实验04 空气中氧气体积分数的测定-初中化学教材实验大盘点（沪教版）

第第页沪教版上册/第二章空气与水资源/第1节空气的组成实验04空气中氧气体积分数的测定【实验目的】测定空气中氧气体积分数【实验仪器】烧杯、试管、锥形瓶、长颈漏斗、集气瓶、双孔橡胶塞、燃烧匙、导管、胶管、弹簧夹【实验试剂】红磷、空气、水【实验过程】实验步骤实验现象解释与结论（1）检查装置气密性升温法把导管放入水中，用手紧握(或用酒精灯微热)容器若水中导管口有气泡冒出，松开手后(或移开酒精灯)，导管内形成一段水柱说明装置气密性良好液面差法关闭弹簧夹，往长颈漏斗中注入水，使漏斗中液面高于容器中液面，静置一会儿液面高度不变，即形成稳定的液面差说明装置气密性良好（2）将集气瓶的容积划分为5等份，并加以标记。（3）将橡胶管上的止水夹夹紧，在燃烧匙内装入足量的红磷，在酒精灯火焰上点燃红磷后，将燃烧匙迅速伸入集气瓶内，塞紧橡皮塞，观察现象。红磷燃烧，放出热量，产生大量白烟红磷在密闭空间中燃烧消耗氧气，生成五氧化二磷（4）待火焰熄灭后，观察红磷是否有剩余。待集气瓶冷却到室温后，把导管插入盛水的烧杯中，打开止水夹，观察现象。烧杯内的水倒流入集气瓶，约占集气瓶内气体体积的1/5氧气约占空气总体积的1/51．实验关键①所用的红磷必须过量。[如果红磷过少则氧气没有全部消耗完，测量结果偏小]②要等集气瓶（装置）冷却到室温后才能打开弹簧夹。[否则瓶内剩余气体仍然膨胀，剩余气体体积偏大，使得进入集气瓶内的水偏少，测量结果偏小]③装置的气密性要好。[漏气会使外面空气漏进来，测量结果偏小]④要先夹紧橡皮管，然后再点红磷，迅速伸入集气瓶立即塞紧瓶塞。[红磷伸入过慢，瓶内气体受热膨胀逸出，或未夹紧弹簧夹，导致燃烧时气体受热膨胀逸出，测量结果偏大]2.误差分析误差原因测量结果偏低红磷不足，氧气未耗尽装置漏气，使装置外的空气进入集气瓶中未冷却至室温就打开弹簧夹，使进入集气瓶中的水的体积偏小测量结果偏高胶皮管未夹紧，红磷燃烧时集气瓶内气体因受热顺着导管逸出燃烧匙伸入过慢，使装置内的气体受热逸出，导致进入集气瓶中的水的体积偏大【典例1】如图是测定空气中氧气体积分数的实验，实验后发现所测结果低于1/5，针对这一事实，你认为下列做法或想法不可取的是A．实验中可能红磷的量不足，导致没有将瓶内的氧气全部耗尽B．实验中可能未等集气瓶冷却至室温就打开止水夹C．可查看实验装置是否漏气D．可将红磷改成木炭后重新实验【答案】D【解析】A、实验中可能红磷的量不足，会导致瓶内的氧气不能完全消耗，水倒流入集气瓶的体积不足五分之一，会导致实验后所测结果低于五分之一，故A不符合题意；B、实验中可能未等集气瓶冷却至室温就打开止水夹，剩余气体受热膨胀，水倒流入集气瓶的体积不足五分之一，会导致实验后所测结果低于五分之一，故B不符合题意；C、若装置漏气，燃烧冷却后瓶内气压小于大气压，有部分空气进入瓶中弥补了消耗的氧气，水倒流入集气瓶的体积不足五分之一，会导致实验后所测结果低于五分之一，故C不符合题意；D、由于木炭燃烧后产物是二氧化碳气体，装置内压强几乎不变，所以不能将红磷改成木炭测定空气中氧气的体积分数，故D符合题意；故选：D。【典例2】测定空气中氧气的含量实验中，下列说法不正确的是A．实验时红磷一定要过量B．实验前需检查装置气密性C．该实验证明氧气约占空气体积的D．