空气组成及发现——波义耳定律的背后

英国著名化学家、哲学家罗伯特·波义耳亲自设计并做了许多实验,发明了减压蒸汽馏(装置如左图),他最早使用有刻度的仪器来测定气体和液体的体积,并总结出了著名的气体定律——波义耳定律．

知能概述

18世纪70年代法国化学家拉瓦锡通过金属汞在空气中燃烧和氧化汞分解的定量实验,第一次明确提出空气是由氧气和氮气组成的,其他科学家继续研究又发现了空气中含有氩气．

空气的组成成分如下:

只由一种物质组成的物质称为纯净物,由两种或多种物质混合而成的称为混合物,空气是混合物．

问题解决

例1　以下装置都可以用于实验室测定空气中氧气含量的实验．

例1图

(1)该实验所依据的原理是______________________________________,实验应选择仅能与空气中的氧气反应的固体物质,如_________、_________,且生成物在常温下应为________(固体、液体或气体)．

(2)实验完毕后,集气瓶中剩余的气体主要是氮气．该实验还能得出氮气具有哪些性质?(写出两条即可)．___________________________________、_______________________________________．

(3)如果图B中未安装止水夹,整个实验过程中能观察到的现象有__________________________________________________________________________．

解题思路　红磷燃烧,消耗装置内空气中的氧气,使密闭容器中气体体积减小,气体压强减小,与大气压强形成压强差,而引起水进入密闭容器中,从而测定空气中氧气的含量．

例2　用来测定空气成分的方法很多,如下图所示的是用红磷在空气中燃烧的测定方法．实验过程是:第一步:将集气瓶容积划分为五等份,并做好标记;第二步:点燃燃烧匙内的红磷,伸入集气瓶中并把塞子塞紧;第三步:待红磷熄灭并冷却后,打开弹簧夹,发现水被吸入集气瓶中,进入集气瓶中水的体积约为集气瓶总容积的1/5．请回答下列问题:

例2图

(1)集气瓶中剩余的气体主要是_________．

(2)实验完毕,若进入集气瓶中水的体积不到总容积的1/5,你认为导致这一结果的原因可能是______________________________________________．

(3)某同学对实验进行反思,提出了改进方法(如图B),你认为改进后的优点是_____________________________________________________________．

解题思路　实验结束后,集气瓶中剩余气体主要是氮气,水进入集气瓶中的多少由集气瓶中气体压强减小的程度决定,而影响气体压强的因素有温度、装置的气密性及反应时消耗的氧气体积等,实验在改进装置B中进行时始终呈密闭状态．

例3　右图所示装置可用来测定空气中氧气的含量．对该实验认识不正确的是(　)．

A．红磷的量不足会影响实验结论

B．装置不漏气是实验成功的重要因素之一

C．将红磷改为炭也能得到正确的实验结论

D．钟罩内气体压强的减小会导致水面的上升

解题思路　若要保证测量结果准确,必须要确保氧气反应充分和装置不漏气,改用炭进行实验时,反应消耗的氧气与充分反应生成的二氧化碳气体体积一样多,则容器中压强几乎不变．

例3图

例4　为测定空气中氧气的含量,小华同学打算设计如下方案:选用实际容积为40mL的试管作反应容器,将过量的白磷放入试管,用橡皮塞塞紧试管,通过导管与实际容积为60mL且润滑性很好的针筒注射器组成如右图的实验装置．假设此实验能够按照小华的设想正常进行,且白磷所占体积与导管内的气体体积忽略不计,请回答下列问题:

例4图

(1)实验前,打开弹簧夹,将注射器活塞前沿从20mL刻度处推至15mL刻度处,然后松开手,若活塞仍能返回至20mL刻度处,则说明______________________________;

(2)若先夹紧弹簧夹,用酒精灯加热白磷,燃烧结束,等到试管冷却后再松开弹簧夹．可观察到的现象为______________________;

(3)若不使用弹簧夹,用酒精灯加热白磷,充分反应直至燃烧结束,试管冷却．可观察到的现象为______________________;

(4)若按小华的设想进行实验,实际可能遇到诸多问题而发生危险,造成实验失败．例如:______________________．

(全国复赛题)

