Việc định lượng thành phần của không khí đòi hỏi các phương pháp thực nghiệm có độ tin cậy cao nhằm giảm thiểu sai số. Khác với các thí nghiệm đốt cháy nến hoặc carbon thông thường vốn sinh ra khí $\text{CO}_2$ chiếm chỗ làm sai lệch kết quả, phương pháp sử dụng phosphorus trắng mang lại ưu điểm vượt trội do sản phẩm tạo thành là chất rắn và hòa tan vô hạn trong nước.
Cơ sở hóa học
Khi được đặt trong một hệ kín chứa không khí, phosphorus trắng phản ứng dễ dàng với oxygen ở nhiệt độ phòng (hoặc kích thích bằng một lượng nhiệt nhỏ từ dây kim loại) để tạo thành diphosphorus pentoxide:
$$4\text{P} + 5\text{O}_2 \rightarrow 2\text{P}_2\text{O}_5$$
Ngay sau đó, sản phẩm $\text{P}_2\text{O}_5$ dạng khói trắng rơi xuống mặt nước và tiếp tục tham gia quá trình hydrate hóa tạo ra dung dịch phosphoric acid:
$$\text{P}_2\text{O}_5 + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{H}_3\text{PO}_4$$
Nguyên lý đo lường
Quá trình tiêu thụ hoàn toàn khí oxygen và sự hòa tan của $\text{P}_2\text{O}_5$ làm sụt giảm tổng số mol khí trong ống đong, dẫn đến sự chênh lệch áp suất. Áp suất khí quyển bên ngoài sẽ đẩy mực nước dâng lên cao hơn. Thể tích nước dâng lên bù đắp chính xác bằng với thể tích khí oxygen đã phản ứng.
Bằng cách thiết lập ống đong với vạch chia độ rõ ràng và đảm bảo cân bằng áp suất (mực nước trong và ngoài ống đong ngang nhau khi đọc kết quả), chúng ta có thể tính toán phần trăm thể tích oxygen dựa trên độ chênh lệch thể tích khí trước và sau phản ứng.
Tiêu chuẩn an toàn
Phosphorus trắng là hóa chất cực kì dễ cháy và có nguy cơ gây bỏng nặng. Quá trình thao tác yêu cầu tuân thủ nghiêm ngặt:
- Mọi thao tác cắt và cố định phosphorus phải được thực hiện chìm hoàn toàn trong nước lạnh (bổ sung nước đá nếu nhiệt độ môi trường $> 25^\circ\text{C}$).
- Luôn chuẩn bị sẵn dung dịch $\text{CuSO}_4$ 5% tại khu vực thực hành để sơ cứu kịp thời trong trường hợp xảy ra sự cố cháy bám trên da.
Video dưới đây sẽ mô tả chi tiết quá trình thiết lập dụng cụ, thao tác gắn mẫu vào hệ kín và cách đọc thể tích chính xác để thu được kết quả đo lường với sai số thấp nhất.
