Question

16．空氣中氧氣含量測定的再認識．
Ⅰ．【實驗回顧】如圖是實驗室用紅磷燃燒來粗略測定空氣中氧氣含量的裝置．
（1）寫出紅磷燃燒的化學(xué)方程式4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅，現(xiàn)象是紅磷劇烈燃燒，產(chǎn)生大量白煙．
（2）實驗原理：由于紅磷燃燒消耗空氣中的氧氣，使瓶內(nèi)氣壓減小，燒杯中水倒吸到集氣瓶．若裝置的氣密性良好，操作規(guī)范，用量筒測量進入瓶中水的體積，能粗略測得空氣中氧氣的含量．
【問題提出】有實驗資料表明：燃燒過程中當(dāng)氧氣體積分數(shù)低于7% 時，紅磷就無法繼續(xù)燃燒，因此通過上述實驗，測置結(jié)果與理論值誤差較大．
Ⅱ．【實驗改進】
根據(jù)鐵在空氣中生銹的原理設(shè)計如圖實驗裝置，再次測定空氣中氧氣含量．裝置中飽和食鹽水、活性炭會加速鐵生銹．測得實驗數(shù)據(jù)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(nèi)容物）和導(dǎo)管的容積
體積/mL	80.0	54.5	126.0

【交流表達】
（1）鐵生銹過程發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，首先是鐵與氧氣、水反應(yīng)生成氫氧化亞鐵[Fe（OH）₂]，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式2Fe+O₂+2H₂O=2Fe（OH）₂．
（2）根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算，改進實驗后測得的空氣中氧氣的體積分數(shù)是20.2%（計算結(jié)果精確到0.1%）．
（3）從實驗原理角度分析，改進后的實驗結(jié)果比前者準(zhǔn)確度更髙的原因是：
①鐵的緩慢氧化使集氣瓶中的氧氣消耗更徹底，使實驗結(jié)果更準(zhǔn)確．②測量時考慮到導(dǎo)管容積和扣除內(nèi)容物后的集氣瓶容積，使實驗結(jié)果更準(zhǔn)確；（寫一條）
III．四硫化鈉（Na₂S₄）固體可替代紅磷測定空氣中氧氣的體積分數(shù)，反應(yīng)原理為：2Na₂S₄+O₂+2H₂O═8S↓+4NaOH
【查閱資料】①Na₂S₄受熱時，會與空氣中的水蒸氣反應(yīng)，生成少量有毒氣體硫化氫．
②硫代硫酸鈉（Na₂S₂O₃）可溶于水，常溫下與NaOH溶液不反應(yīng)．
③NaOH溶液可吸收硫化氫和二氧化碳．
【實驗過程】
①取0.5g碳酸鈉、0.2g硫粉混合后置于試管中，加入（如圖①所示，夾持裝置已略去），制得Na₂S₄，反應(yīng)為：4Na₂CO₃+12S+X$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Na₂S₄+2Na₂S₂O₃+4CO₂，X的化學(xué)式為O₂；

②冷卻后，取下棉花，放置一段時間，再向該試管中加入10mL水，迅速塞緊橡膠塞，充分振蕩．測量液面至橡膠塞下沿的距離，記錄數(shù)據(jù)h₁（如圖②所示）；
③將該試管插入水中（如圖③所示），拔下橡膠塞，觀察到有淡黃色固體生成，水進入試管內(nèi)，進入水的體積約為試管內(nèi)空氣體積的五分之一，塞緊橡膠塞．將試管取出，倒轉(zhuǎn)過來，測量液面至橡膠塞下沿的距離h₂，記錄數(shù)據(jù)h₂．理論上h₂：h₁=5：4；
④【反思與評價】實驗過程①中要塞氫氧化鈉溶液的棉花的原因是吸收生成的二氧化碳氣體和有毒的硫化氫氣體；若實驗過程②中，冷卻取下棉花后，未放置一段時間即進行后續(xù)操作，測定結(jié)果偏小（填“偏大”、“偏小”或“無影響”），理由是：試管內(nèi)的空氣成分與外邊的空氣成分可能有差異．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）根據(jù)紅磷燃燒生成五氧化二磷以及燃燒的現(xiàn)象進行解答；
Ⅱ．【交流表達】根據(jù)鐵生銹的知識進行分析解答即可．
Ⅲ．【實驗過程】①根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后原子的種類和數(shù)目不變；③根據(jù)四硫化鈉和氧氣、水反應(yīng)生成硫和氫氧化鈉，會使得試管內(nèi)壓強變小以及空氣中氧氣約占空氣體積的五分之一進行解答；
④【解釋與結(jié)論】根據(jù)空氣中氧氣的體積分數(shù)進行解答；
【反思與評價】二氧化碳和NaOH溶液反應(yīng)以及Na₂S₄受熱時，會與空氣中的水蒸氣反應(yīng)，生成少量有毒氣體硫化氫（水溶液呈酸性）進行解答；
根據(jù)未放置一段時間會導(dǎo)致試管內(nèi)的空氣成分與外邊的空氣成分可能有差異進行解答．

