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专题 02 气体的制备-氧气和二氧化碳
一、空气
【空气的成分】
空气成分 氮气 氧气 稀有气体 二氧化碳 其他气体和杂质
体积分数 78% 21% 0.94% 0.03% 0.03%
空气是由多种成分组成的混合物。空气中各成分的体积分数是相对稳定的。在空气中，各成分保持着各自 的化学性质。
【空气各成分的用途】
氮气是一种无色、无味、性质较不活泼的气体。灯泡中充氮可延长使用寿命，食品包装时充氮可以防腐、 保鲜。氮气还是制造化肥、炸药的重要原料。液态氮由于在汽化时需吸收大量的热，因此可做冷冻剂，医疗上常用液氮冷冻麻醉或冷藏人体细胞组织。
氧气跟人的生活及生产关系最为密切。氧气可以供给呼吸，可以支持燃烧，燃料在氧气中燃烧后产生的 高温火焰可切割或焊接金属。
稀有气体的化学性质不活泼，常用做保护气，如在焊接金属时用于隔绝空气。由于稀有气体通电时能发 出不同颜色的光，人们用它制成了各种用途的电光源，如航标灯、闪光灯、霓虹灯、“人造小太阳”等。稀有气体还可用于激光技术，制造低温环境（氦气），用于医疗麻醉（氙气）等。
二氧化碳是光合作用的原料，可作为气体肥料；也是一种工业和食品原料，可用于制纯碱、尿素和汽水； 二氧化碳既不能燃烧，也不支持燃烧，密度比空气大，它还可以用于灭火（既利用了物理性质，也利用了化学性质）；干冰升华吸热可用于制造舞台的烟雾效果，运输中的食品保持较低的温度，人工降雨等。
【空气的污染与保护】
常见的空气污染物有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、臭氧、可吸入颗粒物等。PM2.5 是指大气中粒径小于等于 2.5 微米的颗粒物。
防治空气污染的方法：减少污染物排放量、合理规划工业区和非工业区、加大植树造林力度。
空气质量指数范围为 0—500，并分成六个级别。指数越大，表征颜色越深，说明空气污染状况越严重， 对人体的健康危害也就越大。
【臭氧层】
1．臭氧的形成：氧分子在紫外线的照射下分解为氧原子，氧原子再和氧分子结合形成臭氧。O2 紫外线 2O；O+O2=O3；总反应式可表示为 3O2 紫外线 2O3。
2．1 个臭氧分子含有 3 个氧原子，臭氧是一种蓝色的、带有腥臭气味的气体。
距地面 10—50 千米处的大气平流层里，集中了地球上大约 90%的臭氧，其中离地面 22—25 千米处，臭氧浓度达到最高，这一层大气称为“臭氧层”。
臭氧层能阻挡和削弱过强的紫外线，对生物起到保护作用。高空臭氧层是保护层，近地低空中的臭氧却 是一种污染物。
保护臭氧层的一些措施：禁止生产和使用含氯氟烃的制冷剂、发泡剂、喷雾剂等化学物质。
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【温室效应】
温室效应的成因：大气中的二氧化碳对地球起着保温作用。人类大量燃烧煤、石油、天然气等化石燃料， 使大气中二氧化碳的含量迅速增加，导致气温上升，引起温室效应。
适度的温室效应能保证地球上的气温恒定，适于动植物生存。温室效应加剧，在一定程度上导致全球性 气候变暖，并引起一系列恶果，如两极冰川融化，海平面上升等。
能造成“温室效应”的气体除二氧化碳外，还包括水蒸气、臭氧、氧化亚氮（N2O）、甲烷、氢氟氯碳化物类、全氟碳化物及六氟化硫等，统称为温室气体。
防止温室污染加剧的相关措施：减少二氧化碳的排放（减少化石燃料的燃烧）和增加二氧化碳的消耗（ 植树造林）。
二、空气中氧气含量测定
【实验原理】
①红磷燃烧只消耗氧气；②红磷燃烧产物为固体；③气体减少，压强减小，大气压将水压入装置内；④V
压入水=V 空气中氧气。
【实验步骤】
①检查装置气密性；
②在集气瓶中加入少量水，将剩余体积分成 5 等份并做上记号；
③用弹簧夹夹紧乳胶管。在燃烧匙中装过量的红磷并点燃，立即伸入集气瓶内，并把塞子塞紧；
④燃烧结束后，震荡集气瓶。待完全冷却后打开弹簧夹，记录实验现象。
【实验现象】
①红磷燃烧，生成大量白烟；
②待装置完全冷却后，打开弹簧夹，水经导管进入集气瓶内；
