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專題 02 氣體的制備-氧氣和二氧化碳
一、空氣
【空氣的成分】
空氣成分 氮氣 氧氣 稀有氣體 二氧化碳 其他氣體和雜質(zhì)
體積分?jǐn)?shù) 78% 21% 0.94% 0.03% 0.03%
空氣是由多種成分組成的混合物。空氣中各成分的體積分?jǐn)?shù)是相對穩(wěn)定的。在空氣中，各成分保持著各自
的化學(xué)性質(zhì)。
【空氣各成分的用途】
1．氮氣是一種無色、無味、性質(zhì)較不活潑的氣體。燈泡中充氮可延長使用壽命，食品包裝時充氮可以防腐、
保鮮。氮氣還是制造化肥、炸藥的重要原料。液態(tài)氮由于在汽化時需吸收大量的熱，因此可做冷凍劑，醫(yī)
療上常用液氮冷凍麻醉或冷藏人體細(xì)胞組織。
2．氧氣跟人的生活及生產(chǎn)關(guān)系最為密切。氧氣可以供給呼吸，可以支持燃燒，燃料在氧氣中燃燒后產(chǎn)生的
高溫火焰可切割或焊接金屬。
3．稀有氣體的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常用做保護(hù)氣，如在焊接金屬時用于隔絕空氣。由于稀有氣體通電時能發(fā)
出不同顏色的光，人們用它制成了各種用途的電光源，如航標(biāo)燈、閃光燈、霓虹燈、“人造小太陽”等。
稀有氣體還可用于激光技術(shù)，制造低溫環(huán)境（氦氣），用于醫(yī)療麻醉（氙氣）等。
4．二氧化碳是光合作用的原料，可作為氣體肥料；也是一種工業(yè)和食品原料，可用于制純堿、尿素和汽水；
二氧化碳既不能燃燒，也不支持燃燒，密度比空氣大，它還可以用于滅火（既利用了物理性質(zhì)，也利用了
化學(xué)性質(zhì)）；干冰升華吸熱可用于制造舞臺的煙霧效果，運輸中的食品保持較低的溫度，人工降雨等。
【空氣的污染與保護(hù)】
1．常見的空氣污染物有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、臭氧、可吸入顆粒物等。PM2.5 是指大氣中粒徑
小于等于 2.5 微米的顆粒物。
2．防治空氣污染的方法：減少污染物排放量、合理規(guī)劃工業(yè)區(qū)和非工業(yè)區(qū)、加大植樹造林力度。
3．空氣質(zhì)量指數(shù)范圍為 0—500，并分成六個級別。指數(shù)越大，表征顏色越深，說明空氣污染狀況越嚴(yán)重，
對人體的健康危害也就越大。
【臭氧層】
1．臭氧的形成：氧分子在紫外線的照射下分解為氧原子，氧原子再和氧分子結(jié)合形成臭氧。
紫外線 紫外線
O2 2O；O+O2=O3；總反應(yīng)式可表示為 3O2 2O3。
2．1 個臭氧分子含有 3 個氧原子，臭氧是一種藍(lán)色的、帶有腥臭氣味的氣體。
3．距地面 10—50 千米處的大氣平流層里，集中了地球上大約 90%的臭氧，其中離地面 22—25 千米處，臭
氧濃度達(dá)到最高，這一層大氣稱為“臭氧層”。
4．臭氧層能阻擋和削弱過強的紫外線，對生物起到保護(hù)作用。高空臭氧層是保護(hù)層，近地低空中的臭氧卻
是一種污染物。
5．保護(hù)臭氧層的一些措施：禁止生產(chǎn)和使用含氯氟烴的制冷劑、發(fā)泡劑、噴霧劑等化學(xué)物質(zhì)。
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【溫室效應(yīng)】
1．溫室效應(yīng)的成因：大氣中的二氧化碳對地球起著保溫作用。人類大量燃燒煤、石油、天然氣等化石燃料，
使大氣中二氧化碳的含量迅速增加，導(dǎo)致氣溫上升，引起溫室效應(yīng)。
2．適度的溫室效應(yīng)能保證地球上的氣溫恒定，適于動植物生存。溫室效應(yīng)加劇，在一定程度上導(dǎo)致全球性