解题思路　(1)中实验是检查装置气密性的一种方法,反应时若不夹紧弹簧夹,反应时生成的大量白烟及反应放出的热会使试管中气体压强增大,活塞右移．但试管冷却后,试管中气体压强又会减小,活塞又会左移．白磷在试管中燃烧时放热,可能会使试管炸裂,而装置中压强过大时,也有可能出现橡皮塞崩出的现象．

与例3比较,用针筒注射器组装测量空气中氧气的含量可直接读数,测量结果更准确．

例5　用红磷燃烧测定空气中氧气含量的实验装置如图所示．

例5图

实验过程中,下列做法会使实验结果产生明显误差的是(　)．

A．使用过量的红磷

B．把红磷改为蜡烛

C．恢复到实验开始前的温度才进行测量

D．不打开橡胶塞,用放大镜聚焦太阳光点燃红磷

(福建省厦门市中考题)

解题思路　利用红磷燃烧的实验测定空气中氧气含量的原理是红磷燃烧消耗氧气,且生成五氧化二磷固体,从而使装置内的气体压强减小;蜡烛燃烧会有二氧化碳气体生成,而造成实验误差．

例6　下列物质属于混合物的是(　)．

A．水银　B．液氮　C．干冰　D．生铁

(广东省广州市中考题)

解题思路　混合物与纯净物是一组相对概念,生铁中含有铁、碳及部分杂质,含有多种物质,故不是纯净物,自然界没有绝对纯净的物质,纯是相对的,不纯是绝对的,高精硅纯度可达到99．999999%,但还是含有微量的杂质．

1．通过实验测定了空气组成的科学家是(　)．

(北京市中考题)

2．某同学利用如图所示装置,选用不同可燃物测定空气里氧气的含量．实验起始时在集气瓶中装入少量水,并将水面上方空间分为五等份．将燃烧匙内的可燃物加热至燃烧或红热后,伸入瓶中,塞紧瓶塞．冷却至室温后打开弹簧夹,记录数据如下表(装置的气密性良好)．

想一想:用红磷燃烧法可得到空气中氧气含量的准确结论吗？

很多科学家在自然科学领域有很多建树,名垂青史,如达尔文的“进化论”,门捷列夫的“元素周期表”,牛顿关于力学的“牛顿定律”等,法国化学家拉瓦锡用定量的方法研究了空气的成分,他是将定量实验引入化学研究的第一人．

第2题图

下列有关解释不合理的是(　)．

A．实验①可能原因是:镁带除与氧气反应外,还能与空气中的其他气体反应

B．实验②可能原因是:铁丝燃烧消耗的氧气与生成的气体体积相等

C．实验③可能原因是:红磷量太少,集气瓶中的氧气未完全反应

D．实验④可能原因是:红磷点燃后,插入燃烧匙时,未迅速塞紧瓶塞,有部分空气逸出

(2020年湖北省武汉市元月调考题)

3．闪电时空气中有臭氧(O3)生成．下列说法中正确的是(　)．

A．O3和O2混合得到的是纯净物

B．O2比O3稳定

C．等质量的O3和O2含有的氧原子数之比是2∶3

D．O3与O2的相互转化是物理变化

(全国复赛题)

4．下列属于纯净物的是(　)．

A．五氧化二磷　B．大理石　C．加碘食盐　D．食醋

(北京市中考题)

5．“空气污染指数”是我国城市空气质量日报的主要内容之一．目前计入其中的各项污染物除可吸入颗粒外,还应包括的气体是(　)．

A．SO2　O2　NO2　B．SO2　CO2　NO2

C．SO2　N2　NO2　D．SO2　CO　NO2

(全国复赛题)

6．有关空气的叙述中,正确的是(　)．

A．空气中的氧气具有可燃性,可用作火箭燃料

B．化工厂废气及汽车尾气,不会造成空气污染

C．稀有气体有广泛的用途,可制成有多种用途的电光源

D．空气中的氮气与氧气体积比约为5∶1

(2019年湖南省衡阳市中考题)

7．空气是一种宝贵的资源,下列生产生活中用到的气体不是来自空气的是(　)．

A．作为燃料电池燃料的H2　B．用于生产氮肥的N2

C．用于医疗急救的O2　D．用于飞艇的He

(2019年广东省广州市中考题)

