空氣組分對化學實驗的潛在影響

（本文在中學生學習報《試題研究》上發(fā)表）

        安徽省定遠中學  李炳剛

    在有氣體參與的定性、定量化學實驗中，裝置氣密性的檢查，可燃性氣體在加熱或點燃前必須驗純是同學們熟知的。初中化學教材關于空氣組成有這樣的內容，空氣的成分按體積分數(shù)計算，大約是：j（N2）=78% ，j（O2）=21% ，稀有氣體 0.94%，j（CO2）=0.03%，其它氣體和雜質0.03%。一般來說，空氣的成分是比較穩(wěn)定的。從近幾年高考化學實驗命題可以看出，命題者就空氣對化學實驗的潛在影響之考核，主要可分為兩種情況，一是空氣中主要成分N2 、O2 、CO2 以及水蒸氣對定性、定量化學實驗產生的潛在影響，諸如實驗的安全性、制備物質的純度等；二是通過特定裝置的處理，把空氣中的某種成分轉化為化學反應的原料。而忽視空氣的存在以及對其分析不全面是造成丟分的主要因素之一。

1 空氣中O2對物質檢驗產生的影響

例1．（98上海高考題）用下列儀器、藥品驗證由銅和適量濃硝酸反應產生的氣體中含NO（儀器可選擇使用，N2和O2的用量可自由控制）。 已知：①NO+NO2+2OH-→2NO+H2O②氣體液化溫度：NO2  21℃   NO  -152℃  

    
   
    
    
    
    
    
    例1裝置圖
    （5）如果O2過量，則裝置B中發(fā)生反應的化學方程式為：                 
  。 
    解析：銅和適量濃硝酸反應首先產生NO2，隨著硝酸濃度的逐漸減小而產生氣體NO氣體，根據(jù)題給的兩個已知條件，命題的意圖十分明確，檢驗NO2中是否存在NO氣體，首先使NO2液化而與NO分離，然后使NO與O2混合自發(fā)反應生成紅棕色NO2氣體來驗證氣體的存在。解答本題的關鍵是，實驗的系統(tǒng)裝置中充滿的空氣必須排盡，因為空氣中含21%的O2，否則，會對NO的檢驗產生干擾。
       答案：（1）1 5
4 10 11 6 7 2（10和11可以顛倒） （2）驅趕裝置內的空氣，防止反應產生的NO被氧化。（3）通人O2后裝置（D）中有紅棕色氣體生成 （4）分離NO和NO2(或使NO2液化)  （5）4NO2+O2+4NaOH=4NaNO3+2H2O
     2. 空氣中的O2、H2O（g）對物質制備產生的影響
    例2．（2000全國高考題）實驗室可用氯氣與金屬鐵反應制備無水三氯化鐵，該化合物是棕紅色、易潮解，100℃左右時升華。下圖是兩個學生設計的實驗裝置、左邊的反應裝置相同，而右邊的產品收集裝置則不同，分別如（Ⅰ）和（Ⅱ）所示。試回答：
    例2裝置圖
     
    （1）B中反應的化學方程式為：          
（2）D中的反應開始前，需排除裝置中的空氣，應采取的方法是：        

    （3）D中反應化學方程式為：                
   （4）裝置（Ⅰ）的主要缺點是：                        
 
    （5）裝置（Ⅱ）的主要缺點是：             
   如果選用此裝置來完成實驗，則必須采取的改進措施是：        

    解析 ：要制備純凈的FeCl3 ，命題者獨具匠心地從反應前與反應后空中的 O2 、 H2O（g）可能對制備FeCl3純度產生影響而展開命題。反應前，裝置內的空氣若不排盡，氧氣與鐵反應生成部分鐵的氧化物，命題時把空氣中的潛在的影響直接化為顯性，因而設置排除裝置中空氣的具體實驗方法的問題情境。反應后，設置對產品收集兩套裝置的主要缺點進行評價，其中對裝置II的評價，要求考慮裝置外空氣中的H2O（g）對FeCl3產生的潛在影響，即水蒸氣遇氯化鐵發(fā)生水解反應致使產品不純。
    答案：（1）略 （2）B中的反應進行一段時間后，看到黃綠色的氣體充滿裝置，再開始加熱 。（3）略 （4）導管易被產品堵塞，尾氣易造成環(huán)境污染。（5）在瓶E和F之間連接裝有干燥劑的裝置。
    3 空氣中的CO2對定量實驗產生的影響
    例3．（99年全國高考題）為了測定人體新陳代謝呼出氣體中CO2的體積分數(shù)，某學生課外小組設計了如下圖的實驗裝置。實驗中用過量NaOH溶液吸收氣體中的CO2，準確測量瓶I中溶液吸收CO2后的增重及剩余氣體的體積（實驗時只用嘴吸氣和呼氣），請?zhí)羁铡?/p>
    (1))圖中瓶II的作用是______。
    (2)對實驗裝置尚有如下A、B、C、D四種建議合理的是（填代號）______。  
      A.在E處增加CaCl 2干燥管     

     B.在F處增加 CaCl 2干燥管
     C.在E和F兩處增加CaCl 2干燥管   D.不必增加干燥管                                    
例3裝置圖
     
