探讨测定空气中氧气含量的不同装置

高福华

空气中氧气含量的测定实验是初中化学的重要实验，近年来的中考在课本实验的基础上进行了拓展、创新，其装置多种多样，实验原理既涉及化学知识，又涉及物理知识，旨在考查学生的实验探究能力及创新思维能力，已成为中考命题的热点和焦点。

图1例1.在按书本装置测定空气中氧气含量的实验时，当装置内的氧气低于一定含量时，红磷就不再与氧气反应，从而导致测量结果偏小。有老师对该实验进行了改进，装置如图1所示，在一容器中倒入刚拆封的“暖宝宝”黑色粉末，再在上面放足量的白磷，迅速扣上烧杯，随后白磷自燃，利用这一装置可更准确地测定空气中氧气的体积分数。

（1）黑色粉末的主要成分是什么？对此同学们作出了以下两种猜想：

猜想一：该粉末可能是木炭粉；

猜想二：该粉末可能是铁粉。

根据学过的科学知识，有同学认为猜想一肯定是错误的，你认为他的理由是

（2）通过实验证明加入的黑色粉末是铁粉。加入铁粉后使测定结果更加准确，原因是

解析：（1）由于木炭燃烧生成的是二氧化碳气体，所以装置内压强变化不大，进入的水的量也就不多。因此，若用猜想一的方法测定空气中氧气的体积分数，结果会偏低。（2）铁生锈需要水和氧气，铁粉能进一步与烧杯中的氧气反应，使结果更准确。

答案：（1）木炭粉和氧气燃烧生成二氧化碳气体，会影响实验结果 （2）铁粉能进一步和烧杯中的氧气反应

例2.某化学兴趣小组对教材中“测定空气中氧气含量”的实验（见图Ⅰ）进行了大胆改进，设计了图Ⅱ（选用容积为45mL的18×180mm的试管作反应容器）实验方案进行，收到了良好的效果。请你对比分析两个实验，回答下列有关问题。

（1）实验过程中，观察到的红磷燃烧现象是

该反应的文字表达式是

上述实验和拉瓦锡研究空气成分实验（将汞与空气封闭在一起加热，生成氧化汞）的化学反应都属于

（填基本反应类型）反应。

（2）图Ⅰ实验不仅可以说明氧气占空气的体积分数，还可以说明氮气具有的化学性质是

（写出一点即可）。

（3）用图Ⅰ实验装置测定的结果是：集气瓶内水面上升明显大于瓶内空气体积的1/5，你认为导致这一结果的原因是

（写出一点即可）。

（4）某学生用木炭代替图Ⅰ中的红磷，当木炭停止燃烧，集气瓶冷却到室温，打开弹簧夹后，发现水不能进入集气瓶，原因是

若仍用木炭代替红磷，对该生的实验方案应作何改进，才能保证实验成功？（只需答出实验方案中需改进的地方）

（5）图Ⅱ是该兴趣小组测定空气中氧气含量的改进装置，其实验的操作步骤如下：

①点燃酒精灯；

②撤去酒精灯，待试管冷却后松开弹簧夹；

③将少量红磷平装入试管中，将20mL的注射器活塞置于10mL刻度处，并按图Ⅱ中所示的连接方式固定好，再将弹簧夹夹紧橡皮管；

④读取注射器活塞的数据。

你认为正确的实验操作顺序是

图Ⅱ实验中，注射器活塞将从10mL刻度处慢慢前移到约

mL刻度处才停止；对照图Ⅱ实验，你认为图Ⅰ实验有何不足之处？

（写出一点即可）。

（6）经过研究讨论后，该兴趣小组又设计了如图Ⅲ的测定空气中氧气含量的改进装置，主要操作是：在实际容积为150mL的集气瓶里，先装进50mL的水，再按图连好仪器，按下热的玻璃棒，白磷立即被点燃（已知白磷在空气中燃烧生成五氧化二磷）。

①白磷从燃烧到熄灭冷却的过程中，瓶内水面的变化是

若实验非常成功，最终集气瓶中水的体积约为

②集气瓶里预先装进的50mL水，在实验过程中起到哪些作用？

a.加快集气瓶冷却

b.液封导气管末端以防气体逸出

c.缓冲集气瓶内气压的骤然升高

解析：（1）红磷在空气中燃烧的现象是发出黄光、放出热量、冒出大量的白烟。（2）氮气的化学性质：不燃烧也不支持燃烧，不与红磷反应等。（3）如果装置内的部分空气逸散出来，就会导致进入集气瓶中水的体积大于1/5。（4）木炭燃烧生成二氧化碳气体，瓶内压强不发生变化，水便无法进入瓶中。若仍用木炭代替红磷，可在集气瓶中放一些氢氧化钠溶液，以吸收生成的二氧化碳气体。（5）图Ⅱ是该兴趣小组测定空气中氧气含量的改进装置，正确的实验操作步骤是③①②④。图Ⅱ实验中，红磷燃烧消耗氧气的体积约为45mL×15=9mL，注射器活塞将从10mL刻度处慢慢前移到约1mL刻度处才停止。对照图Ⅱ实验，可发现图Ⅰ实验不如图Ⅱ实验严密。（6）图Ⅲ的测定空气中氧气含量装置中，白磷从燃烧到熄灭冷却的过程中，瓶内水面的变化是先下降后上升，开始时气体受热膨胀，瓶内的水进入导管内，瓶内水面下降，冷却后导管中水回落至瓶内，瓶内水面再上升。若实验非常成功，消耗氧气的体积约为100mL×15=20mL，则最终集气瓶中水的体积约为50mL+20mL=70mL。集气瓶里预先装进的水，在实验过程中可加快集气瓶冷却，液封导气管末端以防气体逸出，缓冲集气瓶内气压的骤然升高等。

答案：（1）发出黄光、放出热量、冒出大量的白烟 磷+氧气加热五氧化二磷 化合 （2）不燃烧也不支持燃烧（或不与红磷反应） （3）在将燃着的红磷伸入装置时动作缓慢，致使装置内的部分空气逸散出来（合理即可） （4）木炭燃烧生成了二氧化碳气体 在集气瓶中放一些氢氧化钠溶液 （5）③①②④ 1 图Ⅰ实验不严密 （6）①先下降后上升 70②a、b、c

以上例题中的测定装置各有千秋，主要原理都为消耗空气中的氧气，且生成物都不是气体（若为气体则需事先加入吸收液体），使得装置内的压强减小，根据进入容器中水的体积比来确定氧气所占的体积分数。