第二单元 空气和氧气

自学建议 🌟

1. 全章绕着一条线走："氧气有什么性质 → 能拿来干什么"。用这条线把空气成分、氧气性质、制氧气串起来，就不乱了。
2. "测定空气中氧气含量"是重点实验：别死背步骤，先搞懂原理——红磷烧掉氧气→瓶里压强变小→水被压进来，进来的水的体积就等于消耗的氧气体积。能讲清"为什么结果小于/大于 1/5"，才算真懂。
3. 记氧气性质用"三件套"：反应物 + 现象 + 方程式。特别注意同一物质在空气中和在纯氧中燃烧，现象不一样。
4. 实验室制氧气是课本重要实验：预习时先把装置图画一遍，记住"查装定点收离熄"七个字。课堂上动手会更顺，也能归纳出制气体的一般思路。
5. 学会两个分类：化合反应（多变一）、分解反应（一变多），这是以后学反应类型、学配平的基础。
6. 催化剂"一变两不变"别硬背：看懂实验证据就明白了——它只改变反应速率，本身的质量和化学性质都不变。

单元导学（学习目标）

学完这一单元，你要能：

• 说出空气的主要成分（体积分数），分清混合物和纯净物。
• 描述氧气的物理性质和化学性质，会写常见物质在氧气中燃烧的文字表达式和化学方程式。
• 理解化合反应、分解反应、催化剂这三个概念。
• 掌握实验室制取氧气的两种原理、装置和操作步骤，能区分工业制法。
• 体会拉瓦锡"用天平做定量研究"的科学精神，认识空气是宝贵资源，要爱护它。

课题1 我们周围的空气

一、空气中氧气含量的测定

实验原理：红磷燃烧消耗空气中的氧气，使集气瓶内气体减少、压强降低，在大气压作用下烧杯中的水被压入集气瓶，进入水的体积等于消耗氧气的体积。

• 文字表达式：红磷 + 氧气 $\stackrel{\mathrm{点}\mathrm{燃}}{\to }$ 五氧化二磷
• 化学方程式：$4\mathrm{P}+5{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{点}\mathrm{燃}}}{}2{\mathrm{P}}_2{\mathrm{O}}_5$

实验步骤：① 检查装置气密性 → ② 集气瓶内加入少量水，把水面上方空间分成 5 等份并做好标记 → ③ 用弹簧夹夹紧乳胶管 → ④ 燃烧匙内放入足量红磷，用酒精灯点燃后立即伸入瓶中并塞紧橡胶塞 → ⑤ 待红磷熄灭并冷却至室温，打开弹簧夹。

实验现象：红磷燃烧，放热、产生大量白烟；冷却后打开弹簧夹，水进入集气瓶，体积约占瓶内空气体积的 1/5。

实验结论：空气中氧气的体积约占空气总体积的 1/5（即约 21%）。

误差分析：

结果	可能原因
小于 1/5	装置漏气；红磷量不足（氧气未耗尽）；未冷却到室温就打开弹簧夹；部分水留在导管中
大于 1/5	弹簧夹未夹紧（受热气体逸出）；燃烧匙伸入过慢（瓶内气体受热膨胀逸出）

选择红磷的原因：红磷只与氧气反应，不与空气中其他成分反应，且生成物五氧化二磷是固体（不是气体），瓶内压强差明显。若用硫、木炭，燃烧虽耗氧，但生成 SO₂、CO₂ 等气体，瓶内气体体积几乎不变，水不会明显进入，故不能用硫、木炭代替红磷。

🔑 记忆口诀："红磷耗氧气，压强降下去；进水五分之一，氧气体积记。"

