一道探究气体成分实验题引发的思考.pdf

化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）初三学生在化学学习过程中，遇到了这样一道探究气体成分的实验探究题：同学们在吃薯片时，对包装袋中充入的气体产生了兴趣。他们认为薯片包装时充入气体，是为了防止膨化食品被挤压、破碎，防止产品油脂氧化、酸败，该气体应该是清洁、无毒、干燥的，能保证膨化食品长期不变色、变味，食用安全。提出问题 这是什么气体？猜想假设 甲同学猜想是氧气，乙同学猜想是二氧化碳，丙同学猜想是氮气，丁同学猜想是二氧化硫。（1）大家讨论后认为除了甲同学的猜想不合理外，同学的猜想也不合理，理由。（2）乙同学为了判断自己的猜想，先用注射器抽取某种品牌薯片包装袋中的气体，然后用排水法将注射器中的气体收集到集气瓶中，再用燃着的木条伸入集气瓶中，发现木条熄灭，于是乙同学判断自己的猜想正确。你是否同意他的观点？（填“同意”或“不同意”），理由是。（已知镁条不仅能在氧气中燃烧，镁条在氮气中也能燃烧，生成淡黄色的氮化镁（Mg3N2）固体。）这样一道实验探究题，同学们很有兴趣，于是，我决定让同学们实际动手操作，来证实薯片包装袋内的气体成分。一、实验仪器与药品选用可比克和乐事两个品牌的薯片若干包，蜡烛，澄清石灰水，镁条，砂纸，pH试纸，红色石蕊试纸，火柴，导管，集气瓶，水槽，橡皮筋，硬质玻璃管，水槽等。二、实验方法步骤1.排水法收集薯片包装袋内气体为简化实验操作，选择直接用排水法收集包装袋内气体。玻璃弯管一端用水润湿，然后将其旋进胶皮管中，胶皮管的另一端连接一个30的玻璃管，胶皮管中间部分夹紧一个止水夹。左手紧紧捏住薯片包装袋的一角，右手拿起剪刀，剪下一个小口，将玻璃管的另一端快速插入包装袋内，然后用橡皮筋扎紧。取水槽接满水，将集气瓶装满水倒扣在水槽中，将胶皮管捏住，移开止水夹，将30的玻璃管插入水槽中的集气瓶，慢慢挤压薯片包装袋排出气体。以此操作收集气体，将收集满的气体在水下盖上玻璃片，移出水面，正放桌面。收集装置如图1所示。图1排水法收集袋内气体2.检验该气体是否为二氧化碳将玻璃管放入澄清石灰水中，挤压包装袋，排出气体，观察澄清石灰水是否变浑浊。实验现象为澄清石灰水未变浑浊。实验装置见图2。3.检验该气体是否为氧气取一瓶排水法收集的气体，将燃着的小蜡烛置于燃烧匙中，然后缓慢伸入瓶中，观察蜡烛燃烧情况。实验现象为燃着的蜡烛熄灭。实验装置及现象见图3。一道探究气体成分实验题引发的思考陈彩静（安徽省合肥市第五十中学天鹅湖教育集团望岳校区安徽 合肥230000）摘要：通过一道常见气体成分探究题，利用氧气、二氧化碳、氮气、镁的相关性质来进行设计探究实验。在实验过程中不断改进优化实验方案及实验装置，发现排水法收集的薯片包装袋内气体因含有较多的水蒸气，镁条在其内燃烧观察不到明显的黄色，但可用红色石蕊试纸检测到碱性气体氨气的存在；使用注射器抽取气体进行实验，可观察到淡黄色固体氮化镁的存在。通过威尼尔氧气传感器可测知袋内气体还含有少量的氧气。关键词：氮化镁；红色石蕊试纸；氧气传感器文章编号：1008-0546（2022）12x-0069-03中图分类号：G632.41文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.12x.016研究性学习 研究性学习 69化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）4.检验该气体是否为氮气取打磨过的镁条，用坩埚钳夹住，在酒精灯上引燃后缓慢插入一瓶排水法收集的气体中，玻璃片始终盖在集气瓶上，观察现象。发现镁条在集气瓶内继续燃烧，产生大量白烟。实验现象如图4所示。图4镁条在瓶内燃烧根据上述实验，可以推知，该气体不能使澄清石灰水变浑浊，排除是二氧化碳气体的猜想；该气体不支持蜡烛燃烧，排除是氧气的猜想。但镁条燃烧时产生大量白烟及白色固体，并没有黄色固体出现，薯片包装袋内的气体到底是不是氮气呢？有无其他方法进行检验呢？三、实验再探究继续进行镁条在薯片包装袋气体中的燃烧实验，燃烧结束后，在玻璃片上放上润湿的pH试纸及红色石蕊试纸，1然后将玻璃片扣放回集气瓶中，一段时间后，观察现象。发现红色石蕊试纸变蓝，说明有碱性气体生成；pH试纸变色，与标准比色卡对照，pH约为9。两种试纸均证明镁条在薯片包装袋内气体中燃烧后有碱性气体生成。将集气瓶中的白色固体收集，转移到带导管的试管中，并向试管中加少量水，然后用酒精灯外焰对其加热，将产生的气体通入无色酚酞溶液中，无色酚酞变红。现象见图5、图6。图5湿润的红色石蕊试纸变蓝、pH为9图6将生成的固体加水后加热将集气瓶中的气体换成空气后重复上述实验，结果显示在玻璃片上放上润湿的pH试纸及红色石蕊试纸均无明显现象。将集气瓶中的白色固体收集并进行加热，无色酚酞溶液不变红。此实验操作排除氧化镁固体的干扰。查阅资料可知，2 3镁在氮气中燃烧会生成氮化镁，氮化镁易与水反应生成氢氧化镁与氨气，氨气为碱性气体，可使酚酞溶液变红。