資源簡介

第二單元 空氣和氧氣
課題1 我們周圍的空氣
（一）空氣的組成
1.法國化學家拉瓦錫通過實驗得出“空氣由氧氣和氮氣組成，其中氧氣約占空氣總體積的1/5”的結論。
2.實驗室測定空氣中氧氣含量
（1）原理：紅磷在密閉容器中燃燒消耗氧氣，瓶內氣體減少，密閉容器中壓強減小，打開彈簧夾后，大氣壓將燒杯中的水壓入集氣瓶中。（壓入的水的體積=被消耗的氧氣的體積）
（2）現象：①紅磷燃燒，產生大量白煙，并放出熱量；②裝置冷卻到室溫后打開彈簧夾，燒杯內的水被吸入集氣瓶，約占集氣瓶內氣體體積的1/5。
（3）結論：氧氣約占空氣總體積的1/5。
（4）反應表達式：磷+氧氣五氧化二磷 P + O2 P2O5
（5）注意事項：
①紅磷必須足量。（若紅磷的量過少則氧氣沒有耗盡，導致測量結果偏小）
②待集氣瓶（裝置）冷卻到室溫后才能打開彈簧夾。
（瓶內剩余氣體仍然膨脹，剩余氣體體積偏大，使得進入集氣瓶內的水偏少，導致測量結果偏小）
③裝置氣密性良好。（外面空氣漏進來，導致測量結果偏小）
④要先夾緊橡皮管，然后再點燃紅磷，迅速伸入集氣瓶立即塞緊瓶塞。
（伸入過慢，瓶內氣體受熱膨脹逸出或未夾緊彈簧夾，導致燃燒時氣體受熱膨脹逸出，測量結果偏大）
（6）誤差分析：
實測<真實，可能原因：紅磷量不足；裝置氣密性差；未冷卻至室溫就打開彈簧夾。
實測>真實，可能原因：彈簧夾未夾或未夾緊；點燃紅磷伸入過慢。
（7）試劑選擇：
①可否換用木炭、蠟燭等物質？不能，因為木炭或蠟燭燃燒會產生氣體，造成瓶內氣壓幾乎不變）。
②可否換用鐵絲？不能，鐵絲在空氣中不燃燒。
③可否換用鎂？不能，鎂能與氧氣、氮氣、二氧化碳都發生反應。
試劑選擇：物質能在空氣中燃燒且只與氧氣反應，燃燒后的生成物為固體或液體（體積忽略不計）。
（8）集氣瓶中水的作用：
①吸收有毒的五氧化二磷（固體） ②吸熱加快降溫。
（9）瓶中剩余的主要氣體是：氮氣（化學性質：不可燃不助燃；物理性質：難溶于水）
拓展1：實驗裝置的改進
（1）改進原因：
①實驗時在容器外點燃紅磷，燃燒產物會污染環境，將燃著的紅磷伸入集氣瓶時，空氣受熱膨脹逸出，會使得測量結果偏大，因此需在密閉容器中進行。
②集氣瓶的刻度讀數較粗略，且會有部分水殘留在導管中，使測量結果不準確。
（2）改進思路：
①點燃方式的改進：實驗過程中不打開裝置，使裝置始終保持密閉，如圖①、②所示。
②測量方式的改進：利用量筒或注射器等測量儀器，減小實驗誤差，使測定結果更加精確，如圖③所示。
圖① 圖② 圖③
拓展2：實驗原理的創新
優點：為減小實驗誤差，可利用鐵銹蝕（如圖④）、加熱銅絲（如圖⑤）測定空氣中氧氣的含量，結果更準確。
圖④ 圖⑤
（二）空氣的成分
體積分數：氮氣N278%，氧氣O221%，稀有氣體0.94%，二氧化碳CO20.03%，其他氣體0.03%。
（三）混合物和純凈物
（1）純凈物：只由一種物質組成的。（可用化學符號表示）
（2）混合物：由兩種或多種物質混合而成的。這些物質相互間不發生化學反應，各物質都保持各自的性質。
（四）空氣是一種寶貴的資源
（1）氧氣的性質和用途
性質 用途
能供給呼吸 動植物呼吸、潛水、登山、醫療急救等
支持燃燒 煉鋼、氣焊、航空航天、化工生產等
（2）氮氣的性質和用途
性質 用途
在一定條件下可以發生反應 制造硝酸和氮肥
化學性質不活潑 常用作保護氣（焊接金屬的保護氣、食品包裝中充氮氣以防腐）
液氮的溫度很低 醫療上可在液氮冷凍麻醉條件下做手術，超導材料在液氮的低溫環境下能顯示超導性能
（3）稀有氣體的性質和用途
稀有氣體包括氦、氖、氬、氪、氙和氡。它們都是沒有顏色，沒有氣味的氣體。
性質 用途
化學性質很不活潑 可用作保護氣。其中氦氣還因為密度遠小于空氣而用于填充探空氣球
通電時能發出不同顏色的光 可制成多種用途的電光源，如航標燈、照明燈、霓虹燈等
液態氦的溫度很低 制造低溫環境
