資源簡介

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
體積分數 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數是相對穩定的。在空氣中，各成分保持著各自 的化學性質。
【空氣各成分的用途】
氮氣是一種無色、無味、性質較不活潑的氣體。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。液態氮由于在汽化時需吸收大量的熱，因此可做冷凍劑，醫療上常用液氮冷凍麻醉或冷藏人體細胞組織。
氧氣跟人的生活及生產關系最為密切。氧氣可以供給呼吸，可以支持燃燒，燃料在氧氣中燃燒后產生的 高溫火焰可切割或焊接金屬。
稀有氣體的化學性質不活潑，常用做保護氣，如在焊接金屬時用于隔絕空氣。由于稀有氣體通電時能發 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，制造低溫環境（氦氣），用于醫療麻醉（氙氣）等。
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，也利用了化學性質）；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】
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。
防治空氣污染的方法：減少污染物排放量、合理規劃工業區和非工業區、加大植樹造林力度。
空氣質量指數范圍為 0—500，并分成六個級別。指數越大，表征顏色越深，說明空氣污染狀況越嚴重， 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合形成臭氧。O2 紫外線 2O；O+O2=O3；總反應式可表示為 3O2 紫外線 2O3。
2．1 個臭氧分子含有 3 個氧原子，臭氧是一種藍色的、帶有腥臭氣味的氣體。
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，臭氧濃度達到最高，這一層大氣稱為“臭氧層”。
臭氧層能阻擋和削弱過強的紫外線，對生物起到保護作用。高空臭氧層是保護層，近地低空中的臭氧卻 是一種污染物。
保護臭氧層的一些措施：禁止生產和使用含氯氟烴的制冷劑、發泡劑、噴霧劑等化學物質。
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)
【溫室效應】
溫室效應的成因：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，導致氣溫上升，引起溫室效應。
適度的溫室效應能保證地球上的氣溫恒定，適于動植物生存。溫室效應加劇，在一定程度上導致全球性 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。
能造成“溫室效應”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，統稱為溫室氣體。
防止溫室污染加劇的相關措施：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紅磷燃燒產物為固體；③氣體減少，壓強減小，大氣壓將水壓入裝置內；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，并把塞子塞緊；
④燃燒結束后，震蕩集氣瓶。待完全冷卻后打開彈簧夾，記錄實驗現象。
【實驗現象】
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，水經導管進入集氣瓶內；
③進入裝置內的水約占集氣瓶內空氣總體積的 1/5。
【實驗結論】
①紅磷燃燒產生白色固體；
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，觀察到導管口處有氣泡冒出，拿開手后， 導管中形成一段穩定的水柱，則氣密性良好。
②裝置中預留少量水作用：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。
【藥品的選擇】
紅磷：紅磷燃燒只消耗氧氣，且燃燒產物為固體；
木炭/硫黃：燃燒產物為氣體，不能造成裝置內壓強減小使水充分流入裝置內，會使實驗結果偏小；若 要選用該藥品，則需將水換成氫氧化鈉溶液；
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果偏大；
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，實驗結果更準確；
銅：銅和氧氣加熱條件下生成氧化銅，可以選用。
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。
【實驗誤差分析】
偏大（進入裝置內的水超過集氣瓶內空氣總體積的 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，紅磷燃燒時裝置內部分空氣受熱從乳膠管中逸出；
偏小（進入裝置內的水不足集氣瓶內空氣總體積的 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．導管中未注滿水（進入裝置內部分水殘留與乳膠管中）。
【常見裝置改進】
三、氧氣的性質
【物理性質】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、固態氧呈淡藍色。
【化學性質】
化學性質比較活潑，具有助燃性、氧化性，能與許多物質發生化學反應并放出熱量。
反應物質 實驗現象（在 O2 中燃燒） 實驗現象（在空氣中燃燒）
木炭 發出白光；放出熱量； 生成使澄清石灰水變渾濁的氣體 持續紅熱，無煙，無焰，發出紅光 生成使澄清石灰水變渾濁的氣體