红磷燃烧产生大量的白雾，火焰熄灭后立刻打开弹簧夹【答案】D【解析】A、该实验中红磷需过量，这样才能将装置内氧气耗尽，故选项说法正确；B、为防止装置漏气，影响实验结果，实验前应先检查装置气密性，故选项说法正确；C、实验中，能够观察到进入集气瓶中的水约占集气瓶容积的，说明氧气约占空气总体积的，故选项说法正确；D、红磷燃烧产生大量的白烟，火焰熄灭后不能立刻打开弹簧夹，因为此时剩余的气体在受热状态下，处于膨胀状态，使测定结果偏小，故选项说法不正确。故选D。【典例3】学习完测定空气中氧气的含量后，同学们对课本实验进行了改进：(已知：白磷和红磷都能在空气中燃烧生成五氧化二磷)(1)如图1，红磷在瓶中燃烧产生大量，燃烧停止并冷却至室温后打开弹簧夹，可以观察到水倒流入集气瓶约占空气体积的，写出该反应的文字表达式。通过该实验现象，还能判断出剩余气体的物理性质是溶于水。(2)图2装置中，打开止水夹之前，气球的大小变化是。(3)图3装置中，若白磷量不足，活塞最终停在刻度线______(填序号)。A．4处 B．5处 C．之间 D．之间(4)图4装置中，集气瓶中空气的体积为，若装置漏气，测定结果会(填“偏大”或“偏小”或“无影响”)。改进后，实验结束时流入集气瓶的水的体积为，则测得的空气中氧气的体积分数为。(5)利用图二中的传感器可以实时监测实验过程中装置内的压强、温度和氧气浓度，得到3条曲线，变化趋势如图6所示。X曲线表示(选填“温度”或“氧气浓度”)变化趋势。压强曲线中，段气压变化的原因是。【答案】(1)白烟难(2)先变大后变小(3)C(4)偏小(5)温度红磷燃烧放热，装置中的温度升高【解析】（1）红磷燃烧，产生大量白烟，放热；红磷燃烧生成五氧化二磷，反应的文字表达式为：；由于集气瓶中的液面上升一定高度后就不再变化，说明氮气难溶于水；（2）红磷燃烧放热，装置中的温度升高，压强增大，气球变大，后来随着氧气的消耗，气球又慢慢变小；（3）氧气约占空气体积的五分之一，活塞移动的体积即为氧气的体积，若白磷不足，氧气不能完全消耗，则活塞最终停在刻度线4~5之间，故选C；（4）若装置漏气，由于会有气体进入集气瓶中，则结果会偏小；由于进入的水的体积即为氧气的体积，则测得的空气中氧气的体积分数为；（5）由图可知，X先变大后变小，则X曲线表示温度；由于红磷燃烧放热，则装置中的温度瞬间升高，压强增大。1.如图装置可用于测定空气中氧气的含量，下列说法不正确的是A．实验时红磷一定要过量B．该实验证明氧气约占空气总体积的C．木炭可以代替红磷进行实验D．待装置冷却至室温后，再打开止水夹【答案】C【解析】A、该实验中红磷需过量，这样才能将装置内氧气耗尽，不符合题意；B、该实验中红磷燃烧消耗氧气，待完全反应后，逐渐冷却至室温，由于消耗了氧气，装置内压强减小，打开弹簧夹，烧杯中的水进入集气瓶，进入水的体积就是消耗氧气的体积，进入水的体积约占集气瓶内空气体积的，说明氧气约占空气体积的，不符合题意；C、木炭在空气中燃烧生成二氧化碳，二氧化碳是气体，化学反应前后，压强变化不大，无法测定空气中氧气的含量，符合题意；D、待装置冷却至室温后，再打开止水夹，否则气体受热膨胀，会导致测定结果偏小，不符合题意。故选C。2.如图为测定空气中氧气的含量的实验，下列认识正确的是A．反应结束后消耗氧气的体积约为反应前注射器内空气总体积的1/5B．没有冷却至室温就读数会使测定值偏小C．实验中的铜粉可以换成炭粉D．铜粉用量的多少不会影响实验结果【答案】B【解析】A、正常操作情况下，反应结束后消耗氧气的总体积应该是反应前注射器内空气体积和玻璃管中空气总体积的五分之一，选项错误，不符合题意；B、气体的体积会受温度的影响，读数时必须等到装置冷却至室温再读数，若装置未冷却至室温就读数，读数会偏小，选项正确，符合题意；C、碳粉在点燃的条件下会与空气中的氧气反应生成二氧化碳等气体，若将实验中的铜粉换成碳粉，会导致玻璃管中的气压无明显变化，不能测定氧气含量，选项错误，不符合题意。