空气中氧气含量的测定资料实验探究专项训练.doc

,. 《空气中氧气含量的测定》实验专题复习 知识梳理 空气中氧气含量的测定如右图所示。 1、可观察到的现象是 磷燃烧有大量白烟生成，打开止水夹后水进入集气瓶 内大约1/5体积处 。 点燃 2、该实验设计的原理是利用 红磷燃烧耗尽密闭容器中1/5体积的氧气， 使容器内压强减小，导致水被吸入集气瓶内大约1/5体积。反应方程式为：4P + 5O2 = 2P2O5 。 3【实验步骤】 1）在集气瓶内加入少量水（用于溶解生成的五氧化二磷，同时吸收燃烧产生的热，有利于瓶内降温），把集气瓶剩余容积划分为5等分，并做上记号。 2．用止水夹夹紧乳胶管。把燃烧匙内的红磷放在酒精灯火焰上点燃，立即伸入瓶中并把塞子塞紧。观察红磷燃烧时的现象。 3．待红磷熄灭并冷却后，打开止水夹，观察实验现象及水面的变化情况。 4【实验现象】红磷燃烧时发出黄白色火焰，同时放出热量，随着反应的进行，瓶内充满白烟。待集气瓶冷却到室温时，打开止水夹，烧杯中的水被吸进集气瓶中，进水的体积恰好近似于集气瓶中原空气体积的1/5。 5【注意事项】1．装置不能漏气。2．红磷要过量，以保证瓶内的氧气耗完。 3．点燃红磷后要立即伸入集气瓶中，并塞紧塞子，不能使外界空气进入瓶内。 4．止水夹要夹紧，防止红磷燃烧时气体膨胀使瓶中气体从导管逸出。 5．等到集气瓶冷却到室温时再打开止水夹，防止瓶内气温高于外界气温，使进入瓶内的水减少 6【实验分析】实验后若结果偏小，可能的原因有红磷量过少 、装置气密性不好 、没有冷却到室温就打开止水夹 。实验后若结果偏大，可能的原因有止水夹没有夹紧 、燃烧匙伸入集气瓶过慢 。 7、实验时选择的可燃物需具备以下条件：（1）能在空气中燃烧 （如铁丝不行）；（2）燃烧时只消耗氧气 （如镁带不行）；（3）生成物不能为气体 （如硫粉、木炭等不行）。 8、该实验还可推出，瓶内剩余4/5体积的气体是氮气 ，其物理性质有无色无味、难溶于水 ；化学性质有不燃烧也不支持燃烧 。 9其他常见变形装置如下图： 装置形式虽然不同，但原理都是相同的，即用燃烧法测定空气中氧气的含量。 （注意：该实验应从1、实验现象的描述；2、实验原理；3、实验的改进；4、药品的选择；5、实验推断的性质等五个方面去掌握） 典例解析 图1 例1．（2012荔湾区）右图1所示装置可用于测定空气中氧气的含量，实验前在集气瓶内加入少量水，并做上记号。下列说法中不正确的是 （ ） A．该实验证明空气中氧气的含量约占1/5 B．实验时红磷一定要过量 C．实验前一定要检验装置的气密性 D．红磷燃烧产生大量的白雾，火焰熄灭后立刻打开弹簧夹 图2 解析：D中红磷燃烧产生大量白烟。保证实验成功的关键是：①装置不漏气，只有装置气密性良好才能使得反应后装置内的压强显著减小，水才能进入到瓶子中。②红磷足量才能将氧气消耗完毕，测量结果才准确。③火焰熄灭后待装置冷却后再打开止水夹，否则由于热胀冷缩缘故会使测量结果不准确。④红磷不能使用硫磺、木炭来代替，因为硫磺、木炭燃烧后生成的二氧化硫、二氧化碳为气体，不能使装置内气体压强显著减小，如使用硫磺或木炭则必须在水中加入氢氧化钠。 答案：D 例2．（2011天河区）右图2是一个具有刻度和活塞可滑动的 玻璃容器，其中有空气和足量的白磷，将它放在盛有沸 水的烧杯上方，进行实验。请完成实验报告： （1）实验目的：测定空气中 的体积分数。 （2）实验现象：白磷着火燃烧，活塞先右移，后左移，最后停在刻度约为（填整数）的位置上。 （3）实验结论：空气的成分按体积计算， 约占1/5。 解析：（1）氧气（2）8（3）氧气 提示：白磷燃烧 放热气体体积膨胀故活塞先向右移动，当温度降下后气体体积缩小活塞左移。 例3（2011广州卷）.