③进入装置内的水约占集气瓶内空气总体积的 1/5。
【实验结论】
①红磷燃烧产生白色固体；
②空气中氧气约占空气总体积的 1/5；
③剩余气体不助燃不可燃，且不易溶于水。
【实验注意事项】
①检查装置气密性：手捂法：打开止水夹，用手捂住集气瓶，观察到导管口处有气泡冒出，拿开手后， 导管中形成一段稳定的水柱，则气密性良好。
②装置中预留少量水作用：a．水的比热较大，能加速冷却；b．吸收生成的白烟，减少空气污染；c．避 免高温熔融物掉落，使瓶底炸裂。
【药品的选择】
红磷：红磷燃烧只消耗氧气，且燃烧产物为固体；
木炭/硫黄：燃烧产物为气体，不能造成装置内压强减小使水充分流入装置内，会使实验结果偏小；若 要选用该药品，则需将水换成氢氧化钠溶液；
镁条：镁条燃烧不止消耗氧气，还会消耗氮气和二氧化碳；如果选用会使实验结果偏大；
铁丝：铁只在纯氧中燃烧，不能在空气中燃烧，缓慢氧化消耗氧气更充分，实验结果更准确；
铜：铜和氧气加热条件下生成氧化铜，可以选用。
氢气：燃烧只消耗氧气，且生成物为液体。需要注意，使用氢气时，需要确保氢气与氧气恰好完全反应。
【实验误差分析】
偏大（进入装置内的水超过集气瓶内空气总体积的 1/5）：
a．插入燃烧匙太慢，塞紧瓶塞之前，装置内部分空气受热膨胀逸出； b．未夹紧弹簧夹，红磷燃烧时装置内部分空气受热从乳胶管中逸出；
偏小（进入装置内的水不足集气瓶内空气总体积的 1/5）：a．红磷量不足，氧气没有完全耗尽；b．未冷却到室温就打开弹簧夹；c．装置气密性不好；d．导管中未注满水（进入装置内部分水残留与乳胶管中）。
【常见装置改进】
三、氧气的性质
【物理性质】通常情况下，氧气是无色、无味气体，密度比空气大，不易溶于水。液态、固态氧呈淡蓝色。
【化学性质】
化学性质比较活泼，具有助燃性、氧化性，能与许多物质发生化学反应并放出热量。
反应物质 实验现象（在 O2 中燃烧） 实验现象（在空气中燃烧）
木炭 发出白光；放出热量； 生成使澄清石灰水变浑浊的气体 持续红热，无烟，无焰，发出红光 生成使澄清石灰水变浑浊的气体
硫 发出蓝紫色火焰；放出热量， 生成无色有刺激性气味的气体 在空气中燃烧发出淡蓝色火焰； 放出热量；无烟
红磷 产生大量白烟；放出热量；发出耀眼的白光 黄白色火焰；放出热量；产生大量白烟
镁条 发出耀眼的白光；放出大量的热量； 生成白色固体（更剧烈） 发出耀眼的白光；放出大量的热量； 生成白色固体
铁丝 剧烈燃烧，火星四射；生成黑色固体； 放出大量的热量 持续红热，但不能燃烧
氢气 淡蓝色火焰；放热；水珠附在烧杯内壁上 -
CO 蓝色火焰；放热 生成使澄清石灰水变浑浊的气体 -
CH4 蓝色火焰；放热；水珠；生成使澄清石灰水 变浑浊的气体 -
物质和氧发生的反应叫做氧化反应。氧化反应分为缓慢氧化和剧烈氧化。在氧化反应中，氧气具有氧化 性。例：塑料和橡胶制品的老化、苹果变色、铜和铁等金属表面生锈、硫和铁等物质的燃烧。
四、氧气的制取
【工业制取】
原理：液氧和液氮的沸点不同，将它们分离的过程属于物理变化。
工业上常用空气冷冻分离的方法来制备氧气：
【实验室制取】1．原理：
加热分解高锰酸钾：2KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2↑
加热分解氯酸钾：2KClO3 2KCl + 3O2↑
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2
2
)分解双氧水：2H O MnO22H O + O ↑ 2．发生装置：
a．固-固加热型 b．固-液常温型
收集装置：
氧气不易溶于水且不与水反应——排水法
氧气密度比空气大且不与空气发生反应——向上排空气法
主要步骤（以分解高锰酸钾制氧气为例）：
查：检查装置气密性；
装：向试管里装药品；
定：将试管固定在铁架台上；
点：点燃酒精灯；
收：收集氧气；
离：将导气管移离水面；
熄：熄灭酒精灯。5．注意事项：
①药品平铺在试管底部；
②试管夹取在试管口 1/3 处
③导管略伸入试管口，有利于气体导出；
④使用高锰酸钾时须在试管口放一小团棉花，防止高锰酸钾粉末进入导管；