氣候變暖，并引起一系列惡果，如兩極冰川融化，海平面上升等。
3．能造成“溫室效應(yīng)”的氣體除二氧化碳外，還包括水蒸氣、臭氧、氧化亞氮（N2O）、甲烷、氫氟氯碳化
物類、全氟碳化物及六氟化硫等，統(tǒng)稱為溫室氣體。
4．防止溫室污染加劇的相關(guān)措施：減少二氧化碳的排放（減少化石燃料的燃燒）和增加二氧化碳的消耗（植
樹造林）。
二、空氣中氧氣含量測定
【實驗原理】
①紅磷燃燒只消耗氧氣；②紅磷燃燒產(chǎn)物為固體；③氣體減少，壓強減小，大氣壓將水壓入裝置內(nèi)；④V
壓入水=V 空氣中氧氣。
【實驗步驟】
①檢查裝置氣密性；
②在集氣瓶中加入少量水，將剩余體積分成 5等份并做上記號；
③用彈簧夾夾緊乳膠管。在燃燒匙中裝過量的紅磷并點燃，立即伸入集氣瓶內(nèi)，并把塞子塞緊；
④燃燒結(jié)束后，震蕩集氣瓶。待完全冷卻后打開彈簧夾，記錄實驗現(xiàn)象。
【實驗現(xiàn)象】
①紅磷燃燒，生成大量白煙；
②待裝置完全冷卻后，打開彈簧夾，水經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)入集氣瓶內(nèi)；
③進(jìn)入裝置內(nèi)的水約占集氣瓶內(nèi)空氣總體積的 1/5。
【實驗結(jié)論】
①紅磷燃燒產(chǎn)生白色固體；
②空氣中氧氣約占空氣總體積的 1/5；
③剩余氣體不助燃不可燃，且不易溶于水。
【實驗注意事項】
①檢查裝置氣密性：手捂法：打開止水夾，用手捂住集氣瓶，觀察到導(dǎo)管口處有氣泡冒出，拿開手后，
導(dǎo)管中形成一段穩(wěn)定的水柱，則氣密性良好。
②裝置中預(yù)留少量水作用：a．水的比熱較大，能加速冷卻；b．吸收生成的白煙，減少空氣污染；c．避
免高溫熔融物掉落，使瓶底炸裂。
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【藥品的選擇】
1．紅磷：紅磷燃燒只消耗氧氣，且燃燒產(chǎn)物為固體；
2．木炭/硫黃：燃燒產(chǎn)物為氣體，不能造成裝置內(nèi)壓強減小使水充分流入裝置內(nèi)，會使實驗結(jié)果偏小；若
要選用該藥品，則需將水換成氫氧化鈉溶液；
3．鎂條：鎂條燃燒不止消耗氧氣，還會消耗氮氣和二氧化碳；如果選用會使實驗結(jié)果偏大；
4．鐵絲：鐵只在純氧中燃燒，不能在空氣中燃燒，緩慢氧化消耗氧氣更充分，實驗結(jié)果更準(zhǔn)確；
5．銅：銅和氧氣加熱條件下生成氧化銅，可以選用。
6．氫氣：燃燒只消耗氧氣，且生成物為液體。需要注意，使用氫氣時，需要確保氫氣與氧氣恰好完全反應(yīng)。
【實驗誤差分析】
1．偏大（進(jìn)入裝置內(nèi)的水超過集氣瓶內(nèi)空氣總體積的 1/5）：
a．插入燃燒匙太慢，塞緊瓶塞之前，裝置內(nèi)部分空氣受熱膨脹逸出；
b．未夾緊彈簧夾，紅磷燃燒時裝置內(nèi)部分空氣受熱從乳膠管中逸出；
2．偏小（進(jìn)入裝置內(nèi)的水不足集氣瓶內(nèi)空氣總體積的 1/5）：a．紅磷量不足，氧氣沒有完全耗盡；b．未
冷卻到室溫就打開彈簧夾；c．裝置氣密性不好；d．導(dǎo)管中未注滿水（進(jìn)入裝置內(nèi)部分水殘留與乳膠管中）。
【常見裝置改進(jìn)】
三、氧氣的性質(zhì)
【物理性質(zhì)】通常情況下，氧氣是無色、無味氣體，密度比空氣大，不易溶于水。液態(tài)、固態(tài)氧呈淡藍(lán)色。
【化學(xué)性質(zhì)】
1．化學(xué)性質(zhì)比較活潑，具有助燃性、氧化性，能與許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并放出熱量。
反應(yīng)物質(zhì) 實驗現(xiàn)象（在 O2中燃燒） 實驗現(xiàn)象（在空氣中燃燒）
