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第二單元 我們周圍的空氣 第一節(jié) 空氣 一、 拉瓦錫測定空氣成分的實驗 二百多年前，法國化學(xué)家拉瓦錫通過實驗，得出了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(jié)論。實驗中涉及的化學(xué)方程式有：2Hg+O22HgO和2HgO2Hg+O2↑。 二、 測定空氣中氧氣含量的實驗 【實驗原理】4P+5O22P2O5 【實驗裝置】如右圖所示。彈簧夾關(guān)閉。集氣瓶內(nèi)加入少量水，并做上記號。 【實驗步驟】 ① 連接裝置，并檢查裝置的氣密性。 ② 點燃燃燒匙內(nèi)的紅磷，立即伸入集氣瓶中，并塞緊塞子。 ③ 待紅磷熄滅并冷卻后，打開彈簧夾。 【實驗現(xiàn)象】① 紅磷燃燒，產(chǎn)生大量白煙；② 放熱；③ 冷卻后打開彈簧夾，水沿著導(dǎo)管進入集氣瓶中，進入集氣瓶內(nèi)水的體積約占集氣瓶空氣總體積的1/5。 【實驗結(jié)論】① 紅磷燃燒消耗空氣中的氧氣，生成五氧化二磷固體；② 空氣中氧氣的體積約占空氣總體積的1/5。 【注意事項】 1. 紅磷必須過量。如果紅磷的量不足，集氣瓶內(nèi)的氧氣沒有被完全消耗，測量結(jié)果會偏小。 2. 裝置氣密性要好。如果裝置的氣密性不好，集氣瓶外的空氣進入集氣瓶，測量結(jié)果會偏小。 3. 導(dǎo)管中要注滿水。否則當(dāng)紅磷燃燒并冷卻后，進入的水會有一部分殘留在試管中，導(dǎo)致測量結(jié)果偏小。 4. 冷卻后再打開彈簧夾，否則測量結(jié)果偏小。 5. 如果彈簧夾未夾緊，或者塞塞子的動作太慢，測量結(jié)果會偏大。 6. 在集氣瓶底加水的目的：吸收有毒的五氧化二磷。 7. 不要用木炭或硫代替紅磷！原因：木炭和硫燃燒盡管消耗氣體，但是產(chǎn)生了新的氣體，氣體體積不變，容器內(nèi)壓強幾乎不變，水面不會有變化。 8. 如果預(yù)先在集氣瓶內(nèi)放入氫氧化鈉溶液，就可以用木炭或硫代替紅磷進行實驗。 9. 不要用鎂代替紅磷！原因：鎂在空氣中燃燒時能與氮氣和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，這樣不僅消耗氧氣，還消耗了氮氣和二氧化碳，使測量結(jié)果偏大。 三、 空氣的成分 氣體 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% 四、 混合物和純凈物 混合物 純凈物 定義 兩種或多種物質(zhì)混合而成的物質(zhì)叫混合物。 只由一種物質(zhì)組成的物質(zhì)叫純凈物。 特點 組成混合物的各種成分之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，它們各自保持著原來的性質(zhì)。 純凈物可以用化學(xué)式來表示。但是，絕對純凈的物質(zhì)是沒有的。 常見實例 空氣、溶液、合金、鐵銹、加碘鹽、天然氣、自來水、礦泉水等 能用化學(xué)式表示的所有物質(zhì) 冰水混合物、水蒸氣、銅銹也是純凈物 五、 空氣是一種寶貴的資源 1. 氮氣 【物理性質(zhì)】無色無味的氣體，不易溶于水，密度比空氣的密度略小。 【化學(xué)性質(zhì)】化學(xué)性質(zhì)不活潑，一般情況下不能支持燃燒，不能供給動植物呼吸。 