空气中氧气的体积分数测定分析

对“探究空气中氧气的体积分数”试题的分析、反思与实践新的课程标准（化学）中对构建学生学科的情感体系提出了要求，对开展探究性教学、关注自然与社会，关注人与自然的和谐发展、关注人文精神提出了要求。窥视近几年的中考试题，创新和综合类的具有“化学味”的化学实验题将被受关注，成为了命题的新亮点。以“探究空气中氧气的体积分数”为知识背景开展多维探究的化学实验题就是其中的一类试题。如：例题：（2004年无锡市中考题第37题）某研究性学习小组设计了如下图所示的装置，探究空气中氧气的体积分数，其中A是底面积为50cm2、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）在操作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)。分析：本题以“探究空气中氧气的含量”为知识背景，要求学生能把自己所学的化学知识进行迁移，重新选择实验装置和实验药品。本题测定空气中氧气含量的实验原理是通过加热铜粉消耗A容器中的氧气，使A中的气压降低，从而通过计算倒吸水的体积来确定空气中氧气的体积分数。问题（1）考查的是学生能否灵活运用“气压差原理”对装置气密性进行检查，很多考生在解答该题时由于没有掌握原理，所以无从下手或表达不清；问题（2）通过红磷、木炭和铁粉与氧气反应，间接考查了选择替代“铜粉”的物质所应具备的条件就是与氧气反应后不能产生气体；而且问题（4）紧接着让学生产生与问题（2）不相符的认知冲突，从实验的另一角度展开讨论，突出了试题的发散性和创新性；解题时要想木炭燃烧会产生CO2，要使装置内外产生压强差使液体倒吸，必须要用一种能吸收CO2气体的溶液来替代水。问题（3）则主要考查学生灵活运用基础知识的能力，把“氧气在空气中的体积分数约为1/5”用于实际解题中，并能进行仔细谨慎地分析。不过在本题中需要注意的是要确保实验的准确性，在测定过程中为了使A容器内的气压与外界大气压一致，在实验前后必须都要调整A、B中的液面保持水平。答案：（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中的液面高于A，一段时间后B中液面不下降，则气密性好。（或往B中加水，使A、B液面保持水平，盖紧A的密封盖，再用手捂住A的外壁，若B中的液面上升，则气密性好。）（2）B（3）12偏大（4）NaOH2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O反思：结合对上题的思考和自己的实践，笔者认为要能正确解答出以“探究空气中氧气的体积分数”为知识背景开展多维探究的化学实验题，需要把握住以下几个知识要点：1仔细审题，明确题目中“测定空气中氧气的体积分数”的实验原理。（该原理主要是在某密闭容器内通过加热或燃烧某种可燃物，消耗容器内的氧气，使密闭体系内的气压降低，然后在容器内外气压差的作用下，引起实验过程中的其它一些现象（水倒吸或活塞移动等），再根据现象得出结论。）2该类题中装置气密性的检查原理通常就是“气压差”原理，即以一些手段增大密闭体系内的气压后，通过观察某种实验现象来确定装置气密性的良好。3该实验中对可燃物的要求是燃烧后不能产生气体；但如果有气体产生，实验过程中必须要选择试剂来除去气体，以免造成气压差的减小而影响实验结果。4熟记在通常状况下空气中氧气的体积分数是21%（或约为1/5）的结论，并且在解题中要能灵活地运用。5以教材出现的“空气中氧气体积含量的测定”实验（上教版）为准，在实验过程中，实际测定的氧气在空气中的体积分数大于1/5的主要原因是没有将燃着的红磷迅速伸入集气瓶内，造成瓶内的空气因受热膨胀而从瓶口外逸，使瓶内的气压减小；实际测定的氧气在空气中的体积分数小于1/5的主要原因是装置漏气、红磷的量不足（氧气没有消耗完）、瓶没有冷却到室温（温度高，瓶内的气压比室温下的气压高）。只有掌握了上述空气中氧气体积分数与理论值偏差的基本原因，才能在不同的实验情境中灵活地分析相应情境下氧气体积分数测定的影响因素。实践：根据新课标的要求，笔者针对这类题，设计了如下两道类似的题，希望能给读者一定的指导和启示。1某研究性学习小组设计了如下右图所示的装置，探究空气中氧气的体积分数，其中A是标有以cm为单位的刻度、且在0刻度正上方有一圆状缺口的圆筒状玻璃容器（带橡皮塞B），C为能自由移动的活塞。他们操作过程如下：a．检查装置的气密性；b．将两个可自由移动的活塞C分别调整到左右两边刻度的10cm处；c．