（五）保護大氣環境
1.造成空氣污染的物質：排放到空氣中的有害氣體和煙塵。
2.污染危害：損害人體健康、影響作物生長、破壞生態平衡。
3.環境問題：溫室效應（二氧化碳含量過多引起，甲烷等也能造成）
臭氧空洞（飛機的尾氣、制冷劑氟利昂的排放）
酸雨（由二氧化硫、二氧化氮引起）二氧化碳能造成溫室效應加劇，但不是空氣污染物
4.保護大氣環境的措施：①使用清潔能源；②加強空氣質量監測；③積極植樹、種草等。
5.空氣質量日報的主要內容包括空氣質量指數、首要污染物、空氣質量狀況等。
6.目前計入空氣質量評價的主要污染物為：二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）和臭氧等。空氣質量日報中，空氣質量指數的數值越大，空氣質量越差。
課題2 氧氣
（一）物理性質
1.色、態、味：在標準狀況下，氧氣是一種無色、無味的氣體。在壓強為101kPa時，氧氣在-183℃時變為淡藍色液體，在-219℃時變成淡藍色的固體
2.密度：密度比空氣略大（可用向上排空法收集）
3.溶解性：不易溶于水（可用排水法收集）
（二）化學性質
1.檢驗氧氣：將帶火星的木條伸到集氣瓶中，若復燃說明是氧氣
2.物質在氧氣中燃燒
（1）木炭
現象：空氣中紅熱；氧氣中劇烈燃燒，發出白光，放出熱量，生成能使澄清石灰水變渾濁的氣體
反應表達式：碳+氧氣二氧化碳 C + O2CO2
硫粉
現象：空氣中發出微弱的淡藍色火焰；
氧氣中發出明亮的藍紫色火焰，放出熱量，生成一種有刺激性氣味的氣體
反應表達式：硫+氧氣二氧化硫 S + O2 SO2
注意事項：瓶底裝少量水（目的：吸收二氧化硫，防止污染空氣）
（3）鐵絲
現象：空氣中紅熱；氧氣中劇烈燃燒，火星四射，放出熱量，生成黑色固體
反應表達式：鐵+氧氣四氧化三鐵 Fe + O2 Fe3O4
注意事項：
①集氣瓶底放一些水或沙子的目的：防止高溫熔融物濺落瓶底，使集氣瓶炸裂；
②鐵絲繞成螺旋狀的目的：增大受熱面積；
③鐵絲下端火柴的目的：引燃鐵絲；
④火柴快燃盡才伸入瓶內的目的：防止火柴燃燒消耗過多氧氣。
課題3 制取氧氣
（一）氧氣的實驗室制取
1.高錳酸鉀分解制取氧氣
（1）試劑：高錳酸鉀（暗紫色固體）
（2）反應表達式：高錳酸鉀 錳酸鉀+二氧化錳+氧氣 KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2
（3）裝置：固體加熱型
（4）高錳酸鉀制氧氣的操作步驟：
① 查：連接好裝置并檢查裝置氣密性。
② 裝：裝入試劑（藥匙或紙槽）試管口塞一團棉花，防止加熱時粉末進入導管。
③ 定：固定試管時，試管口應略向下傾斜（防止冷凝水回流使試管底部炸裂）
鐵夾夾在試管的中上部，導管伸入試管稍露出橡皮塞，利于產生的氣體排出。
④ 點：點燃酒精燈加熱，先使試管均勻受熱（預熱），后在固體試劑部位用酒精燈外焰加熱。
⑤ 收：收集氣體。
排水法收集：當氣泡連續均勻冒出時開始收集；當集氣瓶口有大量氣泡往外冒時，氧氣收集滿，在水下用玻璃片蓋住瓶口移出水槽，正放在桌面上，防止氣體逸出。
向上排空氣法收集：集氣瓶正放在桌面上，導管伸入集氣瓶底部（為了排盡瓶內空氣），將帶火星的木條放在集氣瓶口，若復燃，則氧氣已收集滿。
⑥離：將導管撤離水槽
⑦熄：熄滅酒精燈停止加熱
先將導氣管移出水面，后熄滅酒精燈，防止水槽中的水倒吸，炸裂試管。
2.過氧化氫（俗稱“雙氧水”）分解制取氧氣
（1）試劑：過氧化氫溶液（主要成分H2O2）和二氧化錳（黑色粉末 MnO2）
（2）反應表達式：過氧化氫水+氧氣 H2O2 H2O + O2
注：MnO2在該反應中是催化劑，起催化作用
（3）裝置：固液常溫型
（二）催化劑
1.概念：在化學反應中能改變其他物質的反應速率，但本身的化學性質和質量在反應前后不變的物質。
2.特點：一變（改變反應速率，加快或減慢）；兩不變（質量、化學性質不變）
