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第二单元 空气和氧气
课题1 我们周围的空气
（一）空气的组成
1.法国化学家拉瓦锡通过实验得出“空气由氧气和氮气组成，其中氧气约占空气总体积的1/5”的结论。
2.实验室测定空气中氧气含量
（1）原理：红磷在密闭容器中燃烧消耗氧气，瓶内气体减少，密闭容器中压强减小，打开弹簧夹后，大气压将烧杯中的水压入集气瓶中。（压入的水的体积=被消耗的氧气的体积）
（2）现象：①红磷燃烧，产生大量白烟，并放出热量；②装置冷却到室温后打开弹簧夹，烧杯内的水被吸入集气瓶，约占集气瓶内气体体积的1/5。
（3）结论：氧气约占空气总体积的1/5。
（4）反应表达式：磷+氧气五氧化二磷 P + O2 P2O5
（5）注意事项：
①红磷必须足量。（若红磷的量过少则氧气没有耗尽，导致测量结果偏小）
②待集气瓶（装置）冷却到室温后才能打开弹簧夹。
（瓶内剩余气体仍然膨胀，剩余气体体积偏大，使得进入集气瓶内的水偏少，导致测量结果偏小）
③装置气密性良好。（外面空气漏进来，导致测量结果偏小）
④要先夹紧橡皮管，然后再点燃红磷，迅速伸入集气瓶立即塞紧瓶塞。
（伸入过慢，瓶内气体受热膨胀逸出或未夹紧弹簧夹，导致燃烧时气体受热膨胀逸出，测量结果偏大）
（6）误差分析：
实测<真实，可能原因：红磷量不足；装置气密性差；未冷却至室温就打开弹簧夹。
实测>真实，可能原因：弹簧夹未夹或未夹紧；点燃红磷伸入过慢。
（7）试剂选择：
①可否换用木炭、蜡烛等物质？不能，因为木炭或蜡烛燃烧会产生气体，造成瓶内气压几乎不变）。
②可否换用铁丝？不能，铁丝在空气中不燃烧。
③可否换用镁？不能，镁能与氧气、氮气、二氧化碳都发生反应。
试剂选择：物质能在空气中燃烧且只与氧气反应，燃烧后的生成物为固体或液体（体积忽略不计）。
（8）集气瓶中水的作用：
①吸收有毒的五氧化二磷（固体） ②吸热加快降温。
（9）瓶中剩余的主要气体是：氮气（化学性质：不可燃不助燃；物理性质：难溶于水）
拓展1：实验装置的改进
（1）改进原因：
①实验时在容器外点燃红磷，燃烧产物会污染环境，将燃着的红磷伸入集气瓶时，空气受热膨胀逸出，会使得测量结果偏大，因此需在密闭容器中进行。
②集气瓶的刻度读数较粗略，且会有部分水残留在导管中，使测量结果不准确。
（2）改进思路：
①点燃方式的改进：实验过程中不打开装置，使装置始终保持密闭，如图①、②所示。
②测量方式的改进：利用量筒或注射器等测量仪器，减小实验误差，使测定结果更加精确，如图③所示。
图① 图② 图③
拓展2：实验原理的创新
优点：为减小实验误差，可利用铁锈蚀（如图④）、加热铜丝（如图⑤）测定空气中氧气的含量，结果更准确。
图④ 图⑤
（二）空气的成分
体积分数：氮气N278%，氧气O221%，稀有气体0.94%，二氧化碳CO20.03%，其他气体0.03%。
（三）混合物和纯净物
（1）纯净物：只由一种物质组成的。（可用化学符号表示）
（2）混合物：由两种或多种物质混合而成的。这些物质相互间不发生化学反应，各物质都保持各自的性质。
（四）空气是一种宝贵的资源
（1）氧气的性质和用途
性质 用途
能供给呼吸 动植物呼吸、潜水、登山、医疗急救等
支持燃烧 炼钢、气焊、航空航天、化工生产等
（2）氮气的性质和用途
性质 用途
在一定条件下可以发生反应 制造硝酸和氮肥
化学性质不活泼 常用作保护气（焊接金属的保护气、食品包装中充氮气以防腐）
液氮的温度很低 医疗上可在液氮冷冻麻醉条件下做手术，超导材料在液氮的低温环境下能显示超导性能
（3）稀有气体的性质和用途
稀有气体包括氦、氖、氩、氪、氙和氡。它们都是没有颜色，没有气味的气体。
性质 用途
化学性质很不活泼 可用作保护气。其中氦气还因为密度远小于空气而用于填充探空气球
通电时能发出不同颜色的光 可制成多种用途的电光源，如航标灯、照明灯、霓虹灯等
