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5.(2024·成都节选)空气中含有多少氧气呢？学习小组开展了“测定空气中氧气的体积分数”的探究活动。
【查阅资料】①红磷的着火点是$240\ °\mathrm{C}$，白磷的着火点是$40\ °\mathrm{C}$；②在相同的温度和体积下，气体压强与分子数成正比；③在相同的温度和压强下，气体体积与分子数成正比。
【史料研究】二百多年前，化学家拉瓦锡利用汞能和氧气发生反应的原理，采用图1装置测出氧气约占空气体积的$1/5$。
(1)加热时，曲颈甑内液态汞表面产生红色粉末，玻璃钟罩内的现象是
【设计与实验】设计并利用图2装置测定空气中氧气的体积分数。
(2)主要步骤如下，正确的顺序为
①用弹簧夹夹紧橡胶管
②红磷熄灭并冷却后，打开弹簧夹
③点燃红磷后立即伸入集气瓶中并塞紧橡皮塞
④在集气瓶中加入少量水，将水面上方空间分成5等份并加以标记
(3)实验结束，集气瓶中剩余气体的主要成分是
【优化与实验】同学们利用图2装置进行多次实验，水面均未上升到刻度1处。经讨论后，分别取足量的红磷、白磷采用图3装置进行实验，记录并处理的数据分别如图4、图5所示。
(4)图4中氧气的体积分数从$8.05\%$上升到$9.26\%$，原因可能是
(5)图5中$BC$段压强增大的原因是
计算出白磷消耗的氧气占空气体积的
【查阅资料】①红磷的着火点是$240\ °\mathrm{C}$，白磷的着火点是$40\ °\mathrm{C}$；②在相同的温度和体积下，气体压强与分子数成正比；③在相同的温度和压强下，气体体积与分子数成正比。
【史料研究】二百多年前，化学家拉瓦锡利用汞能和氧气发生反应的原理，采用图1装置测出氧气约占空气体积的$1/5$。
(1)加热时，曲颈甑内液态汞表面产生红色粉末，玻璃钟罩内的现象是
汞液面上升
，产生该现象的原因是汞与氧气反应,钟罩内气体减少,压强减小
。【设计与实验】设计并利用图2装置测定空气中氧气的体积分数。
(2)主要步骤如下，正确的顺序为
④①③②
(填序号)。①用弹簧夹夹紧橡胶管
②红磷熄灭并冷却后，打开弹簧夹
③点燃红磷后立即伸入集气瓶中并塞紧橡皮塞
④在集气瓶中加入少量水，将水面上方空间分成5等份并加以标记
(3)实验结束，集气瓶中剩余气体的主要成分是
氮气(或$N_{2}$)
。【优化与实验】同学们利用图2装置进行多次实验，水面均未上升到刻度1处。经讨论后，分别取足量的红磷、白磷采用图3装置进行实验，记录并处理的数据分别如图4、图5所示。
(4)图4中氧气的体积分数从$8.05\%$上升到$9.26\%$，原因可能是
反应结束后,温度下降,气体逐渐混合均匀(或温度下降,水蒸气变成液态),氧气的体积分数增大
。(5)图5中$BC$段压强增大的原因是
反应刚开始,温度升高对压强的影响比气体减少对压强的影响大
。计算出白磷消耗的氧气占空气体积的
19.37
(精确到0.01)$\%$。答案
5. (1)汞液面上升 汞与氧气反应,钟罩内气体减少,压强减小 (2)④①③② (3)氮气(或$N_{2}$) (4)反应结束后,温度下降,气体逐渐混合均匀(或温度下降,水蒸气变成液态),氧气的体积分数增大 (5)反应刚开始,温度升高对压强的影响比气体减少对压强的影响大 19.37
解析
【分析】
本题围绕测定空气中氧气的体积分数展开，需结合实验原理、操作步骤、现象分析及气体压强变化规律解题：
(1) 拉瓦锡实验中，汞与氧气反应消耗钟罩内氧气，导致装置内压强减小，外界大气压将汞压入钟罩，据此分析现象和原因；
(2) 测定氧气体积分数的操作需遵循先准备装置、密封、反应、冷却后打开弹簧夹的顺序，据此排序；
(3) 空气主要成分为氮气和氧气，氧气被消耗后剩余气体主要为氮气；
(4) 红磷燃烧实验后，温度下降时气体状态变化导致氧气体积分数变化；
(5) 白磷燃烧放热，初期温度升高对压强的影响超过气体减少的影响，导致压强增大；根据实验数据计算白磷消耗氧气的体积占比。
【解析】
