实验活动1 氧气的实验室制取与性质(二)

官方化学老师·13 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
实验探究气体制取催化剂进阶原理

实验活动1 氧气的实验室制

看清制氧装置的选择逻辑,掌握加热与分解两条路线的关键差异

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实验探究气体制取催化剂进阶原理

实验活动1 氧气的实验室制

看清制氧装置的选择逻辑,掌握加热与分解两条路线的关键差异

1第 1 页 · 实验活动1 氧气的实验室制

排水法收集气体

上一页我们把氧气制出来了,但它一产生就往上飘——怎么把它'关'起来?聪明的办法是:先让瓶里装满水,再用氧气把水挤出去。

原理
利用气体难溶于水,进入瓶中将水排出
适用条件
气体不溶或难溶于水,且不与水反应
装置要点
集气瓶装满水倒扣水槽,导管伸入瓶口
典型应用
收集O₂、H₂等难溶于水的气体
倒扣水杯被吹气对应 →排水法集气

气体进瓶把水挤出去,最后瓶内由水变成气体

2第 2 页 · 排水法收集气体

装置气密性

上一页排水法收集氧气时,若瓶口或导管塞子没塞紧,气泡会从缝隙冒出来,收集瓶里的水却迟迟排不下去——气体根本没进瓶子。装一套制气装置,第一步不是加药品,而是先验气密。

气密性的定义
装置各连接处密封良好,气体只在人为设计的路径中进出。
漏气的后果
产物逸散、收集量不足、纯度下降;放热反应还可能因压强异常引发危险。
检查方法:微热法
导管口浸入水中,微热容器,导管口冒气泡;停止加热后导管内形成一段稳定水柱。
原理:密闭→压强响应
气体受热膨胀,密封体系体积固定时压强升高,把气泡压出;冷却后压强降低,把水吸入。
给漏气的自行车胎打气对应 →气密性检查

胎漏了再使劲也鼓不起来;装置漏了再加药也收集不到气。都是先要守住密封这一步

3第 3 页 · 装置气密性

倒吸现象

上页我们用排水法收集氧气,结束时强调'先撤导管、后灭酒精灯'——这背后是一个叫'倒吸'的物理现象。它能让热的玻璃容器瞬间炸裂。

气压差是动力
装置内气体冷却收缩→气压小于外界→大气压把液体压入导管和容器
骤冷炸裂风险
热的玻璃仪器接触被吸入的冷水,局部骤冷应力集中,导致容器炸裂
操作顺序要点
制气结束先撤导管、后灭酒精灯;导管口离开水面,倒吸就失去液体源头
易倒吸场景
凡'加热制气+排水法收集'的组合,停止加热的瞬间最容易发生倒吸
吸管喝饮料对应 →倒吸现象

吸气→管内气压变小→液面被大气压'压'上来;倒吸同理:气体冷却→装置内气压变小→液体被大气压压入

4第 4 页 · 倒吸现象

氧气支持燃烧

前几页我们制出了纯净的氧气,它和空气里的氧气看起来没两样,但「脾气」完全不同。带火星的木条伸进空气可能就熄了,伸进氧气瓶立刻复燃。差距从哪来?

助燃性
氧气能支持其他物质燃烧,本身却不燃烧——它是氧化剂,不是燃料
可燃物 ≠ 助燃物
可燃物(木材、硫、铁)是燃料;氧气只提供氧化环境,两者缺一不可
氧气浓度↑,燃烧越剧烈
纯氧中燃烧远比空气中剧烈,单位体积O₂分子更多,碰撞频率更高
生活中的助燃应用
气焊气割用纯氧提温;医院给病人吸氧;液氧作火箭推进剂助燃剂
给炉火鼓风对应 →氧气助燃

炉火自己会烧,鼓风机送进来的空气不烧,但让火更旺——纯氧相当于开到最大档的鼓风

5第 5 页 · 氧气支持燃烧

木炭在氧气中燃烧

上页说氧气能支持燃烧,但同样烧木炭,空气里只是红光微弱,纯氧里却白光刺眼——差别就在氧气浓度。这一页就来看木炭在氧气里具体怎么烧、烧出什么。

反应原理
C + O₂ 点燃生成 CO₂,碳与氧气化合生成二氧化碳
实验现象
比空气中剧烈,发出白光,放出热量,生成使澄清石灰水变浑浊的气体
操作要点
坩埚钳夹木炭由瓶口向下缓慢插入,瓶底预先放水或细沙防炸裂
产物检验
将气体通入澄清石灰水,若变浑浊则证明产物为 CO₂
稀氧气里小口呼吸对应 →纯氧气里猛烈燃烧

氧浓度越高,反应速率越快,木炭燃烧越剧烈、越完全

C+O2点燃CO2C + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} CO_2
6第 6 页 · 木炭在氧气中燃烧

铁丝在氧气中燃烧

上页木炭在氧气里燃烧比较温和,那如果换成金属会怎样?我们用铁丝试试。

反应原理
铁 + 氧气 →(点燃) 四氧化三铁(Fe₃O₄,黑色固体)
实验现象
剧烈燃烧,火星四射,放出热量,生成黑色固体
瓶底防护
瓶底铺细沙或加少量水,防止高温熔化物炸裂瓶底
对比木炭
木炭产物是 CO₂ 气体,无需防护;铁丝产物高温熔融必须铺沙
仙女棒对应 →铁丝在氧气中燃烧

