空气与氧气

目的：验证氧气约占空气体积的五分之一。步骤：取一支容积为 $50\ \text{mL}$ 的粗试管，放入足量红磷，塞紧带导管的塞子，导管另一端插入水槽；加热红磷，红磷剧烈燃烧并产生大量白烟，$\mathrm{4P + 5O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2P_2O_5}$；待火焰熄灭、装置完全冷却后打开夹子。

现象：水沿导管进入试管，约占试管容积的五分之一（约 $10\ \text{mL}$）。结论：氧气约占空气体积的 $\dfrac{1}{5}$，即约 $20\%$；剩下的气体主要是氮气，它不燃烧、不支持燃烧、不溶于水。为什么必须用红磷：生成物 $\mathrm{P_2O_5}$ 是固体，不占气体体积。若换成木炭或硫，生成的 $\mathrm{CO_2}$、$\mathrm{SO_2}$ 是气体，会补上被消耗的体积，水就进不来了。结果偏小的三个原因：红磷量不足、装置漏气、没有完全冷却就打开夹子（瓶内气体受热膨胀，进水偏少）。

1. 检查气密性：连好装置，导管一端浸入水中，用手握住锥形瓶，导管口有气泡冒出说明不漏气。
2. 装药品：先在锥形瓶中加少量二氧化锰（催化剂），再从分液漏斗滴入过氧化氢溶液，控制滴加速度使气泡均匀。
3. 收集与验满：用排水法时集气瓶先装满水，待气泡连续均匀冒出后再开始收集（最先冒出的是瓶内空气，会使氧气不纯），水从瓶口排尽即满；若用向上排空气法，用带火星的木条放瓶口验满。收集满后正放在桌上并盖玻璃片。

关键结论：二氧化锰只加速反应，反应前后质量不变，可回收重复使用。

第一步：算出参加反应的溶质质量。 溶液里只有 $\mathrm{H_2O_2}$ 参加反应，水不参加：$m(\mathrm{H_2O_2}) = 68\ \text{g} \times 5\% = 3.4\ \text{g}$。第二步：写出化学方程式，这是一切计算的依据：

$\mathrm{2H_2O_2 \xrightarrow{\mathrm{MnO_2}} 2H_2O + O_2\uparrow}$

第三步：找已知量与未知量的质量关系。 $\mathrm{H_2O_2}$ 的相对分子质量为 $2 + 32 = 34$，系数是 2，对应质量 $2 \times 34 = 68$；$\mathrm{O_2}$ 的相对分子质量为 32，系数是 1，对应质量 32。即两者质量比恒为 $68 : 32$。第四步：设未知数并列比例式。 设生成氧气质量为 $x$，则 $\dfrac{68}{32} = \dfrac{3.4\ \text{g}}{x}$。第五步：求解。 交叉相乘得 $68x = 32 \times 3.4\ \text{g}$，故 $x = \dfrac{32 \times 3.4}{68} = 1.6\ \text{g}$。第六步：检验。 单位是克，与所设未知数一致；数值上 $1.6\ \text{g}$ 小于 $3.4\ \text{g}$，符合「氧气只是分解产物的一部分」这一常识。答：可制得氧气 $1.6\ \text{g}$。