Question

14．小丽对家中的家用制氧机产生了浓厚的兴趣．她通过阅读说明书了解到家用制氧机的工作原理如下：
加压时，装填在制氧机内部的分子筛吸附空气中的氮气，制取高浓度氧气．减压时，分子筛将所吸附的氮气排放．整个过程中，分子筛并不消耗．
小丽用这台家用制氧机制取并收集了一袋气体，带到实验室对其进行研究．
实验I：小丽欲通过以下实验验证所收集的气体是否为纯净的氧气．
【实验记录】

实验步骤	实验现象	化学方程式
取一只250mL的集气瓶，用排水法收集一瓶所带气体，然后把一小块燃着的木炭插入集气瓶中	木炭燃烧得更旺， 然后慢慢熄灭	化学方程式I

表中，化学方程式I是C+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$CO₂．
【实验结论】收集的气体是纯净的氧气．
【实验反思】老师指出上述实验并不能证明小丽所带来的气体一定是纯净的氧气．该实验不能证明所收集气体为纯净氧气的原因是木炭在集气瓶中燃烧得更旺只能说明集气瓶中氧气的含量高于空气中氧气的含量，不能说明集气瓶中氧气含量为100%．
实验II：测定小丽所带气体中氧气的含量．
同学们在老师的指导下设计了如图（2）所示装置，进行实验，并重复多次．
【实验记录】

实验操作		主要实验现象	实验结论及解释
①	检查装置的气密性		装置的气密性良好
②	加入药品，将装置连接固定
③	打开止水夹a和b，向A中缓慢鼓入一定量气体后关闭止水夹a和b	A中水进入到B中，B中水的体积为200mL．	收集200mL气体（由压强差引起的误差忽略不计）
④	用凸透镜聚光引燃白磷	燃烧，产生大量白烟
⑤	待白磷熄灭并冷却到室温，进行操作I	现象I	小丽收集的气体不是纯净的氧气

表中，操作I是打开止水夹b；现象I是B中部分水被吸入A中．
【数据记录】

实验次序	1	2	3	4	5
B中剩余水体积/mL	100	42	39	41	38

【数据处理】
已知，在上表数据中，第1组数据偏差较大，存在明显误差，在数据处理时应删去．小丽所带气体中氧气的体积分数为80%．
【实验反思】
（1）这台家用制氧机制氧气的过程发生的变化属于物理变化（填“物理变化”或“化学变化”）．
（2）导致第1组数据产生较大误差的可能原因是白磷不足．
【拓展探究】
探究小组在查阅资料时发现：收集氧气占集气瓶容积的60%（空气占40%）时，能使带火星的木条复燃．那么，使带火星的木条复燃的氧气浓度的最低值是多少呢？小组同学对此展开研究．请根据实验回答下列问题
（1）写出甲装置中反应的化学方程式：2H₂O₂$\frac{\underline{\;MnO_2\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑，在甲的实验现象中带火星的木条往往难以复燃，改用乙装置后能使带火星的木条复燃，请解释原因：由于在加热分解过氧化氢生成氧气的同时，也生成了大量的水蒸气，因此带火星的木条很难复燃．
（2）第一组实验：取5支集气瓶，编号为①、②、③、④、⑤，分别装入其总体积10%、20%、30%、40%、50%上的水．用排水法收集氧气，恰好把5只集气瓶中的水排去．将带火星的木条依次插入①～⑤号瓶中，记录实验现象．
小亮在前组实验的基础上又做了第二组和第三组实验，三组实验的数据和现象见下表．

	第一组					第二组					第三组
集气瓶编号	①	②	③	④	⑤	①	②	③	④	⑤	①
收集的O2占容积的体积分数（%）	10	20	30	40	50	31	33	35	37	39	34
带火星木条的状况	微亮	亮	很亮	复燃	复燃	很亮	很亮	复燃	复燃	复燃	很亮

收集的氧气占容积的体积分数最低为35%时，可使带火星的木条复燃，这时集气瓶中氧气的体积分数是49%（计算结果保留整数）．
（3）小明上网查阅资料时发现：硝酸铜固体加热分解的产物有氧化铜、二氧化氮和氧气．于是 他决定设计实验来检验硝酸铜分解产生的氧气．
【查阅资料】
①相同条件下，任何气体的体积比等于分子个数之比
②硝酸铜分解后的气体可以完全被氢氧化钠溶液吸收
【设计实验】
小明同学设计如图（4）所示的装置，将硝酸铜固体放入试管中加热，该反应的方程式为2Cu（NO₃）₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CuO+4NO₂↑+O₂↑，然后打开A处的止水夹，将带火星的木条放在导管口，复燃，于是他得出结论硝酸铜分解生成了氧气．
【实验反思】
（1）从硝酸铜分解得到的气体能使带火星的木条复燃这一事实，能说明一定生成了氧气吗？不能（填“能”或“不能”）．理由是空气中氧气的浓度是21%，带火星的木条并没有复燃，本实验中氧气的浓度只占混合气的20%．那从这一现象可以得到什么结论？二氧化氮支持燃烧．请设计一个简单实验方案证明你的结论：只需要将带火星的木条伸入二氧化氮气体中，如果复燃，即可证明．
（2）为了防止二氧化氮逸出而环境污染，所以烧杯中应该放入氢氧化钠溶液．