二、空气的成分（体积分数）

（一）拉瓦锡对空气成分的研究

• 二百多年前，法国化学家拉瓦锡把少量汞放在密闭容器里连续加热 12 天，发现一部分银白色的液态汞变成红色粉末，同时容器里空气的体积减小了。
• 他研究了容器里的剩余气体，发现这部分气体既不能供给呼吸，也不能支持燃烧，认为它们全部是氮气（N₂）。
• 他又把红色粉末收集起来加强热，得到了汞（Hg）和氧气（O₂），且氧气的体积恰好等于密闭容器里减小的体积；把这些氧气加回剩余气体中，所得气体的性质与空气完全一样。
• 结论：空气由氧气和氮气组成。19 世纪末以后，人们又发现了稀有气体，才认识到空气中除氧气、氮气外还有其他成分。

（二）空气的成分（体积分数）

空气是混合物，各成分按体积计算大致为：

成分	体积分数
氮气（N₂）	78%
氧气（O₂）	21%
稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡）	0.94%
二氧化碳（CO₂）	0.03%
其他气体和杂质	0.03%

🔑 速记口诀："氮七八、氧二一，稀有气体零点九四；二氧化碳与其他，各占零点零三席。"

说明：课本小结中把稀有气体、二氧化碳和其他气体合并表述为"稀有气体等其他成分约占 1%"，两种说法一致。记忆的关键是"氮最多、氧第二"。

📌 拓展（科学·技术·社会）：还可用数字化实验测定空气中氧气的含量——把氧气传感器与数据采集器、计算机依次相连，将传感器插入盛有空气的容器采集数据，再用软件处理并显示氧气含量。

三、物质分类

根据组成物质的种类，可分为混合物和纯净物：

类别	概念	能否用化学符号表示	举例
混合物	两种或两种以上物质混合而成	不能（无固定组成）	空气、海水、河水、矿泉水、水泥沙浆
纯净物	由一种物质组成	能（可用化学符号表示）	氧气（O₂）、氮气（N₂）、二氧化碳（CO₂）、红磷（P）、五氧化二磷（P₂O₅）、冰水混合物、蒸馏水

📖 课本原话要点：组成混合物的各种成分保持着它们各自的性质；纯净物可以用化学符号来表示。

⚠️ 易错点：冰水混合物是纯净物！冰和水只是状态不同，本质都是 H₂O 一种物质。判断混合物/纯净物的根本是"由几种物质组成"，不是"看状态"或"看名字长短"。

四、空气是一种宝贵的资源

• 氧气：供给呼吸（动植物呼吸、医疗急救）；支持燃烧（燃料燃烧、炼钢、化工生产、气割、气焊、航空航天）。过去人们曾把氧气叫作"养气"，可见其重要性。
• 氮气：无色无味、不易溶于水（标准状况下密度 1.251 g/L，熔点 −210 ℃，沸点 −196 ℃）；化学性质不活泼——红磷在氮气中不能燃烧，说明氮气不支持燃烧，其化学性质不如氧气活泼。用途：制造硝酸和氮肥的重要原料；焊接金属时用作保护气；食品包装中充入氮气以防腐；医疗上用液氮进行冷冻治疗；超导材料在液氮的低温环境下能显示超导性能。
• 稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙和氡）：都没有颜色、没有气味，化学性质很不活泼；通电时能发出不同颜色的光，可用于航标灯、照明灯、闪光灯、霓虹灯等；液态氦可用于制造低温环境。
  • 📌 氩氦刀：一种低温冷冻微创治疗肿瘤的设备——用氩气使病变组织快速降温冷冻，用氦气使其快速升温解冻，从而消除肿瘤。

五、保护空气

• 污染物：有害气体（SO₂、NO₂、CO）和烟尘（可吸入颗粒物等）。
• 危害：损害人体健康、影响作物生长、破坏生态平衡；臭氧层破坏和酸雨也与空气污染有关。
• 保护措施：使用清洁能源、加强空气质量监测、积极植树、种草等，持续深入打好蓝天保卫战。
• 📖 空气质量指数（AQI）：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。AQI 0~50 为一级"优"，51~100 为二级"良"，数值越大污染越重，>300 为六级"严重污染"。