【用途】① 制硝酸和化肥的重要原料（這一點可以證明空氣中含有氮氣）； ② 用作保護氣（焊接金屬時作保護氣、燈泡充氮延長使用壽命、食物充氮防腐）； ③ 醫(yī)療上在液氮冷凍麻醉條件下做手術(shù)； ④ 超導(dǎo)材料在液氮的低溫條件下顯示超導(dǎo)性能。 2. 稀有氣體（氦、氖、氬、氪、氙的總稱） 【物理性質(zhì)】沒有顏色，沒有氣味的氣體，難溶于水。通電時能發(fā)出不同顏色的光。 【化學(xué)性質(zhì)】化學(xué)性質(zhì)很不活潑。所以稀有氣體又叫做惰性氣體。 【用途】① 用作保護氣（焊接金屬時作保護氣、燈泡中充入稀有氣體使燈泡耐用）； ② 用作光源（如航標(biāo)燈、強照明燈、閃光燈、霓虹燈等）； ③ 用于激光技術(shù)；④ 氦氣可作冷卻劑；⑤ 氙氣可作麻醉劑。 六、 空氣污染和防治 1. 空氣污染的污染物是有害氣體和煙塵。污染源包括煤、石油等化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳（三大有害氣體），還包括工業(yè)廢氣等方面。 2. 計入空氣污染指數(shù)的項目為：二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、可吸入顆粒物和臭氧等。 3. 空氣污染的危害：造成世界三大環(huán)境問題（溫室效應(yīng)、臭氧層破壞、酸雨）、損害人體健康、破壞生態(tài)平衡、影響作物生長、破壞生態(tài)平衡等。 4. 防治空氣污染：加強大氣質(zhì)量監(jiān)測；改善環(huán)境狀況；減少使用化石燃料；使用清潔能源；積極植樹、造林、種草；禁止露天焚燒垃圾等。 七、 綠色化學(xué) 綠色化學(xué)又稱環(huán)境友好化學(xué)，其核心是利用化學(xué)原理從源頭上消除污染。 綠色化學(xué)的主要特點是： ① 充分利用資源和能源，采用無毒、無害的原料； ② 在無毒、無害的條件下進行反應(yīng)，以減少向環(huán)境排放廢物； ③ 提高原子的利用率，力圖使所有作為原料的原子都被產(chǎn)品所消納，實現(xiàn)“零排放”； ④ 生產(chǎn)有利于環(huán)境保護、社區(qū)安全和人體健康的環(huán)境友好的產(chǎn)品。 第二節(jié) 氧氣 一、 氧氣的性質(zhì) 【物理性質(zhì)】密度略大于空氣的密度。不易溶于水。氣態(tài)的氧是無色無味的，液態(tài)氧和固態(tài)氧是淡藍(lán)色的。 【化學(xué)性質(zhì)】氧氣化學(xué)性質(zhì)比較活潑。氧氣具有助燃性和氧化性。 二、 氧氣的檢驗方法：把一根帶火星的木條伸入集氣瓶中，如果帶火星的木條復(fù)燃，證明是氧氣。 三、 氧氣與常見物質(zhì)發(fā)生的反應(yīng) 物質(zhì) 反應(yīng)現(xiàn)象 化學(xué)方程式（表達(dá)式） 磷 產(chǎn)生大量白煙、放熱 4P+5O22P2O5 木炭 ① 木炭在空氣中燃燒時持續(xù)紅熱，無煙無焰；木炭在氧氣中劇烈燃燒，并發(fā)出白光 ② 放熱、生成能使澄清石灰水變渾濁的氣體 C+O2CO2 硫 ① 在空氣中燃燒發(fā)出淡藍(lán)色火焰，在氧氣中燃燒發(fā)出藍(lán)紫色火焰 ② 放熱、生成有刺激性氣味的氣體 S+ O2SO2 氫氣 ① 純凈的氫氣在空氣中燃燒，產(chǎn)生淡藍(lán)色火焰 ② 