Question

【題目】某化學(xué)小組同學(xué)做鎂條在空氣中燃燒實驗時，發(fā)現(xiàn)生成物中還有少量黑色固體，針對這一現(xiàn)象及相關(guān)問題，他們展開了如下探究，請仔細(xì)閱讀并參與他們的探究之旅。

（探究目的）探究黑色固體時鎂與空氣中什么物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的？

（查閱資料）

（1）稀有氣體一般不與其它物質(zhì)反應(yīng)；

（2）光亮的鎂條與水反應(yīng)，表面會生成白色固體。

（分析猜想）分析空氣中各成分，進(jìn)行猜想：

（1）猜想①是氧氣 猜想②是氮氣 猜想③是_____________。

（實驗一）鎂帶與氧氣的反應(yīng)

（一）甲同學(xué)探究了影響過氧化氫制取氧氣速度的某種因素，進(jìn)行了三次實驗并記錄了各種收集相同體積氧氣所需要的實驗如下表：

實驗	過氧化氫的濃度	過氧化氫溶液的質(zhì)量（g）	二氧化錳的質(zhì)量（g）	收集時間（s）
1	10%	20	1	40
2	15%	20	1	20
3	20%	X	1	12

（2）第3次實驗中，X的值應(yīng)為_______________；

（3）實驗結(jié)論：在相同條件下，___________，過氧化氫分解得越快。

（二）乙同學(xué)在量筒中盛滿水，倒置與水槽中，通過分液漏斗把20 mL某濃度得過氧化氫溶液加入錐形瓶中，記錄量筒中氣體得體積（圖1）。數(shù)據(jù)如下表：

時間/min	1	3	5	7	9	10
量筒讀數(shù)/mL	60.0	82.0	88	89.5	90	90

（4）請根據(jù)以上過程和實驗數(shù)據(jù)綜合分析，最終生成氧氣得體積是_________mL；

（5）請在下面坐標(biāo)中繪制出0～10min生成氧氣體積隨時間變化得曲線____________；

（三）燃燒鎂帶，觀察現(xiàn)象

將鎂帶打磨光亮，點燃，伸入盛滿氧氣的集氣瓶中，產(chǎn)生大量白煙，生成白色固體。

實驗結(jié)論：鎂與氧氣反應(yīng)生成白色的氧化鎂。

（實驗二）鎂帶與氮氣的反應(yīng)

（一）收集純凈的氮氣

（二）燃燒鎂帶，觀察現(xiàn)象

將鎂帶打磨光亮，點燃，伸入盛有氮氣的集氣瓶中，瓶內(nèi)壁附著一層淡黃色的固體。

（6）實驗結(jié)論：鎂與氮氣在點燃得的條件下發(fā)生化合反應(yīng)生成淡黃色的氮化鎂（Mg3N2），該反應(yīng)的化學(xué)方程式是______________。

（探究結(jié)論1）

（7）綜上所述，關(guān)于鎂在空氣中燃燒產(chǎn)生黑色固體的猜想是猜想________（填序號）成立。

（探究結(jié)論2）

（8）如果用足量的鎂替代紅磷進(jìn)行空氣組成實驗，實驗測得氧氣的體積分?jǐn)?shù)比實際值_______（填“偏大”或“偏小”）。

（實驗回顧）實驗室常用紅磷燃燒的方法測定空氣中氧氣含量（圖2），由于紅磷需要在瓶外點燃再伸入瓶內(nèi)，常常帶來污染以及誤差。

（實驗改進(jìn)）同學(xué)們選擇了著火點更低的白磷，并對裝置圖做了改進(jìn)（圖3）.主要操作是：再實際容積為180mL的集氣瓶里，先裝進(jìn)50 mL的水，再按圖連接好儀器，按下熱的玻璃棒，白磷立即被點燃。