發(fā)出白光；放出熱量； 持續(xù)紅熱，無煙，無焰，發(fā)出紅光
木炭
生成使澄清石灰水變渾濁的氣體 生成使澄清石灰水變渾濁的氣體
發(fā)出藍(lán)紫色火焰；放出熱量， 在空氣中燃燒發(fā)出淡藍(lán)色火焰；
硫
生成無色有刺激性氣味的氣體 放出熱量；無煙
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紅磷 產(chǎn)生大量白煙；放出熱量；發(fā)出耀眼的白光 黃白色火焰；放出熱量；產(chǎn)生大量白煙
發(fā)出耀眼的白光；放出大量的熱量； 發(fā)出耀眼的白光；放出大量的熱量；
鎂條
生成白色固體（更劇烈） 生成白色固體
劇烈燃燒，火星四射；生成黑色固體；
鐵絲 持續(xù)紅熱，但不能燃燒
放出大量的熱量
氫氣 淡藍(lán)色火焰；放熱；水珠附在燒杯內(nèi)壁上 -
藍(lán)色火焰；放熱
CO -
生成使澄清石灰水變渾濁的氣體
藍(lán)色火焰；放熱；水珠；生成使澄清石灰水
CH4 -
變渾濁的氣體
2．物質(zhì)和氧發(fā)生的反應(yīng)叫做氧化反應(yīng)。氧化反應(yīng)分為緩慢氧化和劇烈氧化。在氧化反應(yīng)中，氧氣具有氧化
性。例：塑料和橡膠制品的老化、蘋果變色、銅和鐵等金屬表面生銹、硫和鐵等物質(zhì)的燃燒。
四、氧氣的制取
【工業(yè)制取】
1．原理：液氧和液氮的沸點不同，將它們分離的過程屬于物理變化。
2．工業(yè)上常用空氣冷凍分離的方法來制備氧氣：
【實驗室制取】
1．原理：
（1）加熱分解高錳酸鉀：2KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2↑
（2）加熱分解氯酸鉀：2KClO3 2KCl + 3O2↑
（3）分解雙氧水：2H MnO22O2 2H2O + O2↑
2．發(fā)生裝置：
a．固-固加熱型 b．固-液常溫型
3．收集裝置：
（1）氧氣不易溶于水且不與水反應(yīng)——排水法
（2）氧氣密度比空氣大且不與空氣發(fā)生反應(yīng)——向上排空氣法
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4．主要步驟（以分解高錳酸鉀制氧氣為例）：
（1）查：檢查裝置氣密性；
（2）裝：向試管里裝藥品；
（3）定：將試管固定在鐵架臺上；
（4）點：點燃酒精燈；
（5）收：收集氧氣；
（6）離：將導(dǎo)氣管移離水面；
（7）熄：熄滅酒精燈。
5．注意事項：
①藥品平鋪在試管底部；
②試管夾取在試管口 1/3 處
③導(dǎo)管略伸入試管口，有利于氣體導(dǎo)出；
④使用高錳酸鉀時須在試管口放一小團棉花，防止高錳酸鉀粉末進(jìn)入導(dǎo)管；
⑤試管口略向下傾斜，防止試管口冷凝水倒流回?zé)岬脑嚬艿撞渴乖嚬苷眩?br/>⑥ 用酒精燈外焰先均勻預(yù)熱，再集中在有藥品部位集中加熱，用酒精燈的外焰加熱；
⑦等有連續(xù)的氣泡產(chǎn)生時再收集，防止收集的氣體不純；
⑧實驗完畢，先撤導(dǎo)管，后移酒精燈，防止水槽中的水沿導(dǎo)管倒吸使試管炸裂；
⑨收集滿的氧氣，應(yīng)使集氣瓶口向上放置，并用毛玻璃片蓋上。
⑩雙氧水制氧氣，反應(yīng)前可向錐形瓶中加入一定量水，降低反應(yīng)速率，便于收集氧氣。
五、催化劑
1．定義：在化學(xué)反應(yīng)中能改變反應(yīng)速率，而自身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒有改變的物質(zhì)叫催
化劑，工業(yè)上也叫觸媒。
2．特點：一變二不變，即改變（加快或減慢）反應(yīng)速率，反應(yīng)前后質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不變。
