陳彩靜

摘要：通過(guò)一道常見(jiàn)氣體成分探究題，利用氧氣、二氧化碳、氮?dú)?、鎂的相關(guān)性質(zhì)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷改進(jìn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)排水法收集的薯片包裝袋內(nèi)氣體因含有較多的水蒸氣，鎂條在其內(nèi)燃燒觀察不到明顯的黃色，但可用紅色石蕊試紙檢測(cè)到堿性氣體氨氣的存在；使用注射器抽取氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可觀察到淡黃色固體氮化鎂的存在。通過(guò)威尼爾氧氣傳感器可測(cè)知袋內(nèi)氣體還含有少量的氧氣。

關(guān)鍵詞：氮化鎂；紅色石蕊試紙；氧氣傳感器

文章編號(hào)：1008-0546（ 2022）12x-0069-03

中圖分類號(hào)：C632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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

初三學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，遇到了這樣一道探究氣體成分的實(shí)驗(yàn)探究題：同學(xué)們?cè)诔允砥瑫r(shí)，對(duì)包裝袋中充人的氣體產(chǎn)生了興趣。他們認(rèn)為薯片包裝時(shí)充人氣體，是為了防止膨化食品被擠壓、破碎，防止產(chǎn)品油脂氧化、酸敗，該氣體應(yīng)該是清潔、無(wú)毒、干燥的，能保證膨化食品長(zhǎng)期不變色、變味，食用安全。

[提出問(wèn)題]這是什么氣體？

[猜想假設(shè)]甲同學(xué)猜想是氧氣，乙同學(xué)猜想是二氧化碳，丙同學(xué)猜想是氮?dú)?，丁同學(xué)猜想是二氧化硫。

（1）大家討論后認(rèn)為除了甲同學(xué)的猜想不合理外，

同學(xué)的猜想也不合理，理由____。

（2）乙同學(xué)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(fā)現(xiàn)木條熄滅，于是乙同學(xué)判斷自己的猜想正確。你是否同意他的觀點(diǎn)？_____ （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?dú)庵幸材苋紵?，生成淡黃色的氮化鎂（Mg3N2）固體。）

這樣一道實(shí)驗(yàn)探究題，同學(xué)們很有興趣，于是，我決定讓同學(xué)們實(shí)際動(dòng)手操作，來(lái)證實(shí)薯片包裝袋內(nèi)的氣體成分。

一、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

選用可比克和樂(lè)事兩個(gè)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(dǎo)管，集氣瓶，水槽，橡皮筋，硬質(zhì)玻璃管，水槽等。

二、實(shí)驗(yàn)方法步驟

1．排水法收集薯片包裝袋內(nèi)氣體

為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，選擇直接用排水法收集包裝袋內(nèi)氣體。玻璃彎管一端用水潤(rùn)濕，然后將其旋進(jìn)膠皮管中，膠皮管的另一端連接一個(gè)30度的玻璃管，膠皮管中間部分夾緊一個(gè)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(gè)小口，將玻璃管的另一端快速插入包裝袋內(nèi)，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(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為澄清石灰水未變渾濁。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

3．檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為燃著的蠟燭熄滅。實(shí)驗(yàn)裝置及現(xiàn)象見(jiàn)圖3。

4．檢驗(yàn)該氣體是否為氮?dú)?/p>

取打磨過(guò)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(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)鎂條在集氣瓶?jī)?nèi)繼續(xù)燃燒，產(chǎn)生大量白煙。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，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?xì)怏w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(shí)產(chǎn)生大量白煙及白色固體，并沒(méi)有黃色固體出現(xiàn)，薯片包裝袋內(nèi)的氣體到底是不是氮?dú)饽?？有無(wú)其他方法進(jìn)行檢驗(yàn)?zāi)兀?/p>

三、實(shí)驗(yàn)再探究

繼續(xù)進(jìn)行鎂條在薯片包裝袋氣體中的燃燒實(shí)驗(yàn)，燃燒結(jié)束后，在玻璃片上放上潤(rùn)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(shí)間后，觀察現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)紅色石蕊試紙變藍(lán)，說(shuō)明有堿性氣體生成；pH試紙變色，與標(biāo)準(zhǔn)比色卡對(duì)照，pH約為9。兩種試紙均證明鎂條在薯片包裝袋內(nèi)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(zhuǎn)移到帶導(dǎo)管的試管中，并向試管中加少量水，然后用酒精燈外焰對(duì)其加熱，將產(chǎn)生的氣體通入無(wú)色酚酞溶液中，無(wú)色酚酞變紅。現(xiàn)象見(jiàn)圖5、圖6。

