空气中氧气含量测定实验的拓展

wangluo

江苏省兴化楚水实验学校　陈金健

在探究空气中氧气的含量测定实验中，要注意引导学生观察实验现象，体会从实验事实导出结论的思维过程（如图1）。 实验中可以观察到，红磷燃烧，产生大量的白烟，放出大量热；打开弹簧夹后，烧杯中的水沿导气管进入集气瓶中，至约占集气瓶内空间的1/5。 通过实验得知，空气中氧气的体积约占1/5。 实验时，燃烧匙里要盛入过量的红磷，红磷过量，足以使钟罩中密封的氧气反应完，使测得氧气的体积更接近空气中氧气的实际体积。这个实验还可推论出氮气不能支持燃烧；集气瓶内水面上升一定高度后，不能继续上升，可以说明氮气不易溶于水。 红磷燃烧后生成固体五氧化二磷，使集气瓶中空气的压强变小，小于外界大气压。在外界大气压的作用下，烧杯中的水进入集气瓶。 通过实验得出的结论是氧气约占空气总体积的1/5，而在这个实验中，为什么有时气体减少的体积小于1/5呢？导致结果偏低的原因可能有：（1）红磷的量不足；（2）瓶内氧气没有耗尽；（3）装置漏气（如塞子未塞紧、燃烧匙与橡皮塞之间有缝隙等），使外界空气进入瓶内；（4）未冷却至室温就打开弹簧夹，使进入瓶内的水的体积减少。 该实验中有时气体减少的体积大于1/5，又是为什么呢？原因可能是（1）点燃红磷后，插入燃烧匙时，瓶塞子塞得太慢，使得瓶中空气受热膨胀，部分空气溢出。（2）实验开始时，没有夹或没夹紧止水夹。针对此实验可以展开如下拓展。 例题1.将足量的下列物质分别放在燃烧匙上点燃（或灼烧），分别放入四只图2所示装置的广口瓶中，立即塞紧橡皮塞，反应结束待冷却后，打开止水夹，导管中水柱上升最少的是放入哪种物质的装置？（ ） A.铁粉 B.磷 C.木炭    D.镁 解析：铁粉、磷、镁在空气被点燃后，生成物通常呈固态，而木炭燃烧后，虽然消耗了氧气，但是生成了二氧化碳气体，并且二氧化碳气体不能全部溶解于水，所以导管中水柱上升最少的是放木炭。 例题2.某班同学用图3装置测定空气里氧气的含量。先用弹簧夹夹住乳胶管。点燃红磷，伸入瓶中并塞上瓶塞。待红磷熄灭并冷却后，打开弹簧夹，观察广口瓶内水面变化情况。实验完毕，甲同学的广口瓶内水面上升明显小于瓶内空气体积的1/5，乙同学的广口瓶内水面上升明显大于瓶内空气体积的1/5。下列对这两种现象解释合理的是( ) ①甲同学可能使用红磷的量不足，瓶内氧气没有消耗完 ②甲同学可能未塞紧瓶塞，红磷熄灭冷却时外界空气进入瓶内 ③乙同学可能没夹紧弹簧夹，红磷燃烧时瓶内部分空气受热从导管逸出 ④乙同学可能插入燃烧匙太慢，塞紧瓶塞之前，瓶内部分空气受热逸出 A.只有①③ B.只有②④ C.只有①②③ D.只有①②③④ 解析:根据本文开始所述内容可知，对两种现象解释合理的是①②③④。 例题3.某校化学兴趣小组就空气中氧气的含量进行实验探究：

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解析 ：闭合电源开关，电阻丝发热，温度达到40℃时白磷燃烧，产生大量白烟。装置冷却后，由于左侧中氧气被消耗，气体压强减小，水会在左侧中上升，且上升到1刻度处。该实验的目的就是探究空气中氧气的体积分数，故实验结论应该与之有关。反应后剩余气体的性质可从实验过程中推知，如该气体与水接触但未被吸收，说明其难溶于水；该气体与火焰接触但未燃烧，说明其不能燃烧，也不能支持燃烧。

例题7.某同学用右图所示的装置粗略地测定空气中氧气的体积分数，图中烧杯上方玻璃管(预先固定好)中部有一可左右滑动的活塞，活塞左端管内密封有空气，活塞右端的玻璃管口跟空气连通，实验开始前活塞处在刻度5 cm处。已知生石灰与水反应能产生大量的热；可燃物燃烧必须同时具备二个条件，一是有一定的温度；二是有充足的氧气。

⑴向烧杯内加入适量水，与生石灰反应的目的是


。

⑵可观察到玻璃管内开始发生的现象：白磷(足量)


