《测定空气中氧气体积分数----》专题练习

如何测定空气中氧气体积分数测定空气中氧气体积分数的实验是一个非常重要的知识点，在各种考试中经常考到，从普通的单元测验到竞赛都会经常涉及。下面从几方面与同学们深入探讨一下这个实验：一、测定原理：测定空气中氧气体积分数的实验原理是：选择一种能在空气中燃烧，燃烧时只与空气中的氧气反应而不与空气中其他气体反应的固体物质（如红磷、白磷等），利用过量的该物质将空气中的氧气完全消耗，生成固体物质，使密闭容器内气体体积减小（减小的体积即为氧气的体积），气体的压强减小，引起水面变化，从而确定空气中氧气的体积分数。需要注意的是：1.所选物质与氧气反应的生成物必须是固体（因此碳、硫不可选用）【注意：若生成物为气体，也可将水换成易吸收该气体的液体，如氢氧化钠溶液】。2.所选物质必须能在空气中燃烧（因此铁不可选用）。3.所选物质应过量，使氧气完全反应。利用所选物质只与空气中的氧气反应（不生成气体）而不与空气中的其他气体反应，使容器内压强减小，让水进入容器。测定进入容器内水的体积，即为空气中氧气的体积。二、测定空气中氧气体积分数的常见实验装置和方法：【装置一】按如图所示装置实验，以水槽中水面为基准线，将钟罩水面以上容积分为5等份。在燃烧匙内盛过量红磷，用酒精灯点燃后，立即插入钟罩内，同时塞紧橡皮塞，观察红磷燃烧和水面变化的情况。1.实验现象：（1）钟罩内充满浓厚白烟；（2）冷却后白烟消失，钟罩内水面上升了约占钟罩体积的1/5。2.实验结论：（1）红磷燃烧消耗的是空气中的氧气，氧气约占空气体积的1/5。（2）氮气不支持燃烧，本身也不能燃烧，且氮气不溶于水。3.实验注意事项：（1）可用来反应的物质必须是易与氧气反应且没有气体生成的物质（如红磷），木炭、硫（因生成气体）不能用作测定氧气含量的反应物。（2）所用来反应的物质必须足量或过量（保证把钟罩内的氧气消耗完全）。（3）容器的气密性必须良好。（4）应冷却到室温时才测定进入容器内的水的体积，否则钟罩内水面上升的体积小于钟罩容积的1/5。【装置二】按如图所示的装置实验，以集气瓶中水面为基准线，将集气瓶中水面以上容积分为5等份。在燃烧匙内盛过量红磷，用酒精灯点燃后，立即插入集气瓶中，同时塞紧橡皮塞，观察红磷燃烧和水面变化的情况。1.实验现象：（1）集气瓶中红磷燃烧产生大量浓厚白烟；（2）红磷燃烧放出大量的热；（3）待集气瓶冷却后，打开止水夹，烧杯中的水进入集气瓶约1/5。2.实验结论：（1）红磷燃烧消耗的是空气中的氧气，氧气约占空气体积的1/5。（2）氮气不支持燃烧，本身也不能燃烧，且氮气不溶于水。3.操作不当对测定结果的影响：不当的操作对测定结果的影响1.装置气密性不好，反应结束后有部分空气进入广口瓶（未塞紧瓶塞，红磷熄灭冷却时外界空气进入瓶内。小于1/5体积（偏小）06南京）2.红磷的量不足小于1/5体积3.烧杯中的水不足小于1/5体积4.未冷缺到室温就打开弹簧夹小于1/5体积5.实验前导管内未充满水，使导管内空气进入广口瓶小于1/5体积6.广口瓶内的燃烧匙及红磷占据一定体积小于1/5体积7.氧气未耗尽，红磷就停止燃烧小于1/5体积8.点燃红磷后燃烧匙伸入缓慢，导致瓶内部分空气逸出大于1/5体积9.弹簧夹没有夹紧乳胶管，燃烧时部分空气受热从导管逸出大于1/5体积10.用Mg代替红磷大于1/5体积11.用蜡烛、C、S、Fe、Cu等代替红磷水不流入，无法测定。三、练一练：1.已知：镁+氧气氧化镁（固体），镁+氮气氮化镁（固体）（10天津竞赛）点燃点燃（1）在做测定空气中氧气含量的实验时不能（填能或不能）用铁丝代替红磷，原因是铁丝在空气中不能燃烧。（2）某同学根据已知条件的提示，对实验所用的药品进行了更换，用了木炭、硫、镁中的一种药品进行实验，实验也取得了成功，猜想他用到的实验药品是硫。请简述实验过程将（集气瓶和烧杯中的）水换成氢氧化钠溶液（氢氧化钠溶液能与二氧化碳或二氧化硫反应），用弹簧夹夹紧乳胶管，点燃燃烧匙内的硫后，立即伸入集气瓶中并把塞子塞紧。