空氣中氧氣含量的測定

名師簡介：申艷秋，遼寧省骨干教師，遼寧省化學學科兼職教研員，就職于遼寧省實驗學校，從事化學教學工作30余年，遼寧省初中化學申艷秋名師工作室主持人，沈陽師范大學碩士研究生導師，2008、2012、2014和2020年沈陽市中考命題組成員。

中考真題中對測定空氣中氧氣含量的考查，主要涉及實驗原理、藥品的選用、實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)論及分析產(chǎn)生誤差的原因等。盡管設(shè)計的實驗方案有所不同，但其原理都是利用化學反應消耗氧氣，不生成其他氣體，空氣減少的體積就是被消耗氧氣的體積。解答這類題目，同學們要理解實驗設(shè)計的原理和思路，以不變應萬變。

一、研讀教材，梳理知識

1. 拉瓦錫研究空氣成分的實驗

法國科學家拉瓦錫最早運用天平作為研究化學的工具，用定量的方法研究了空氣的成分，第一次明確提出了“空氣由氧氣和氮氣組成 ”。

實驗分析：（1）汞在加熱的條件下，只和氧氣反應；（2）汞槽中的液態(tài)汞起到液封作用，并能直接用來測量反應容器內(nèi)空氣體積的變化；（3）生成的氧化汞分解又能得到汞和氧氣，把得到的氧氣加到剩下的[4/5]體積的氣體中，結(jié)果所得氣體跟空氣的性質(zhì)完全一樣；（4）汞的沸點較低，汞蒸氣與氧氣反應比較充分，能將密閉裝置內(nèi)空氣中的氧氣幾乎耗盡；（5）氧化汞的密度小于汞，且不溶于汞，因此易與汞分離；（6）該方法缺點是操作復雜、耗費時間長、有毒。

二、測定空氣中氧氣的體積分數(shù)——燃磷法

1. 反應原理：4P + 5O2 [點燃] 2P2O5。

2. 實驗裝置見圖1。

3. 實驗現(xiàn)象：紅磷燃燒，發(fā)出黃色火焰，產(chǎn)生大量白煙，放出大量熱；裝置冷卻后至室溫打開止水夾，水倒吸約占集氣瓶內(nèi)空氣體積的[15]。

4. 實驗結(jié)論：空氣中氧氣約占空氣總體積的[15]；氮氣不支持燃燒，不易溶于水。

5. 實驗誤差分析：

（1）測量結(jié)果偏低原因：①紅磷不足，氧氣未耗盡；②裝置漏氣，使裝置外的空氣進入集氣瓶中；③未冷卻至室溫就打開止水夾；④導管中有部分水殘留等。

（2）測量結(jié)果偏高（裝置內(nèi)的空氣受熱膨脹逸出）的原因：①點燃紅磷后插入到集氣瓶的速率太慢（或未及時塞緊橡皮塞）。②未夾緊止水夾（或未使用止水夾）。

6. 拓展延伸：

（1）藥品選擇：①不能選用鐵絲代替紅磷，因為鐵絲在空氣中不能燃燒；②不能選用鎂條，因為鎂不僅與氧氣反應，還與空氣中的二氧化碳、氮氣等反應；③不能選用木炭、硫代替紅磷，因為木炭、硫在空氣中燃燒會產(chǎn)生氣體；④選擇加熱足量銅絲或鐵粉生銹等方法進行，反應更充分，誤差更小。

（2）水的作用：①燒杯中的水：測量氧氣的體積。②在集氣瓶中預先裝適量的水：吸收五氧化二磷，減少污染；吸收熱量，有利于裝置迅速冷卻和緩沖氣壓，防止橡皮塞彈開。

（3）集氣瓶壓強變化：開始時，燃燒放熱引起的壓強變大的程度大于氧氣被消耗導致壓強減小的程度。后來燃燒停止，剩余氣體慢慢冷卻，壓強變得比初始值更小。打開止水夾后，瓶內(nèi)壓強迅速恢復到和外界大氣壓相同。

（4）其他方案：如圖2～圖9所示。各裝置的特點如下。

①圖2裝置：改變進水方式，減少導管內(nèi)殘留水的誤差。

②圖3～圖6裝置：改變點燃方式或藥品，減少燃著的紅磷插入集氣瓶太慢引起的誤差。

③圖7～圖9裝置：耗氧物質(zhì)的改變，解決紅磷燃燒不能將氧氣耗盡的問題。

三、強化思維，培養(yǎng)能力

學習時要注重剖析典型題，學會對試題進行分解，找出基礎(chǔ)知識、提取相關(guān)信息后再作答。中考中有一類熱點題型是通過分析數(shù)字化手段得到的實驗數(shù)據(jù)，考查同學們對現(xiàn)象、數(shù)據(jù)的分析歸納能力、實驗設(shè)計能力及邏輯推理能力?；卮鸫祟愵}的關(guān)鍵是抓住本質(zhì)、有序思考、規(guī)范表達。

例 利用紅磷測定空氣中氧氣含量的實驗裝置如圖10，用氣體壓力傳感器測出該集氣瓶中的氣壓變化如圖11。下列說法錯誤的是（ ）。

A. 選用紅磷是因為反應只消耗氧氣，生成固態(tài)的五氧化二磷

B. BC段氣壓變化的原因是紅磷燃燒放熱，瓶內(nèi)溫度升高，使壓強變大

C. CD段氣壓變化的原因只是紅磷燃燒消耗氧氣，使壓強變小

D. 導致DE段氣壓變化的實驗操作是紅磷熄滅并冷卻后打開止水夾

答案：C

（作者單位：遼寧省實驗學校）