注意：催化劑在化學(xué)反應(yīng)過程中可能參與反應(yīng)，在反應(yīng)完成之后被還原成原始的成分。
六、燃燒和滅火
【燃燒】
1．燃燒的定義：可燃物和氧氣發(fā)生的一種發(fā)光、發(fā)熱、劇烈的氧化反應(yīng)。
2．燃燒的條件：
（1）可燃物；（2）有充足的助燃劑（助燃劑不一定是氧氣）；（3）溫度達(dá)到可燃物的著火點。
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【滅火的原理】
1．撤離可燃物；
2．將可燃物與空氣隔絕；
3．將可燃物的溫度降到著火點以下。
二氧化碳
一、二氧化碳的性質(zhì)
【物理性質(zhì)】
通常情況下，二氧化碳是一種無色、無味的氣體，密度比空氣大。在加壓降溫的情況下，能變成無色液體，
甚至變成雪狀固體，通常人們把固體二氧化碳叫做“干冰”。二氧化碳能溶于水中，通常 1 體積水中能溶
解 1 體積的二氧化碳，增大壓強可使其溶解得更多。
【化學(xué)性質(zhì)】
1．一般情況下，既不能燃燒，也不能支持燃燒，不能供給呼吸。
△
2．能和水反應(yīng)生成碳酸，H2O+CO2=H2CO3，碳酸能使紫色石蕊試液變紅。碳酸不穩(wěn)定很容易分解：H2CO3 H2O+CO2
↑，加熱時溶液又會由紅色變回紫色。
3．能與可溶性堿反應(yīng)：
能使澄清石灰水變渾濁（CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O），這一反應(yīng)用來檢驗二氧化碳；
能和氫氧化鈉溶液反應(yīng)（CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O），但無明顯現(xiàn)象，這一反應(yīng)用來吸收二氧化碳。
二、二氧化碳的制取
【工業(yè)制法】
高溫
高溫煅燒石灰石：CaCO3 CaO+CO2↑
【實驗室制法】
1．原料：石灰石（或大理石）和稀鹽酸。
（1）不用濃鹽酸的理由是濃鹽酸有較強的揮發(fā)性，會使收集到的氣體不純。
（2）不用稀硫酸的理由是生成的硫酸鈣是微溶，會包裹在石灰石表面，阻止反應(yīng)的進(jìn)行。
（3）不用碳酸鈉粉末的理由是反應(yīng)速度太快，氣體難以收集。
2．反應(yīng)原理：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑。
3．裝置：
發(fā)生裝置：固液常溫型；收集裝置：向上排空氣法。
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收集裝置：由于二氧化碳能溶于水，并會與水發(fā)生反應(yīng)，一般不用排水法收集，而用向上排空氣法收集。
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。
4．主要步驟：
（1）組裝好裝置，并檢查裝置的氣密性（用止水夾夾住橡皮管，向長頸漏斗中加水，且在長頸漏斗中形成
一段水柱，一段時間后水柱高度不變，說明裝置氣密性良好）。
（2）先在錐形瓶中加入幾小塊大理石，塞緊帶有長頸漏斗和導(dǎo)管的橡皮塞。長頸漏斗末端要伸入到液面以
下，防止生成的氣體逸出。
（3）把氣體導(dǎo)管插入集氣瓶中，導(dǎo)管口應(yīng)處在接近集氣瓶的瓶底處（有利于集氣瓶內(nèi)空氣的排出）。
（4）通過長頸漏斗加入適量稀鹽酸，錐形瓶中立刻有氣泡產(chǎn)生。
（5）片刻后，將燃著的火柴放到集氣瓶口的上方，如果火柴很快就熄滅，說明已經(jīng)收集滿二氧化碳，蓋好
毛玻璃片，將集氣瓶口向上（正放）放在桌子上備用。
【裝置改進(jìn)】
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