，活塞向       (填“左”或“右”）移动。

⑶实验结束，恢复到常温后，活塞应停在约
cm处，据此可得出的结论是：

。

解析：向烧杯内加入适量水，与生石灰反应产生热量，可以加热玻璃管内的白磷。白磷燃烧，发出白烟，后又逐渐熄灭。活塞向右移动，应停在约4cm处。可得出的结论是：

白磷燃烧消耗玻璃管内的氧气，氧气在空气中约占空气体积的1/5 。

例题8. 为粗略测量空气中O2与N2的体积比，某学生设计了下图所示的实验装置进行实验。实验时，先关闭弹簧夹a，将螺旋状的铜丝在酒精灯的灼烧后迅速插入大试管，接触试管底部的过量的白磷，然后立即塞紧橡皮塞。由于白磷的着火点比红磷低得多，因此反应很容易发生，可观察到大试管中产生大量的白烟。试回答以下问题：

（1）试配平下列化学方程式：
图 10

P +
O2 ——
P2O5

（2）待试管冷却后打开弹簧夹，此时可观察到的现象为

，

据此可证实空气中O2与N2的体积比大约为


。

（3）如果装置气密性不好，则测出的O2与N2的体积比将


。（填“偏大”、“偏小”、或“不变”）。

解析：红磷在空气中燃烧的化学方程式为，4P+5O2===2P2O5 。 待试管冷却后打开弹簧夹，此时可观察到的现象为，烧杯中的水通过导管进入大试管中,约占试管容积的1/5 ；据此可证实空气中O2与N2的体积比大约为1:4 ； 如果装置气密性不好，则测出的O2与N2的体积比将偏小。

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[集体讨论]：

（1）讨论后同学们认为，选择的药品既要能消耗氧气，又不会跟空气中的其它成分反应，而且生成物为固体。他们应该选择（
）

A．蜡烛
B．红磷
C．硫粉

为了充分消耗容器中的氧气，药品的用量应保证
。

（2）小组同学共同设计了如图4的两套装置， 你认为合理的是（填编号）

。

为了确保实验的成功，在装药品之前应该



。

[分组实验] 在讨论的基础上，他们分组进行了实验。

[数据分析] 实验结束后，整理数据如下：（注：集气瓶容积为100 mL）

组 别	1	2	3	4	5	6
进入集气瓶中水的体积（mL）	20	21	19	20	22	18

（3）通过对实验结果的交流，大多数同学都验证出氧气约占空气体积的

。

通过实验还可以推断集气瓶中剩余气体的性质是

。

[实验拓展]

（4）小组的同学做完实验后又尝试用木炭重新做了以上实验，发现水几乎没有进入集气瓶。经讨论，同学们一致认为如果事先在集气瓶内注入少量
溶液来吸收

气体，实验也能取得较好的效果。

（5）某同学对实验进行反思后，提出了改进方法

（图5所示 ），你认为改进后的优点是：

解析：应该选择红磷，为了充分消耗容器中的氧气，红磷的用量应保证充足。两套装置中，比较合理的是A装置。为了确保实验的成功，在装药品之前应该先检查装置的气密性。通过对实验结果的交流，能验证出氧气约占空气体积的1/5。通过实验还可以推断集气瓶中剩余气体不能支持燃烧，不易溶于水。用木炭重新做以上实验，如果事先在集气瓶内注入少量氢氧化钠溶液或澄清石灰水来吸收气体，实验也能取得较好的效果。改进后的优点是，不需要加热，节约能源，装置密封，误差小。

根据学生的实际水平，还可以设计一些其他的相关实验来进行探究活动

例题4.右图6所示装置也可用来测定空气中氧气的含量。该实验认识正确的是（  ）

A．选用红磷是因为反应可以耗尽O2，生成固态的P2O5

B．燃烧匙中的红磷可以换成硫或木炭

C．燃烧匙中的红磷越多，水位上升越高

D．本实验可以证明空气含有Ｎ2、O2、CO2和稀有气体

解析 ：若将红磷换成硫或木炭，由于生成的是二氧化硫或二氧化碳气体，会导致密闭容器中气体压强变化不明显，影响实验结论。红磷的量要过量，以耗尽氧气，但水位的上升高度并不与红磷的量有关，而与空气中氧气的含量有关。该实验只能测定空气中氧气的体积含量，同时说明空气中主要含氮气和氧气，但并不能证明空气中含有二氧化碳和稀有气体。

例题5.为测定空气中氧气所占的体积分数，某同学设计了图7所示的实验，在一个耐热活塞的底部放一小块（足量）白磷（白磷在空气中燃烧的温度为40 ℃），然后迅速将活塞下压，可以观察到的现象为

；冷却至原来温度时，松开手，活塞最终将回到刻度
处，试回答白磷燃烧的原因
  


。

解析：迅速将活塞下压，可以观察到，白磷燃烧，产生大量白烟；冷却至原来温度时，松开手，活塞最终将回到刻度4处；迅速将活塞下压，使空气内能增大，温度达到40 ℃。

例题6.研究性学习小组的同学为探究空气中氧气的体积分数，设计了图8所示装置。

请根据图示实验回答下列问题：

（1）闭合电源开关，可以观察到白磷___________。

（2）装置冷却到室温，可观察到U型管内左侧液面_________。

（3）通过这个实验得出的结论是______________。

（4）此实验还可推知反应后剩余气体的两点性质是:__________；______________。