某班同学用右图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甲同学可能使用的红磷量不足，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，瓶内空气受热逸出 A.只有①③B.只有②④C.只有①②③ D.①②③④ 解析：D 例4、（2010花都区）为测定空气中氧气的含量，小华同学打算设计如下方案：选用实际容积为40 mL的试管作反应容器，将过量的白磷放入试管，用橡皮塞塞紧试管口，通过导管与实际容积为60 mL且润滑性很好的针筒注射器组成如右图的实验装置。 假设此实验能按照小华的设想正常进行，且白磷所占体积与导管内的气体体积忽略不计，请回答下列问题： （1)实验前，打开弹簧夹，将注射器的活塞前沿从20 mL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_________。 （2）若先夹紧弹簧夹，用酒精灯加热白磷，燃烧结束，等到试管冷却后再松开弹簧夹。可观察到的现象为______。 （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。可观察到的现象为_____。 （4）若按小华的设想进行实验，实际可能遇到诸多问题而发生危险，造成实验失败。例如__________ __。 解析：（1）装置的气密性好（2）白磷燃烧，产生白烟，活塞前沿在约12 mL的刻度线上 （3）白磷燃烧，产生白烟，活塞先向右移动，最终稳定在约8 mL的刻度线上（4）橡胶塞弹出、试管爆裂、注射器活塞弹出等 例5（2012广州）某化学兴趣小组的同学按照课本上的实验装置做“测定空气中氧气的体积分数”实验(如图8所示)，但测出的氧气的体积分数明显小于1/5。 请你参与探究：【提出问题】造成误差的原因是什么？如何改进课本上的实验装置？ 【查阅资料】红磷、白磷的一些性质如下表： 颜色、状态 熔点/℃ 着火点/℃ 密度/(g/cm3) 红磷 暗红色固体 590 240 2.34 白磷 白色或黄色固体 44.1 40 1.82 【猜想与假设】 图9 甲同学：可能是导管内原含有空气，后来留有吸入的水，影响实验的准确性。 乙同学：可能是瓶内残留气体中还有氧气。你还能作出的猜想是 。 【交流与讨论】 （1）丙同学认为用木炭代替红磷，就可以消除误差，大家认为他的猜想不合理，理由是 。 （2）他们对课本上的实验装置进行了图9所示的改进(其他仪器忽略)。 ① 甲同学提出应把红磷换为白磷，理由是 。 ② 通过粗铜丝来点燃玻璃管内的白磷，这利用了金属铜的 性。 ③ 与课本上的实验装置相比较，该装置的一个优点是 。 解析：【猜想与假设】装置气密性不好（或红磷用量不足；或没有冷却到室温就打开止水夹等）【交流与讨论】（1）木炭在空气中燃烧生成二氧化碳气体，使反应前后气体体积变化不明显 （2）① 白磷的着火点低，容易用铜丝点燃（或红磷着火点高，不易被铜丝点燃等）② 导热性 ③可以保证反应过程中装置不漏气（或可以保证在相同的压强下测定反应前后气体的体积，不会污染空气等） 例6（2011天津市）空气、水是人类赖以生存的自然资源。 （1）测定空气中氧气体积分数的实验装置如下图所示。在集气瓶内加入少量的水，并五等分水面以上的容积，做上记号。用弹簧夹夹紧乳胶管。点燃燃烧匙内足量的红磷后，立即伸入瓶中并把塞子塞紧。 ①写出红磷在空气中燃烧的化学式：。 ②待红磷熄灭并冷却后，打开弹簧夹，观察到烧杯中的水进入集气瓶，瓶内水面最终上升约至1刻度处。由此可知氧气约占空气总体积的 。 ③红磷熄灭后，集气瓶内剩下的气体主要是 ，该气体（填“支持”或“不支持”）燃烧。 解析：① 4P+5O22P2O5 ② ③ 氮气 不支持 例7（2011广州市）按右图组装仪器，关闭止水夹，通电使红磷燃烧。