在O3与O2中,所含的氧原子的相对原子质量相等,故等质量的O3和O2中含有的氧原子个数应一样多．

空气中氧气含量(体积)为21%,约占空气体积的1/5；空气中氮气含量(体积)为78%,则空气中氮气与氧气体积比约为4∶1,D为易错点．

8．图1所示装置可用于测定空气中氧气的含量,其中与集气瓶相连的压强传感器等电子设备能将集气瓶内气体压强精确地记录并保存下来．图2、图3是用该装置测得的红磷和木炭分别在集气瓶中燃烧的压强—时间关系图(该装置气密性良好,p0是集气瓶内初始气压,p和p′分别是反应结束后恢复到室温时集气瓶内的气压)．下列说法正确的是(　)．

第8题图

A．燃烧匙内所装红磷或木炭的多少对实验结果无影响

B．反应开始时集气瓶中压强瞬间变大是由燃烧放热造成的

C．p＝0．79p0,p′＝p0是因为红磷的着火点比木炭低

D．由图3可推出空气中氧气的含量

(湖北省武汉市中考题)

9．下列装置都可用于测定空气里氧气的含量．a、b两物质的选择正确的是(　)．

第9题图

A．a是铜、b是红磷　B．a是铜、b是木炭

C．a是汞、b是红磷　D．a是汞、b是木炭

(四川省成都市中考题)

10．某同学利用右图装置粗略地测定空气中氧气的体积分数．图中烧杯上方玻璃管(预先固定好)中有一可左右滑动的活塞,活塞左端的管内密封有空气,实验开始前活塞处在刻度5cm处．

第10题图

(1)向烧杯内加入适量水,与生石灰反应的目的是_______________________________________;

(2)待生石灰反应后,可观察到玻璃管内发生的现象:

①白磷(足量)________________________________________________;

②活塞___________________移动;

(3)实验结束,恢复至常温后,活塞应停在约________cm处,据此可得出的结论是:_________________________________________________．(www.xing528.com)

11．空气中氧气含量测定的再认识．

【经典赏析】教材中介绍了拉瓦锡用定量的方法研究了空气的成分(实验装置如图1)．

该实验中选择使用汞的优点有__________．

A．实验过程中没有污染

B．在汞槽中起到液封的作用

C．生成的化合物加热分解又能得到汞和氧气

D．能将密闭装置内空气中的氧气几乎耗尽

第11题图

【实验回顾】实验室常用红磷燃烧的方法测定空气中氧气的含量(装置如图2),写出红磷燃烧的化学方程式__________．

兴趣小组用该方法测出的氧气含量常常远低于21%．

【提出问题】用红磷燃烧的方法为什么不能准确地测定空气中氧气的含量?

【进行猜想】(1)装置漏气;(2)__________,装置内氧气有剩余……

【实验与交流】在老师的指导下,小明分别用过量的红磷和白磷进行该实验,用测氧气浓度的传感器测得反应后装置内氧气浓度分别为8．85%和3．21%．请从燃烧条件的角度回答产生上述结果的主要原因__________．

(江苏省南京市中考题)

12．如右图,为了研究空气中所含氧气的体积,用一个50mL量筒倒扣在水中,量筒内外液面均位于40mL处．量筒内浮着一个铜制的小船,船中放有少量白磷．现把氢氧化钠缓缓投入水中并搅拌,这样做的原因是________________________,放白磷的小船用铜做的原因是__________________________．一会儿,白磷发生自燃,还可以观察到___________________,最终,液面大约位于量筒刻度_________处．

第12题图

(湖北省竞赛题)

13．人通过肺与外界进行气体交换,消耗空气中的部分氧气,排出二氧化碳、水蒸气等气体．但人体排出的二氧化碳究竟是吸入空气中原有的,还是人体代谢的最终产物呢?为了证实这个问题,有人采用如右图装置进行实验．

第13题图

(1)人吸气时,将活塞A_____________(填“打开”或“关闭”,下同),活塞B _____________,此时可观察到的现象是________________________．

氢氧化钠固体溶于水时放热,使溶液的温度升高,达到白磷燃烧的最低温度40℃,从而使白磷燃烧．

锥形瓶(Ⅰ)是空气的进气口,为达到实验目的,必须除去空气中的二氧化碳,锥形瓶(Ⅱ)为呼出气体的进气装置,检验呼出的气体中含有较多的二氧化碳．

(2)人呼气时,应将活塞A_________________,活塞B___________________________,此时可观察到的现象是___________________________．