D、要准确测定空气中氧气的体积分数，必须使用足量的铜粉，才能全部消耗掉密闭注射器里空气中的氧气，选项错误，不符合题意；故选B。3.某兴趣小组利用氧气传感器来检测足量红磷燃烧过程中氧气的含量，如图所示，下列判断不正确的是A．a点时容器内氮气的体积分数小于85% B．容器内水的作用主要是降温和防止污染C．氧气有剩余，说明物质燃烧时氧气必须达到一定浓度 D．此实验测得空气中氧气的质量分数为18%【答案】D【解析】A、根据图像，a点时容器内氧气的体积分数为15%，容器内其余气体（氮气、稀有气体、二氧化碳等）的体积分数为：1-15%=85%，故氮气体积分数小于85%，A选项正确；B、红磷燃烧放出大量的热，生成的五氧化二磷是有毒物质，该实验需要冷却至室温后读数，水可以降温，也可以吸收五氧化二磷，防止空气污染，B选项正确；C、根据图像，反应结束后氧气有剩余，说明物质燃烧时氧气必须达到一定浓度，C选项正确；D、此实验测定的是空气中氧气的体积分数，而不是质量分数，D选项错误。故选：D。4.某校化学兴趣小组就空气中氧气的含量进行实验探究：

(1)某同学用足量的白磷测定空气中氧气的含量，所用的装置如图II所示。为了确保实验的成功，在装药品之前应该。点燃白磷，可观察到的实验现象为。实验结束后，注射器的活塞最终约停在刻度线处。(2)写出磷燃烧的文字表达式：。(3)与图I装置相比，图II装置的优点是：。【答案】(1)检查装置气密性产生大量白烟，放热0(2)(3)环保（或结果更准确等）【解析】（1）该实验的原理为红磷燃烧消耗氧气，装置中的气体减少，压强减小，则打开止水夹，烧杯中的水进入集气瓶中，进入的水的体积为消耗的氧气的体积，则该装置气密性必须良好，在装药品之前，要先检查装置的气密性；白磷燃烧，产生大量白烟，放热；由于氧气约占空气体积的五分之一，而白磷消耗的为试管和注射器中的氧气，则消耗的氧气的体积约为，则实验结束后，注射器的活塞最终约停在0刻度处。（2）白磷燃烧生成五氧化二磷，反应的文字表达式为：。（3）图Ⅱ装置中，整个过程中均为密闭装置，可避免产生的白烟扩散到空气中，污染空气，且可避免伸入点燃的白磷时，空气逸出，即结果更准确。5.化学小组同学设计实验，用红磷燃烧、蜡烛燃烧测定空气中氧气含量，比较其实验结果的差别。实验时将红磷、蜡烛点燃后，同时伸入到大小相同的两个集气瓶中。（已知：实验前K1、K2、K3均关闭）(1)红磷燃烧的符号表达式为。(2)待反应完毕，装置冷却到室温后，应进行的操作是：先打开K1、K3，一段时间后，再。(3)若某同学实验时，先将K1、K2打开，再将点燃的红磷、蜡烛同时伸入两个集气瓶中，待反应完毕，装置冷却到室温后，打开止水夹K3，观察到的现象是。【答案】(1)(2)关闭K1、打开K2(3)烧杯中的水流入两个集气瓶中且水量相同【解析】（1）红磷与氧气在点燃的条件下生成五氧化二磷，反应的符号表达式为，故填：；（2）待反应完毕，装置冷却到室温后，应进行的操作是：先打开K1、K3，使烧杯的水倒流进入左广口瓶，一段时间后，再关闭K1、打开K2，观察水进入右广口瓶的情况，故填：关闭K1、打开K2；（3）若某同学实验时，先将K1、K2打开，再将点燃的红磷、蜡烛同时伸入两个集气瓶中，待反应完毕，装置冷却到室温后，打开止水夹K3，由于整个装置形成连通，气压相同，则观察到的现象是烧杯中的水流入两个集气瓶中且水量相同，故填：烧杯中的水流入两个集气瓶中且水量相同。