Question

16．空气中氧气含量测定的再认识．
Ⅰ．【实验回顾】如图是实验室用红磷燃烧来粗略测定空气中氧气含量的装置．
（1）写出红磷燃烧的化学方程式4P+5O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2P₂O₅，现象是红磷剧烈燃烧，产生大量白烟．
（2）实验原理：由于红磷燃烧消耗空气中的氧气，使瓶内气压减小，烧杯中水倒吸到集气瓶．若装置的气密性良好，操作规范，用量筒测量进入瓶中水的体积，能粗略测得空气中氧气的含量．
【问题提出】有实验资料表明：燃烧过程中当氧气体积分数低于7% 时，红磷就无法继续燃烧，因此通过上述实验，测置结果与理论值误差较大．
Ⅱ．【实验改进】
根据铁在空气中生锈的原理设计如图实验装置，再次测定空气中氧气含量．装置中饱和食盐水、活性炭会加速铁生锈．测得实验数据如表

测量项目	实验前	实验后
	烧杯中水的体积	烧杯中剩余水的体积	集气瓶（扣除内容物）和导管的容积
体积/mL	80.0	54.5	126.0

【交流表达】
（1）铁生锈过程发生复杂的化学反应，首先是铁与氧气、水反应生成氢氧化亚铁[Fe（OH）₂]，写出该反应的化学方程式2Fe+O₂+2H₂O=2Fe（OH）₂．
（2）根据表中数据计算，改进实验后测得的空气中氧气的体积分数是20.2%（计算结果精确到0.1%）．
（3）从实验原理角度分析，改进后的实验结果比前者准确度更髙的原因是：
①铁的缓慢氧化使集气瓶中的氧气消耗更彻底，使实验结果更准确．②测量时考虑到导管容积和扣除内容物后的集气瓶容积，使实验结果更准确；（写一条）
III．四硫化钠（Na₂S₄）固体可替代红磷测定空气中氧气的体积分数，反应原理为：2Na₂S₄+O₂+2H₂O═8S↓+4NaOH
【查阅资料】①Na₂S₄受热时，会与空气中的水蒸气反应，生成少量有毒气体硫化氢．
②硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃）可溶于水，常温下与NaOH溶液不反应．
③NaOH溶液可吸收硫化氢和二氧化碳．
【实验过程】
①取0.5g碳酸钠、0.2g硫粉混合后置于试管中，加入（如图①所示，夹持装置已略去），制得Na₂S₄，反应为：4Na₂CO₃+12S+X$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Na₂S₄+2Na₂S₂O₃+4CO₂，X的化学式为O₂；

②冷却后，取下棉花，放置一段时间，再向该试管中加入10mL水，迅速塞紧橡胶塞，充分振荡．测量液面至橡胶塞下沿的距离，记录数据h₁（如图②所示）；
③将该试管插入水中（如图③所示），拔下橡胶塞，观察到有淡黄色固体生成，水进入试管内，进入水的体积约为试管内空气体积的五分之一，塞紧橡胶塞．将试管取出，倒转过来，测量液面至橡胶塞下沿的距离h₂，记录数据h₂．理论上h₂：h₁=5：4；
④【反思与评价】实验过程①中要塞氢氧化钠溶液的棉花的原因是吸收生成的二氧化碳气体和有毒的硫化氢气体；若实验过程②中，冷却取下棉花后，未放置一段时间即进行后续操作，测定结果偏小（填“偏大”、“偏小”或“无影响”），理由是：试管内的空气成分与外边的空气成分可能有差异．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）根据红磷燃烧生成五氧化二磷以及燃烧的现象进行解答；
Ⅱ．【交流表达】根据铁生锈的知识进行分析解答即可．
Ⅲ．【实验过程】①根据化学反应前后原子的种类和数目不变；③根据四硫化钠和氧气、水反应生成硫和氢氧化钠，会使得试管内压强变小以及空气中氧气约占空气体积的五分之一进行解答；
④【解释与结论】根据空气中氧气的体积分数进行解答；
【反思与评价】二氧化碳和NaOH溶液反应以及Na₂S₄受热时，会与空气中的水蒸气反应，生成少量有毒气体硫化氢（水溶液呈酸性）进行解答；
根据未放置一段时间会导致试管内的空气成分与外边的空气成分可能有差异进行解答．