⑤试管口略向下倾斜，防止试管口冷凝水倒流回热的试管底部使试管炸裂；
用酒精灯外焰先均匀预热，再集中在有药品部位集中加热，用酒精灯的外焰加热；
⑦等有连续的气泡产生时再收集，防止收集的气体不纯；
⑧实验完毕，先撤导管，后移酒精灯，防止水槽中的水沿导管倒吸使试管炸裂；
⑨收集满的氧气，应使集气瓶口向上放置，并用毛玻璃片盖上。
⑩双氧水制氧气，反应前可向锥形瓶中加入一定量水，降低反应速率，便于收集氧气。
五、催化剂
定义：在化学反应中能改变反应速率，而自身的质量和化学性质在化学反应前后都没有改变的物质叫催 化剂，工业上也叫触媒。
特点：一变二不变，即改变（加快或减慢）反应速率，反应前后质量和化学性质不变。 注意：催化剂在化学反应过程中可能参与反应，在反应完成之后被还原成原始的成分。
六、燃烧和灭火
【燃烧】
燃烧的定义：可燃物和氧气发生的一种发光、发热、剧烈的氧化反应。
燃烧的条件：
（1）可燃物；（2）有充足的助燃剂（助燃剂不一定是氧气）；（3）温度达到可燃物的着火点。
【灭火的原理】1．撤离可燃物；
将可燃物与空气隔绝；
将可燃物的温度降到着火点以下。
一、二氧化碳的性质
【物理性质】
二氧化碳
通常情况下，二氧化碳是一种无色、无味的气体，密度比空气大。在加压降温的情况下，能变成无色液体， 甚至变成雪状固体，通常人们把固体二氧化碳叫做“干冰”。二氧化碳能溶于水中，通常 1 体积水中能溶
解 1 体积的二氧化碳，增大压强可使其溶解得更多。
【化学性质】
一般情况下，既不能燃烧，也不能支持燃烧，不能供给呼吸。
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2
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3
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)能和水反应生成碳酸，H O+CO =H CO ，碳酸能使紫色石蕊试液变红。碳酸不稳定很容易分解：H CO △H O+CO
↑，加热时溶液又会由红色变回紫色。3．能与可溶性碱反应：
能使澄清石灰水变浑浊（CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O），这一反应用来检验二氧化碳；
能和氢氧化钠溶液反应（CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O），但无明显现象，这一反应用来吸收二氧化碳。
二、二氧化碳的制取
【工业制法】
高温煅烧石灰石：CaCO3 高温CaO+CO2↑
【实验室制法】
1．原料：石灰石（或大理石）和稀盐酸。
不用浓盐酸的理由是浓盐酸有较强的挥发性，会使收集到的气体不纯。
不用稀硫酸的理由是生成的硫酸钙是微溶，会包裹在石灰石表面，阻止反应的进行。
不用碳酸钠粉末的理由是反应速度太快，气体难以收集。2．反应原理：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑。
装置：
发生装置：固液常温型；收集装置：向上排空气法。
收集装置：由于二氧化碳能溶于水，并会与水发生反应，一般不用排水法收集，而用向上排空气法收集。 但由于二氧化碳在水中的溶解度并不大，用排水法也是可以收集到二氧化碳的。
主要步骤：
组装好装置，并检查装置的气密性（用止水夹夹住橡皮管，向长颈漏斗中加水，且在长颈漏斗中形成 一段水柱，一段时间后水柱高度不变，说明装置气密性良好）。
先在锥形瓶中加入几小块大理石，塞紧带有长颈漏斗和导管的橡皮塞。长颈漏斗末端要伸入到液面以 下，防止生成的气体逸出。
把气体导管插入集气瓶中，导管口应处在接近集气瓶的瓶底处（有利于集气瓶内空气的排出）。
通过长颈漏斗加入适量稀盐酸，锥形瓶中立刻有气泡产生。
片刻后，将燃着的火柴放到集气瓶口的上方，如果火柴很快就熄灭，说明已经收集满二氧化碳，盖好 毛玻璃片，将集气瓶口向上（正放）放在桌子上备用。
【装置改进】

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