课题2 氧气

一、氧气的物理性质

• 通常状况下，氧气是**无色、无臭（无味）**的气体；
• 密度比空气略大：标准状况下氧气密度为 1.429 g/L，空气为 1.293 g/L；
• 不易溶于水（故可用排水法收集）：室温下 1 L 水只能溶解约 30 mL 氧气；
• 有三态变化：压强为 101 kPa 时，氧气在 −183.0 ℃ 变为淡蓝色液体，在 −218.8 ℃ 变为淡蓝色固体。状态改变属于物理变化。

二、氧气的化学性质

氧气能支持燃烧，可使带火星的木条复燃（这是检验氧气的常用方法）。

下面逐一学习几种物质在空气/氧气中的燃烧，请记住"反应物 + 现象 + 表达式/方程式"：

1. 红磷燃烧

• 文字表达式：红磷 + 氧气 $\stackrel{\mathrm{点}\mathrm{燃}}{\to }$ 五氧化二磷
• 化学方程式：$4\mathrm{P}+5{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{点}\mathrm{燃}}}{}2{\mathrm{P}}_2{\mathrm{O}}_5$
• 现象：放热，产生大量白烟（白烟是固体五氧化二磷小颗粒）。

2. 木炭（碳）燃烧

• 文字表达式：碳 + 氧气 $\stackrel{\mathrm{点}\mathrm{燃}}{\to }$ 二氧化碳
• 化学方程式：$\mathrm{C}+{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{点}\mathrm{燃}}}{}{\mathrm{CO}}_2$
• 现象：空气中发出红光，氧气中发出白光；均放热，生成使澄清石灰水变浑浊的气体（二氧化碳）。
• ⚠️ 操作：用坩埚钳夹取一小块木炭，在酒精灯火焰上加热到发红后，由瓶口向下缓慢插入集气瓶，使木炭与氧气充分反应。

3. 硫燃烧

• 文字表达式：硫 + 氧气 $\stackrel{\mathrm{点}\mathrm{燃}}{\to }$ 二氧化硫
• 化学方程式：$\mathrm{S}+{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{点}\mathrm{燃}}}{}{\mathrm{SO}}_2$
• 现象：空气中淡蓝色火焰，氧气中蓝紫色火焰；均放热，生成有刺激性气味的气体。
• ⚠️ 注意：集气瓶中放少量水是为了吸收二氧化硫，防止污染空气；这里不能换成细沙（沙不能吸收气体）。

4. 铁丝燃烧

• 文字表达式：铁 + 氧气 $\stackrel{\mathrm{点}\mathrm{燃}}{\to }$ 四氧化三铁
• 化学方程式：$3\mathrm{Fe}+2{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{点}\mathrm{燃}}}{}{\mathrm{Fe}}_3{\mathrm{O}}_4$
• 现象：空气中加热只红热、不能燃烧；氧气中剧烈燃烧、火星四射、放热，生成黑色固体（四氧化三铁）。
• ⚠️ 注意：铁丝要光亮（打磨除锈）并盘成螺旋状（增大受热面积）；下端系一根火柴引燃，待火柴快燃尽时再插入集气瓶（防止火柴消耗过多氧气）；集气瓶中预先放入少量水（也可用少量细沙代替），防止高温熔融物溅落使瓶底炸裂。

5. 镁条燃烧〔拓展：不属于本单元教材实验，作化合反应的补充例子〕

• 文字表达式：镁 + 氧气 $\stackrel{\mathrm{点}\mathrm{燃}}{\to }$ 氧化镁
• 化学方程式：$2\mathrm{Mg}+{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{点}\mathrm{燃}}}{}2\mathrm{MgO}$
• 现象：发出耀眼白光，产生白烟，放热，生成白色固体。

