4. 几种测定空气中氧气含量的实验如图1~图4所示,请根据实验回答问题。
(1)拉瓦锡用定量的方法研究空气的成分(

),通过该实验拉瓦锡得出了空气是由氧气和
氮气
(填物质名称)组成的,其中氧气约占空气总体积的1/5。该实验中选用汞的优点是
BD
(填序号)。
A. 反应不需要条件
B. 在汞槽中,汞可以起到液封的作用
C. 实验过程中没有污染
D. 能将密闭装置内空气中的氧气几乎耗尽
(2)实验室常用红磷燃烧的方法测定空气中氧气的含量(图2),红磷燃烧的反应可用文字表示为
红磷+氧气$\stackrel{点燃}{→}$五氧化二磷
(文字表达式)。
(3)某兴趣小组同学对图2实验进行了改进,设计了如图3所示的实验。
① 实验前,打开弹簧夹,将体积为25 mL的注射器活塞前沿从20 mL刻度处推至15 mL刻度处,然后松开手,若活塞能返回至原处,说明
装置的气密性良好
。
② 实验时,先夹紧弹簧夹,用酒精灯加热红磷,可观察到的现象为
产生白烟,放热
;燃烧结束后,等到试管冷却后再松开弹簧夹,注射器活塞会从原来的20 mL刻度处移动,最终将停留在约为
12
(填整数)mL刻度处;若不使用弹簧夹,用酒精灯加热红磷,充分反应后冷却,注射器活塞最终又将停留在约为
8
(填整数)mL刻度处。
(4)兴趣小组的同学还设计了用传感器技术测定空气中氧气含量,实验装置如图4所示,反应过程中容器内的压强、温度和氧气浓度三条曲线变化趋势如图5所示。其中Y表示的是
氧气浓度
变化的曲线;结合X、Y两条曲线,分析图5中气体压强先变大后逐渐减小的原因:
红磷燃烧放热,温度升高,压强增大,同时消耗氧气,使压强减小。开始燃烧放热造成的压强增大强于氧气减少造成的压强减小,而后反应停止后温度降低,压强变小
。
解析:
【分析】
本题围绕空气中氧气含量测定的相关实验展开,解题时需结合拉瓦锡测定空气成分的实验结论、汞的性质,红磷燃烧的反应原理,改进实验的气密性检查、气体体积变化规律,以及传感器实验中压强和氧气浓度的变化原因来分析。首先回忆拉瓦锡实验得出空气由氧气和氮气组成,汞的优点需结合实验要求(液封、耗氧)判断;红磷燃烧的文字表达式要注意反应条件;改进实验中,气密性检查利用装置内气压变化,氧气约占空气体积1/5,据此计算活塞移动后的位置;传感器实验中,氧气浓度随反应降低,压强变化需结合放热和耗氧的共同影响分析。
【解析】
(1)拉瓦锡通过定量实验得出空气由氧气和氮气组成;选用汞的优点:汞在汞槽中可起到液封作用,防止装置漏气,且能将密闭装置内的氧气几乎耗尽,反应需要加热条件,汞有毒有污染,故选BD。
(2)红磷与氧气在点燃条件下反应生成五氧化二磷,文字表达式为:红磷+氧气$\stackrel{点燃}{→}$五氧化二磷。
(3)① 推注射器活塞后松手,活塞返回原处,说明装置气密性良好,无漏气现象;
② 夹紧弹簧夹加热红磷时,红磷燃烧产生大量白烟,放出热量;试管内空气体积与注射器内空气总体积的1/5为消耗的氧气体积,结合实验设计,最终注射器活塞停留在12mL刻度处;若不使用弹簧夹,整个装置内空气总体积的1/5为消耗的氧气体积,活塞最终停留在8mL刻度处。
(4)红磷燃烧消耗氧气,氧气浓度随反应进行逐渐降低,故Y表示氧气浓度;压强先变大后减小的原因:红磷燃烧放热,使装置内温度升高,压强增大,同时反应消耗氧气,使压强减小;开始时放热导致的压强增大幅度大于氧气消耗导致的压强减小幅度,因此压强先变大;反应结束后温度逐渐降低,压强随之减小,故压强逐渐变小。
【答案】
4.(1)氮气;BD
(2)红磷+氧气$\stackrel{点燃}{→}$五氧化二磷
(3)① 装置的气密性良好;② 产生白烟,放热;12;8
(4)氧气浓度;红磷燃烧放热,温度升高,压强增大,同时消耗氧气,使压强减小。开始燃烧放热造成的压强增大强于氧气减少造成的压强减小,而后反应停止后温度降低,压强变小
【知识点】
空气成分测定、氧气的性质、实验气密性检查
【点评】
本题综合考查空气中氧气含量测定的经典实验与改进实验,涵盖实验原理、现象、操作要点及误差分析,还结合传感器实验考查压强和浓度变化的原因,需学生掌握各实验的核心逻辑,注重对实验细节的理解与应用,是初中化学的重点题型。
【难度系数】
0.5