待硫熄灭并冷却后，打开弹簧夹，观察氢氧化钠溶液进入集气瓶中的情况。【答案】（1）不能；铁丝在空气中不能燃烧（2）硫；将（集气瓶和烧杯中的）水换成氢氧化钠溶液（氢氧化钠溶液能与二氧化碳或二氧化硫反应），用弹簧夹夹紧乳胶管，点燃燃烧匙内的硫后，立即伸入集气瓶中并把塞子塞紧。待硫熄灭并冷却后，打开弹簧夹，观察氢氧化钠溶液进入集气瓶中的情况。2.为测定空气中氧气的含量，小华同学打算设计如下方案：选用实际容积为40mL的试管作为反应容器，将过量的白磷放入试管，用橡皮塞塞紧试管，通过导管与实际容积为60mL且润滑性很好的针筒注射器组成如右图的实验装置。假设此实验能够按照小华的设想正常进行，白磷所占体积与导管内的气体体积忽略不计，且两个容器间的导管足够粗，保持空气正常流动。请回答下列问题：（10天津竞赛）（1）实验前，打开弹簧夹，将注射器活塞前沿从20mL刻度处推至15mL刻度处，然后松开手，若活塞仍能返回至20mL刻度处，则说明___该装置的气密性良好_；（2）若先夹紧弹簧夹，用酒精灯加热白磷，燃烧结束，等到试管冷却后再松开弹簧夹。可观察到的现象为：白磷在空气燃烧时消耗氧气，由于氧气约占空气体积的1/5，而试管内空气中氧气的体积约为：40mL×1/5=8mL，且过量的白磷燃烧能将试管内空气中的氧气耗尽；因此最终活塞的前沿在约12mL（20mL-8mL=12mL）的刻度线上。　　（3）若不使用弹簧夹，用酒精灯加热白磷，充分反应直至燃烧结束，试管冷却。可观察到的现象为白磷在空气中燃烧时放出大量的热，会使密闭体系内的空气受热膨胀，活塞就会向右移动；若不用弹簧夹，则整个体系中空气中氧气的体积约为：（40mL+20mL）×1/5=12mL，因此最终活塞的前沿在约8mL（20mL-12mL=8mL）的刻度线上；　　（4）若按小华的设想进行实验，实际可能遇到诸多问题而发生危险，造成实验失败。例如：_因为白磷燃烧放出大量的热，会使密闭体系内气体压强增大，所以该实验中可能出现的问题有：橡胶塞弹出、试管爆裂、注射器活塞弹出等　　【答案】（1）该装置的气密性良好。（2）白磷在空气燃烧时消耗氧气，由于氧气约占空气体积的1/5，而试管内空气中氧气的体积约为：40mL×1/5=8mL，且过量的白磷燃烧能将试管内空气中的氧气耗尽，因此最终活塞的前沿在约12mL（20mL-8mL=12mL）的刻度线上。（3）白磷在空气中燃烧时放出大量的热，会使密闭体系内的空气受热膨胀，活塞就会向右移动；若不用弹簧夹，则整个体系中空气中氧气的体积约为：（40mL+20mL）×1/5=12mL，因此最终活塞的前沿在约8mL（20mL-12mL=8mL）的刻度线上。（4）因为白磷燃烧放出大量的热，会使密闭体系内气体压强增大，所以该实验中可能出现的问题有：橡胶塞弹出、试管爆裂、注射器活塞弹出等。3.根据空气的成分填空：⑴小白鼠在装有空气的密闭容器中可存活一段时间，说明空气中含有氧气。⑵石灰水长期露置在空气中会出现白色固体物质，说明空气中含有二氧化碳。⑶夏天，盛放冰棒的杯子外壁上附有一层水珠，说明空气中含有水蒸气。⑷某同学利用如图所示的装置测定空气中氧气的含量（体积分数）。他的操作过程如下（有100mL和500mL量筒供选用）：①检查整个装置的气密性后，将c处的止水夹夹紧，点燃红磷后，迅速插入左边的广口瓶中；②待燃烧停止，整个装置冷却至室温后，将c处的止水夹打开。结果发现烧杯中的水进入到广口瓶中；③待烧杯中的水不能再进入广口瓶后，打开广口瓶的橡胶塞，将广口瓶中的水全部倒入到100mL量筒中，测得其中水的体积为76ml；④该同学又设法准确地测定了广口瓶中空气的体积，数据为400mL。回答下列问题：①红磷燃烧时最明显的现象是产生黄白色火焰；②该同学测得的空气中氧气的体积分数为19％。与理论值21%相比较，产生误差的原因很可能是_______(导气管的体积可忽略不计)。⑴氧气⑵二氧化碳⑶水蒸气⑷①产生黄白色火焰，大冒白烟②19%、参考上面表格。4.