Question

3．我校化学兴趣小组测定空气中氧气的含量，并改进教材方案．

【实验方案】选用实验容积为40mL的试管作反应容器，通过导管与容积为60mL且润滑性很好的针筒注射器组成如图的实验装置．（白磷所占体积与导管内的气体体积忽略不计）
【实验过程】（1）实验前，打开弹簧夹，将注射器的活塞前湍从20mL刻度处推至15mL刻度处，然后松手，若活塞仍能返回至20mL刻度处，则说明装置的气密性好．
（2）若先夹紧弹簧夹，用酒精灯加热白磷，可观察现象白磷燃烧，产生大量白烟，放热．写出化学反应方程式4P+5O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2P₂O₅，燃烧结束，等到试管冷却后再松形式弹簧夹，预测活塞移动到12mL处．
（3）若不使用弹簧夹，用酒精灯加热白磷，充分反应直至燃烧结束，试管冷却．可观察到活塞的移动现象为先向右移动，再向左移动．
【交流与反思】实际实验中，活塞停止的刻度始终大于理论刻度值．在老师的指导下，同学们利用铁锈原理再次测量空气中氧气的体积分数．
【查阅资料】①脱氧剂的主要成分为铁粉、少许活性炭、少量氯化钠和水．
②铁锈的主要成分化学式为：Fe₂O₃．
【实验原理】铁生锈消耗氧气和水，生成固体铁锈；氧化钠可以加快铁锈的速率．
【实验过程】（1）取一个集气瓶，其实际容积是150mL；取一个量筒，内盛有100mL的水．
（2）室温时，先夹紧弹簧夹，将一定量的脱氧剂悬吊在橡皮塞反面，再将橡皮塞旋紧到集气瓶口，将导气管插入量筒水中．2个小时后打开弹簧夹，观察到量筒内的现象液面下降水进入到集气瓶内．
（3）当量筒内水面高度不再变化，且温度恢复至室温时，读出水面在71mL刻度处．
【数据分析】由上述实验数据可以算出，空气中氧气的体积分数是19.3%．理论上空气中氧气体积分数为21%，请你分析产生这一差异的可能原因是：集气瓶内还有氧气．

Answer 1

分析 本题是测定氧气在空气中的体积分数的实验探究，要把空气中的氧气消耗掉，在本实验中用的是过量的白磷，燃烧后的生成物是固体，不需要占很大的空间．本实验中用的是40mL的试管与实际容积为60mL且润滑性很好的针筒注射器，并且活塞在20mL处，有助于反应结束后计算体积．要使本实验成功，必须注意以下几点：①装置的气密性好；②白磷足量；③必须冷却到室温再读数．还要注意防止试管受热不均或气体体积受热膨胀过大，从而造成试管炸裂．

解答 解：
（1）打开弹簧夹，将注射器活塞前沿从20mL刻度处推至15mL刻度处，然后松开手，若活塞仍能返回至20mL刻度处，则说明整个装置都不漏气；
（2）若先夹紧弹簧夹，用酒精灯加热白磷，可观察到：白磷燃烧，产生大量白烟，放热；白磷燃烧的化学方程式为：4P+5O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2P₂O₅．这时白磷燃烧消耗掉的只是试管内的氧气为40mL×$\frac{1}{5}$=8mL，所以活塞应停在20mL-8mL=12mL的刻度处；
（3）若不使用弹簧夹，用酒精灯加热白磷，充分反应直至燃烧结束，试管冷却．可观察到活塞的移动现象为先向右移动，再向左移动；
【查阅资料】
铁生锈消耗氧气和水，生成固体铁锈；
（2）如图所示的装置内一会儿观察到量筒内的现象液面下降，水进入到集气瓶内，这是因为集气瓶内压强小于外界大气压；
（3）当量筒内水面高度不再变化，且温度恢复至室温时，读出水面在71mL刻度处．由上述实验数据可以算出，空气中氧气的体积分数是$\frac{100mL-71mL}{150mL}$×100%=19.3%；本实验的测量结果与理论值不一致，原因可能是脱氧剂中有部分铁粉在实验前已被氧化；脱氧剂中的内层的铁粉没有与氧气接触．集气瓶内还有氧气．
故答案为：
（1）装置的气密性好；
（2）白磷燃烧，产生大量白烟，放热；4P+5O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2P₂O₅；12；
（3）先向右移动，再向左移动；
【实验原理】氧气；
（2）液面下降水进入到集气瓶内；
（3）19.3%；集气瓶内还有氧气．

点评 本题主要考查实验测定空气中氧气含量的原理及可能造成实验失败的原因的分析，解此类问题时关键是分析清楚实验原理，了解实验过程中的注意事项．