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9. 为验证空气中氧气的体积分数,小明按图甲所示的装置进行了多次实验,发现每次测得的氧气体积分数总是远小于21%,他认为误差主要由实验装置造成,于是改用图乙装置进行实验。
步骤如下:
①连接装置并检查气密性;
②在量筒内加入100毫升的水;
③在集气瓶中加入少量水,使瓶内空气体积为250毫升;
④在燃烧匙内放入过量的红磷,塞紧瓶塞,关闭止水夹,接通电源使电烙铁发热,点燃红磷后,断开电源;
⑤燃烧结束并充分冷却后,打开止水夹,待量筒内水面不再下降时,记录量筒内水的体积为65毫升。
(1)小明按如甲装置进行实验时,该如何检查装置的气密性?。
(2)与装置甲相比,装置乙中使用电烙铁的好处是写出两点。
(3)在燃烧匙中放入过量红磷的目的是。
(4)根据本实验数据,计算出空气中氧气的体积分数为。
(5)小明发现,测量结果与真实值仍有较大差距,查阅资料发现,引起本实验的误差除装置外,还与可燃物的性质有关。请结合丙图分析用红磷做实验,使实验结果偏小的原因。
(6)小明用数字化传感器测得上述乙实验装置中容器内气体压强、温度、氧气浓度的变化趋势如丙图所示。曲线X表示的是压强变化趋势,曲线Y表示的是温度变化趋势,曲线Z表示的是氧气的浓度变化趋势,结合三条曲线分析AB段和CD段压强增加的原因。
步骤如下:
①连接装置并检查气密性;
②在量筒内加入100毫升的水;
③在集气瓶中加入少量水,使瓶内空气体积为250毫升;
④在燃烧匙内放入过量的红磷,塞紧瓶塞,关闭止水夹,接通电源使电烙铁发热,点燃红磷后,断开电源;
⑤燃烧结束并充分冷却后,打开止水夹,待量筒内水面不再下降时,记录量筒内水的体积为65毫升。
(1)小明按如甲装置进行实验时,该如何检查装置的气密性?。
(2)与装置甲相比,装置乙中使用电烙铁的好处是写出两点。
(3)在燃烧匙中放入过量红磷的目的是。
(4)根据本实验数据,计算出空气中氧气的体积分数为。
(5)小明发现,测量结果与真实值仍有较大差距,查阅资料发现,引起本实验的误差除装置外,还与可燃物的性质有关。请结合丙图分析用红磷做实验,使实验结果偏小的原因。
(6)小明用数字化传感器测得上述乙实验装置中容器内气体压强、温度、氧气浓度的变化趋势如丙图所示。曲线X表示的是压强变化趋势,曲线Y表示的是温度变化趋势,曲线Z表示的是氧气的浓度变化趋势,结合三条曲线分析AB段和CD段压强增加的原因。
答案
9.(1)将导管一端插入水中,用手紧握广口瓶外
壁,观察水中的导管口是否有气泡冒出,如果有气泡
冒出,说明装置气密性好。(2)实验在密闭环境中进
行,避免燃烧匙伸入集气瓶时,有空气逸出影响实验
结果;防止生成的五氧化二磷进入空气中污染环境
(3)使集气瓶中的氧气完全消耗掉 (4)$14\%$ (5)从
曲线Z的后部分纵坐标值可以看出红磷在集气瓶中
燃烧后,氧气并没有消耗到0,所以使实验结果偏小。
(6)AB段压强增加是因为红磷燃烧消耗了氧气,使装
置内气压减小;同时放出大量的热,使装置中气体体
积膨胀,压强变大;温度对气压的影响大于氧气消耗
对气压的影响,所以集气瓶中气压增加。CD段气压
增加是因为装置温度降至室温后,打开止水夹,量筒
中的水就被大气压压入集气瓶中,使集气瓶中气压增
加。
壁,观察水中的导管口是否有气泡冒出,如果有气泡
冒出,说明装置气密性好。(2)实验在密闭环境中进
行,避免燃烧匙伸入集气瓶时,有空气逸出影响实验
结果;防止生成的五氧化二磷进入空气中污染环境
(3)使集气瓶中的氧气完全消耗掉 (4)$14\%$ (5)从
曲线Z的后部分纵坐标值可以看出红磷在集气瓶中
燃烧后,氧气并没有消耗到0,所以使实验结果偏小。
(6)AB段压强增加是因为红磷燃烧消耗了氧气,使装
置内气压减小;同时放出大量的热,使装置中气体体
