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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的結論。實驗中涉及的化學方程式有：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。彈簧夾關閉。集氣瓶內加入少量水，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，水沿著導管進入集氣瓶中，進入集氣瓶內水的體積約占集氣瓶空氣總體積的1/5。 【實驗結論】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，集氣瓶內的氧氣沒有被完全消耗，測量結果會偏小。 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，測量結果會偏小。 3. 導管中要注滿水。否則當紅磷燃燒并冷卻后，進入的水會有一部分殘留在試管中，導致測量結果偏小。 4. 冷卻后再打開彈簧夾，否則測量結果偏小。 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，容器內壓強幾乎不變，水面不會有變化。 8. 如果預先在集氣瓶內放入氫氧化鈉溶液，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，這樣不僅消耗氧氣，還消耗了氮氣和二氧化碳，使測量結果偏大。 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 體積分數(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 兩種或多種物質混合而成的物質叫混合物。 只由一種物質組成的物質叫純凈物。 特點 組成混合物的各種成分之間沒有發(fā)生化學反應，它們各自保持著原來的性質。 純凈物可以用化學式來表示。但是，絕對純凈的物質是沒有的。 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 能用化學式表示的所有物質 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】無色無味的氣體，不易溶于水，密度比空氣的密度略小。 【化學性質】化學性質不活潑，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； ④ 超導材料在液氮的低溫條件下顯示超導性能。 2. 稀有氣體（氦、氖、氬、氪、氙的總稱） 【物理性質】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。 【化學性質】化學性質很不活潑。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（如航標燈、強照明燈、閃光燈、霓虹燈等）； ③ 用于激光技術；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、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 綠色化學又稱環(huán)境友好化學，其核心是利用化學原理從源頭上消除污染。 綠色化學的主要特點是： 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，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 【物理性質】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)氧是淡藍色的。 【化學性質】氧氣化學性質比較活潑。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燃，證明是氧氣。 三、 氧氣與常見物質發(fā)生的反應 物質 反應現(xiàn)象 化學方程式（表達式） 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)出淡藍色火焰，在氧氣中燃燒發(fā)出藍紫色火焰 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)生淡藍色火焰 ② 放熱、生成能使無水硫酸銅變藍的液體 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，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)生明亮的藍色火焰，放熱，產(chǎn)生能使無水硫酸銅變藍的液體，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。 【化學方程式】C+O2CO2 【注意事項】木炭應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)出淡藍色火焰，在氧氣中燃燒發(fā)出藍紫色火焰。生成一種有刺激性氣味的氣體。 【化學方程式】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. 細鐵絲在氧氣中燃燒的實驗 【實驗操作】把光亮的細鐵絲盤成螺旋狀，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沙）。 【實驗現(xiàn)象】細鐵絲在氧氣中劇烈燃燒，火星四射，生成一種黑色固體。 【化學方程式】3Fe+2O2Fe3O4 【注意事項】 ① 用砂紙把細鐵絲磨成光亮的銀白色，是為了除去細鐵絲表面的雜質。 ② 將細鐵絲盤成螺旋狀，是為了增大細鐵絲與氧氣的接觸面積。 ③ 把細鐵絲繞在火柴上，是為了引燃細鐵絲，使細鐵絲的溫度達到著火點。 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鐵絲反應。 ⑤ 由上向下緩慢伸進盛有氧氣的集氣瓶中是為了防止細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鐵絲反應。 ⑥ 集氣瓶里要預先裝少量水或在瓶底鋪上一薄層細沙，是為了防止灼熱的生成物濺落使集氣瓶瓶底炸裂。 五、 化合反應和分解反應 1. 化合反應：由兩種或兩種以上物質生成另一種物質的反應。 2. 分解反應：由一種反應物生成兩種或兩種以上其他物質的反應叫做分解反應。 3. 化合反應的特點是“多變一”，分解反應的特點是“一變多”。 六、 氧化反應 1. 氧化反應：物質跟氧發(fā)生的反應屬于氧化反應。它不屬于基本反應類型。 2. 氧化還原反應與四大基本反應的關系： 3. 氧化反應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 反應物和反應條件的特征：反應物都是固體，反應需要加熱。 u 裝置氣密性的檢查方法：將導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。加熱結束時，酒精燈的火焰應該用燈帽蓋滅。 l 鐵夾應夾在試管的中上部，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 試管內導管應稍露出膠塞即可。如果太長，不利于氣體排出。 l 停止反應時，應先把導管從水槽中移出，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制備氣體的裝置（見上圖②） u 反應物和反應條件的特征：反應物中有固體和液體，反應不需要加熱。 u 裝置氣密性的檢查方法：在導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：可以控制反應速率。 l 裝置(d)的特點：可以控制反應的發(fā)生和停止。（希望停止反應時，用彈簧夾夾住橡皮管。這時由于試管內的氣壓大于外界大氣壓，試管內的液面會下降） 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。 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 應當?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，導氣管管口不應伸入到集氣瓶口。 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，集氣瓶口應該朝上；如果收集的氣體的密度比空氣小，集氣瓶口應該朝下。 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（相對分子質量大于29），且不與空氣中的成分反應。 u 要求：導管伸入集氣瓶底，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（相對分子質量小于29），且不與空氣中的成分反應。 u 要求：導管伸入集氣瓶底，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 導氣管屬于發(fā)生裝置。把導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 反應原理：2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑ l 發(fā)生裝置：由于反應物是固體，反應需要加熱，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)生化學反應，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)生化學反應，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，如果帶火星的木條復燃，說明是氧氣。 l 注意事項： ◆ 停止反應時，應先把導管從水槽中移出，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管，使導管堵塞。 ◆ 棉花不要離高錳酸鉀太近，否則會導致發(fā)生裝置爆炸。 2. 分解過氧化氫溶液制取氧氣 l 反應原理：2H2O22H2O+O2↑（催化劑可換成硫酸銅溶液） l 發(fā)生裝置：由于反應物是固體和液體，反應不需要加熱，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)生化學反應，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)生化學反應，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，如果帶火星的木條復燃，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燃。 3. 加熱氯酸鉀制取氧氣 l 反應原理：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，如果帶火星的木條復燃，說明是氧氣。 三、 催化劑 在化學反應里能改變其他物質的化學反應速率，而本身的質量和化學性質在化學反應前后都沒有發(fā)生變化的物質叫做催化劑。催化劑在化學反應中所起的作用叫催化作用。 催化劑只能改變化學反應的速率，不能改變化學反應的產(chǎn)率。 催化劑在化學反應前后不改變，其反應過程中有可能改變。 不同的化學反應有不同的催化劑，同一化學反應也可能有幾種催化劑。 生物體內的酶屬于催化劑。 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色的鋼瓶里。 第二種制法：利用膜分離技術，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。