(1) 加热时，汞与玻璃钟罩内的氧气反应生成红色氧化汞，消耗了钟罩内的氧气，使钟罩内气体减少、压强减小，在外界大气压作用下，玻璃钟罩内的汞液面上升。故现象为汞液面上升，原因是汞与氧气反应，钟罩内气体减少，压强减小。
(2) 测定空气中氧气体积分数的正确步骤：先在集气瓶中加入少量水，将水面上方空间分成5等份（④）；用弹簧夹夹紧橡胶管（①）；点燃红磷后立即伸入集气瓶中并塞紧橡皮塞（③）；待红磷熄灭并冷却后，打开弹簧夹（②）。故顺序为④①③②。
(3) 空气的主要成分是氮气和氧气，红磷、白磷燃烧消耗氧气，剩余气体的主要成分是氮气（或N₂）。
(4) 图4中氧气的体积分数后期上升，是因为反应结束后温度下降，气体逐渐混合均匀，或温度下降时水蒸气液化，使得剩余气体中氧气的体积分数相对增大。
(5) 图5中BC段压强增大，是因为白磷燃烧放热，反应刚开始时温度升高对压强的影响比气体减少对压强的影响大；根据实验数据，白磷消耗的氧气占空气体积的19.37%。
【答案】
(1) 汞液面上升；汞与氧气反应，钟罩内气体减少，压强减小
(2) ④①③②
(3) 氮气(或N₂)
(4) 反应结束后，温度下降，气体逐渐混合均匀(或温度下降，水蒸气变成液态)，氧气的体积分数增大
(5) 反应刚开始，温度升高对压强的影响比气体减少对压强的影响大；19.37
【知识点】
测定空气中氧气的体积分数，气体压强变化
【点评】
本题以测定空气中氧气体积分数为核心，结合拉瓦锡实验、优化实验展开探究，考查实验现象分析、操作步骤排序、气体压强变化的理解及数据计算，需学生掌握实验原理并灵活分析实验变化，是化学实验探究的典型题型。
【难度系数】
0.6
本题围绕测定空气中氧气的体积分数展开，需结合实验原理、操作步骤、现象分析及气体压强变化规律解题：
(1) 拉瓦锡实验中，汞与氧气反应消耗钟罩内氧气，导致装置内压强减小，外界大气压将汞压入钟罩，据此分析现象和原因；
(2) 测定氧气体积分数的操作需遵循先准备装置、密封、反应、冷却后打开弹簧夹的顺序，据此排序；
(3) 空气主要成分为氮气和氧气，氧气被消耗后剩余气体主要为氮气；
(4) 红磷燃烧实验后，温度下降时气体状态变化导致氧气体积分数变化；
(5) 白磷燃烧放热，初期温度升高对压强的影响超过气体减少的影响，导致压强增大；根据实验数据计算白磷消耗氧气的体积占比。
【解析】
(1) 加热时，汞与玻璃钟罩内的氧气反应生成红色氧化汞，消耗了钟罩内的氧气，使钟罩内气体减少、压强减小，在外界大气压作用下，玻璃钟罩内的汞液面上升。故现象为汞液面上升，原因是汞与氧气反应，钟罩内气体减少，压强减小。
(2) 测定空气中氧气体积分数的正确步骤：先在集气瓶中加入少量水，将水面上方空间分成5等份（④）；用弹簧夹夹紧橡胶管（①）；点燃红磷后立即伸入集气瓶中并塞紧橡皮塞（③）；待红磷熄灭并冷却后，打开弹簧夹（②）。故顺序为④①③②。
(3) 空气的主要成分是氮气和氧气，红磷、白磷燃烧消耗氧气，剩余气体的主要成分是氮气（或N₂）。
(4) 图4中氧气的体积分数后期上升，是因为反应结束后温度下降，气体逐渐混合均匀，或温度下降时水蒸气液化，使得剩余气体中氧气的体积分数相对增大。
(5) 图5中BC段压强增大，是因为白磷燃烧放热，反应刚开始时温度升高对压强的影响比气体减少对压强的影响大；根据实验数据，白磷消耗的氧气占空气体积的19.37%。
【答案】
(1) 汞液面上升；汞与氧气反应，钟罩内气体减少，压强减小
(2) ④①③②
(3) 氮气(或N₂)
(4) 反应结束后，温度下降，气体逐渐混合均匀(或温度下降，水蒸气变成液态)，氧气的体积分数增大
(5) 反应刚开始，温度升高对压强的影响比气体减少对压强的影响大；19.37
【知识点】
测定空气中氧气的体积分数，气体压强变化
【点评】
本题以测定空气中氧气体积分数为核心，结合拉瓦锡实验、优化实验展开探究，考查实验现象分析、操作步骤排序、气体压强变化的理解及数据计算，需学生掌握实验原理并灵活分析实验变化，是化学实验探究的典型题型。
【难度系数】
0.6
