空气中氧气含量的测定

名师简介：申艳秋，辽宁省骨干教师，辽宁省化学学科兼职教研员，就职于辽宁省实验学校，从事化学教学工作30余年，辽宁省初中化学申艳秋名师工作室主持人，沈阳师范大学硕士研究生导师，2008、2012、2014和2020年沈阳市中考命题组成员。

中考真题中对测定空气中氧气含量的考查，主要涉及实验原理、药品的选用、实验现象、实验结论及分析产生误差的原因等。尽管设计的实验方案有所不同，但其原理都是利用化学反应消耗氧气，不生成其他气体，空气减少的体积就是被消耗氧气的体积。解答这类题目，同学们要理解实验设计的原理和思路，以不变应万变。

一、研读教材，梳理知识

1. 拉瓦锡研究空气成分的实验

法国科学家拉瓦锡最早运用天平作为研究化学的工具，用定量的方法研究了空气的成分，第一次明确提出了“空气由氧气和氮气组成 ”。

实验分析：（1）汞在加热的条件下，只和氧气反应；（2）汞槽中的液态汞起到液封作用，并能直接用来测量反应容器内空气体积的变化；（3）生成的氧化汞分解又能得到汞和氧气，把得到的氧气加到剩下的[4/5]体积的气体中，结果所得气体跟空气的性质完全一样；（4）汞的沸点较低，汞蒸气与氧气反应比较充分，能将密闭装置内空气中的氧气几乎耗尽；（5）氧化汞的密度小于汞，且不溶于汞，因此易与汞分离；（6）该方法缺点是操作复杂、耗费时间长、有毒。

二、测定空气中氧气的体积分数——燃磷法

1. 反应原理：4P + 5O2 [点燃] 2P2O5。

2. 实验装置见图1。

3. 实验现象：红磷燃烧，发出黄色火焰，产生大量白烟，放出大量热；装置冷却后至室温打开止水夹，水倒吸约占集气瓶内空气体积的[15]。

4. 实验结论：空气中氧气约占空气总体积的[15]；氮气不支持燃烧，不易溶于水。

5. 实验误差分析：

（1）测量结果偏低原因：①红磷不足，氧气未耗尽；②装置漏气，使装置外的空气进入集气瓶中；③未冷却至室温就打开止水夹；④导管中有部分水残留等。

（2）测量结果偏高（装置内的空气受热膨胀逸出）的原因：①点燃红磷后插入到集气瓶的速率太慢（或未及时塞紧橡皮塞）。②未夹紧止水夹（或未使用止水夹）。

6. 拓展延伸：

（1）药品选择：①不能选用铁丝代替红磷，因为铁丝在空气中不能燃烧；②不能选用镁条，因为镁不仅与氧气反應，还与空气中的二氧化碳、氮气等反应；③不能选用木炭、硫代替红磷，因为木炭、硫在空气中燃烧会产生气体；④选择加热足量铜丝或铁粉生锈等方法进行，反应更充分，误差更小。

（2）水的作用：①烧杯中的水：测量氧气的体积。②在集气瓶中预先装适量的水：吸收五氧化二磷，减少污染；吸收热量，有利于装置迅速冷却和缓冲气压，防止橡皮塞弹开。

（3）集气瓶压强变化：开始时，燃烧放热引起的压强变大的程度大于氧气被消耗导致压强减小的程度。后来燃烧停止，剩余气体慢慢冷却，压强变得比初始值更小。打开止水夹后，瓶内压强迅速恢复到和外界大气压相同。

（4）其他方案：如图2～图9所示。各装置的特点如下。

①图2装置：改变进水方式，减少导管内残留水的误差。

②图3～图6装置：改变点燃方式或药品，减少燃着的红磷插入集气瓶太慢引起的误差。

③图7～图9装置：耗氧物质的改变，解决红磷燃烧不能将氧气耗尽的问题。

三、强化思维，培养能力

学习时要注重剖析典型题，学会对试题进行分解，找出基础知识、提取相关信息后再作答。中考中有一类热点题型是通过分析数字化手段得到的实验数据，考查同学们对现象、数据的分析归纳能力、实验设计能力及逻辑推理能力。回答此类题的关键是抓住本质、有序思考、规范表达。

例 利用红磷测定空气中氧气含量的实验装置如图10，用气体压力传感器测出该集气瓶中的气压变化如图11。下列说法错误的是（ ）。

A. 选用红磷是因为反应只消耗氧气，生成固态的五氧化二磷

B. BC段气压变化的原因是红磷燃烧放热，瓶内温度升高，使压强变大

C. CD段气压变化的原因只是红磷燃烧消耗氧气，使压强变小

D. 导致DE段气压变化的实验操作是红磷熄灭并冷却后打开止水夹

答案：C

（作者单位：辽宁省实验学校）