液态氦的温度很低 制造低温环境
（五）保护大气环境
1.造成空气污染的物质：排放到空气中的有害气体和烟尘。
2.污染危害：损害人体健康、影响作物生长、破坏生态平衡。
3.环境问题：温室效应（二氧化碳含量过多引起，甲烷等也能造成）
臭氧空洞（飞机的尾气、制冷剂氟利昂的排放）
酸雨（由二氧化硫、二氧化氮引起）二氧化碳能造成温室效应加剧，但不是空气污染物
4.保护大气环境的措施：①使用清洁能源；②加强空气质量监测；③积极植树、种草等。
5.空气质量日报的主要内容包括空气质量指数、首要污染物、空气质量状况等。
6.目前计入空气质量评价的主要污染物为：二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）和臭氧等。空气质量日报中，空气质量指数的数值越大，空气质量越差。
课题2 氧气
（一）物理性质
1.色、态、味：在标准状况下，氧气是一种无色、无味的气体。在压强为101kPa时，氧气在-183℃时变为淡蓝色液体，在-219℃时变成淡蓝色的固体
2.密度：密度比空气略大（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）化学性质
1.检验氧气：将带火星的木条伸到集气瓶中，若复燃说明是氧气
2.物质在氧气中燃烧
（1）木炭
现象：空气中红热；氧气中剧烈燃烧，发出白光，放出热量，生成能使澄清石灰水变浑浊的气体
反应表达式：碳+氧气二氧化碳 C + O2CO2
硫粉
现象：空气中发出微弱的淡蓝色火焰；
氧气中发出明亮的蓝紫色火焰，放出热量，生成一种有刺激性气味的气体
反应表达式：硫+氧气二氧化硫 S + O2 SO2
注意事项：瓶底装少量水（目的：吸收二氧化硫，防止污染空气）
（3）铁丝
现象：空气中红热；氧气中剧烈燃烧，火星四射，放出热量，生成黑色固体
反应表达式：铁+氧气四氧化三铁 Fe + O2 Fe3O4
注意事项：
①集气瓶底放一些水或沙子的目的：防止高温熔融物溅落瓶底，使集气瓶炸裂；
②铁丝绕成螺旋状的目的：增大受热面积；
③铁丝下端火柴的目的：引燃铁丝；
④火柴快燃尽才伸入瓶内的目的：防止火柴燃烧消耗过多氧气。
课题3 制取氧气
（一）氧气的实验室制取
1.高锰酸钾分解制取氧气
（1）试剂：高锰酸钾（暗紫色固体）
（2）反应表达式：高锰酸钾 锰酸钾+二氧化锰+氧气 KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2
（3）装置：固体加热型
（4）高锰酸钾制氧气的操作步骤：
① 查：连接好装置并检查装置气密性。
② 装：装入试剂（药匙或纸槽）试管口塞一团棉花，防止加热时粉末进入导管。
③ 定：固定试管时，试管口应略向下倾斜（防止冷凝水回流使试管底部炸裂）
铁夹夹在试管的中上部，导管伸入试管稍露出橡皮塞，利于产生的气体排出。
④ 点：点燃酒精灯加热，先使试管均匀受热（预热），后在固体试剂部位用酒精灯外焰加热。
⑤ 收：收集气体。
排水法收集：当气泡连续均匀冒出时开始收集；当集气瓶口有大量气泡往外冒时，氧气收集满，在水下用玻璃片盖住瓶口移出水槽，正放在桌面上，防止气体逸出。
向上排空气法收集：集气瓶正放在桌面上，导管伸入集气瓶底部（为了排尽瓶内空气），将带火星的木条放在集气瓶口，若复燃，则氧气已收集满。
⑥离：将导管撤离水槽
⑦熄：熄灭酒精灯停止加热
先将导气管移出水面，后熄灭酒精灯，防止水槽中的水倒吸，炸裂试管。
2.过氧化氢（俗称“双氧水”）分解制取氧气
（1）试剂：过氧化氢溶液（主要成分H2O2）和二氧化锰（黑色粉末 MnO2）
（2）反应表达式：过氧化氢水+氧气 H2O2 H2O + O2
注：MnO2在该反应中是催化剂，起催化作用
（3）装置：固液常温型
（二）催化剂
1.概念：在化学反应中能改变其他物质的反应速率，但本身的化学性质和质量在反应前后不变的物质。