（9）白磷從燃燒到熄滅冷卻的過程中，瓶內(nèi)水面的變化是_______________；

（10）若實驗中無誤差，最終集氣瓶中水的體積約為_________mL。

（11）集氣瓶里預(yù)先裝進(jìn)50 mL水的作用，其一是為了加快集氣瓶的冷卻速度；其二則主要是_____。

（實驗與交流）

（12）為了幫助同學(xué)們更好地理解空氣中氧氣含量測定的實驗原理，老師利用傳感器技術(shù)定時測量了實驗裝置（圖4）內(nèi)的壓強、溫度和氧氣濃度，三條曲線變化趨勢如圖5所示。Y曲線表示的是________（填“溫度”或“氧氣的濃度”或“壓強”）變化趨勢；X曲線中CD段上升的原因是________。

Answer 1

【答案】二氧化碳 20 在相同條件下，過氧化氫溶液的濃度越大則分解得越快 70 見解析（將每個時間的氧氣體積減去 20 后再描點，連成一條平滑曲線） 3Mg + N2 Mg3N2 ③ 偏大 先下降再上升且比開始時要高 76mL 液封，防止氣體因受熱膨脹從導(dǎo)管處逸出 見解析 當(dāng)溫度冷卻至室溫時，打開活塞，燒杯內(nèi)的水進(jìn)入集氣瓶內(nèi)，使瓶內(nèi)氣壓升高至外界大氣壓

【解析】

（1）空氣中除氧氣和氮氣外，還有二氧化碳?xì)怏w，所以猜想③是二氧化碳；

（2）甲同學(xué)探究了影響過氧化氫制取氧氣速度與過氧化氫濃度的關(guān)系，分解控制變量法取用過氧化氫溶液的質(zhì)量要相等，因此X為20。

（3）由實驗數(shù)據(jù)分析可知，在相同條件下，過氧化氫溶液的濃度越大則分解得越快；

（4）量筒中排開水的體積就是收集到氧氣的體積，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，向錐形瓶中加入了20mL的過氧化氫溶液，最終量筒中氣體的體積為90，說明加入的過氧化氫和生成氧氣的體積和為90ml，所以最終生成氧氣的體積是70mL；

（5）圖略（將每個時間的氧氣體積減去 20 后再描點，連成一條平滑曲線）

（6）鎂與氮氣在點燃條件下發(fā)生化合反應(yīng)生成淡黃色的氮化鎂（Mg3N2） 該反應(yīng)的化學(xué)方程式是 3Mg + N2 Mg3N2

（7）綜上分析，鎂與氧氣反應(yīng)生成白色的固體，鎂與氮氣反應(yīng)生成黃色的固體，故關(guān)于鎂在空氣中燃燒產(chǎn)生黑色固體是鎂與二氧化碳的反應(yīng)，即猜想 ③ 成立；

（8） 如果用足量的鎂代替紅磷進(jìn)行空氣組成實驗，因鎂會與氮氣和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，所以實驗測得氧氣的體積分?jǐn)?shù)比實際值偏大；

（9）白磷燃燒會使得裝置內(nèi)壓強變大，所以瓶內(nèi)水面會下降，當(dāng)磷熄滅冷卻后因消耗掉瓶內(nèi)氧氣使得裝置內(nèi)壓強變小，所以瓶內(nèi)水面會上升，故從燃燒到熄滅冷卻的過程中，瓶內(nèi)水面的變化是先下降再上升且比開始時要高；

（10）.實際容積為180mL 的集氣瓶里，先裝進(jìn) 50mL，說明有130mL的空氣，氧氣約占五分之一，即26mL， 若實驗中無誤差，最終集氣瓶中水的體積為50+26＝76mL；

（11）.集氣瓶里預(yù)先裝置的 50mL 水的作用，其一是為了加快集氣瓶的冷卻速度，其二則主要是液封，防止氣體因受熱膨脹從導(dǎo)管處逸出；
（12）當(dāng)溫度冷卻后打開止水夾后水進(jìn)入集氣瓶中，使瓶中的壓強基本恢復(fù)到原來的值，故X是壓強變化線，故Y 曲線表示的是溫度的變化趨勢，Z曲線一直降低，故是氧氣的濃度先 ，X 曲線中 CD 段上升的原因是當(dāng)溫度冷卻至室溫時，打開活塞，燒杯內(nèi)的水進(jìn)入集氣瓶內(nèi)，使瓶內(nèi)氣壓升高至外界大氣壓 。