解答 解：
Ⅰ．（1）该实验中可以观察到：发出黄光，放出热量，产生大量的白烟，冷却后打开弹簧夹烧杯中的水倒流进广口瓶约占瓶内水面上容积的五分之一；此反应的化学方程式为：4P+5O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2P₂O₅；
Ⅱ．【交流表达】（1）根据铁与氧气、水反应生成氢氧化亚铁[Fe（OH）₂]，可知反应物、生成物，故该反应的化学方程式为：2Fe+2H₂O+O₂=2Fe（OH）₂；
（2）根据反应前后烧杯内水的体积变化可以看出，消耗的氧气的体积是：80-54.5=25.5mL，故氧气的体积分数为：$\frac{25.5mL}{126mL}$×100%，故填：20.2%；
（3）使用铁的缓慢氧化消耗氧气，使氧气消耗的更为彻底，实验结果更准确，测量时考虑导管容积和扣除内容物后的集气瓶的体积，使实验结果更为准确，故填：铁的缓慢氧化使集气瓶中的氧气消耗更为彻底，使实验结果更准确；测量时考虑到导管容积和扣除内容物后的集气瓶容积，使实验结果更准确．
Ⅲ．【实验过程】①根据化学反应前后原子的种类和数目不变和4Na₂CO₃+12S+x $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Na₂S₄+2Na₂S₂O₃+4CO₂，可知X的化学式为O₂；故填：O₂
③四硫化钠和氧气、水反应生成硫和氢氧化钠，会使得试管内压强变小，将该试管插入水中（如图3所示），拔下橡胶塞，观察到水进入试管内，进入水的体积约为试管内空气体积的五分之一；空气中氧气约占空气体积的五分之一，将试管取出，倒转过来，测量液面至橡胶塞下沿的距离，记录数据h₂．理论上h₂：h₁=5：4；故填：水进入试管内，进入水的体积约为试管内空气体积的五分之一；5：4；
④【解释与结论】空气中氧气的体积分数=$\frac{11-8.7}{11}$×100%=20.9%；故填：20.9；
【反思与评价】二氧化碳和NaOH溶液反应生成碳酸钠和水，Na₂S₄受热时，会与空气中的水蒸气反应，生成少量有毒气体硫化氢（水溶液呈酸性），所以蘸有浓NaOH溶液的棉花的作用是吸收生成的二氧化碳气体和有毒的硫化氢气体，未放置一段时间会导致试管内的空气成分与外边的空气成分可能有差异．故填：试管内的空气成分与外边的空气成分可能有差异．
答案：
Ⅰ．（1）4P+5O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2P₂O₅；红磷剧烈燃烧，产生大量白烟；
Ⅱ．【交流表达】
（1）2Fe+2H₂O+O₂=2Fe（OH）₂；
（2）20.2%；
（3）①铁的缓慢氧化使集气瓶中的氧气消耗更彻底，使实验结果更准确．②测量时考虑到导管容积和扣除内容物后的集气瓶容积，使实验结果更准确．
Ⅲ．
①O₂
③有淡黄色固体生成，水进入试管内，进入水的体积约为试管内空气体积的五分之一；  5：4；
④吸收生成的二氧化碳气体和有毒的硫化氢气体；   偏小； 试管内的空气成分与外边的空气成分可能有差异．

点评 本题考查的是氧气的含量的测定以及实验装置的改进，完成此题可以依据已有的知识进行，请注意题目中要求写化学表达式．