6.图甲所示装置可用于测定空气中氧气的含量，图乙是用该装置测得实验过程中集气瓶内气压与时间的关系图（该装置气密性良好，是集气瓶内初始气压）下列说法正确的是①c点时反应刚好停止②红磷点燃后要迅速放入瓶中③开始时集气瓶中气压瞬间变大是氧气被迅速消耗造成的④b、c、d点集气瓶中所含物质相同⑤d点时集气瓶冷却到初始温度A．①③④ B．②④⑤ C．②③⑤ D．①④⑤【答案】B【解析】①a点气压最大，放出的热量最多，然后依次降低，说明a点红磷燃烧结束，反应停止，而不是c点，说法错误；②红磷燃烧后迅速伸入集气瓶，防止伸入过慢使瓶内气体受热膨胀逸出，测量结果不准确，说法正确；③集气瓶中气压瞬间变大，是因为红磷燃烧放出大量的热，使装置内气压增大，说法错误；④红磷燃烧生成五氧化二磷，只是消耗了氧气，在a点反应已经结束了，b、c、d点时集气瓶中所含物质相同，说法正确；⑤d点后气压不再降低，说明d点时集气瓶冷却到初始温度，说法正确；故选：B。7．某兴趣小组对教材中“测定空气中氧气含量”实验(如图甲)进行了改进，设计了图乙(选用容积为45mL的试管作反应容器)的实验方案，到了良好的实验效果。对比分析下面两个实验，回答下列问题：(1)实验测定氧气含量的操作之前，第一步操作是，发生反应的文字表达式为。(2)甲实验测得的氧气含量小于1/5，请分析可能的原因。(写出一点即可)(3)乙实验中，注射器活塞最后将停止在约mL刻度处。(4)对照甲实验，你认为乙实验有何优点？。(回答一点即可)【答案】(1)检查装置气密性(2)红磷量少（合理即可）(3)1(4)环保（合理即可）【解析】（1）测定空气中氧气含量的实验中，装置必须气密性良好，则组装好仪器后，先检查装置气密性；红磷燃烧生成五氧化二磷，反应的化学方程式为：。（2）甲实验中，若红磷少量，则氧气不能完全消耗，会使结果偏小；或装置漏气，由于装置中的气体减少，压强减小，则会进入空气，也会使结果偏小；或未冷却就打开弹簧夹，装置中的温度较高，气体膨胀，进入的水的体积偏小，则结果偏小。（3）由于氧气约占空气体积的五分之一，则乙实验中，试管中氧气的体积为，则注射器中会进入9mL的空气，最终活塞停止在10mL-9mL=1mL刻度处。（4）乙实验为密闭装置，则能防止五氧化二磷扩散到空气中，保护环境，且结果更准确。8．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，通过导管与润滑性很好的针筒注射器组成如图的实验装置。假设此实验能够按照小华的设想正常进行，且白磷所占体积与导管内的气体体积忽略不计，请回答下列问题：(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：；(2)若先夹紧弹簧夹，用酒精灯加热引燃白磷，可以观察到的现象是白磷燃烧，发出黄光，放出热量，产生大量白（填“烟”或“雾”），白磷燃烧的化学方程式为，燃烧结束后，等到试管冷却后再松开弹簧夹。可观察到注射器活塞前沿停留在约mL刻度处。【答案】(1)装置气密性良好(2)烟4P+5O22P2O512【解析】（1）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，则说明装置气密性良好；（2）白磷燃烧，发出黄光，放出热量，产生大量白烟；磷与氧气反应生成五氧化二磷，该反应的化学方程式为：；若先夹紧弹簧夹，用酒精灯加热白磷，这时白磷燃烧消耗掉的只是试管内的氧气为，所以活塞应停在20mL-8mL=12mL的刻度处。