通过该探究实验可知，镁条在薯片包装袋内气体中燃烧后生成的固体与水反应后有碱性气体生成。但氮化镁固体为黄色，在镁条燃烧实验中观察不到明显的黄色，只有白色。这是为什么呢？是氮化镁迅速与气体中的水蒸气反应，还是包装袋内不仅仅是氮气？四、氧气含量的数字化实验为进一步探究薯片包装袋内气体成分，下面将借助威尼尔氧气传感器、二氧化碳传感器对可比克，乐事，好丽友三个品牌的薯片袋内气体成分进行数字化实验，袋内气体均采用排水法收集。测试结果显示三图3将燃着的蜡烛伸入到瓶内及现象图2将气体通入澄清石灰水中研究性学习 研究性学习 70化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）2520151050200氧气含量（%）好丽友3.33%2520151050200乐事2.16%氧气含量（%）时间/（s）时间/（s）252015105020时间/（s）氧气含量/%可比克5.80%图7氧气传感器及三种薯片袋内氧气含量者二氧化碳含量差别不大，与空气中二氧化碳含量相近，约为0.03%，但氧气含量差别较大，氧气含量最高的为可比克，达到5.80%，好丽友氧气含量为3.33%，乐事氧气含量相对最低为2.16%。结合前文实验内容及现象，分析可知，薯片包装袋内的气体主要是氮气，其次是氧气。实验结果见图7。五、实验装置改进镁条在乐事薯片袋内气体中燃烧时也产生大量白烟，镁条呈红热状态。为什么镁条在气体中燃烧并没有明显的黄色固体呢？排水法收集的气体中含有较多的水蒸气，使得生成的氮化镁与水蒸气反应，生成了白色的氢氧化镁与氨气，镁条与氧气反应又生成白色氧化镁，两者的干扰使黄色固体现象不明显，下面对实验装置进行改进，见图8。该装置可排除水蒸气的干扰。图8改进的实验装置该装置自左向右依次为 50 mL 注射器，容积为25 mL的硬质玻璃管，管内为0.5 g左右的镁粉（增大反应时的接触面积），胶皮管与止水夹。实验步骤为：（1）先用注射器从乐事薯片包装袋中抽取约40 mL气体；（2）将针头插入到硬质玻璃管一端的橡胶塞里，推动注射器活塞，推动速度不要太快，否则气流将镁粉带出，将硬质玻璃管内空气排出，然后迅速夹紧止水夹；（3）用酒精灯在镁粉位置先预热后固定加热，观察现象。通过此方案，最终得到的固体为淡黄色，见图9。将淡黄色固体转移到小试管中，加水，在管口用小橡胶塞固定住润湿的红色石蕊试纸，最终试纸变蓝，见图10。通过此清晰的实验现象，我们可以得出，薯片包装袋内的气体确实主要为氮气。图9淡黄色固体图10红色石蕊试纸变蓝（下转第97页）研究性学习 研究性学习 71化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）图4反应中相对湿度变化图3反应中氧气含量变化第五步：待氧气浓度降低到一定程度反应停止后，取出铜丝，用扇闻法小心地闻烧杯中液体产生的气味（有刺激性气味）。三、说明与反思为保证安全，自制装置没有“绝对密封”。但传感器测定的是螺旋状铜丝附近区域的数值，具有一定的可信度，特别是湿度在测试的243秒时间内从77.14%增大到82.86%，起始的77.14%就是空气的湿度，足以表明实验有水蒸气生成。同时，反应进行到2 min 55 s时氧气的含量从起始19.62%降到最低6.13%，氧气太少导致铜丝不再红热（停止反应），外面空气渗入（没有“绝对密封”），含氧量逐渐增大。但温度不够，反应不能再进行。所以含氧量的测定也具有可信度。实验操作过程中，倾倒液体时要注意液体不要与传感器接触；铜丝放入到烧杯中后要调整螺旋状铜丝与传感器和烧杯内壁的距离，以免高温对装置造成损坏。为确保实验成功，最后一次螺旋状铜丝在酒精灯上加热时间长一点，直到看到有红热出现再插入烧杯中，否则有可能看不到理想的实验现象。实验用品（硬纸、废光盘）易得，组装的装置可多次使用，操作简单方便，成功率高。实验结束后，反应装置中烧杯内壁有液滴的思考、热的氧化铜插入装有乙醇试管上端时的现象等引发的关于乙醇挥发性、反应热效应的问题思考，是引导学生通过实验现象发现问题、解决问题的重要途径，可以帮助学生基于客观实验事实构建对乙醇被氧化成乙醛的理解。图2红热的铜丝插入乙醇中六、实验小结通过此探究实验，我们可知，薯片包装袋内的气体成分并不是单一的，而是混合物，主要成分为氮气。这样选择一方面可满足食品包装的需求；另一方面又可降低成本。通过此探究实验发现，镁条与潮湿的袋内气体反应时发生了两步反应：3Mg+N2点燃=Mg3N2、Mg3N2+6H2O=3Mg（OH）2+2NH3，导致观察不到明显的黄色固体，但可检测到氨气的存在；干燥的薯片包装袋内气体与镁粉反应才能观察到明显的黄色固体，该黄色固体与水反应生成碱性气体氨气。参考文献1 王培明，齐俊林.镁与氮气反应的实验设计 J.创新设计，2013（11）：59-60.2 吴莹.镁条燃烧实验的教学设计研究 J.点滴，2013（12）：86-87.3 代冬梅，丁伟.氮化镁的实验室简易制备方法 J.实验研究，2015（3）：50-53.（上接第71页）实验教学研究 实验教学研究 97