Question

【題目】某化學(xué)小組同學(xué)做鎂條在空氣中燃燒實驗時，發(fā)現(xiàn)生成物中還有少量黑色固體，針對這一現(xiàn)象及相關(guān)問題，他們開展了如下探究，請仔細(xì)閱讀并參與他們的探究之旅。

（探究目的）探究黑色固體是鎂與空氣中什么物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的？

（查閱資料）1.稀有氣體一般與其他物質(zhì)反應(yīng) 2.光亮的鎂條與水反應(yīng)，表面會生成白色固體。

（分析猜想）分析空氣中各種成分，進(jìn)行猜想：

(1)猜想①是氧氣 猜想②是氮氣 猜想③是__________________

（實驗一）鎂帶與氧氣的反應(yīng)

(一)甲同學(xué)探究了影響過氧化氫制取氧氣速度的某種因素，進(jìn)行了三次實驗并記錄各收集相同體積氧氣所需要的時間如下表

實驗	過氧化氫的濃度	過氧化氫溶液質(zhì)量/g	二氧化錳質(zhì)量/g	收集時間/s
1	10%	20		40
2	15%	20	1	20
3	20%	X	1	12

(2)第 3 次實驗中，X 的值應(yīng)為_____

(3)實驗結(jié)論：在相同條件下,___________________過氧化氫分解得越快。

(二)乙同學(xué)在量筒中盛滿水，倒置于水槽中，通過分液漏斗把 20mL 某濃度的過氧化氫溶液加入錐形瓶中，記錄量筒中氣體的體積(如圖 )。數(shù)據(jù)如下表：

時間/min	1	3	5	7	9	10
量筒讀數(shù)/mL	60.0	82.0	88	89.5	90	90

(4)請根據(jù)以上過程和實驗數(shù)據(jù)綜合分析，最終生成氧氣的體積是_____mL

(5)請在下面坐標(biāo)圖中繪制出 0～10 min 生成氧氣體積隨時間變化的曲線_____________。

(三)燃燒鎂帶，觀察現(xiàn)象

將鎂帶打磨光亮，點燃伸入盛滿氧氣的集氣瓶中，產(chǎn)生大量白煙，生成白色固體。實驗結(jié)論：鎂與氧氣反應(yīng)生成白色的氧化鎂

（實驗二）鎂帶與氮氣反應(yīng)

(一)收集氮氣

(二)燃燒鎂帶，觀察現(xiàn)象

將鎂帶打磨光亮，點燃伸入盛滿氮氣的集氣瓶中，瓶內(nèi)壁附著一層淡黃色的固體。

(6)實驗結(jié)論：鎂與氮氣在點燃條件下發(fā)生化合反應(yīng)生成淡黃色的氮化鎂(Mg3N2) 該反應(yīng)的化學(xué)方程式是________

（探究結(jié)論 1）(7)綜上分析，關(guān)于鎂在空氣中燃燒產(chǎn)生黑色固體的猜想是猜想__________(填序號)成立。

（探究結(jié)論 2）(8)如果用足量的鎂代替紅磷進(jìn)行空氣組成實驗，實驗測得氧氣的體積分?jǐn)?shù)比實際值______(填“偏大”或“偏小”)

（實驗回顧）實驗室常用紅磷燃燒的方法測定空氣中氧氣含量(如圖)，由于紅磷需要在瓶外點燃再伸入瓶內(nèi)，常常帶來污染以及誤差。

（實驗改進(jìn)）同學(xué)們選擇了著火點更低的白磷，并對裝置圖做了改進(jìn)(如圖)。主要操作是：在實際容積為 180mL 的集氣瓶里，先裝進(jìn) 50mL 的水，再按圖連好儀器，按下熱的玻璃棒，白磷立即被點燃。

(9)白磷從燃燒到熄滅冷卻的過程中，瓶內(nèi)水面的變化是______________

(10)若實驗中無誤差，最終集氣瓶中水的體積為__________________mL

(11)集氣瓶里預(yù)先裝置的 50mL 水的作用，其一是為了加快集氣瓶的冷卻速度，其二則主要是_____________

（實驗與交流）

(12)為了幫助同學(xué)們更好地理解空氣中氧氣含量的實驗原理，老師利用傳感器技術(shù)定時測定了實驗裝置(圖 4)內(nèi)的壓強(qiáng)、溫度和氧氣濃度，三條曲線變化趨勢如圖 5 所示。Y 曲線表示的是_______________(填“溫度”或“氧氣濃度”或“壓強(qiáng)”)變化趨勢；X 曲線中 CD 段上升的原因是___________

Answer 1

【答案】二氧化碳 20 過氧化氫濃度越大 70 3Mg + N2 Mg3N2 ③ 偏大 水面先下降再上升且比開始時要高 76 液封，防止氣體因受熱膨脹從導(dǎo)管處逸出 溫度 當(dāng)溫度冷卻至室溫時，打開活塞，燒杯內(nèi)的水進(jìn)入集氣瓶內(nèi)，使瓶內(nèi)氣壓升高至外界大氣壓

【解析】

（1）空氣中除氧氣和氮氣外，還有二氧化碳?xì)怏w，所以猜想③是二氧化碳；
（2） 甲同學(xué)探究了影響過氧化氫制取氧氣速度與過氧化氫濃度的關(guān)系所以取用過氧化氫溶液的質(zhì)量要相等，因此X為20；
（3）由實驗數(shù)據(jù)分析可知， 在相同條件下，過氧化氫溶液的濃度越大則分解得越快；
（4）根據(jù)數(shù)據(jù)分析，向錐形瓶中加入了20mL的過氧化氫溶液，最終量筒中氣體的體積為90，所以最終生成氧氣的體積是70mL；

(5) 0～10 min 生成氧氣體積隨時間變化的曲線如圖：；

（6）鎂與氮氣在點燃條件下發(fā)生化合反應(yīng)生成淡黃色的氮化鎂（Mg3N2） 該反應(yīng)的化學(xué)方程式是：3Mg + N2 Mg3N2 ；
（7） 綜上分析，關(guān)于鎂在空氣中燃燒產(chǎn)生黑色固體是鎂與二氧化碳的反應(yīng)，即猜想③成立；
（8） 如果用足量的鎂代替紅磷進(jìn)行空氣組成實驗，因鎂會與氮氣和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，所以實驗測得氧氣的體積分?jǐn)?shù)比實際值偏大；
（9） 白磷燃燒會使得裝置內(nèi)壓強(qiáng)變大，所以瓶內(nèi)水面會下降，當(dāng)磷熄滅冷卻后因消耗掉瓶內(nèi)氧氣使得裝置內(nèi)壓強(qiáng)變小，所以瓶內(nèi)水面會上升，故從燃燒到熄滅冷卻的過程中，瓶內(nèi)水面的變化是先下降再上升且比開始時要高；

(10)實際容積為180mL 的集氣瓶里，先裝進(jìn) 50mL，說明有130mL的空氣，氧氣約占五分之一，即26mL， 若實驗中無誤差，最終集氣瓶中水的體積為50+26＝76mL；

(11)集氣瓶里預(yù)先裝置的 50mL 水的作用，其一是為了加快集氣瓶的冷卻速度，其二則主要是液封，防止氣體因受熱膨脹從導(dǎo)管處逸出；
(12)Y 曲線表示的是溫度的變化趨勢， X 曲線中 CD 段上升的原因是：當(dāng)溫度冷卻至室溫時，打開活塞，燒杯內(nèi)的水進(jìn)入集氣瓶內(nèi)，使瓶內(nèi)氣壓升高至外界大氣壓 。