    (3)將插入溶液的管子下端改成具有多孔的球泡（圖中的III），
    有利于提高實驗的準確度，其理由是______。
    (4)實驗時先緩緩吸氣，再緩緩呼氣，反復若干次，得如下數(shù)據(jù)：瓶I溶液增重a g，收集到的氣體體積（標準狀況）為b L，該呼出氣體中CO2的體積分數(shù)是（列出算式）：                    
 。
    (5)實驗中若猛吸猛呼，會造成不安全后果，猛吸
時會______，猛呼時會______。
    解析：瓶I、瓶II內空氣與導管內的空氣構成該實驗的封閉體系，該體系內的CO2氣體對該定量實驗一定產生影響，如何消除這一影響？先看一道題
（2004年全國高中化學奧賽初賽題），某實驗測出人類呼吸中各種氣體的分壓/Pa如下表所示：
    (1) 請將各種氣體的分子式填入上表。        

    氣體
    吸入氣體
    呼出氣體
    (N2 )
    79274
    75848
    (O2 )
    21328
    15463
    (CO2)
    40
    3732
    (H2O)
    667
    6265
    (2) 指出表中第一種和第二種呼出氣體的分壓
    小于吸入氣體分壓的主要原因。
    答案： （1）見表中小括號內的化學式。
    （2） 呼出氣中的N2的分壓小于吸入氣中的分壓的主要原因是呼出氣中的CO2和水蒸氣有較大分壓，總壓不變，因而N2的物質的量分數(shù)下降；呼出氣中的O2的分壓小于吸入氣中的分壓的主要原因是吸入的O2被人體消耗了。 
    當吸入空氣中的CO2與人體新陳代謝產生的CO2 一起呼出時，通過瓶II內的氣液表面接觸反應，因反應速率較小，可視為原空氣中的CO2被吸收。通過瓶I內的氣液直接反應，因反應速率較大，可視為人體新陳代謝產生的CO2被吸收。至此（1）問顯然是除去吸入空氣中的CO2
。由于從瓶I逸出氣體中的H2O（g）與未實驗前裝置中的H2O（g）含量相當，對該實驗的影響可忽略不計，故（2）問選D。（3）可增大氣體與溶液的接觸面積，使氣體中的被充分吸收。（4）略。（5）把瓶I中的溶液吸入口中；把瓶II中的溶液吹出瓶外。 
    4 把空氣中的某組分轉化為化學反應的原料
    例4．（2004年天津高考題）I、II略。III. 為了在實驗室利用工業(yè)原料制備少量氨氣，有人設計了如下裝置（圖中夾持裝置均已略去）。
    


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          酚酞水溶液
          水
          鐵觸媒
          堿石灰
          鋅粒
          有孔塑料板
          例4裝置圖
          [實驗操作]
          ① 檢查實驗裝置的氣密性后，關閉彈簧夾a、b、c、d、e。在A中加入鋅粒，向長頸漏斗注入一定量稀硫酸。打開彈簧夾c、d、e，則A中有氫氣發(fā)生。在F出口處收集氫氣并檢驗其純度。
          ② 關閉彈簧夾c，取下截去底部的細口瓶C，打開彈簧夾a，將氫氣經導管B驗純后點燃，然后立即罩上無底細口瓶C，塞緊瓶塞，如圖所示。氫氣繼續(xù)在瓶內燃燒，幾分鐘后火焰熄滅。
          ③ 用酒精燈加熱反應管E，繼續(xù)通氫氣，待無底細口瓶C內水位下降到液面保持不變時，打開彈簧夾b，無底細口瓶C內氣體經D進入反應管E，片刻后F中的溶液變紅。
          回答下列問題：
          （1）檢驗氫氣純度的目的是                 
。
          （2）C瓶內水位下降到液面保持不變時，A裝置內發(fā)生的現(xiàn)象是             
，防止了實驗裝置中壓強過大。此時再打開彈簧夾b的原因是                 
，C瓶內氣體的成份是                
。
          （3）在步驟③中，先加熱鐵觸媒的原因是           
。反應管E中發(fā)生反應的化學方程式是                     
。
          解析：本題圍繞合成氨反應的兩種氣體原料的制備，空氣組分對合成氨實驗的影響：（1）H2驗純的目的（空氣中O2的存在是關鍵） ；（2）空氣中N2的提純（合成氨反應的原料）等。一環(huán)扣一環(huán)地進行實驗方案的設計，由此設置問題來考核考生的觀察能力、實驗能力以及分析、解決問題的能力。其中（2）問的解答難度最大，在題給實驗條件下，細口瓶C內空氣中的O2經點燃H2除去后，隨著H2的不斷充人，細口瓶C內氣體的壓強逐漸增大，必導致細口瓶C內的水位下降，當降到液面保持不變時，根據(jù)啟普發(fā)生器工作原理知，A裝置內H2氣體壓強會迅速增大，故造成鋅粒與酸脫離。
          答案：（1）排除空氣，保證安全 （2）鋅粒與酸脫離  盡量增大H2的濃度以提高的轉化率  N2 、H2 （3）鐵觸媒在較高溫度時活性增大，加快氨合成的速率。 N2 +3H2 2NH3                

           
          
				
	
          
		
          


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