高福華
空氣中氧氣含量的測定實驗是初中化學的重要實驗,近年來的中考在課本實驗的基礎上進行了拓展、創(chuàng)新,其裝置多種多樣,實驗原理既涉及化學知識,又涉及物理知識,旨在考查學生的實驗探究能力及創(chuàng)新思維能力,已成為中考命題的熱點和焦點。
圖1例1.在按書本裝置測定空氣中氧氣含量的實驗時,當裝置內的氧氣低于一定含量時,紅磷就不再與氧氣反應,從而導致測量結果偏小。有老師對該實驗進行了改進,裝置如圖1所示,在一容器中倒入剛拆封的“暖寶寶”黑色粉末,再在上面放足量的白磷,迅速扣上燒杯,隨后白磷自燃,利用這一裝置可更準確地測定空氣中氧氣的體積分數。
(1)黑色粉末的主要成分是什么?對此同學們作出了以下兩種猜想:
猜想一:該粉末可能是木炭粉;
猜想二:該粉末可能是鐵粉。
根據學過的科學知識,有同學認為猜想一肯定是錯誤的,你認為他的理由是
(2)通過實驗證明加入的黑色粉末是鐵粉。加入鐵粉后使測定結果更加準確,原因是
解析:(1)由于木炭燃燒生成的是二氧化碳氣體,所以裝置內壓強變化不大,進入的水的量也就不多。因此,若用猜想一的方法測定空氣中氧氣的體積分數,結果會偏低。(2)鐵生銹需要水和氧氣,鐵粉能進一步與燒杯中的氧氣反應,使結果更準確。
答案:(1)木炭粉和氧氣燃燒生成二氧化碳氣體,會影響實驗結果 (2)鐵粉能進一步和燒杯中的氧氣反應
例2.某化學興趣小組對教材中“測定空氣中氧氣含量”的實驗(見圖Ⅰ)進行了大膽改進,設計了圖Ⅱ(選用容積為45mL的18×180mm的試管作反應容器)實驗方案進行,收到了良好的效果。請你對比分析兩個實驗,回答下列有關問題。
(1)實驗過程中,觀察到的紅磷燃燒現象是
該反應的文字表達式是
上述實驗和拉瓦錫研究空氣成分實驗(將汞與空氣封閉在一起加熱,生成氧化汞)的化學反應都屬于
(填基本反應類型)反應。
(2)圖Ⅰ實驗不僅可以說明氧氣占空氣的體積分數,還可以說明氮氣具有的化學性質是
(寫出一點即可)。
(3)用圖Ⅰ實驗裝置測定的結果是:集氣瓶內水面上升明顯大于瓶內空氣體積的1/5,你認為導致這一結果的原因是
(寫出一點即可)。
(4)某學生用木炭代替圖Ⅰ中的紅磷,當木炭停止燃燒,集氣瓶冷卻到室溫,打開彈簧夾后,發(fā)現水不能進入集氣瓶,原因是
若仍用木炭代替紅磷,對該生的實驗方案應作何改進,才能保證實驗成功?(只需答出實驗方案中需改進的地方)
(5)圖Ⅱ是該興趣小組測定空氣中氧氣含量的改進裝置,其實驗的操作步驟如下:
①點燃酒精燈;
②撤去酒精燈,待試管冷卻后松開彈簧夾;
③將少量紅磷平裝入試管中,將20mL的注射器活塞置于10mL刻度處,并按圖Ⅱ中所示的連接方式固定好,再將彈簧夾夾緊橡皮管;
④讀取注射器活塞的數據。
你認為正確的實驗操作順序是
圖Ⅱ實驗中,注射器活塞將從10mL刻度處慢慢前移到約
mL刻度處才停止;對照圖Ⅱ實驗,你認為圖Ⅰ實驗有何不足之處?
(寫出一點即可)。
(6)經過研究討論后,該興趣小組又設計了如圖Ⅲ的測定空氣中氧氣含量的改進裝置,主要操作是:在實際容積為150mL的集氣瓶里,先裝進50mL的水,再按圖連好儀器,按下熱的玻璃棒,白磷立即被點燃(已知白磷在空氣中燃燒生成五氧化二磷)。
①白磷從燃燒到熄滅冷卻的過程中,瓶內水面的變化是
若實驗非常成功,最終集氣瓶中水的體積約為
②集氣瓶里預先裝進的50mL水,在實驗過程中起到哪些作用?
a.加快集氣瓶冷卻
b.液封導氣管末端以防氣體逸出
c.緩沖集氣瓶內氣壓的驟然升高
解析:(1)紅磷在空氣中燃燒的現象是發(fā)出黃光、放出熱量、冒出大量的白煙。(2)氮氣的化學性質:不燃燒也不支持燃燒,不與紅磷反應等。(3)如果裝置內的部分空氣逸散出來,就會導致進入集氣瓶中水的體積大于1/5。(4)木炭燃燒生成二氧化碳氣體,瓶內壓強不發(fā)生變化,水便無法進入瓶中。若仍用木炭代替紅磷,可在集氣瓶中放一些氫氧化鈉溶液,以吸收生成的二氧化碳氣體。(5)圖Ⅱ是該興趣小組測定空氣中氧氣含量的改進裝置,正確的實驗操作步驟是③①②④。圖Ⅱ實驗中,紅磷燃燒消耗氧氣的體積約為45mL×15=9mL,注射器活塞將從10mL刻度處慢慢前移到約1mL刻度處才停止。對照圖Ⅱ實驗,可發(fā)現圖Ⅰ實驗不如圖Ⅱ實驗嚴密。(6)圖Ⅲ的測定空氣中氧氣含量裝置中,白磷從燃燒到熄滅冷卻的過程中,瓶內水面的變化是先下降后上升,開始時氣體受熱膨脹,瓶內的水進入導管內,瓶內水面下降,冷卻后導管中水回落至瓶內,瓶內水面再上升。若實驗非常成功,消耗氧氣的體積約為100mL×15=20mL,則最終集氣瓶中水的體積約為50mL+20mL=70mL。集氣瓶里預先裝進的水,在實驗過程中可加快集氣瓶冷卻,液封導氣管末端以防氣體逸出,緩沖集氣瓶內氣壓的驟然升高等。
答案:(1)發(fā)出黃光、放出熱量、冒出大量的白煙 磷+氧氣加熱五氧化二磷 化合 (2)不燃燒也不支持燃燒(或不與紅磷反應) (3)在將燃著的紅磷伸入裝置時動作緩慢,致使裝置內的部分空氣逸散出來(合理即可) (4)木炭燃燒生成了二氧化碳氣體 在集氣瓶中放一些氫氧化鈉溶液 (5)③①②④ 1 圖Ⅰ實驗不嚴密 (6)①先下降后上升 70②a、b、c
以上例題中的測定裝置各有千秋,主要原理都為消耗空氣中的氧氣,且生成物都不是氣體(若為氣體則需事先加入吸收液體),使得裝置內的壓強減小,根據進入容器中水的體積比來確定氧氣所占的體積分數。