请回答下列问题： （1）燃烧的现象是 ； （2）红磷燃烧一段时间后，自动熄灭了，你认为原因是 ； （3）冷却后，松开止水夹，你观察到的现为 解析 （1）红磷继续燃烧，产生白烟，火焰慢慢熄灭 （2）集气瓶内的氧气已消耗完 （3）烧杯里的水倒吸到集气瓶内（或烧杯的水面下降），集气瓶中的水约占集气瓶容积 （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______．[反思]该实验和拉瓦锡所做实验的共同原理是：在密闭容器内通过加热或燃烧某种可燃物，消耗容器内的氧气，使密闭体系内外形成______，而引起的现象差异来分析空气中氧气的含量． （3）1/5， ；难溶于水． 【反思】气压差． 某校化学研究性学习小组在学习了“空气中氧气含量测定”的基础上，改进了教材中的实验，设计出了如图所示的实验装置．实验步骤如下： ①如图所示，连接仪器，检查装置的气密性．发现装置的气密性良好． ②在集气瓶里装进适量a体积的水，燃烧匙里放一块白磷（白磷燃烧所需要的最低温度是40℃），并在酒精灯上把玻璃棒下端加热，按图示装置把集气瓶中的空气密封起来，把长导管的另一端放入盛有足量水的烧杯中．（注：集气瓶内的长导管已伸到了瓶底） ③用力把预先加热过的玻璃棒按下与白磷接触，观察到白磷立即着火燃烧，产生大量白烟，同时放出大量的热．（注：白磷与红磷燃烧的产物相同） ④待白磷燃烧熄灭后，稍加振荡，白烟消失． ⑤待集气瓶完全冷却至室温，量出集气瓶中水的体积是b，整个集气瓶的体积是c． ⑥根据a、b、c三个数据，计算出空气中氧气的体积分数． 根据以上信息，回答下列问题． （1）集气瓶中白磷燃烧的文字表达式 磷+氧气=五氧化二磷 （2）在白磷开始燃烧到最后熄灭的过程中，集气瓶内水面的变化情况是 先往下再往上 （3）若实验非常成功，当c为500mL，a=100mL，则b= 180mL． （4）组内成员小张对“实验前集气瓶里要装进适量a体积的水”非常不理解．咨询了组长小明之后，他终于明白“a体积的水”的作用，其一是为了加快⑤步骤中集气瓶的冷却速度；其二则主要是 防止白磷燃烧时集气瓶中气体受热膨胀逸出 （5）在上述实验中，下列操作的实施和实验现象的出现，会导致实验最后产生的实际值大于理论值的是 B A、装置气密性不好B、实验前集气瓶里没有装a体积的水 C、集气瓶没有冷却到室温D、用红磷代替白磷（红磷燃烧所需要的最低温度在240℃左右） 解：（1）写文字表达式时，白磷要写成“磷”，不要把条件写成“燃烧”； （2）白磷燃烧时会放出大量的热，集气瓶内空气受热体积膨胀，气压增大，使集气瓶内的水沿玻璃管流入烧杯内；燃烧停止后，温度下降，瓶内气压减小，烧杯中的水就会沿着玻璃管再流入集气瓶内； （3）白磷燃烧只消耗空气中的氧气：，集气瓶内空气为500-100=400mL，由于氧气约占空气总体积的1/5 ，所以消耗掉氧气的体积为80mL，则烧杯中的水会进入集气瓶内约80mL，所以集气瓶内水的总体积为100+80=180mL． （4）集气瓶内预先装入适量的水，使白磷燃烧时集气瓶内气压不会过度增大，不至于使集气瓶中气体受热膨胀而逸出． （5）“装置气密性不好”与“集气瓶没有冷却到室温”都会导致进入集气瓶内水的体积减少，从而导致实验最后产生的实际值小于理论值；用红磷代替白磷后生成物仍然是只有五氧化二磷生成，所以不影响实验结果；如果实验前集气瓶里没有装a体积的水，会使集气瓶中气体受热膨胀而逸出，从而导致瓶内气压减小幅度过大，使进入水的体积变大，所以实验最后产生的实际值大于理论值． 点评：空气中氧气含量的测定也是中考考查的一个热点，重点考查实验过程中看到的现象以及导致实验结果偏大或偏小的原因．