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。⑴（设计实验）第一小组同学共同设计了如下图的A、B两套装置。①你认为合理的是（填编号）。②该实验观察到的现象是。⑵（改进实验）第二小组同学设计了C实验，优点是：。①实验后发现测定出的空气中氧气的体积分数低于五分之一，这可能是由哪几种原因引起的？。②从实验现象分析可知：氧气约占空气总体积的五分之一，氮气约为五分之四，能够得到该结论主要是运用了氮气的有关性质是：。解答：（一）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．所以合理的应该填：A．（二）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．（三）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，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．（四）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，说明氮气不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．5.在“空气中氧气含量的测定”实验探究中，甲生设计了如下实验方案：在燃烧匙内盛过量红磷，点燃后立即插入集气瓶内，塞紧橡皮塞，待红磷火焰熄灭，集气瓶冷却至室温，打开止水夹，水注入集气瓶。（实验装置如右图所示）回答下列问题：（1）实验过程中，观察到的主要现象是，。反应的化学方程式是。（2）乙生用上述实验装置测定的结果是：空气中氧气含量与正常值有较明显的偏差，其操作上的原因可能是（要求答出两种）：。（3）丙生也设计了一个实验方案，装置和操作同上，只不过用木炭代替了红磷。当木炭停止燃烧，集气瓶冷却至室温，打开铁夹后，水能否进入集气瓶？为什么？。（4）若仍然用木炭代替红磷，丙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须改进的地方）。点燃5.（1）红磷燃烧生成大量白烟。注入集气瓶中的水约占其体积的1/5。4P+5O2===2P2O5（2）瓶塞未塞紧，造成装置漏气红磷不足集气瓶未冷却至室温就注入水（3）不能，木炭燃烧生成的CO2与消耗的氧气的体积相等，红磷燃烧前后集气瓶内的压强不变（4）在集气瓶内壁上预先淌一层氢氧化钠溶液或在瓶塞上插入吸有NaOH溶液的胶头滴管，在打开铁夹前，将胶头滴管中的NaOH溶液注入集气瓶中6.某研究性学习小组设计了如图所示装置，探究空气中氧气的体积分数，其中A是底面积为50cm3、高20cm的圆筒状玻璃容器(带密封盖)，上面标有以cm为单位的刻度．B是带刻度的敞口玻璃管(其他辅助装置略)。他们的操作过程如下：a.检查装置的气密性；b.加入水并调整B的高度．使A中的液面至刻度15cm处；c.将过量的铜粉平铺在惰性电热板上。盖紧密封盖；d.通电加热铜粉，待充分反应后,冷却到原来的状况，调整B的高度使容器A、B中的液面保持水平，记录液面刻度。(注：A容器内固态物质所占的体积忽略不计)(1)在操作a中检查装置气密性的方法是_____________________________。(2)在上述实验中，下列物质不能代替铜粉的是____________(填字母)。A．红磷B．木炭C．铁粉(3)往操作d结束时，装置A中液面的刻度约为________cm(填整数)。如果在操作d结束时，装置A中液面刻度在11cm处．则实验结果比理论值_________(填“偏大”或“偏小”)。(4)该小组中有同学提出，用木炭代替铜粉也能测定空气中氧气的体积分数．只要将水换成一种溶液，则该溶液是_______，其原因是(用化学方程式表示)____________。6．(1)往B中加水，使A、B液面保持水平，盖紧A的密封盖，再向B中加水，使B中的液面