Question

14．某校化学兴趣小组就空气中氧气的含量进行实验探究，请你参与．
【设计实验】第一小组同学共同设计了如图的A、B两套装置
（1）你认为合理的是A（填编号）．
（2）该实验观察到的现象是红磷在装置内燃烧，发出大量白烟，同时释放出大量的热．在冷却到室温后打开止水夹，水进入容器容积的$\frac{1}{5}$．
【改进实验】
第二小组同学设计了C实验，优点是：环保，同时也利于实验的结果的准确．
（1）实验后发现测定出的空气中氧气的体积分数低于$\frac{1}{5}$，这可能是由哪几种原因引起的？（写三点）红磷的量不足、装置气密性不够好、没有等到冷却到室温就打开止水夹等．
（2）从实验现象分析可知：氧气约占空气总体积的$\frac{1}{5}$，氮气约为$\frac{4}{5}$．能够得到该结论主要是运用了氮气的有关性质是：难溶于水、不与水反应、不燃烧、不支持燃烧．

【反思与交流】
（1）此实验依据的实验原理是通过可燃物消耗氧气使装置内气压减小，外界液体就可以等体积进入，从而测定出氧气的体积；
（2）在实验前集气瓶底预先要放点水，其作用是：降温、防止溅落物炸裂瓶底、吸收五氧化二磷；
（3）小军反思上述实验的探究过程后认为：用燃烧法测定空气中氧气含量的实验时，在药品的选择或生成物的要求上应考虑的是（答二点）要能消耗氧气，又不会跟空气中的其他成分反应、生成物为固体．

Answer 1

分析 【设计实验】同样都是红磷，放在不同的位置会对应不同的实验结果，由于氧气相对密度较大，因此让红磷在较低的位置能够更有效消耗装置内的氧气；
【改进实验】实验的改进是建立在实验原理之上的，本实验是通过消耗装置内的气体和外界液体的补充来实现的，怎么样能够使装置内氧气被消耗属于改进的一个方面，本实验的改进关注点就在于此．至于对红磷点燃方式的改进，这样可以如何减少过程中可燃物损失以及提高装置气密性上来考虑，在装置内点燃；
【反思与交流】题目是在研究空气成分的测定的基础上进行实验改进的设计探究题．这就需要首先弄清楚该实验的基本原理，只有原理清楚，在原理的指导下才能够进行有效的改性．本实验是借助能够和空气中某一成分的反应消耗掉装置内气体，并且通过等体积外界气体的进入实现对消耗气体体积的测定．所以在实验中要保证装置的气密性良好，要保证对气体的尽可能消耗，同时要防止生成新的气体，即反应所使用物品必须本身是非气体（这样可以多加，利于对氧气的尽可能消耗），同时生成物也不能是气体（保证外界液体的等量进入）．

解答 解：
【设计实验】第一小组同学共同设计了如图的A、B两套装置：
（1）实验A和B的区别在于红磷的位置，而这一点与氧气的密度有关，由于氧气的密度大于空气，所以红磷在稍微低的位置更利于反应的进行，也更利于氧气的消耗，所以实验设计A更合理．
（2）该实验观察到的现象是 红磷在装置内燃烧，发出大量白烟，同时释放出大量的热．在冷却到室温后打开止水夹，水进入容器容积的$\frac{1}{5}$．
【改进实验】第二小组同学设计了C实验，而实验C是在装置内点燃，这样红磷不会在装置外的空气中燃烧，也就是红磷燃烧的产物有毒的五氧化二磷不会散失到空气造成环境污染，也节约了红磷，即C装置的优点是：环保，同时也利于实验的结果的准确．
（1）至于其他的实验现象及误差分析，要考虑全面就可以．首先注意误差是小于$\frac{1}{5}$，这样就与药品不能将氧气完全消耗有关，即红磷的量不足或者气密性等方面的问题．
（2）对于氮气的性质，在回答时要和氧气对比回答，氧气反应掉了，而氮气剩余了，说明氮气是不燃烧也不支持燃烧的，在有水环境中氮气能够安然无恙，说明氮气难溶于水和也不和水发生反应．因此要学会从不同角度看问题．
【反思与交流】实验原理是通过可燃物消耗氧气使装置内气压减小，外界液体就可以等体积进入，从而测定出氧气的体积．所以改进实验要建立的此原理上．至于实验出现的失败，就与该原理有关，与是否能够消耗氧气有关，与能否完全消耗氧气有关，与外界气体能否有效进入有关，而在具体回答是要结合本题的环境来回答：木炭燃烧生成二氧化碳气体或者一氧化碳气体，不能使内部气压减少，从而导致不能使外界液体进入．总结以上分析，在选择该实验的替代物质时，物质应该满足：能够和氧气等单一物质反应，且本身不能是气体且生成物不能是气体（如果能够想办法处理后期生成的气体也可以考虑使用）．
故：（1）通过可燃物消耗氧气使装置内气压减小，外界液体就可以等体积进入，从而测定出氧气的体积．
（2）在实验前集气瓶底预先要放点水，其作用是：降温；防止溅落物炸裂瓶底、吸收五氧化二磷．
（3）能够和氧气等单一物质反应，且本身不能是气体且生成物不能是气体（如果能够像办法处理后期生成的气体也可以考虑使用）．故答案为：要能消耗氧气，又不会跟空气中的其他成分反应，而且生成物为固体．
故答案为：
【设计实验】（1）A；
（2）红磷在装置内燃烧，发出大量白烟，同时释放出大量的热．在冷却到室温后打开止水夹，水进入容器容积的$\frac{1}{5}$；
【改进实验】环保，同时也利于实验的结果的准确．
（1）红磷的量不足；装置气密性不够好；没有等到冷却到室温就打开止水夹等
（2）$\frac{1}{5}$；$\frac{4}{5}$．难溶于水、不与水反应、不燃烧、不支持燃烧（合理即可，不求全面）
【反思与交流】（1）通过可燃物消耗氧气使装置内气压减小，外界液体就可以等体积进入，从而测定出氧气的体积；
（2）降温；防止溅落物炸裂瓶底、吸收五氧化二磷；
（3）要能消耗氧气，又不会跟空气中的其他成分反应；生成物为固体．

点评 本考点是测定氧气在空气中的体积分数，实验中要注意装置的严密性、所用药品的量、生成物的状态、氧气不足$\frac{1}{5}$的误差分析、对实验现象的分析等，培养了学生的分析推理能力和严谨的实验态度．