放熱、生成能使無水硫酸銅變藍(lán)的液體 2H2+O22H2O 鐵 鐵在氧氣中劇烈燃燒，火星四射，放熱，生成黑色固體 3Fe+2O2Fe3O4 鋁 鋁在氧氣中燃燒，發(fā)出耀眼的白光，放熱，生成白色固體 4Al+3O22Al2O3 鋁在空氣中與氧氣反應(yīng)，表面形成致密的氧化膜 4Al+3O2=2Al2O3 鎂 鎂在空氣中燃燒，發(fā)出耀眼的白光、放熱、生成白色粉末 2Mg+O22MgO 銅 紅色的固體逐漸變成黑色 2Cu+O22CuO 汞 銀白色液體逐漸變成紅色 2Hg+O22HgO 一氧化碳 產(chǎn)生藍(lán)色火焰，放熱，生成能使澄清石灰水變渾濁的氣體 2CO+O22CO2 甲烷 產(chǎn)生明亮的藍(lán)色火焰，放熱，產(chǎn)生能使無水硫酸銅變藍(lán)的液體，生成能使澄清石灰水變渾濁的氣體 CH4+2O2CO2+2H2O 蠟燭 火焰發(fā)出白光，放熱，產(chǎn)生能使無水硫酸銅變藍(lán)的液體，生成能使澄清石灰水變渾濁的氣體 石蠟＋氧氣水＋二氧化碳 四、 探究實驗 1. 木炭燃燒實驗 【實驗操作】用坩堝鉗夾取一小塊木炭，在酒精燈上加熱到發(fā)紅，插入到盛有集氣瓶的氧氣中（由瓶口向下緩慢插入），觀察木炭在氧氣里燃燒的現(xiàn)象。燃燒停止后，取出坩堝鉗，向集氣瓶中加入少量澄清的石灰水，振蕩，觀察現(xiàn)象。 【實驗現(xiàn)象】木炭在空氣中燃燒時持續(xù)紅熱，無煙無焰；在氧氣中燃燒更旺，發(fā)出白光。向集氣瓶中加入少量澄清的石灰水后，澄清的石灰水變渾濁。 【化學(xué)方程式】C+O2CO2 【注意事項】木炭應(yīng)該由上向下緩慢伸進盛有氧氣的集氣瓶中，原因：為了保證有充足的氧氣支持木炭燃燒，防止木炭燃燒生成的二氧化碳使木炭熄滅，確保實驗成功。 2. 硫燃燒實驗 【實驗操作】在燃燒匙里放少量硫，在酒精燈上點燃，然后把盛有燃著硫的燃燒匙由上向下緩慢伸進盛有氧氣的集氣瓶中，分別觀察硫在空氣中和在氧氣中燃燒的現(xiàn)象。 【實驗現(xiàn)象】硫在空氣中燃燒發(fā)出淡藍(lán)色火焰，在氧氣中燃燒發(fā)出藍(lán)紫色火焰。生成一種有刺激性氣味的氣體。 【化學(xué)方程式】S+ O2SO2 【注意事項】在集氣瓶中加入少量的氫氧化鈉溶液，可以吸收有毒的二氧化硫，防止造成空氣污染。 3. 細(xì)鐵絲在氧氣中燃燒的實驗 【實驗操作】把光亮的細(xì)鐵絲盤成螺旋狀，下端系一根火柴，點燃火柴，待火柴快燃盡時，由上向下緩慢插入盛有氧氣的集氣瓶中（集氣瓶底部要先放少量水或鋪一薄層細(xì)沙）。 【實驗現(xiàn)象】細(xì)鐵絲在氧氣中劇烈燃燒，火星四射，生成一種黑色固體。 【化學(xué)方程式】3Fe+2O2Fe3O4 【注意事項】 ① 用砂紙把細(xì)鐵絲磨成光亮的銀白色，是為了除去細(xì)鐵絲表面的雜質(zhì)。 ② 將細(xì)鐵絲盤成螺旋狀，是為了增大細(xì)鐵絲與氧氣的接觸面積。 ③ 把細(xì)鐵絲繞在火柴上，是為了引燃細(xì)鐵絲，使細(xì)鐵絲的溫度達(dá)到著火點。 ④ 待火柴快燃盡時才緩慢插入盛有氧氣的集氣瓶中，是為了防止火柴燃燒時消耗氧氣，保證有充足的氧氣與細(xì)鐵絲反應(yīng)。 ⑤ 由上向下緩慢伸進盛有氧氣的集氣瓶中是為了防止細(xì)鐵絲燃燒時放熱使氧氣從集氣瓶口逸出，保證有充足的氧氣與細(xì)鐵絲反應(yīng)。 ⑥ 集氣瓶里要預(yù)先裝少量水或在瓶底鋪上一薄層細(xì)沙，是為了防止灼熱的生成物濺落使集氣瓶瓶底炸裂。 