2.特点：一变（改变反应速率，加快或减慢）；两不变（质量、化学性质不变）
3.注意点：
①催化剂不能改变生成物的质量；
②催化剂不能控制反应的发生与停止；
③同一化学反应不一定只有一种催化剂；同一物质可以在不同的化学反应中起催化作用。
拓展：影响化学反应速率的因素
反应物浓度、反应温度、反应物接触面积、是否有催化剂、催化剂种类、催化剂质量等等。
（三）实验室制取气体装置
发生装置（考虑反应物状态和反应条件） 收集装置（气体的密度和溶解度）
固体加热型 反应物是固体 反应需要加热 固液常温型 反应物是固体和 液体，反应不加热 排水集气法 适合溶解性小 不与水反应的气体 向上排空气法 适合密度大于 空气的气体 向下排空气法 适合密度小于 空气的气体
适合 高锰酸钾制氧气 适合 过氧化氢制氧气
气体从短管进集气瓶，水从长管排出 气体从长管进集气瓶，空气从短管排出 气体从短管进集气瓶，空气从长管排出
（四）工业制取氧气
1.方法：一般采用分离液态空气法。
2.原理：利用液态氮和液态氧的沸点不同，属于物理变化。
3.储存：为了便于储存、运输和使用，通常把氧气加压后储存在蓝色的钢瓶中。
（五）化学反应的分类
基本反应类型
①化合反应：由两种或两种以上的物质生成另一种物质的反应。（“多变一”）
②分解反应：由一种反应物生成两种或两种以上其他物质的反应。（“一变多”）
非基本反应类型：氧化反应：
（1）定义：物质与氧气发生的反应。氧气在氧化反应中提供氧，具有氧化性。
（2）分类：
①剧烈氧化：发光、放热的剧烈氧化反应。如燃烧、爆炸等。
②缓慢氧化：进行得很慢，甚至不易被察觉的氧化反应。如动植物的呼吸、食物的腐烂、醋的酿造、农家肥料的腐熟、铁的生锈等。
（3）共同点：反应都会放热。
易错点辨析
（1）误以为空气中的各成分含量是质量分数
空气中各成分的含量是指体积分数，如氧气约占空气的21%，是指100体积空气中氧气约占21体积，而不能理解为100份质量的空气中氧气占21份质量。
（2）“烟”“雾”“气”的区别
“烟”是固体小颗粒在空气中扩散产生的现象，如红磷燃烧产生白烟。“雾”是液体小液滴在空气中扩散产生的现象，“气”是物质在通常状况下以气体状态存在，一般在描述时有颜色、气味。
（3）“光”“火焰”的区别
“光”一般指沸点高的固体燃烧产生的现象，如铁丝燃烧、木炭燃烧等只产生光而不产生火焰。“火焰”是气体燃烧或沸点低的固体或液体的蒸气燃烧产生的现象，如硫、酒精、气体燃烧等产生的火焰。
（4）加热、高温、点燃与燃烧的区别
加热、高温、点燃是反应条件。一般认为加热不超过500 ℃，通常用酒精灯作热源。温度需要在700 ℃以上的实验，实验室通常用酒精喷灯作热源。点燃的目的是使可燃物达到着火点。燃烧是发热、发光的剧烈反应的现象，不是条件。
方法提炼
（1）描述物质燃烧的现象，一般为“一光、二热、三生成（物）”，例如硫在氧气中燃烧的现象为发出明亮的蓝紫色火焰，放热，生成有刺激性气味的气体。应注意以下两点：①不能将生成物的名称当作现象来描述；②注意区分“烟”与“雾”、“光”与“火焰”。
（2）物质鉴别思路
利用物质性质差异，逻辑顺序是实验操作→观察现象→得到结论，现象与结论一一对应。
例：鉴别氧气、空气、二氧化碳、氮气最简单的方法：
先分别伸入燃着的木条，燃烧更旺的是氧气，正常燃烧的是空气，熄灭的是氮气和二氧化碳；再分别向小木条熄灭的两种气体中倒入澄清石灰水，振荡，若澄清石灰水变浑浊的是二氧化碳，无明显变化则是氮气。
（3）验证某物质是否为某反应的催化剂实验的设计思路
①改变反应速率：设计对比实验，观察加入该物质前后化学反应速率是否改变。
②反应前后质量不变：称量该物质在反应前后的质量是否发生变化。
③化学性质不变：一般进行重复实验，观察重新加入反应物的现象和原来的现象是否相同。

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