Question

20．空氣中氧氣含量測定的再認識．
【實驗回顧】圖1是實驗室用紅磷燃燒來粗略測定空氣中氧氣含量的裝置．寫出紅磷燃燒的化學方程式4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅．
步驟如下：
①用彈簧夾夾緊橡皮管．
②點燃燃燒匙內的紅磷，立即伸入瓶中并塞緊塞子．
③待裝置冷卻后打開彈簧夾．
④觀察并記錄水面的變化情況．
【實驗反思】多次實驗，發現集氣瓶內上升的水的體積始終小于瓶內原空氣體積的1/5．
【實驗改進1】
Ⅰ．根據鐵在空氣中生銹的原理（鐵與氧氣和水發生反應生成鐵銹）設計如圖2實驗裝置，再次測定空氣中氧氣含量．裝置中的食鹽水和活性炭會加速鐵生銹．
Ⅱ．測得實驗數據如表

測量項目	實驗前	實驗后
	燒杯中水的體積	燒杯中剩余水的體積	集氣瓶（扣除內容物）和導管的容積
體積/mL	80.0	54.5	126.0

【交流表達】（1）鐵生銹過程發生復雜的化學反應，首先是鐵與氧氣、水反應生成氫氧化亞鐵，寫出該反應的化學方程式2Fe+2H₂O+O₂=2Fe（OH）₂．
（2）根據表中數據計算，改進實驗后測得的空氣中氧氣的體積分數是20.2%．（消耗的水的體積忽略不計，計算結果保留一位小數）．
【猜想與假設】根據鐵生銹的原理，某同學對最終生成的鐵銹的主要成分作出猜想：
（Ⅰ）氧化鐵（Ⅱ）碳酸鐵，你認為猜想（Ⅱ）（填序號）一定是錯誤的，理由是化學反應前后元素種類不變．
實驗改進2】
使用圖3裝置進行實驗．實驗前應先進行的操作
是檢查裝置的氣密性．
【實驗過程】步驟1：在注射器中放入裝有足量鐵粉、活性炭粉的浸有食鹽水的紙袋，封閉．
步驟2：打開彈簧夾，將活塞向右拉至一定距離，關閉彈簧夾．
步驟3：不斷輕輕晃動注射器，至活塞位置不再發生變化．
數據處理】實驗中需要記錄的數據是注射器中原來的空氣體積，反應后剩余氣體的體積．
計算得出氧氣約占空氣總體積的$\frac{1}{5}$．
【計算】鐵的氧化物有多種，116g四氧化三鐵與多少g氧化亞鐵（FeO）中所含的氧元素質量相等．（寫出計算過程）
【實驗評價】與燃燒紅磷法相比，用改進實驗測定空氣中氧氣含量的優點是鐵的緩慢氧化使集氣瓶中的氧氣消耗更為徹底，使實驗結果更準確；測量時考慮到導管容積和扣除內容物后的集氣瓶容積，使實驗結果更準確．

Answer 1

分析 根據已有的空氣中氧氣含量的測定原理進行分析解答，磷燃燒生成五氧化二磷；氣體被消耗，壓強變小，故會產生水倒吸的現象；根據鐵生銹的知識進行分析解答即可．根據氧化亞鐵的化學式FeO及四氧化三鐵的化學式Fe₃O₄，要使兩物質中氧元素的質量相等，兩物質的粒子個數比應為4：1，即兩種物質的質量滿足288：232的關系．

解答 解：【實驗回顧】磷燃燒生成五氧化二磷，故填：4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅；
③等待實驗裝置溫度冷卻至室溫后，再打開彈簧夾，故填：待裝置冷卻后打開彈簧夾．
【實驗改進1】鐵與氧氣、水反應生成氫氧化亞鐵[Fe（OH）₂]，故填：2Fe+2H₂O+O₂=2Fe（OH）₂；
根據反應前后燒杯內水的體積變化可以看出，消耗的氧氣的體積是：80-54.5=25.5mL，故氧氣的體積分數為$\frac{25.5mL}{126mL}×100%$≈20.2%，故填：20.2%；
【猜想與假設】根據質量守恒定律可知，反應前后元素的種類不變，反應物中沒有碳元素，所以不能可能是碳酸鐵．
故填：（Ⅱ）；化學反應前后元素種類不變．
【實驗改進2】對于有氣體參與或生成的反應，實驗前一定要檢查裝置的氣密性，故填：檢查裝置的氣密性．
【數據處理】要用此方法來測定空氣中氧氣的含量，就需要記錄反應前后注射器內氣體的體積，故填：注射器中原來的空氣體積，反應后剩余氣體的體積．
【計算】設FeO的質量為x
4FeO～Fe₃O₄
288   232
x    116g
$\frac{288}{232}=\frac{x}{116g}$
x=144g
【實驗評價】使用鐵的緩慢氧化消耗氧氣，使氧氣消耗的更為徹底，實驗結果更準確，測量時考慮導管容積和扣除內容物后的集氣瓶的體積，使實驗結果更為準確，故填：鐵的緩慢氧化使集氣瓶中的氧氣消耗更為徹底，使實驗結果更準確；測量時考慮到導管容積和扣除內容物后的集氣瓶容積，使實驗結果更準確．

點評 本題考查的是氧氣的含量的測定以及實驗裝置的改進，完成此題，可以依據已有的知識進行．