都是金属剧烈氧化、火星四溅;区别是铁丝在纯氧中温度可达上千度

3Fe+2O2点燃Fe3O43Fe + 2O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} Fe_3O_4
7第 7 页 · 铁丝在氧气中燃烧

澄清石灰水检验二氧化碳

上一页木炭在氧气里燃烧,烧出了一种新气体。它到底是不是 CO₂?需要一把'化学放大镜'——澄清石灰水出场。

澄清石灰水是什么
Ca(OH)₂溶于水的透明上层清液,因过滤/静置后取上层而得名
检验反应
CO₂与Ca(OH)₂反应生成白色CaCO₃沉淀和水
判断依据
澄清液体变白色浑浊,即'抓到'CO₂的视觉信号
应用边界
用于检验CO₂,但不擅除杂——Ca(OH)₂溶解度太小、量有限
验钞紫光下水印发光对应 →石灰水遇CO₂变浑浊

专属试剂只跟特定对象发生肉眼可见的特征反应

CO2+Ca(OH)2CaCO3+H2OCO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O
8第 8 页 · 澄清石灰水检验二氧化碳

加热玻璃仪器的安全操作

上节课我们排水法收氧气,可氧气到底从哪来?得加热分解高锰酸钾。加热玻璃容器可不像烧水那么简单——玻璃最怕的不是热,而是'热得不均匀'。这页讲清楚怎么安全加热。

预热原则
先在火焰上来回移动试管均匀受热,再集中加热药品部位
试管口下倾
试管口略向下倾斜,防止冷凝水倒流回试管底部使其炸裂
外焰加热
酒精灯外焰温度最高,加热效率最高,勿用灯芯处
不可骤冷
加热后不能立即用冷水冲洗或直接放冷桌面,防止炸裂
冬天玻璃杯倒开水前先用温水涮一下对应 →加热玻璃仪器前先预热

都用'温度渐变'躲过'瞬间大温差'——玻璃怕的不是高温,而是高△T

9第 9 页 · 加热玻璃仪器的安全操作

氧气的性质

前几页里,铁丝在纯氧中比空气中烧得更亮,木炭也更剧烈。为什么氧气有这种本事?得从它的物理和化学性质说起。

物理性质
无色无味气体,不易溶于水,比空气略重,沸点-183°C
化学性质
化学性质活泼,能支持多种可燃物燃烧,氧化性强
助燃而非可燃
氧气自己不燃烧,是助燃剂——和可燃气体有本质区别
浓度效应
氧气浓度越高,燃烧越剧烈;纯氧中燃烧最旺
典型应用
供给呼吸(医疗、潜水)、支持燃烧(炼钢、气焊)
往火苗上吹气对应 →氧气助燃

你吹的气自己不烧,但送去了氧气,让火苗更旺

10第 10 页 · 氧气的性质

氧气的纯度

上一页铁丝在氧气中剧烈燃烧、火星四射——同样的铁丝在空气中只缓慢红热。差距不只是浓度,还有气体「干不干净」。这页把实验室氧气有多纯、杂质从哪来、纯度怎么影响实验讲清楚。

纯度的含义
收集气中O₂的体积分数,余量是水蒸气或空气等杂质
杂质的来源
排水法带进饱和水蒸气,排空气法混入装置内空气
纯度对实验的影响
铁丝燃烧等需高纯度O₂,杂质多则现象减弱甚至失败
验满≠验纯
带火星木条复燃只能证明已集满,不能说明气体纯净
高度白酒 vs 低度酒对应 →高纯度氧气 vs 含空气的氧气

同样能助燃,但浓度决定燃烧剧烈程度——铁丝在95%O₂中火星四射,在21%空气中只红热

11第 11 页 · 氧气的纯度

本节要点

  • 分解反应制氧:催化剂不改产物本质
  • 气体收集法由水溶性 / 密度决定
  • 物质检验依赖唯一的特征现象
  • 燃烧剧烈程度反映氧气浓度
  • 气体实验通用:气密性 + 防倒吸
延伸主题:实验室制取其他气体氧气的工业制法氧化反应与化合价
12第 12 页 · 本节要点

课后思考

先独立思考,再对照参考答案,看思路是否对得上。

1为什么加热高锰酸钾制氧气时,试管口要塞一团棉花?

参考答案防止高锰酸钾粉末被气流带入导管,堵塞导管或污染水槽里的水。

2如果不采用排水法,还能用什么方法收集氧气?需要满足什么条件?

参考答案可以用向上排空气法——氧气密度比空气大且不与空气反应,但要先用带火星木条验满。

3木炭和铁丝在氧气中都能剧烈燃烧,现象却差别很大,根源在哪?

参考答案根源在产物状态:木炭生成二氧化碳气体,铁丝生成四氧化三铁固体,状态不同可见现象不同。

13第 13 页 · 课后思考