Answer 1

分析 实验I：【实验记录】：根据木条燃烧的反应原理书写方程式；
【实验反思】：木炭在集气瓶中燃烧得更旺只能说明集气瓶中氧气的含量高于空气中氧气的含量，不能说明集气瓶中氧气含量为100%；
实验II：【实验记录】：根据利用白磷燃烧测定氧气含量的原理回答：装置A中进入水的体积就是氧气的体积；
【数据处理】：为了缩小误差，可求出另外4次的平均值作为最终结果，则小丽所带气体中氧气的体积为200mL-（42mL+39mL+41mL+38mL）÷4=160mL，并进一步计算出氧气的体积分数；
【实验反思】：（1）根据题意并结合物理变化和化学变化的判断依据分析解答；
（2）第1组数据较大，说明氧气没有被消耗完，最可能的情况就是白磷量不足，不足以消耗所有的氧气；
【拓展探究】（1）根据过氧化氢在二氧化锰的催化作用下生成水和氧气，由于在加热分解过氧化氢生成氧气的同时，也生成了大量的水蒸气，带火星的木条很难复燃进行分析；
（2）根据表格可发现收集的氧气占容积的体积分数最低为35%时木条也可复燃，根据空气中原有的氧气和收集到的氧气，就可算出氧气的分数；
【设计实验】根据硝酸铜在加热的条件下生成氧化铜、二氧化氮和氧气进行分析；
【实验反思】（1）根据空气中氧气占21%，带火星的木条都不能复燃，本实验中氧气的浓度只占混合气的20%，也生成了二氧化氮气体等知识进行分析；
（2）根据二氧化氮是空气污染性气体进行分析．

解答 解：实验I：【实验记录】木炭在氧气中充分燃烧，生成二氧化碳气体，故反应的化学方程式为 C+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$CO₂；
【实验反思】根据实验现象“木炭燃烧得更旺”可知，集气瓶中的氧气浓度很高，但不一定是纯净的氧气；
实验II：
【实验记录】结合空气中氧气含量的测定分析，由于白磷能与氧气反应，故反应后，集气瓶中因氧气的减少而使压强变小，待白磷熄灭并冷却到室温时，打开止水夹b，会看到B中部分水被吸入A中；
【数据处理】根据题意，由于第1组数据偏差较大，存在明显误差，故在数据处理时已删去；为了进一步缩小误差，可求出另外4次的平均值作为最终结果，则小丽所带气体中氧气的体积为200mL-（42mL+39mL+41mL+38mL）÷4=160mL，故氧气的体积分数=$\frac{160mL}{200mL}$×100%=80%；
【实验反思】
（1）根据题意可知，这台家用制氧机在制氧气的过程中，只是将空气中的氮气和氧气分离，而没有新物质生成，故发生的变化属于物理变化；
（2）根据题意可知，B中剩余的水越多，说明消耗的氧气越少，压强变化小，倒吸的水也就少，所以第1组数据较大，说明氧气没有被消耗完，最可能的情况就是白磷量不足，不足以消耗所有的氧气；
【拓展探究】（1）过氧化氢在二氧化锰的催化作用下生成水和氧气，化学方程式为：2H₂O₂$\frac{\underline{\;MnO_2\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑，
由于在加热分解过氧化氢生成氧气的同时，也生成了大量的水蒸气，带火星的木条很难复燃；
（2）由图中可知，当氧气的体积分数达到35%时，带火星的木条复燃，即收集的氧气占容积的体积分数最低为35%，此时空气还占65%，所以空气中有氧气的量为：65%×21%≈14%，所以此时瓶内共有氧气的分数为14%+35%=49%；
【设计实验】硝酸铜在加热的条件下生成氧化铜、二氧化氮和氧气，化学方程式为：2Cu（NO₃）₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CuO+4NO₂↑+O₂↑；
【实验反思】（1）空气中氧气占21%，带火星的木条都不能复燃，本实验中氧气的浓度只占混合气的20%，也生成了二氧化氮气体，所以从硝酸铜分解得到的气体能使带火星的木条复燃这一事实，不能说明一定生成了氧气，理由是：空气中氧气的浓度是21%，带火星的木条并没有复燃，本实验中氧气的浓度只占混合气的20%，本实验得出的结论是：二氧化氮支持燃烧，设计的实验是：只需要将带火星的木条伸入二氧化氮气体中，如果复燃，即可证明；
（2）二氧化氮是空气污染性气体，所以为了防止二氧化氮逸出而环境污染，所以烧杯中应该放入氢氧化钠溶液．
故答案为：
实验I：【实验记录】C+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$CO₂；
【实验反思】木炭在集气瓶中燃烧得更旺只能说明集气瓶中氧气的含量高于空气中氧气的含量，不能说明集气瓶中氧气含量为100%；
实验II：【实验记录】打开止水夹b，B中部分水被吸入A中；
【数据处理】80%；
【实验反思】（1）物理变化；
（2）白磷量不足；
【拓展探究】（1）2H₂O₂$\frac{\underline{\;MnO_2\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑，
由于在加热分解过氧化氢生成氧气的同时，也生成了大量的水蒸气，带火星的木条很难复燃；
（2）35，49；
【设计实验】2Cu（NO₃）₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CuO+4NO₂↑+O₂↑；
【实验反思】（1）不能，空气中氧气的浓度是21%，带火星的木条并没有复燃，本实验中氧气的浓度只占混合气的20%，二氧化氮支持燃烧，只需要将带火星的木条伸入二氧化氮气体中，如果复燃，即可证明；
（2）氢氧化钠．

点评 对于验证型实验探究，要熟记物质的性质或变化规律，根据给出的实验设计方案，进行实验、分析和探究，并通过观察、记录和分析的实验现象，来验证该物质的性质或变化规律等．