五、 化合反應(yīng)和分解反應(yīng) 1. 化合反應(yīng)：由兩種或兩種以上物質(zhì)生成另一種物質(zhì)的反應(yīng)。 2. 分解反應(yīng)：由一種反應(yīng)物生成兩種或兩種以上其他物質(zhì)的反應(yīng)叫做分解反應(yīng)。 3. 化合反應(yīng)的特點是“多變一”，分解反應(yīng)的特點是“一變多”。 六、 氧化反應(yīng) 1. 氧化反應(yīng)：物質(zhì)跟氧發(fā)生的反應(yīng)屬于氧化反應(yīng)。它不屬于基本反應(yīng)類型。 2. 氧化還原反應(yīng)與四大基本反應(yīng)的關(guān)系： 3. 氧化反應(yīng)包括劇烈氧化和緩慢氧化。 劇烈氧化會發(fā)光、放熱，如燃燒、爆炸；緩慢氧化放熱較少，但不會發(fā)光，如動植物呼吸、食物的腐敗、酒和醋的釀造、農(nóng)家肥料的腐熟等。 第三節(jié) 制取氧氣 一、 氣體制取裝置 1. 氣體發(fā)生裝置 n 加熱固體制備氣體的裝置（見上圖①） u 反應(yīng)物和反應(yīng)條件的特征：反應(yīng)物都是固體，反應(yīng)需要加熱。 u 裝置氣密性的檢查方法：將導(dǎo)氣管的出口浸沒在水中，雙手緊握試管。如果水中出現(xiàn)氣泡，說明裝置氣密性良好。（原理：氣體的熱脹冷縮） u 加熱時的注意事項： l 絕對禁止向燃著的酒精燈內(nèi)添加酒精。 l 絕對禁止用燃著的酒精燈引燃另一只酒精燈。 l 禁止用嘴吹滅酒精燈。加熱結(jié)束時，酒精燈的火焰應(yīng)該用燈帽蓋滅。 l 鐵夾應(yīng)夾在試管的中上部，大約是距試管口1/3處。 l 藥品要斜鋪在在試管底部，便于均勻受熱。 l 試管口要略向下傾斜，防止冷凝水回流熱的試管底部使試管炸裂。 l 試管內(nèi)導(dǎo)管應(yīng)稍露出膠塞即可。如果太長，不利于氣體排出。 l 停止反應(yīng)時，應(yīng)先把導(dǎo)管從水槽中移出，再熄滅酒精燈，防止水槽中的水被倒吸入熱的試管中，使試管炸裂。 u 選擇裝置時，要選擇帶有橡皮塞的彎管。 n 固液混合在常溫下反應(yīng)制備氣體的裝置（見上圖②） u 反應(yīng)物和反應(yīng)條件的特征：反應(yīng)物中有固體和液體，反應(yīng)不需要加熱。 u 裝置氣密性的檢查方法：在導(dǎo)管出口處套上橡皮塞，用彈簧夾夾緊橡皮塞，從漏斗中加水。如果液面穩(wěn)定后水面不下降，則表明裝置氣密性良好。 u 要根據(jù)實際情況選擇(a)(b)(c)(d)四種裝置。 l 裝置(a)的特點：裝置簡單，適用于制取少量的氣體；容易造成氣體泄漏，增加藥品不太方便。 l 裝置(b)的特點：便于隨時添加藥品。 l 裝置(c)的特點：可以控制反應(yīng)速率。 l 裝置(d)的特點：可以控制反應(yīng)的發(fā)生和停止。（希望停止反應(yīng)時，用彈簧夾夾住橡皮管。這時由于試管內(nèi)的氣壓大于外界大氣壓，試管內(nèi)的液面會下降） u 如果使用長頸漏斗，注意長頸漏斗的下端管口應(yīng)插入液面以下，形成液封，防止生成的氣體從長頸漏斗逸出。使用分液漏斗時無需考慮這個問題。 u 選擇裝置時，要選擇帶有橡皮塞的直管。(a)裝置使用單孔橡皮塞，(b)(c)(d)裝置使用雙孔橡皮塞。 u 固體藥品通過錐形瓶口加入，液體藥品通過分液漏斗加入。 2. 