Question

14．我校化學興趣小組測定空氣中氧氣的含量，并改進教材方案．
【實驗方案】選用實驗容積為40mL的試管作反應容器，通過導管與容積為60mL且潤滑性很好的針筒注射器組成如圖的實驗裝置．（白磷所占體積與導管內的氣體體積忽略不計）
【實驗過程】（1）實驗前，打開彈簧夾，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，可觀察現象白磷燃燒，產生大量白煙，放熱．寫出化學反應方程式4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅，燃燒結束，等到試管冷卻后再松形式彈簧夾，預測活塞移動到12mL處．
（3）若不使用彈簧夾，用酒精燈加熱白磷，充分反應直至燃燒結束，試管冷卻．可觀察到活塞的移動現象為先向右移動，再向左移動．
【交流與反思】實際實驗中，活塞停止的刻度始終大于理論刻度值．在老師的指導下，同學們利用鐵銹原理再次測量空氣中氧氣的體積分數．
【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式為：Fe₂O₃．
【實驗原理】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．
【實驗過程】
（1）取一個集氣瓶，其實際容積是150mL；取一個量筒，內盛有100mL的水．
（2）室溫時，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，將導氣管插入量筒水中．2個小時后打開彈簧夾，觀察到量筒內的現象液面下降水進入到集氣瓶內．
（3）當量筒內水面高度不再變化，且溫度恢復至室溫時，讀出水面在71mL刻度處．
【數據分析】由上述實驗數據可以算出，空氣中氧氣的體積分數是19.3%%．理論上空氣中氧氣體積分數為21%，請你分析產生這一差異的可能原因是：集氣瓶內還有氧氣．

Answer 1

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

解答 解：
（1）打開彈簧夾，將注射器活塞前沿從20mL刻度處推至15mL刻度處，然后松開手，若活塞仍能返回至20mL刻度處，則說明整個裝置都不漏氣；
（2）若先夾緊彈簧夾，用酒精燈加熱白磷，可觀察到：白磷燃燒，產生大量白煙，放熱；白磷燃燒的化學方程式為：4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅．這時白磷燃燒消耗掉的只是試管內的氧氣為40mL×$\frac{1}{5}$=8mL，所以活塞應停在20mL-8mL=12mL的刻度處；
（3）若不使用彈簧夾，用酒精燈加熱白磷，充分反應直至燃燒結束，試管冷卻．可觀察到活塞的移動現象為先向右移動，再向左移動；
【查閱資料】
鐵生銹消耗氧氣和水，生成固體鐵銹；
（2）如圖所示的裝置內一會兒觀察到量筒內的現象液面下降，水進入到集氣瓶內，這是因為集氣瓶內壓強小于外界大氣壓；
（3）當量筒內水面高度不再變化，且溫度恢復至室溫時，讀出水面在71mL刻度處．由上述實驗數據可以算出，空氣中氧氣的體積分數是$\frac{100mL-71mL}{150mL}$×100%=19.3%；本實驗的測量結果與理論值不一致，原因可能是脫氧劑中有部分鐵粉在實驗前已被氧化；脫氧劑中的內層的鐵粉沒有與氧氣接觸．集氣瓶內還有氧氣．
故答案為：
（1）裝置的氣密性好；
（2）白磷燃燒，產生大量白煙，放熱；4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅；12；
（3）先向右移動，再向左移動；
【實驗原理】氧氣；
（2）液面下降水進入到集氣瓶內；
（3）19.3%；集氣瓶內還有氧氣．

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，解此類問題時關鍵是分析清楚實驗原理，了解實驗過程中的注意事項．