解答 解：
Ⅰ．（1）該實驗中可以觀察到：發(fā)出黃光，放出熱量，產(chǎn)生大量的白煙，冷卻后打開彈簧夾燒杯中的水倒流進廣口瓶約占瓶內(nèi)水面上容積的五分之一；此反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅；
Ⅱ．【交流表達】（1）根據(jù)鐵與氧氣、水反應(yīng)生成氫氧化亞鐵[Fe（OH）₂]，可知反應(yīng)物、生成物，故該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2Fe+2H₂O+O₂=2Fe（OH）₂；
（2）根據(jù)反應(yīng)前后燒杯內(nèi)水的體積變化可以看出，消耗的氧氣的體積是：80-54.5=25.5mL，故氧氣的體積分數(shù)為：$\frac{25.5mL}{126mL}$×100%，故填：20.2%；
（3）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(jié)果更準(zhǔn)確，測量時考慮導(dǎo)管容積和扣除內(nèi)容物后的集氣瓶的體積，使實驗結(jié)果更為準(zhǔn)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(jié)果更準(zhǔn)確；測量時考慮到導(dǎo)管容積和扣除內(nèi)容物后的集氣瓶容積，使實驗結(jié)果更準(zhǔn)確．
Ⅲ．【實驗過程】①根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后原子的種類和數(shù)目不變和4Na₂CO₃+12S+x $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Na₂S₄+2Na₂S₂O₃+4CO₂，可知X的化學(xué)式為O₂；故填：O₂
③四硫化鈉和氧氣、水反應(yīng)生成硫和氫氧化鈉，會使得試管內(nèi)壓強變小，將該試管插入水中（如圖3所示），拔下橡膠塞，觀察到水進入試管內(nèi)，進入水的體積約為試管內(nèi)空氣體積的五分之一；空氣中氧氣約占空氣體積的五分之一，將試管取出，倒轉(zhuǎn)過來，測量液面至橡膠塞下沿的距離，記錄數(shù)據(jù)h₂．理論上h₂：h₁=5：4；故填：水進入試管內(nèi)，進入水的體積約為試管內(nèi)空氣體積的五分之一；5：4；
④【解釋與結(jié)論】空氣中氧氣的體積分數(shù)=$\frac{11-8.7}{11}$×100%=20.9%；故填：20.9；
【反思與評價】二氧化碳和NaOH溶液反應(yīng)生成碳酸鈉和水，Na₂S₄受熱時，會與空氣中的水蒸氣反應(yīng)，生成少量有毒氣體硫化氫（水溶液呈酸性），所以蘸有濃NaOH溶液的棉花的作用是吸收生成的二氧化碳氣體和有毒的硫化氫氣體，未放置一段時間會導(dǎo)致試管內(nèi)的空氣成分與外邊的空氣成分可能有差異．故填：試管內(nèi)的空氣成分與外邊的空氣成分可能有差異．
答案：
Ⅰ．（1）4P+5O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2P₂O₅；紅磷劇烈燃燒，產(chǎn)生大量白煙；
Ⅱ．【交流表達】
（1）2Fe+2H₂O+O₂=2Fe（OH）₂；
（2）20.2%；
（3）①鐵的緩慢氧化使集氣瓶中的氧氣消耗更徹底，使實驗結(jié)果更準(zhǔn)確．②測量時考慮到導(dǎo)管容積和扣除內(nèi)容物后的集氣瓶容積，使實驗結(jié)果更準(zhǔn)確．
Ⅲ．
①O₂
③有淡黃色固體生成，水進入試管內(nèi)，進入水的體積約為試管內(nèi)空氣體積的五分之一；  5：4；
④吸收生成的二氧化碳氣體和有毒的硫化氫氣體；   偏��； 試管內(nèi)的空氣成分與外邊的空氣成分可能有差異．

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(jù)已有的知識進行，請注意題目中要求寫化學(xué)表達式．