加入足量銅粉，啟動(dòng)氧氣傳感器，點(diǎn)燃酒精燈，反應(yīng)結(jié)束后移走酒精燈。實(shí)驗(yàn)中氧氣傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖4所示。

（l）實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)，觀察到的現(xiàn)象是____，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)___。

（2）氣球的作用是____。

（3）根據(jù)圖4中曲線，從____段（填字母）可證明實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性良好；CD段氧氣含量下降的原因是____。

（4） DE段裝置內(nèi)氣壓____（填“變大”、“變小”或“不變”）。

（5）充分加熱后，氧氣含量沒(méi)有降為“0”的原因可能是____。

解析 （1）銅和氧氣在加熱的條件下反應(yīng)生成黑色的氧化銅，加熱過(guò)程中，溫度升高，裝置內(nèi)氣體受熱膨脹，壓強(qiáng)增大，氣球脹大，待完全反應(yīng)后，逐漸冷卻至室溫，由于消耗了氧氣，裝置內(nèi)壓強(qiáng)減小，故氣球縮小。現(xiàn)象是：銅粉表面逐漸變黑，氣球先膨脹后又變癟；銅和氧氣發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是：

2Cu+O2=△ 2CuO

（2）加熱過(guò)程中，溫度升高，裝置內(nèi)氣體受熱膨脹，壓強(qiáng)增大，故氣球的作用是：緩沖氣壓（或防止橡膠塞沖出）。（3）從DE段可知，實(shí)驗(yàn)裝置氣密性良好，因?yàn)槿绻b置漏氣，在冷卻至室溫的過(guò)程中，外界空氣會(huì)進(jìn)入，氧氣含量會(huì)升高（合理即可）；CD段氧氣含量下降的原因是銅粉消耗了氧氣。（4） DE段反應(yīng)結(jié)束，溫度逐漸恢復(fù)至室溫，由于消耗了氧氣，裝置內(nèi)氣壓變小。（5）根據(jù)圖示，氧氣含量沒(méi)有降為“0”的原因可能是銅粉沒(méi)有充分平鋪，氧氣沒(méi)有被銅反應(yīng)完全。

答案：略

測(cè)定三 鐵粉（或鐵絲）生銹

例題3 （2023秋·昆山市月考節(jié)選）某化學(xué)興趣小組對(duì)“空氣中氧氣含量的測(cè)定”展開(kāi)探究。用鐵生銹原理測(cè)定空氣中氧氣含量。鐵制品是現(xiàn)代人類使用最多的一種金屬，實(shí)驗(yàn)證明，鐵生銹是鐵與水和氧氣共同作用的結(jié)果。現(xiàn)取3根無(wú)銹的鐵絲設(shè)計(jì)如圖5所示的3個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（1）實(shí)驗(yàn)Ⅰ中鐵絲生銹，當(dāng)鐵絲足量，時(shí)間足夠長(zhǎng)，打開(kāi)止水夾后，還能觀察到的現(xiàn)象是____。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論（2）對(duì)比實(shí)驗(yàn)____（填序號(hào)），可以得出鐵生銹需要氧氣。

解析 （1）鐵絲生銹消耗了左側(cè)管內(nèi)空氣中的1/5體積氧氣，管內(nèi)氣壓減小，打開(kāi)止水夾后，還能觀察到的現(xiàn)象是左側(cè)液面上升至“1”；（2）實(shí)驗(yàn)Ⅰ中，鐵絲與氧氣、水反應(yīng)生成鐵銹，實(shí)驗(yàn)Ⅲ中左側(cè)管內(nèi)無(wú)氧氣，鐵絲沒(méi)有明顯現(xiàn)象，所以對(duì)比實(shí)驗(yàn)Ⅰ、Ⅲ，可以得出鐵生銹需要氧氣。

答案 （1）左側(cè)液面上升至“1”；（2）Ⅰ、Ⅲ

（收稿日期：2024 - 04 - 30）