9．某化学兴趣小组开展“测定密闭容器中氧气的体积分数”的实验探究。Ⅰ．图1为我们熟悉的测定空气中氧气含量的实验。(1)红磷燃烧的文字表达式是。(2)若实验过程中发现烧杯中的导管口出现气泡，则最终测得的数据会(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。Ⅱ．图2实验中，小组成员利用传感器记录集气瓶内氧气浓度随时间变化的情况。(3)从以上数据分析，最终集气瓶中的氧气没有消耗完的依据是。(4)实验开始时氧气的含量持续下降，氧气被消耗，但在200s时氧气的含量又有所上升，若实验过程中红磷量充足，其可能原因是。【答案】(1)(2)偏大(3)完全反应后氧气浓度是8.86%(4)装置突然漏气（合理即可）【解析】（1）红磷在氧气中燃烧生成五氧化二磷，其文字表达式为，故填；（2）若实验过程中，发现烧杯中导管口出现气泡，说明弹簧夹未夹紧，燃烧时气体受热膨胀逸出，集气瓶内气体被消耗体积变大，则最终测得数据会偏大，故填偏大；（3）根据图示可知，燃烧结束后氧气的含量为8.86%，说明氧气没有消耗完，故填完全反应后氧气浓度是8.86%；（4）实验开始时氧气的含量持续下降，氧气被消耗，但在200s时氧气的含量又有所上升，可能是氧气密度大于空气，沉积在底部，传感器测量点在顶部，当反应后底部氧气扩散到上部，浓度增加，也可能是装置气密性不足，在200s时突然漏气。故填装置突然漏气（合理即可）；10.空气中氧气含量测定的再认识。I、用红磷测定空气中氧气的含量。(1)请写出红磷在空气中燃烧的文字或符号表达式。(2)如图1实验，测得空气中氧气体积分数小于五分之一，可能的原因是___________(填序号)。A．燃烧匙伸入集气瓶太慢 B．红磷量不足C．实验中发现导管口有气泡冒出 D．装置漏气Ⅱ、用镁条测定空气中氧气的含量。(3)某同学利用图2实验测定空气中氧气含量时发现，产物中还出现少许黄色固体。已知：镁能与氮气反应生成淡黄色的氮化镁(Mg3N2)固体。但在空气中燃烧镁条时很难观察到生成物中有淡黄色固体，原因是。在操作规范的情况下，该同学实验所测得的氧气体积分数五分之一(填“大于”、“小于”或“等于”)。Ⅲ、用铁粉测定空气中氧气的含量。(4)某同学根据铁生锈的原理，用铁粉测定空气中氧气的含量，设计了如图3实验，8分钟后测得数据如表：实验前的体积实验后的体积集气瓶内空气量筒内水量筒内剩余水250mL180.0mL128.0mL根据表中数据计算得出空气中氧气的体积分数为，与用红磷燃烧的方法相比，用该方法测定空气中氧气的含量的主要优点：(只写一点即可)。Ⅳ、用白磷测定空气中氧气的含量。某同学设计了如图4的实验装置测定空气中氧气的体积分数，在一个耐热容器的底部放一块足量的白磷，然后迅速将活塞下压(可迅速提高容器内空气温度)后放手，容器中的白磷开始燃烧。(提示：白磷的体积忽略不计，白磷在空气中燃烧所需最低温度为40摄氏度)(5)检查装置气密性：向下压活塞，放手后活塞，说明装置气密性良好。(6)白磷开始燃烧后，活塞的运动情况为。(7)如将燃烧匙中红磷换成炭粉，实验能否成功？为什么？。(8)结合你的学习经验，若要寻找红磷、白磷、铁粉除氧剂的替代物测定空气中氧气的体积分数，该替代物应满足的条件是，(写两点)。【答案】(1)/(2)BD(3)氧气比氮气更活泼，镁更容易与氧气反应大于(4)20.8%结果更准确/没有污染(5)恢复到原位置(6)先向上移动，后向下移动，最终停