氣體收集裝置 n 排水法收集氣體的裝置（見右圖） u 適用情況：收集的氣體不溶或難溶于水，且不與水反應(yīng)。 u 注意事項： l 集氣瓶中不能留有氣泡，否則收集到的氣體不純。 l 應(yīng)當(dāng)?shù)鹊綒馀葸B續(xù)均勻地放出后再收集氣體，否則收集到的氣體不純。 l 在氣泡連續(xù)均勻放出之前，導(dǎo)氣管管口不應(yīng)伸入到集氣瓶口。 l 如果瓶口出現(xiàn)氣泡，說明氣體收集滿。 l 如果需要較干燥的氣體，請不要使用排水法。 l 氣體收集完畢后，要在水下把玻璃片蓋在集氣瓶口上，否則收集到的氣體不純。 l 收集完畢后，如果收集的氣體的密度比空氣大，集氣瓶口應(yīng)該朝上；如果收集的氣體的密度比空氣小，集氣瓶口應(yīng)該朝下。 n 向上排空氣法收集氣體的裝置（見右圖） u 適用情況：氣體密度大于空氣（相對分子質(zhì)量大于29），且不與空氣中的成分反應(yīng)。 u 要求：導(dǎo)管伸入集氣瓶底，以利于排凈空氣。 u 密度和空氣接近的氣體，不宜用排空氣法收集。 u 暫存氣體時，只需將集氣瓶正放在桌面上，蓋上毛玻璃片就可以了。 n 向下排空氣法收集氣體的裝置（見右圖） u 適用情況：氣體密度小于空氣（相對分子質(zhì)量小于29），且不與空氣中的成分反應(yīng)。 u 要求：導(dǎo)管伸入集氣瓶底，以利于排凈空氣。 u 密度和空氣接近的氣體，不宜用排空氣法收集。 u 暫存氣體時，需要蓋上毛玻璃片并將集氣瓶倒放在桌面上。 l 導(dǎo)氣管屬于發(fā)生裝置。把導(dǎo)氣管畫在收集裝置中，是為了更好地說明問題。 二、 實驗室制取氧氣 1. 加熱高錳酸鉀制取氧氣 l 反應(yīng)原理：2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑ l 發(fā)生裝置：由于反應(yīng)物是固體，反應(yīng)需要加熱，所以選擇加熱固體制備氣體的裝置。 l 收集裝置：由于氧氣不易溶于水，且不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以可以選擇排水法收集氣體的裝置。 由于氧氣的密度比空氣大，且不與空氣中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以可以選擇向上排空氣法收集氣體的裝置。 l 步驟： ① 查：檢查裝置的氣密性。 ② 裝：將高錳酸鉀裝入干燥的試管，并在試管口放一團棉花，并用帶導(dǎo)管的橡皮塞塞緊試管。 ③ 定：將試管固定在鐵架臺上。 ④ 點：點燃酒精燈，試管均勻受熱后，就使酒精燈固定在試管底部加熱。 ⑤ 收：根據(jù)所選的收集裝置來確定氣體的收集方法。 ⑥ 移：把導(dǎo)管移出水槽。 ⑦ 熄：熄滅酒精燈。 l 驗滿：（用排水法收集）如果集氣瓶口有氣泡出現(xiàn)，說明氣體收集滿了。 （用向上排空氣法收集）將帶火星的木條放在集氣瓶口，如果帶火星的木條復(fù)燃，說明氧氣收集滿了。 l 檢驗：將帶火星的木條伸入到集氣瓶內(nèi)，如果帶火星的木條復(fù)燃，說明是氧氣。 l 注意事項： ◆ 停止反應(yīng)時，應(yīng)先把導(dǎo)管從水槽中移出，再熄滅酒精燈，防止水槽中的水被倒吸入熱的試管中，使試管炸裂。 ◆ 加熱高錳酸鉀時，試管口要放一團棉花，防止高錳酸鉀被吹入導(dǎo)管，使導(dǎo)管堵塞。 ◆ 棉花不要離高錳酸鉀太近，否則會導(dǎo)致發(fā)生裝置爆炸。 