🔬 检验二氧化碳：把气体通入（或向瓶中加入）澄清石灰水并振荡，石灰水变浑浊，即证明有二氧化碳。〔拓展方程式，本单元不作要求〕

• 文字表达式：二氧化碳 + 氢氧化钙 $\stackrel{}{\to }$ 碳酸钙 + 水
• 化学方程式：${\mathrm{CO}}_2+\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2\frac{\underset{―}{}}{}{\mathrm{CaCO}}_3\downarrow +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

总结：氧气是一种化学性质比较活泼的气体，能供给呼吸、支持燃烧；氧气含量越高，燃烧越剧烈（对比各物质在空气与氧气中现象即可印证）。

三、化合反应

由两种或两种以上物质生成另一种物质的反应，特点"多变一"。

• 通式：A + B → C
• 上面红磷、木炭、硫、铁、镁的燃烧都属于化合反应。
• 🔑 记忆口诀："多变一，化合记。"

四、氧化反应

物质与氧气发生的反应属于氧化反应。

• 剧烈氧化：反应较剧烈、发光放热明显，如物质在氧气中燃烧。
• 缓慢氧化：进行得很慢、甚至不容易被察觉，如细胞的呼吸作用、食物的腐烂、醋的酿造、农家肥的腐熟等。

⚠️ 辨析：氧化反应不一定是化合反应（如石蜡 + 氧气 $\stackrel{\mathrm{点}\mathrm{燃}}{\to }$ 二氧化碳 + 水，生成两种物质，是氧化反应但不是化合反应）；化合反应也不一定是氧化反应（凡是没有氧气参加的化合反应就不属于氧化反应）。二者分类的角度不同，会交叉但不等价。

课题3 制取氧气

一、高锰酸钾制取氧气

• 文字表达式：高锰酸钾 $\stackrel{\mathrm{加}\mathrm{热}}{\to }$ 锰酸钾 + 二氧化锰 + 氧气
• 化学方程式：$2{\mathrm{KMnO}}_4\frac{\underset{―}{\mathrm{\Delta }}}{}{\mathrm{K}}_2{\mathrm{MnO}}_4+{\mathrm{MnO}}_2+{\mathrm{O}}_2\uparrow$

药品特征：高锰酸钾是一种暗紫色固体，受热时分解出氧气，同时还生成锰酸钾和二氧化锰。

装置：发生装置为固固加热型（试管 + 酒精灯 + 铁架台）；收集可用排水法（氧气不易溶于水）或向上排空气法（氧气密度比空气大）。

实验步骤（口诀：茶庄定点收利息）：

查（检查气密性）→ 装（装入药品）→ 定（固定试管）→ 点（点燃酒精灯加热）→ 收（收集气体）→ 离（撤离导管）→ 熄（熄灭酒精灯）。

注意事项：

• 试管口放一团棉花：防止加热时高锰酸钾粉末进入导管；
• 试管口略向下倾斜：防止冷凝水倒流炸裂试管；
• 加热时先让酒精灯火焰在试管下方来回移动使试管均匀受热，再对准高锰酸钾所在部位加热；
• 导管口开始放出的气泡是试管内原有的空气，不宜立即收集；待气泡连续并比较均匀地放出时再收集；
• 集气瓶中的水排完后，在水面下用玻璃片盖住瓶口，再移出水槽正放在实验台上；
• 先撤导管，后灭酒精灯：防止水槽里的水倒吸进试管，使试管因骤然冷却而炸裂。

验满：

• 排空气法：将带火星木条放在瓶口，复燃则已满；
• 排水法：瓶口有气泡冒出即满。

检验：将带火星木条伸入瓶内，复燃则为氧气。收集满的氧气瓶要正放（密度比空气大）。

二、过氧化氢制取氧气

• 文字表达式：过氧化氢 $\stackrel{\mathrm{二}\mathrm{氧}\mathrm{化}\mathrm{锰}}{\to }$ 水 + 氧气
• 化学方程式：$2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{二}\mathrm{氧}\mathrm{化}\mathrm{锰}}}{}2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2\uparrow$

