初中化学拉瓦锡测空气实验（空气中氧气含量如何测定）

在测量工具和测量方法缺乏的十八世纪，拉瓦锡善于充分利用天平的作用对空气组成成分进行了详实的定量研究，从而建立了燃烧的氧学说。

拉瓦锡（A. -L. Lavoisier，1743-1794）

1773年，31岁的拉瓦锡在《物理化学简论》中指出：在钟罩里的水银（Hg）面上燃烧白磷（P4），燃烧后水银面上升，表明部分空气被消耗，剩下的空气不能使白磷燃烧；1盎司的白磷大约可得到2.3盎司的五氧化二磷白色粉末（P2O5，当时其化学式未知），其增加的重量和所消耗的五分之一容积的空气质量几乎相等。

那么，为什么拉瓦锡又用汞来定量研究空气的成分呢？

当时受燃素学说的影响，当时空气的组成成分仍然是迷。1775年，法国化学家贝岩在《物理学报》中描述了“红色沉淀物”（氧化汞，HgO）热分解实验：在未加任何含有燃素的物质条件下，氧化汞受热生成金属汞，质量减少了十五分之一，同时放出大量气体。但是他并没有将气体收集起来进行深入研究。

拉瓦锡研究空气成分所用的装置

受此启发，1777年，拉瓦锡在一个大曲颈甑（A）加热水银，甑与钟罩（E）内水银面上的空气相通，连续加热十二天，容器中气体体积减少了将近五分之一，部分银白色的汞变成了红色的氧化汞粉末。他又研究了剩下的五分之四体积的气体，发现这部分剩余的气体既不能供给呼吸，又不支持燃烧。

拉瓦锡将红色粉末收集起来重复贝岩的实验，他将放出的气体收集起来，并和上面的剩余气体混合起来再次组成了通常的空气。由此，他抨击了错误的燃素学说，建立了燃烧的氧学说。

汞与氧气加热反应及氧化汞加热分解化学方程式

用汞来测定空气中氧气的含量有以下几个缺点：1）汞蒸汽有毒；2）耗时长，需要连续加热12天；3）耗能大；又由于白磷能自燃，比较危险，因而教科书上普遍使用红磷（P）来代替白磷进行氧气含量测定的实验。

教科书上测定空气中氧气含量的常用装置

用该装置进行实验对实验结果的误差可能有以下因素造成（人教版九年级化学教材解读，2.3做了修改）：

1. 氧气体积分数小于五分之一的可能原因：1）装置漏气；2）红磷量不足；3）装置未冷却到室温就打开弹簧夹；4）氧气浓度较低时，红磷不能继续燃烧；5）导管中没有事先注满水，燃烧冷却后，一部分水滞留在导管中，进入瓶内的水较少。

2. 氧气体积分数大于五分之一的可能原因：1）点燃红磷前，插入集气瓶中速度太慢，导致部分空气受热膨胀逸出；2）点燃红磷前未夹紧弹簧夹，导致瓶内气体沿导管逸出；3）样品中含有能与空气中其他气体反应的物质。

装置的优化

这套装置还能进行优化吗？可以从以下几方面入手：

1.点燃红磷前，插入集气瓶太慢，导致部分受热空气膨胀逸出：为避免这步操作，可以用白磷代替，但是白磷易自燃，且剧毒（红磷无毒）；

优化装置一：白磷代替红磷

2.导管中没有事先注满水，燃烧冷却后，一部分水停留在导管中，未进入瓶中：可以考虑利用针筒等有刻度且含活塞的装置来测量体积，但是加热过程中气体受热导致活塞易被弹出；

优化装置二：利用注射器测量气体体积

3.从原料易得的角度考虑，可以用碳/硫等代替红磷，但是燃烧产生二氧化碳或二氧化硫气体，需要碱液吸收，增加了成本；

优化装置三：硫代替红磷

4.从绿色化学的角度考虑，红磷燃烧生成五氧化二磷，用水吸收生成磷酸（可能也有偏磷酸生成，偏磷酸剧毒），可以考虑更加环保的铜进行实验；缺点是实验终点不好判断；

优化装置四：用铜进行实验

总结

总之，考查空气中氧气含量的测量装置及优化装置变化较多。从以上几个例子中可以发现，化学实验装置的优化往往会暴露出新的问题，这在考试中需要同学们注意。但是基本离不开以下几点：1）操作简单；2）测量准确；3）原料易得；3）绿色环保；

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