(3)将上述操作反复进行,能证明人呼出的气体中含有的二氧化碳不是来自空气,而是人体的代谢产物的实验现象是______________________________________________．

(湖北省竞赛题)

14．实验室中红磷长期存放时,若密封不好会变得很潮湿．查资料知:红磷能够被氧气氧化生成五氧化二磷．甲、乙两同学为探究具有吸水性的物质究竟是红磷还是五氧化二磷,设计了两个实验进行验证．

实验Ⅰ:将盛有5g干燥红磷的烧杯放入充满稀有气体的密闭容器中,同时在其中放入盛有20mL水的小烧杯．

实验Ⅱ:将盛有5g干燥红磷的烧杯放入充满氧气的密闭容器中,同时在其中放入盛有20mL水的小烧杯．

请回答下面有关问题:

(1)为什么两个实验要采用相同的5g红磷和20mL水作为实验对象?实验Ⅰ中使用充满稀有气体的密闭容器的目的是什么?

(2)一段时间后观察,实验Ⅰ中的红磷没有什么变化,实验Ⅱ中的红磷变潮湿且质量增大,由此可说明什么问题?

(3)如何检验潮湿的红磷中有酸性物质生成?

(河南省竞赛题)

15．人类发明并使用氟利昂(主要用作制冷剂)若干年后,科学家发现氟利昂进入大气层后,在紫外线照射下分解出的氯原子能消耗臭氧,其破坏臭氧层的循环示意图如下:

第15题图

(1)请写出臭氧的化学式_____________,臭氧与氧气化学性质不同的原因是______________________．

(2)经过上述①、②、③的反应过程后,氯原子的个数_________(减少/增加/不变)．

(3)诺贝尔奖获得者莫里纳博士研究表明:“少量的氟利昂就能对臭氧层产生巨大的影响．”请你根据循环示意图简要说明他的观点:__________________________________________________________________．

pH试纸是检验液体是否呈酸、碱性的试剂．使用时将待测液涂在试纸上,与标准比色卡比较读数即可:

溶液呈中性　pH＝7

溶液呈酸性　pH＜7

溶液呈碱性　pH＞7

[阅读此段文字后,可回答第(3)小题．]

(4)在科学家的建议下,国际社会签署了限制使用和消费氟利昂的协议,使得大气中氟利昂的含量得到了控制．请你根据本题提供的信息,就怎样有效保护环境谈一点建议或认识:__________________________________________________________________________________．

(江苏省竞赛题)

16．注射器是一种普通的医疗器械,但它在化学实验中发挥着越来越大的作用．某化学兴趣小组为了测定空气中氧气的含量,进行了如下探究活动:

【查阅资料】白磷的着火点是40℃,红磷的着火点是240℃,两种物质的燃烧产物五氧化二磷是白色固体,会刺激人体呼吸道,能与空气中的水蒸气反应,生成有毒的偏磷酸．

【设计实验】设计了如右图的装置进行探究活动．

【步骤与现象】

①测量试管的容积为40mL;

②检查装置的气密性良好;

③装药品,将注射器活塞调整到合适位置,连接好仪器;

④用弹簧夹夹紧胶皮管,加热粗铜丝,观察现象;

⑤燃烧结束,试管冷却到室温后打开弹簧夹,观察活塞的移动情况．

第16题图

【反思与交流】

(1)实验中利用了铜丝的_________性,与课本实验相比,此实验改进的优点是______________________(答一点即可)．

(2)兴趣小组同学测量试管容积的方法可能是______________________．

(3)步骤③中注射器活塞至少应调到_________mL处(填整数)．

(4)小华同学认为步骤⑤在保证活塞自由移动的前提下,观察活塞位置时,最好将试管和注射器整体横放,小华同学的理由是___________________________________________________________________________．

17．某课外活动小组在学习了铜与氧气反应这一性质后,想做一做“空气中氧气含量的测定”实验,并在最后将铜丝进行回收．

课外活动小组对空气中氧气含量的测定做了如下实验:在由两个注射器组成的密闭系统内有50mL空气,如右图．然后给装有铜丝的玻璃管加热．同时交替推动两个注射器的活塞,至玻璃管内的铜丝变黑且较长时间内无进一步变化时停止．停止加热后,待冷却至室温将气体全部推至一个注射器内．

第17题图

请根据你对上述实验的理解,回答下列问题:

(1)实验结束后,注射器内空气的体积减少了约_________mL,这是因为__________________________________________________________．

(2)在实验的加热过程中,交替缓慢推动两个注射器的目的是________．

(3)上述实验只是粗略测定空气中氧气含量的一种方法,你认为造成该实验不够精确的可能原因是___________________________________．

(河南省竞赛题)

18．某研究性学习小组设计了如右图所示的定量测定装置,其中B是圆筒状玻璃容器(带密封盖子),上面标有以厘米为单位的刻度,其他夹持装置已略去．小玲同学用这套装置按下列操作过程探究空气中氧气的体积分数:

①检查装置的气密性;

②容器A、B中加入水,使B中的液面在15cm处;

③将过量的铁粉平铺在电热板上,盖好容器;

④通电加热铁粉,待充分反应后,冷却到原来的状况,调整A的高度使容器A、B中的液面保持水平,记录液面刻度．

请回答下列问题:

第18题图

(1)在操作①中检查装置气密性的最佳方法是_________．

A．双手握住B容器,观察A中液面是否上升

B．双手握住B容器,观察A中是否有气泡产生

C．调整A的高度,观察A、B中的液体是否出现液面差,且保持不变

(2)在该同学的实验中,下列物质能代替铁粉的是________．

A．红磷　B．木炭　C．铜粉　D．硫粉

(3)操作④结束后,装置B中的液面最接近的刻度是________．

例1　(1)足量红磷燃烧,消耗容器内氧气,瓶内气体压强减小,与大气压形成压强差　铜粉　白磷　固体(2)氮气难溶于水　氮气一般不支持燃烧　(3)插入烧杯中导气管口有气泡冒出,装置冷却后,流入瓶中的水的体积大于广口瓶容积的1/5

例2　(1)氮气　(2)红磷量不足,或温度未冷至室温　(3)反应在密闭容器中进行,实验结果更准确

例3　C

例4　(1)装置的气密性好　(2)白磷燃烧,产生白烟,活塞前沿约在12mL的刻度线上　(3)白磷燃烧,产生白烟,活塞先向右移动,最终稳定在约8mL的刻度线上　(4)橡胶塞弹出、试管爆裂、注射器活塞弹出等

例5　B

例6　D

1．C　2．B　3．B　4．A　5．D　6．C　7．A　8．B　9．C

10．(1)反应放热,使温度达到白磷的着火点　(2)①燃烧产生大量白烟　②先向右后向左(3)4　空气中氧气的含量约为1/5

11．(1)【经典赏析】BCD

【实验回顾】

【进行猜想】红磷的量不足

【实验与交流】白磷的着火点比红磷的着火点低

12．NaOH固体溶解于水时放出热量,使溶液温度升高,达到白磷着火点　铜具有良好的导热性且化学性质较稳定　产生大量白烟,量筒内液面上升　32mL

13．(1)打开　关闭　锥形瓶(Ⅰ)中有气泡产生　(2)关闭　打开　锥形瓶(Ⅱ)中有气泡产生且澄清石灰水变浑浊　(3)锥形瓶(Ⅰ)中无明显变化,锥形瓶(Ⅱ)中澄清石灰水变浑浊

14．(1)以控制变量来进行对照(对比)实验．保护红磷不被氧气氧化,以检验红磷本身的吸水性．　(2)红磷被氧气氧化后生成的五氧化二磷具有吸水性．　(3)用洁净的玻璃棒蘸取红磷样品中的溶液滴到pH试纸上,将试纸显示的颜色与标准比色卡对照,测得其pH小于7,可证明有酸性物质生成．(其他答案合理均可)

15．(1)O3　分子的组成不同　(2)不变　(3)在紫外线照射下,氟利昂分解产生的氯原子能消耗臭氧,在反应过程中,氯原子的个数不变,能使臭氧不断被消耗　(4)减少含氟利昂制品的使用等

16．(1)导热　无须打开橡皮塞,使实验结果更精确　(2)先将试管装满水,再用量筒测定水的体积(3)8　(4)竖直放置注射器时,活塞的移动会使试管内的气体被压缩(或防止试管内气体压缩)

17．(1)10　空气中的氧气与铜反应消耗了,且空气中氧气约占空气体积的1/5　(2)使空气中的氧气与铜充分反应　(3)铜丝不能使注射器中的氧气全部消耗

18．(1)C　(2)AC　(3)12cm