药品特征：过氧化氢溶液是无色透明的液体，医疗上可用于消毒防腐；在常温下过氧化氢就能分解放出氧气，但分解很慢（带火星木条不复燃），加入少量二氧化锰后分解加速（带火星木条复燃）。

催化剂（二氧化锰 MnO₂）：在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质。简称"一变两不变"——变的是反应速率，不变的是质量和化学性质。催化剂在化学反应中所起的作用叫作催化作用；硫酸铜等物质对过氧化氢的分解也具有催化作用。

⚠️ 易错提醒：催化剂不能改变生成物的质量（只改快慢）；"改变速率"既可能加快也可能减慢；催化剂反应前后化学性质不变，但物理性质可能改变。

装置：固液不加热型（锥形瓶/试管 + 长颈漏斗/分液漏斗）；若用长颈漏斗，其末端必须伸入液面以下形成液封，防止气体从漏斗逸出。

三、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，特点"一变多"。

• 通式：A → B + C
• 高锰酸钾、过氧化氢制氧气都属于分解反应。
• 🔑 记忆口诀："一变多，分解说。"

四、氧气的工业制法

分离液态空气法：在低温条件下加压使空气变为液态，然后升温；由于液态氮的沸点比液态氧的低，氮气先蒸发出来，剩下的主要是液态氧。该过程没有新物质生成，属于物理变化。工业上通常把氧气加压后储存在蓝色钢瓶中，便于储存、运输和使用。

⚠️ 辨析：工业制氧（物理变化）与实验室制氧（化学变化）本质不同——工业法是分离混合物，实验室法是分解化合物得到氧气。

对比	实验室制氧	工业制氧
原理	分解含氧化合物（KMnO₄、H₂O₂）	分离液态空气
变化类型	化学变化	物理变化
特点	少量、较纯	大量、成本低

五、实验活动1：氧气的实验室制取与性质（要点）

实验用品：试管、集气瓶、水槽、单孔橡胶塞、乳胶管、玻璃导管、铁架台（带铁夹）、升降台、酒精灯、玻璃片、坩埚钳、棉花、火柴；高锰酸钾、木炭、澄清石灰水、细铁丝。

制取氧气的关键操作：

1. 先检查装置的气密性（除用手紧握试管使导管口冒气泡外，也可用热毛巾或酒精灯微热的方法），确认不漏气后再装药品。
2. 装入少量高锰酸钾，试管口放一团棉花，用带导管的橡胶塞塞紧，试管口略向下倾斜固定在铁架台上。
3. 集气瓶盛满水，用玻璃片先盖住瓶口一小部分，再推动玻璃片盖住全部瓶口，连同玻璃片一起倒立在水槽中。
4. 收集两瓶氧气；做铁丝燃烧的那一瓶要预留少量水。
5. 停止加热时，先把导管移出水面，再熄灭酒精灯。

性质实验：

• 木炭在氧气中燃烧后，向集气瓶中加入少量澄清石灰水，振荡，石灰水变浑浊，说明生成了二氧化碳。
• 点燃系在螺旋状细铁丝底端的火柴，待火柴快燃尽时插入盛有氧气的集气瓶中，观察剧烈燃烧、火星四射的现象。

问题与交流：

• 制得的氧气不纯，可能的原因：装置漏气；集气瓶未盛满水（瓶内留有空气）；导管口刚有气泡就过早收集（混入试管内原有空气）。
• 红热木炭要由瓶口向下缓慢插入，目的是让木炭与氧气充分反应，避免因氧气受热逸出而燃烧不充分。

结语

空气是我们最熟悉又最神秘的朋友。从"看不见的氧气"到"能亲手制取的氧气"，你正在学会用化学的眼光看世界。按教材顺序一步步来，基础扎实，后面越学越顺！🎉