积膨胀,压强变大;温度对气压的影响大于氧气消耗
对气压的影响,所以集气瓶中气压增加。CD段气压
增加是因为装置温度降至室温后,打开止水夹,量筒
中的水就被大气压压入集气瓶中,使集气瓶中气压增
加。
解析
【分析】
这道题围绕空气中氧气体积分数测定的经典实验展开，解题时可以按小问逐一对应实验逻辑思考：
1. 第一问回忆带导管的密闭气体类装置的常规气密性检查方法，利用热胀冷缩原理设计操作即可；
2. 第二问对比甲、乙装置的点燃方式差异，甲需要将点燃的红磷从瓶外伸入集气瓶，乙全程在密闭瓶内点燃红磷，从避免空气逸出减小误差、防止有毒产物逸出污染空气两个角度梳理好处；
3. 第三问从实验目的是完全消耗瓶内氧气的角度，直接得出过量红磷的作用；
4. 第四问利用进入集气瓶的水的体积等于消耗的氧气体积的原理，用初始量筒水体积减去最终量筒剩余水体积得到氧气体积，再除以集气瓶内空气总体积算出体积分数；
5. 第五问结合代表氧气浓度的Z曲线特征，发现红磷燃烧后氧气并未完全耗尽，即可解释结果偏小的原因；
6. 第六问结合燃烧放热、氧气消耗、打开止水夹后水倒吸三个过程对气压的共同影响，分别分析AB段和CD段压强上升的原因。
【解析】
(1) 甲装置为常规的红磷燃烧测氧气体积装置，采用热胀冷缩法检查气密性：将导管一端插入水中，用手紧握广口瓶外壁，观察水中的导管口是否有气泡冒出，如果有气泡冒出，说明装置气密性良好。
(2) 装置乙使用电烙铁在密闭集气瓶内直接点燃红磷，和甲装置对比的优势：一是实验全程在密闭环境中进行，避免将点燃的红磷伸入集气瓶时瓶内空气受热逸出，减小实验误差；二是防止反应生成的有毒五氧化二磷白烟逸散到空气中，避免污染环境。
(3) 放入过量红磷是为了保证集气瓶中的氧气能够被完全消耗，避免因氧气残留导致测得的氧气体积分数偏小。
(4) 实验中进入集气瓶的水的体积等于被消耗的氧气的体积，氧气体积为100mL-65mL=35mL，集气瓶内空气总体积为250mL，因此空气中氧气的体积分数为：$\frac{35\mathrm{mL}}{250\mathrm{mL}} × 100\% =14\%$。
(5) 观察代表氧气浓度的曲线Z的后半段可以发现，红磷燃烧结束后，装置内的氧气浓度并没有降低至0，说明红磷无法将集气瓶内的氧气完全耗尽，因此最终测得的实验结果偏小。
(6) AB段压强增加：红磷燃烧时放出大量的热，使装置内气体受热膨胀，压强增大；虽然燃烧同时消耗氧气会使装置内压强减小，但温度升高对气压的增大作用远大于氧气消耗对气压的减小作用，因此集气瓶内整体压强上升。
CD段压强增加：装置燃烧结束后充分冷却至室温，打开止水夹后，外界大气压将量筒中的水压入集气瓶内，集气瓶内的气体被进入的水压缩，瓶内压强逐步回升至接近外界大气压，因此压强增大。
【答案】
(1) 将导管一端插入水中,用手紧握广口瓶外壁,观察水中的导管口是否有气泡冒出,如果有气泡冒出,说明装置气密性好。
(2) 实验在密闭环境中进行,避免燃烧匙伸入集气瓶时,有空气逸出影响实验结果;防止生成的五氧化二磷进入空气中污染环境
(3) 使集气瓶中的氧气完全消耗掉
(4) $14\%$
(5) 从曲线Z的后部分纵坐标值可以看出红磷在集气瓶中燃烧后,氧气并没有消耗到0,所以使实验结果偏小。
(6) AB段压强增加是因为红磷燃烧消耗了氧气,使装置内气压减小;同时放出大量的热,使装置中气体体积膨胀,压强变大;温度对气压的影响大于氧气消耗对气压的影响,所以集气瓶中气压增加。CD段气压增加是因为装置温度降至室温后,打开止水夹,量筒中的水就被大气压压入集气瓶中,使集气瓶中气压增加。
【知识点】
装置气密性检查；空气中氧气体积分数测定；红磷燃烧实验误差分析
【点评】
本题是空气中氧气含量测定实验的创新拓展题，既覆盖了基础实验操作、实验原理等核心考点，又通过改进装置对比、数字化传感器曲线分析的形式，深入考察学生对实验过程中气压变化逻辑的理解，跳出了传统实验题死记硬背结论的考察模式，能有效锻炼学生的图像分析和实验探究能力。