将过量的铜粉平铺在惰性电热板上，塞上橡皮塞B；d．通电加热铜粉，待充分反应后，冷却到原来的状况。记录两活塞C之间的距离为h。e．根据数据h列出公式，计算空气中氧气的体积分数。（注：A容器内的固态物质、惰性电热板、活塞部分所占体积忽略不计，活塞与玻璃容器之间的摩擦力也忽略不计）（1）检查装置气密性的方法是分别移动两活塞C到左右两边刻度为10cm处，塞紧橡皮塞B，双手将两活塞C向里推，使活塞之间的距离缩小，然后松手，活塞向外移动，直到两活塞C的距离为_______cm时停止移动，说明装置气密性好。（2）b—d的实验步骤中两活塞之间的距离h具体变化情况是_________________。（3）空气中氧气的体积分数的计算公式（含字母h）为_____________________。（4）如果在操作d中惰性电热板没有冷却到原来温度，则e操作中计算出的实验结果比理论值偏_____（“大”或“小”）。2某校化学研究性学习小组在学习了“空气中氧气含量测定”的基础上，改进了教材中的实验，设计出了如右图所示的实验装置。实验步骤如下：①如图所示，连接仪器，检查装置的气密性。发现装置的气密性良好。②在集气瓶里装进适量a体积的水，燃烧匙里放一块白磷（其着火点是40℃），并在酒精灯上把玻璃棒下端加热，按图示装置把集气瓶中的空气密封起来，把长导管的另一端放入盛有足量水的烧杯中。（注：集气瓶内的长导管已伸到了瓶底）③用力把预先加热过的玻璃棒按下与白磷接触，观察到白磷立即着火燃烧，产生大量白烟，同时放出大量的热。（注：白磷与红磷燃烧的产物相同）④待白磷燃烧熄灭后，稍加振荡，白烟消失。⑤待集气瓶完全冷却至室温，量出集气瓶中水的体积是b，整个集气瓶的体积是c。⑥根据a、b、c三个数据，计算出空气中氧气的体积分数。根据以上信息，回答下列问题。（1）在白磷开始燃烧到最后熄灭的过程中，集气瓶内水面的变化情况是___________。（2）若实验非常成功，请写出a、b、c三个数据应满足的一个等式关系式：___________。（3）组内成员小葛为了证明实验完成后的集气瓶内是否还有氧气剩余，他没有利用其它的仪器和药品，仍是利用了上述实验涉及的仪器和药品，设计了一个实验，最后得出了瓶内一定没有氧气剩余的结论。你知道他是如何实验的吗？写出简要的实验步骤和实验现象。实验步骤实验现象（4）组内成员小张对“实验前集气瓶里要装进适量a体积的水”非常不理解。咨询了组长小明之后，他终于明白“a体积的水”的作用，其一是为了加快⑤步骤中集气瓶的冷却速度；其二则主要是_________________________________________________________。（5）组内成员小杭性格好动，无意间他发现向⑤步骤集气瓶内的水中滴加几滴紫色石蕊试液，水会变红。这一现象使组内成员积极地展开了讨论，成员小葛是由于二氧化碳溶于水，使溶液显酸性而导致的，但小明马上作出反对，原因是空气中二氧化碳的含量极少，而实验过程中又没有产生二氧化碳，短时间内不可能会使溶液显酸性。你认为谁的观点正确？________。若你认为小明的观点正确，那么请你对“变红”现象提出大胆地猜想：_________________________________________________________。（若你认为小葛的观点正确，此空不填）（6）在上述实验中，下列操作的实施和实验现象的出现，会导致实验最后产生的实际值大于理论值的是（）A．装置气密性不好B．实验前集气瓶里没有装a体积的水C．集气瓶没有冷却到室温D．用红磷代替白磷（红磷的着火点在240℃左右）附加：上述两道题的答案：1（1）20（2）h先大于20cm，后逐渐减小，直到h约等于16cm时保持不变（3）[（20—h）/20]×100%（4）小2（1）先下降后上升（2）（b—a）/（c—a）=1/5或[（b—a）/（c—a）]×100%=20%（或21%）或5b—c=4a（3）实验步骤：将实验完后燃烧匙内的固体放到酒精灯的火焰上实验现象：产生大量的白烟，说明实验后白磷过量。（4）形成液封，防止实验过程中集气瓶内的气体从长导管中向外逸散而影响实验结果[只写“防止实验结果不准确”不对]（5）小明白烟（五氧化二磷固体）溶于水中形成了酸性物质（6）B“空气中氧气含量的测定实验”是一个非常重要的实验，随着教学改革的不断深入，一直奋斗在教学一线的教师经过自己的努力钻研，创新出了许多“空气中氧气含量的测定实验”装置。在教学中，教师主要要把握住本实验的“气压差”测定原理，给学生分析可能影响气压差大小的因素，使学生对实验有一个深度的理解，从而以不变应万变。