將集氣瓶中的氣體換成空氣后重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示在玻璃片上放上潤(rùn)濕的pH試紙及紅色石蕊試紙均無(wú)明顯現(xiàn)象。將集氣瓶中的白色固體收集并進(jìn)行加熱，無(wú)色酚酞溶液不變紅。此實(shí)驗(yàn)操作排除氧化鎂固體的干擾。

查閱資料可知，[2][3]鎂在氮?dú)庵腥紵龝?huì)生成氮化鎂，氮化鎂易與水反應(yīng)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(guò)該探究實(shí)驗(yàn)可知，鎂條在薯片包裝袋內(nèi)氣體中燃燒后生成的固體與水反應(yīng)后有堿性氣體生成。但氮化鎂固體為黃色，在鎂條燃燒實(shí)驗(yàn)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(yīng)，還是包裝袋內(nèi)不僅僅是氮?dú)猓?/p>

四、氧氣含量的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步探究薯片包裝袋內(nèi)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(duì)可比克，樂(lè)事，好麗友三個(gè)品牌的薯片袋內(nèi)氣體成分進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，袋內(nèi)氣體均采用排水法收集。測(cè)試結(jié)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(dá)到5.80%，好麗友氧氣含量為3.33%，樂(lè)事氧氣含量相對(duì)最低為2.16%。結(jié)合前文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及現(xiàn)象，分析可知，薯片包裝袋內(nèi)的氣體主要是氮?dú)猓浯问茄鯕?。?shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

五、實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

鎂條在樂(lè)事薯片袋內(nèi)氣體中燃燒時(shí)也產(chǎn)生大量白煙，鎂條呈紅熱狀態(tài)。為什么鎂條在氣體中燃燒并沒(méi)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(yīng)，生成了白色的氫氧化鎂與氨氣，鎂條與氧氣反應(yīng)又生成白色氧化鎂，兩者的干擾使黃色固體現(xiàn)象不明顯，下面對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，見(jiàn)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(zhì)玻璃管，管內(nèi)為0.5 g左右的鎂粉（增大反應(yīng)時(shí)的接觸面積），膠皮管與止水夾。實(shí)驗(yàn)步驟為：（1）先用注射器從樂(lè)事薯片包裝袋中抽取約40 mL氣體；（2）將針頭插入到硬質(zhì)玻璃管一端的橡膠塞里，推動(dòng)注射器活塞，推動(dòng)速度不要太快，否則氣流將鎂粉帶出，將硬質(zhì)玻璃管內(nèi)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(yù)熱后固定加熱，觀察現(xiàn)象。

通過(guò)此方案，最終得到的固體為淡黃色，見(jiàn)圖9。將淡黃色固體轉(zhuǎn)移到小試管中，加水，在管口用小橡膠塞固定住潤(rùn)濕的紅色石蕊試紙，最終試紙變藍(lán)，見(jiàn)圖10。通過(guò)此清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們可以得出，薯片包裝袋內(nèi)的氣體確實(shí)主要為氮?dú)狻?/p>

六、實(shí)驗(yàn)小結(jié)

通過(guò)此探究實(shí)驗(yàn)，我們可知，薯片包裝袋內(nèi)的氣體成分并不是單一的，而是混合物，主要成分為氮?dú)?。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(guò)此探究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鎂條與潮濕的袋內(nèi)氣體反應(yīng)時(shí)發(fā)生了兩步反應(yīng)：3Mg+N2=點(diǎn)燃=Mg3N2、Mg3N2+6H2O=3Mg（OH）2+2NH3 ↑，導(dǎo)致觀察不到明顯的黃色固體，但可檢測(cè)到氨氣的存在；干燥的薯片包裝袋內(nèi)氣體與鎂粉反應(yīng)才能觀察到明顯的黃色固體，該黃色固體與水反應(yīng)生成堿性氣體氨氣。

參考文獻(xiàn)

[1] 王培明，齊俊林，鎂與氮?dú)夥磻?yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].創(chuàng)新設(shè)計(jì)，2013（ 11）：59-60．

[2] 吳瑩．鎂條燃燒實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)研究[J]點(diǎn)滴，2013（12）：86-87．

[3]代冬梅，丁偉．氮化鎂的實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)易制備方法[J]．實(shí)驗(yàn)研究，2015（3）：50-53．