【难度系数】
0.6
这道题围绕空气中氧气体积分数测定的经典实验展开，解题时可以按小问逐一对应实验逻辑思考：
1. 第一问回忆带导管的密闭气体类装置的常规气密性检查方法，利用热胀冷缩原理设计操作即可；
2. 第二问对比甲、乙装置的点燃方式差异，甲需要将点燃的红磷从瓶外伸入集气瓶，乙全程在密闭瓶内点燃红磷，从避免空气逸出减小误差、防止有毒产物逸出污染空气两个角度梳理好处；
3. 第三问从实验目的是完全消耗瓶内氧气的角度，直接得出过量红磷的作用；
4. 第四问利用进入集气瓶的水的体积等于消耗的氧气体积的原理，用初始量筒水体积减去最终量筒剩余水体积得到氧气体积，再除以集气瓶内空气总体积算出体积分数；
5. 第五问结合代表氧气浓度的Z曲线特征，发现红磷燃烧后氧气并未完全耗尽，即可解释结果偏小的原因；
6. 第六问结合燃烧放热、氧气消耗、打开止水夹后水倒吸三个过程对气压的共同影响，分别分析AB段和CD段压强上升的原因。
【解析】
(1) 甲装置为常规的红磷燃烧测氧气体积装置，采用热胀冷缩法检查气密性：将导管一端插入水中，用手紧握广口瓶外壁，观察水中的导管口是否有气泡冒出，如果有气泡冒出，说明装置气密性良好。
(2) 装置乙使用电烙铁在密闭集气瓶内直接点燃红磷，和甲装置对比的优势：一是实验全程在密闭环境中进行，避免将点燃的红磷伸入集气瓶时瓶内空气受热逸出，减小实验误差；二是防止反应生成的有毒五氧化二磷白烟逸散到空气中，避免污染环境。
(3) 放入过量红磷是为了保证集气瓶中的氧气能够被完全消耗，避免因氧气残留导致测得的氧气体积分数偏小。
(4) 实验中进入集气瓶的水的体积等于被消耗的氧气的体积，氧气体积为100mL-65mL=35mL，集气瓶内空气总体积为250mL，因此空气中氧气的体积分数为：$\frac{35\mathrm{mL}}{250\mathrm{mL}} × 100\% =14\%$。
(5) 观察代表氧气浓度的曲线Z的后半段可以发现，红磷燃烧结束后，装置内的氧气浓度并没有降低至0，说明红磷无法将集气瓶内的氧气完全耗尽，因此最终测得的实验结果偏小。
(6) AB段压强增加：红磷燃烧时放出大量的热，使装置内气体受热膨胀，压强增大；虽然燃烧同时消耗氧气会使装置内压强减小，但温度升高对气压的增大作用远大于氧气消耗对气压的减小作用，因此集气瓶内整体压强上升。
CD段压强增加：装置燃烧结束后充分冷却至室温，打开止水夹后，外界大气压将量筒中的水压入集气瓶内，集气瓶内的气体被进入的水压缩，瓶内压强逐步回升至接近外界大气压，因此压强增大。
【答案】
(1) 将导管一端插入水中,用手紧握广口瓶外壁,观察水中的导管口是否有气泡冒出,如果有气泡冒出,说明装置气密性好。
(2) 实验在密闭环境中进行,避免燃烧匙伸入集气瓶时,有空气逸出影响实验结果;防止生成的五氧化二磷进入空气中污染环境
(3) 使集气瓶中的氧气完全消耗掉
(4) $14\%$
(5) 从曲线Z的后部分纵坐标值可以看出红磷在集气瓶中燃烧后,氧气并没有消耗到0,所以使实验结果偏小。
(6) AB段压强增加是因为红磷燃烧消耗了氧气,使装置内气压减小;同时放出大量的热,使装置中气体体积膨胀,压强变大;温度对气压的影响大于氧气消耗对气压的影响,所以集气瓶中气压增加。CD段气压增加是因为装置温度降至室温后,打开止水夹,量筒中的水就被大气压压入集气瓶中,使集气瓶中气压增加。
【知识点】
装置气密性检查；空气中氧气体积分数测定；红磷燃烧实验误差分析
【点评】
本题是空气中氧气含量测定实验的创新拓展题，既覆盖了基础实验操作、实验原理等核心考点，又通过改进装置对比、数字化传感器曲线分析的形式，深入考察学生对实验过程中气压变化逻辑的理解，跳出了传统实验题死记硬背结论的考察模式，能有效锻炼学生的图像分析和实验探究能力。
【难度系数】
0.6