3.注意點：
①催化劑不能改變生成物的質量；
②催化劑不能控制反應的發生與停止；
③同一化學反應不一定只有一種催化劑；同一物質可以在不同的化學反應中起催化作用。
拓展：影響化學反應速率的因素
反應物濃度、反應溫度、反應物接觸面積、是否有催化劑、催化劑種類、催化劑質量等等。
（三）實驗室制取氣體裝置
發生裝置（考慮反應物狀態和反應條件） 收集裝置（氣體的密度和溶解度）
固體加熱型 反應物是固體 反應需要加熱 固液常溫型 反應物是固體和 液體，反應不加熱 排水集氣法 適合溶解性小 不與水反應的氣體 向上排空氣法 適合密度大于 空氣的氣體 向下排空氣法 適合密度小于 空氣的氣體
適合 高錳酸鉀制氧氣 適合 過氧化氫制氧氣
氣體從短管進集氣瓶，水從長管排出 氣體從長管進集氣瓶，空氣從短管排出 氣體從短管進集氣瓶，空氣從長管排出
（四）工業制取氧氣
1.方法：一般采用分離液態空氣法。
2.原理：利用液態氮和液態氧的沸點不同，屬于物理變化。
3.儲存：為了便于儲存、運輸和使用，通常把氧氣加壓后儲存在藍色的鋼瓶中。
（五）化學反應的分類
基本反應類型
①化合反應：由兩種或兩種以上的物質生成另一種物質的反應。（“多變一”）
②分解反應：由一種反應物生成兩種或兩種以上其他物質的反應。（“一變多”）
非基本反應類型：氧化反應：
（1）定義：物質與氧氣發生的反應。氧氣在氧化反應中提供氧，具有氧化性。
（2）分類：
①劇烈氧化：發光、放熱的劇烈氧化反應。如燃燒、爆炸等。
②緩慢氧化：進行得很慢，甚至不易被察覺的氧化反應。如動植物的呼吸、食物的腐爛、醋的釀造、農家肥料的腐熟、鐵的生銹等。
（3）共同點：反應都會放熱。
易錯點辨析
（1）誤以為空氣中的各成分含量是質量分數
空氣中各成分的含量是指體積分數，如氧氣約占空氣的21%，是指100體積空氣中氧氣約占21體積，而不能理解為100份質量的空氣中氧氣占21份質量。
（2）“煙”“霧”“氣”的區別
“煙”是固體小顆粒在空氣中擴散產生的現象，如紅磷燃燒產生白煙。“霧”是液體小液滴在空氣中擴散產生的現象，“氣”是物質在通常狀況下以氣體狀態存在，一般在描述時有顏色、氣味。
（3）“光”“火焰”的區別
“光”一般指沸點高的固體燃燒產生的現象，如鐵絲燃燒、木炭燃燒等只產生光而不產生火焰。“火焰”是氣體燃燒或沸點低的固體或液體的蒸氣燃燒產生的現象，如硫、酒精、氣體燃燒等產生的火焰。
（4）加熱、高溫、點燃與燃燒的區別
加熱、高溫、點燃是反應條件。一般認為加熱不超過500 ℃，通常用酒精燈作熱源。溫度需要在700 ℃以上的實驗，實驗室通常用酒精噴燈作熱源。點燃的目的是使可燃物達到著火點。燃燒是發熱、發光的劇烈反應的現象，不是條件。
方法提煉
（1）描述物質燃燒的現象，一般為“一光、二熱、三生成（物）”，例如硫在氧氣中燃燒的現象為發出明亮的藍紫色火焰，放熱，生成有刺激性氣味的氣體。應注意以下兩點：①不能將生成物的名稱當作現象來描述；②注意區分“煙”與“霧”、“光”與“火焰”。
（2）物質鑒別思路
利用物質性質差異，邏輯順序是實驗操作→觀察現象→得到結論，現象與結論一一對應。
例：鑒別氧氣、空氣、二氧化碳、氮氣最簡單的方法：
先分別伸入燃著的木條，燃燒更旺的是氧氣，正常燃燒的是空氣，熄滅的是氮氣和二氧化碳；再分別向小木條熄滅的兩種氣體中倒入澄清石灰水，振蕩，若澄清石灰水變渾濁的是二氧化碳，無明顯變化則是氮氣。
（3）驗證某物質是否為某反應的催化劑實驗的設計思路
①改變反應速率：設計對比實驗，觀察加入該物質前后化學反應速率是否改變。
②反應前后質量不變：稱量該物質在反應前后的質量是否發生變化。
③化學性質不變：一般進行重復實驗，觀察重新加入反應物的現象和原來的現象是否相同。

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