一道探究气体成分实验题引发的思考

陈彩静

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：C632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.016

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，对包装袋中充人的气体产生了兴趣。他们认为薯片包装时充人气体，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，再用燃着的木条伸人集气瓶中，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度的玻璃管，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度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。

2．检验该气体是否为二氧化碳

将玻璃管放人澄清石灰水中，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．检验该气体是否為氧气

取一瓶排水法收集的气体，将燃着的小蜡烛置于燃烧匙中，然后缓慢伸人瓶中，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。

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。

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。

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。 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。

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．