2. 分解過氧化氫溶液制取氧氣 l 反應(yīng)原理：2H2O22H2O+O2↑（催化劑可換成硫酸銅溶液） l 發(fā)生裝置：由于反應(yīng)物是固體和液體，反應(yīng)不需要加熱，所以選擇固液混合在常溫下制取氣體的裝置。 l 收集裝置：由于氧氣不易溶于水，且不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以可以選擇排水法收集氣體的裝置。 由于氧氣的密度比空氣大，且不與空氣中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以可以選擇向上排空氣法收集氣體的裝置。 l 驗滿：（用排水法收集）如果集氣瓶口有氣泡出現(xiàn)，說明氣體收集滿了。 （用向上排空氣法收集）將帶火星的木條放在集氣瓶口，如果帶火星的木條復(fù)燃，說明氧氣收集滿了。 l 檢驗：將帶火星的木條伸入到集氣瓶內(nèi)，如果帶火星的木條復(fù)燃，說明是氧氣。 l 不能用加熱過氧化氫溶液的方法制取氧氣！因為加熱過氧化氫溶液時，過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣和水蒸氣一起逸出，水蒸氣的干擾會使帶火星的木條不能復(fù)燃。 3. 加熱氯酸鉀制取氧氣 l 反應(yīng)原理：2KClO32KCl+3O2↑ l 發(fā)生裝置和收集裝置：和加熱高錳酸鉀制取氧氣的裝置相同。 l 驗滿：（用排水法收集）如果集氣瓶口有氣泡出現(xiàn)，說明氣體收集滿了。 （用向上排空氣法收集）將帶火星的木條放在集氣瓶口，如果帶火星的木條復(fù)燃，說明氧氣收集滿了。 l 檢驗：將帶火星的木條伸入到集氣瓶內(nèi)，如果帶火星的木條復(fù)燃，說明是氧氣。 三、 催化劑 在化學(xué)反應(yīng)里能改變其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率，而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒有發(fā)生變化的物質(zhì)叫做催化劑。催化劑在化學(xué)反應(yīng)中所起的作用叫催化作用。 催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)的速率，不能改變化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)率。 催化劑在化學(xué)反應(yīng)前后不改變，其反應(yīng)過程中有可能改變。 不同的化學(xué)反應(yīng)有不同的催化劑，同一化學(xué)反應(yīng)也可能有幾種催化劑。 生物體內(nèi)的酶屬于催化劑。 四、 氧氣的工業(yè)制法 實驗室制取氧氣屬于化學(xué)變化，工業(yè)制取氧氣屬于物理變化，這是二者的根本區(qū)別。 空氣中約含21%的氧氣，是制取氧氣的廉價易得的原料。 第一種制法（分離液態(tài)空氣法）：在低溫、加壓的條件下，氣態(tài)空氣變?yōu)橐簯B(tài)。由于液態(tài)氮的沸點比液態(tài)氧的沸點低，在-196℃的情況下，液態(tài)氮蒸發(fā)，剩下的就是液態(tài)氧。通常我們把氧氣貯存在藍(lán)色的鋼瓶里。 第二種制法：利用膜分離技術(shù)，在一定壓力下，讓空氣通過具有富集氧氣功能的薄膜，可得到含氧量較高的富氧空氣。