Question

【題目】某化學小組同學做鎂條在空氣中燃燒實驗時，發現生成物中還有少量黑色固體，針對這一現象及相關問題，他們展開了如下探究，請仔細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反應產生的？

（查閱資料）

（1）稀有氣體一般不與其它物質反應；

（2）光亮的鎂條與水反應，表面會生成白色固體。

（分析猜想）分析空氣中各成分，進行猜想：

（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

（一）甲同學探究了影響過氧化氫制取氧氣速度的某種因素，進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	過氧化氫溶液的質量（g）	二氧化錳的質量（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的值應為_______________；

（3）實驗結論：在相同條件下，___________，過氧化氫分解得越快。

（二）乙同學在量筒中盛滿水，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）。數據如下表：

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

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

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

（三）燃燒鎂帶，觀察現象

將鎂帶打磨光亮，點燃，伸入盛滿氧氣的集氣瓶中，產生大量白煙，生成白色固體。

實驗結論：鎂與氧氣反應生成白色的氧化鎂。

（實驗二）鎂帶與氮氣的反應

（一）收集純凈的氮氣

（二）燃燒鎂帶，觀察現象

將鎂帶打磨光亮，點燃，伸入盛有氮氣的集氣瓶中，瓶內壁附著一層淡黃色的固體。

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

（探究結論1）

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

（探究結論2）

（8）如果用足量的鎂替代紅磷進行空氣組成實驗，實驗測得氧氣的體積分數比實際值_______（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，常常帶來污染以及誤差。

（實驗改進）同學們選擇了著火點更低的白磷，并對裝置圖做了改進（圖3）.主要操作是：再實際容積為180mL的集氣瓶里，先裝進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）集氣瓶里預先裝進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定時測量了實驗裝置（圖4）內的壓強、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管處逸出 見解析 當溫度冷卻至室溫時，打開活塞，燒杯內的水進入集氣瓶內，使瓶內氣壓升高至外界大氣壓

【解析】

（1）空氣中除氧氣和氮氣外，還有二氧化碳氣體，所以猜想③是二氧化碳；

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

（3）由實驗數據分析可知，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，根據數據分析，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生化合反應生成淡黃色的氮化鎂（Mg3N2） 該反應的化學方程式是 3Mg + N2 Mg3N2

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

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

（9）白磷燃燒會使得裝置內壓強變大，所以瓶內水面會下降，當磷熄滅冷卻后因消耗掉瓶內氧氣使得裝置內壓強變小，所以瓶內水面會上升，故從燃燒到熄滅冷卻的過程中，瓶內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 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管處逸出；
（12）當溫度冷卻后打開止水夾后水進入集氣瓶中，使瓶中的壓強基本恢復到原來的值，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 段上升的原因是當溫度冷卻至室溫時，打開活塞，燒杯內的水進入集氣瓶內，使瓶內氣壓升高至外界大氣壓 。