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气

我们周围的空气

Air Around Us · 氧气是主角
上一章学会了判断变化,这章拿最熟悉的空气开刀。你每天吸的这口气体,其实是个”大杂烩”——氮气占大头,氧气才 1/5。我们要做个经典实验把这 1/5“称”出来,再认识氧气这位”活泼分子”的脾气。
①
组成

氮78氧21

②
测氧

红磷烧水进瓶

③
氧气

碳硫铁燃烧

④
制氧

高锰酸钾/双氧水

开场场景:红磷点燃塞进集气瓶,塞紧塞子,等它烧完冷却,打开弹簧夹——烧杯里的水”哗”地灌进瓶子,正好占 1/5。这 1/5,就是氧气。空气不是一种东西,是氮气、氧气、稀有气体等混在一起的”一锅汤”。

卡必背元素符号 / 化合价 / 方程式
空气体积分数:N₂ 78%,O₂ 21%,稀有气体 0.94%,CO₂ 0.03%
红磷测氧:4P + 5O₂ --点燃--> 2P₂O₅(产生大量白烟)
碳在 O₂:C + O₂ --点燃--> CO₂(发白光、放热)
硫在 O₂:S + O₂ --点燃--> SO₂(明亮蓝紫色火焰)
铁在 O₂:3Fe + 2O₂ --点燃--> Fe₃O₄(火星四射)
高锰酸钾制氧:2KMnO₄ --Δ--> K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑
双氧水制氧:2H₂O₂ --MnO₂--> 2H₂O + O₂↑
催化剂:改变反应速率,本身质量和化学性质不变
口诀:氮七八氧二一,红磷测氧进瓶一;催化剂只改速率,自身两变(质量/化性)都不变。

义是什么

是什么:空气是混合物。其中氧气最活泼,能支持燃烧、供给呼吸;氮气稳定,作保护气;稀有气体”惰性”,通电发光做霓虹灯。化合反应:由两种或两种以上物质生成一种(多变一);氧化反应:物质与氧发生的反应。

为什么红磷能测氧气含量:红磷燃烧只消耗氧气,且生成物 P₂O₅ 是固体,不占气体体积——瓶内压强减小,水被大气压压进来。如果用木炭或硫,生成的是 CO₂、SO₂ 气体,瓶内压强几乎不变,水进不来,实验就失败了。

路怎么学/怎么想

实验关键细节:红磷要足量(把瓶内氧气耗尽);装置不能漏气;必须冷却到室温再打开弹簧夹——没冷透时瓶内气体还在膨胀,进水偏少。进水少于 1/5 的常见原因:红磷不足、未冷却就开夹、装置漏气。

制氧气两套思路:固体加热型(高锰酸钾,管口塞棉花防粉末进导管)和固液常温型(双氧水+二氧化锰,最安全节能)。收集:氧气不易溶于水用排水法,密度比空气略大用向上排空气法。验满:带火星木条放瓶口,复燃即满。

典型例题:三道

例1:红磷燃烧测空气中氧气含量,进水体积明显小于 1/5,不可能的原因是?A 红磷不足 B 装置漏气 C 未冷却就开夹 D 红磷过量
审题:误差分析。
选 D。红磷过量反而能把氧气耗尽,结果更准。A 氧气没耗尽、B 外界空气漏进瓶内、C 气体还在膨胀都会让进水偏少。
例2:铁丝在氧气中燃烧,集气瓶底部为什么要预先放少量水或细沙?
审题:实验安全。
铁丝燃烧火星四射、放出大量热,溅落的高温熔融物(Fe₃O₄)会炸裂瓶底,所以预先留水或铺沙隔热。同样的道理,硫燃烧时瓶底放水是为了吸收有毒的 SO₂。
例3:写出实验室用高锰酸钾制取氧气的化学方程式,并指出反应类型。
审题:方程式+反应类型。
2KMnO₄ --Δ--> K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑。一种反应物变多种生成物,属于分解反应(一变多)。管口要塞棉花,防止 KMnO₄ 粉末随气流进入导管。

生活与生产应用

生活:急救与潜水

医院氧气瓶、潜水呼吸器、高原吸氧——都利用氧气能供给呼吸。氮气作保护气充食品袋,薯片鼓鼓的就是氮气在护脆。

工业:富氧炼钢

炼钢要往转炉里吹纯氧,降低生铁含碳量;火箭用液氧做氧化剂。氧气”助燃不燃”——自己不能烧,但让别人烧得更旺。

展往哪儿长

初中:空气组成 + 氧气制取是中考实验题常客。高中:氮的固定、NOx 循环、臭氧层、温室气体会展开;氧气参与的氧化还原会用化合价重新解释。大学:大气化学研究雾霾、PM2.5、光化学烟雾的生成机制。奥数延展:能不能用铁丝代替红磷测氧气含量?不行——铁丝在空气中不能燃烧(只能在纯氧中烧),消耗不了瓶里的氧气。

防坑警示

催化剂不是”不参与反应”:二氧化锰在双氧水反应里是催化剂,它改变(通常是加快)反应速率,但反应前后本身的质量和化学性质不变。注意是”化学性质”不变,物理性质可能变。别把催化剂写成反应物或生成物,它写在等号上方。

练习

基础:空气中体积分数最大的气体是?约占多少?

查看解答氮气(N₂),约 78%。氧气约 21%,别记反。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章对应小节,把例题再顺一遍。

进阶:硫在空气里和在氧气里燃烧,火焰颜色有什么不同?

查看解答空气里是微弱的淡蓝色火焰;氧气里是明亮的蓝紫色火焰。现象不同说明氧气浓度越大燃烧越剧烈。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章对应小节,把例题再顺一遍。

奥数:收集氧气用排水法时,什么时候开始收集才纯?

查看解答等到导管口气泡连续并比较均匀冒出时再收集。一开始冒出的是装置里的空气,马上收集会导致气体不纯。实验结束时先把导管移出水面,再熄灭酒精灯,防止水倒吸炸裂试管。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章对应小节,把例题再顺一遍。

证教材级补充:化合反应、氧化反应、分解反应的关系

化合反应:多变一(A+B→AB)。分解反应:一变多(AB→A+B)。氧化反应:物质与氧发生的反应(不限于化合)。

为什么铁在氧气里”火星四射”而在空气里只发红:燃烧剧烈程度与氧气浓度有关。纯氧中 O₂ 浓度是空气的 5 倍,铁被加热到白炽并剧烈反应,熔融物四溅;空气中氧气不够,铁只能慢慢氧化(生锈),看不到火星。

拓展思考:食物腐败、农家肥腐熟属于哪类反应?属于缓慢氧化——也是氧化反应,但进行得很慢,不发光只放热。呼吸作用、铁生锈都是缓慢氧化。
做对了?很好。
卡壳?回到本章「氧化反应」再想一遍。
记
小结卡

① 空气:氮 78%、氧 21%,红磷实验测出这 1/5。

② 氧气性质:助燃、供呼吸;碳发白光、硫蓝紫焰、铁火星四射。

③ 制氧三套法,催化剂只改速率不变身。

费曼学习法:讲给别人听
合上书本,假装对面坐着一个初三的小孩,把这三件事说清楚——说不清楚的地方,就是你没真懂。
  1. 用自己的话讲:本章核心是「我们周围的空气」,合上书用自己的话讲一遍,不许照抄。
  2. 举个反例 / 什么时候最容易错:对照上面「防坑警示」,挑一条讲明白为什么那是坑。
  3. 哪里还卡壳(标记薄弱点):哪一句你要翻书才说得顺?那个地方就是你的薄弱点,拿笔圈出来。