Question

14．下面是幾位同學測量空氣中氧氣體積分數的四個實驗，請你參與他們的探究：

[實驗一]小強采用A圖所示的裝置進行實驗：在由兩個注射器組成的密閉系統中留有25mL空氣，給裝有細銅絲的玻璃管加熱，同時緩慢推拉兩個注射器活塞，至玻璃管內的銅絲在較長時間內無進一步變化時停止加熱，待冷卻至室溫，將氣體全部推至一個注射器內，觀察密閉系統內空氣體積變化．
（1）在實驗加熱過程中，交替緩慢推動兩個注射器活塞的目的是使空氣中的氧氣充分反應．
[實驗二]：小紅采用B圖所示的裝置進行實驗：實驗過程如下：
第一步：將集氣瓶容積劃分為五等份，并做好標記．
第二步：用放大鏡點燃燃燒匙內的紅磷．
第三步：待紅磷熄滅并冷卻后，打開彈簧夾，發現水被吸入集氣瓶中，進入集氣瓶中水的體積約為集氣瓶總容積的$\frac{1}{5}$．
請回答下列問題：
（1）集氣瓶中剩余的氣體主要是氮氣，根據實驗推斷它的化學性質有難溶于水，既不能燃燒，也不能支持燃燒．
（2）實驗完畢，若進入集氣瓶中水的體積小于總容積的$\frac{1}{5}$，其原因可能是裝置漏氣、紅磷的量不足；裝置內的部分空氣逸散出來，就會導致進入集氣瓶中水體積大于五分之一．
（3）紅磷燃燒的現象是產生黃色火焰，放出熱量，冒出大量的白煙，其符號表達式為4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅
[實驗三]小華同學打算采用C圖所示的裝置進行實驗：錐形瓶內空氣體積為230mL，注射器中水的體積為50mL，該裝置氣密性良好．裝入藥品，按圖所示連接好儀器，夾緊彈簧夾．先將錐形瓶底部放入熱水中，白磷很快被引燃，然后將錐形瓶從熱水中取出．
請回答下列問題：
（1）在整個實驗過程中，可觀察到氣球的變化是先鼓后癟．
（2）待白磷熄滅、錐形瓶冷卻到室溫后，打開彈簧夾，還可觀察到的現象是：①注射器中的水自動噴射出來，②當注射器中的水還剩4mL時停止下流．
[實驗四]小明用圖D裝置進行鎂條在空氣中燃燒的實驗，燃燒、冷卻后打開止水夾，進入集氣瓶中水的體積約占集氣瓶體積的70%．
（1）冷卻后打開止水夾，水能進入集氣瓶的原因是鎂與氧氣反應，集氣瓶內壓強減少，內外產生壓強差．
（2）若鎂條只和空氣中的氧氣反應，則進入集氣瓶中水的體積最多不超過其容積的21
%，現進入集氣瓶中水的體積約為其容積的70%，根據空氣的組成可推出減少的氣體中還有氮氣．

Answer 1

分析 本題用銅絲、白磷或紅磷測定空氣中氧氣的含量，本探究實驗一般要注意以下幾點：①裝置的氣密性好；②所用藥品銅絲、白磷或紅磷的量，必須是足量；③讀數時一定要冷卻到原溫度；④生成物的狀態一般要求是固態等．如果控制不好條件，進入集氣瓶中水體積會小于五分之一．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體積大于五分之一．符號表達式的書寫要正確，本實驗也體現了氮氣難溶于水，既不能燃燒，也不能支持燃燒的性質．

解答 解：實驗一：交替緩慢推動兩個注射器活塞的目的是：銅和氧氣在加熱的條件下生成氧化銅；現象是紅色變黑色；小強測得實驗結果：25mL-22mL=3mL，由此數據可以推算出他測定的空氣中氧氣的體積分數小于21%；造成該實驗出現誤差的原因可能是：加入銅絲量太少．
故答案為：（1）使空氣中的氧氣充分反應；
實驗二：本實驗也體現了氮氣難溶于水，既不能燃燒，也不能支持燃燒的性質；進入集氣瓶中水的體積小于五分之一，有可能有以下幾點：裝置漏氣、紅磷的量不足、沒有冷卻就讀數；如果進入集氣瓶中水的體積大于五分之一，就說明操作太慢，致使裝置內的部分空氣逸散出來．磷和氧氣在點燃的條件下生成五氧化二磷，燃燒的現象是：發出黃光，放出熱量，冒出大量的白煙．
故答案為：（1）氮氣；難溶于水，既不能燃燒，也不能支持燃燒；
（2）裝置漏氣、紅磷的量不足；裝置內的部分空氣逸散出來，就會導致進入集氣瓶中水體積大于五分之一；
（3）發出黃光，放出熱量，冒出大量的白煙；4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅
實驗三：不斷推拉活塞氣球會鼓起隨著紅磷的燃燒裝置中的氣體減少氣壓減小氣球會變癟；紅磷燃燒完可觀察到的現象為：錐形瓶中的氧氣為230mL×$\frac{1}{5}$=46mL，注射器活塞在（50-46）mL=4mL刻度處；故答案為：（1）先鼓后癟；（2）4；
實驗四：燒杯可以盛放較多量的液體藥品：鎂和氧氣在點燃的條件下生成氧化鎂；冷卻后打開止水夾，水能進入集氣瓶的原因是：鎂與氧氣反應，集氣瓶內壓強減少，內外產生壓強差；如果鎂條只和空氣中的氧氣反應，則進入集氣瓶中水的體積最多不超過其容積的21%；現進入集氣瓶中水的體積約為其容積的70%，根據空氣的組成可推出減少的氣體中有氮氣；
故答案為：（1）鎂與氧氣反應，集氣瓶內壓強減少，內外產生壓強差；（2）21；氮氣．

點評 本考點是測定氧氣在空氣中的體積分數，屬于實驗方法和過程的探究．這類探究實驗中要注意以下幾點：①裝置的嚴密性②所用藥品的量③生成物的狀態④讀數時要冷卻到原溫度等．要具體問題具體分析，根據設計的步驟中不同的現象去思考，從而得出正確的結論．本考點經常出現在選擇題、填空題和實驗題中．