硫 發出藍紫色火焰；放出熱量， 生成無色有刺激性氣味的氣體 在空氣中燃燒發出淡藍色火焰； 放出熱量；無煙
紅磷 產生大量白煙；放出熱量；發出耀眼的白光 黃白色火焰；放出熱量；產生大量白煙
鎂條 發出耀眼的白光；放出大量的熱量； 生成白色固體（更劇烈） 發出耀眼的白光；放出大量的熱量； 生成白色固體
鐵絲 劇烈燃燒，火星四射；生成黑色固體； 放出大量的熱量 持續紅熱，但不能燃燒
氫氣 淡藍色火焰；放熱；水珠附在燒杯內壁上 -
CO 藍色火焰；放熱 生成使澄清石灰水變渾濁的氣體 -
CH4 藍色火焰；放熱；水珠；生成使澄清石灰水 變渾濁的氣體 -
物質和氧發生的反應叫做氧化反應。氧化反應分為緩慢氧化和劇烈氧化。在氧化反應中，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、硫和鐵等物質的燃燒。
四、氧氣的制取
【工業制取】
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。
工業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：
加熱分解高錳酸鉀：2KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2↑
加熱分解氯酸鉀：2KClO3 2KCl + 3O2↑
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2
2
)分解雙氧水：2H O MnO22H O + O ↑ 2．發生裝置：
a．固-固加熱型 b．固-液常溫型
收集裝置：
氧氣不易溶于水且不與水反應——排水法
氧氣密度比空氣大且不與空氣發生反應——向上排空氣法
主要步驟（以分解高錳酸鉀制氧氣為例）：
查：檢查裝置氣密性；
裝：向試管里裝藥品；
定：將試管固定在鐵架臺上；
點：點燃酒精燈；
收：收集氧氣；
離：將導氣管移離水面；
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導管略伸入試管口，有利于氣體導出；
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入導管；
⑤試管口略向下傾斜，防止試管口冷凝水倒流回熱的試管底部使試管炸裂；
用酒精燈外焰先均勻預熱，再集中在有藥品部位集中加熱，用酒精燈的外焰加熱；
⑦等有連續的氣泡產生時再收集，防止收集的氣體不純；
⑧實驗完畢，先撤導管，后移酒精燈，防止水槽中的水沿導管倒吸使試管炸裂；
⑨收集滿的氧氣，應使集氣瓶口向上放置，并用毛玻璃片蓋上。
⑩雙氧水制氧氣，反應前可向錐形瓶中加入一定量水，降低反應速率，便于收集氧氣。
五、催化劑
定義：在化學反應中能改變反應速率，而自身的質量和化學性質在化學反應前后都沒有改變的物質叫催 化劑，工業上也叫觸媒。
特點：一變二不變，即改變（加快或減慢）反應速率，反應前后質量和化學性質不變。 注意：催化劑在化學反應過程中可能參與反應，在反應完成之后被還原成原始的成分。
六、燃燒和滅火
【燃燒】
燃燒的定義：可燃物和氧氣發生的一種發光、發熱、劇烈的氧化反應。
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）溫度達到可燃物的著火點。
【滅火的原理】1．撤離可燃物；
將可燃物與空氣隔絕；
將可燃物的溫度降到著火點以下。
一、二氧化碳的性質
【物理性質】
二氧化碳
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。
【化學性質】
一般情況下，既不能燃燒，也不能支持燃燒，不能供給呼吸。
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)能和水反應生成碳酸，H O+CO =H CO ，碳酸能使紫色石蕊試液變紅。碳酸不穩定很容易分解：H CO △H O+CO
↑，加熱時溶液又會由紅色變回紫色。3．能與可溶性堿反應：
能使澄清石灰水變渾濁（CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O），這一反應用來檢驗二氧化碳；
能和氫氧化鈉溶液反應（CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O），但無明顯現象，這一反應用來吸收二氧化碳。
二、二氧化碳的制取
【工業制法】
高溫煅燒石灰石：CaCO3 高溫CaO+CO2↑
【實驗室制法】
1．原料：石灰石（或大理石）和稀鹽酸。
不用濃鹽酸的理由是濃鹽酸有較強的揮發性，會使收集到的氣體不純。
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，阻止反應的進行。
不用碳酸鈉粉末的理由是反應速度太快，氣體難以收集。2．反應原理：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑。
裝置：
發生裝置：固液常溫型；收集裝置：向上排空氣法。
收集裝置：由于二氧化碳能溶于水，并會與水發生反應，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。
主要步驟：
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）。
先在錐形瓶中加入幾小塊大理石，塞緊帶有長頸漏斗和導管的橡皮塞。長頸漏斗末端要伸入到液面以 下，防止生成的氣體逸出。
把氣體導管插入集氣瓶中，導管口應處在接近集氣瓶的瓶底處（有利于集氣瓶內空氣的排出）。
通過長頸漏斗加入適量稀鹽酸，錐形瓶中立刻有氣泡產生。
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】

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