未来中考对该实验的考查将会不断创新，例如，在药品上，用NaOH溶液代替水，则用木炭、硫粉等代替红磷也可以完成该实验；在热源上用电阻丝通电产生热量、用放大镜汇聚太阳光产生能量代替酒精灯完成实验；在装置上用注射器、活塞、圆筒状玻璃容器、U型管等．但不管如何创新，同学们只要深刻理解该实验的原理，即可顺利解题． 空气主要是由氮气和氧气组成的混合物，请你参与研究性小组有关空气成分测定和性质的实验探究。（1）下图是教材中测定空气里氧气含量的实验装置。 填写下表： 实验现象 结论或解释 红磷在集气瓶中燃烧 反应的化学方程式为：_______________________。 水倒流入集气瓶中，体积 约占集气瓶体积的1/5 结论：_____________________________________。 上述实验中，常常会出现集气瓶中水的体积小于1/5的现象，其可能原因是___________ A．装置漏气B．红磷过量C．温度太高D．氮气溶解 该小组同学根据空气中氧气含量测定的实验，一致认为：氮气不能支持红磷燃烧。你认为该结论是否正确:_________（选填“正确”或“错误”）。 （2）该小组的同学对集气瓶中氮气的性质作了进一步的探究。 【物理性质探究】甲同学在实验探究中设计了如右图所示的实验装置。则该同学设计的目的是为了探究氮气的_________________。 【化学性质探究】乙同学将点燃的镁条迅速伸入集气瓶中，结果发现镁条继续燃烧，并产生黄色固体。据此，你能得出什么结论：______________________。丙同学用天平称取2.4g表面处理过的镁条，在一个完全封闭且充满足量空气的容器中完全燃烧，产物冷却后再称量，发现固体质量小于4.0g。原因是：______。 答案 （1）4P+5O22P2O5；氧气约占空气体积的1/5；AC；正确 （2）溶解性；镁能与氮气反应；镁在空气中燃烧时除生成氧化镁外，还有氮化镁生成 一、实验药品选择型 例1.小军根据燃烧红磷测定空气中氧气含量的实验原理，认为可用木炭替代红磷测定空气中氧气的含量，并按左下图所示装置进行实验。 （1）依据的实验原理是___________________。小军检查装置气密性后，将盛有足量红热木炭的燃烧匙迅速伸入广口瓶中，并把塞子塞紧，待红热的木炭熄灭并冷却至室温后，就打开弹簧夹，并未发现倒吸现象。经过认真分析，小军发现实验失败的原因是（答一条）__________________ （2）小军反思上述实验的探究过程后认为：用燃烧法测定空气中氧气含量的实验时，在 药品的选择和生成物的要求上应考虑是（答一条）__________________________。 解析 探究空气中氧气含量的实验原理是：选择某种能与空气中的氧气反应而不与空气中其他气体反应的固体物质（如红磷，白磷等），利用过量的该物质将空气中的氧气完全消耗，生成新的固体物质，使密闭容器内气体积减小（减小的体积即为氧气的体积），气体的压强减小，引起水面变化，从而确定空气中氧气的体积分数。在探究空气中氧气含量的实验中，选择不同的药品会出现截然不同的现象。解此题的关键是判断可然物在空气中燃烧能否使密闭容器内气体体积减小，气体压强变小。（1）木炭在空气中燃烧过程中虽然消耗了氧气，但同时生成了二氧化碳气体，而生成二氧化碳气体的体积会弥补所消耗的氧气体积，反应前后广口瓶内气体压强并无明显的变化，因此烧杯中的水不会倒吸到广口瓶内，造成实验失败。（2）探究空气中氧气含量的实验，选择药品的条件是：①药品能在空气中燃烧，燃烧时只消耗氧气，不与空气中的其他成分反应，②药品在空气中燃烧后的生成物不是气体(若生成物为气体，可将水换成易吸收该气体的液体)。 答案 (1)木炭在空气中燃烧消耗空气中的氧气；木炭在空气中燃烧虽然消耗了空气中的氧气，但生成了二氧化碳气体，致使广口瓶内气体压强未减小。 （2）药品要能在空气中燃烧，燃烧时只消耗氧气（或生成物不能是气体） 二、实验误差分析型 例2. 某班同学用右图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甲同学可能使用的红磷量不足，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，瓶内空气受热逸出 A.只有①③ B.只有②④ C.只有①②③ D.①②③④ 解析 探究空气中氧气的含量的实验误差分析，要根据实验原理进行推断，关键看操作的结果是导致密闭体系内气体的压强变大还是减小。甲同学的实验结果比实际偏低，原因可能有：（1）红磷量不足，瓶内氧气没有耗完；（2）未塞紧瓶塞，外界空气进入瓶内；（3）未冷却到室温就打开弹簧夹；乙同学的实验结果比实际偏高，原因可能是广口瓶内的部分空气受热逸出，致使广口瓶内气体的体积减小更多。 答案：D 三、实验装置创新型 例3.为测定空气中氧气的含量，小华同学打算设计如下方案：选用实际容积为40 mL的试管作反应容器，将过量的白磷放入试管，用橡皮塞塞紧试管口，通过导管与实际容积为60 mL且润滑性很好的针筒注射器组成如右图的实验装置。 假设此实验能按照小华的设想正常进行，且白磷所占体积与导管内的气体体积忽略不计，请回答下列问题： (（1)实验前，打开弹簧夹，将注射器的活塞前沿从20 mL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____________________。 （2）若先夹紧弹簧夹，用酒精灯加热白磷，燃烧结束，等到试管冷却后再松开弹簧夹。 可观察到的现象为_______________________________________________。 （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。可观察到的现象为______________________________________________________________。 （4）若按小华的设想进行实验，实际可能遇到诸多问题而发生危险，造成实验失败。例如______________________________________________________________________。 解析 本题的创新性在于实验装置始终密闭，不会造成空气污染，通过活塞的移动来测定空气中氧气的含量，提高了实验结果的准确度。（1）实验操作前后装置内气体压强不变，证明该装置的气密性好。（2）白磷在空气燃烧时消耗氧气，产生白烟（生成五氧化二磷），导致密闭体系内气体压强减小，由于氧气约占空气体积的1/5,而试管内空气中氧气的体积约为：40 mL1/5=8 mL，且过量的白磷燃烧能将试管内空气中的氧气耗尽，因此最终活塞的前沿在约12 mL（20 mL-8 mL=12 mL）的刻度线上。（3）白磷在空气中燃烧时放出大量的热，会使密闭体系内的空气受热膨胀，气体压强增大，活塞就会向右移动，当过量的白磷燃烧耗尽密闭体系内的氧气，试管冷却后，密闭体系内气体的压强减小，外界大气压就会推动活塞会向左移动，而密闭体系内空气中氧气的体积约为：（40 mL+20 mL）1/5=12 mL,因此最终活塞的前沿在约8mL（20mL-12mL=8mL）的刻度线上。（4）因为白磷燃烧放出大量的热，会使密闭体系内气体压强增大，所以该实验中可能出现的问题有：橡胶塞弹出、试管爆裂、注射器活塞弹出等。 答案 （1）装置的气密性好（2）白磷燃烧，产生白烟，活塞前沿在约12 mL的刻度线上 （3）白磷燃烧，产生白烟，活塞先向右移动，最终稳定在约8 mL的刻度线上 （4）橡胶塞弹出、试管爆裂、注射器活塞弹出等