氧气(一)

官方化学老师·14 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·4 天前
分子结构顺磁性燃烧本质氧化还原

氧气(一)

看清O₂的电子排布、磁性来源与燃烧本质,理解它为何撑起生命

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分子结构顺磁性燃烧本质氧化还原

氧气(一)

看清O₂的电子排布、磁性来源与燃烧本质,理解它为何撑起生命

1第 1 页 · 氧气(一)

化学性质

上一讲我们认识了氧气本身的样子——无色无味、密度略大于空气、难溶于水。但光看外表还不够,得看它和别的物质怎么打交道。

强氧化性
得电子能力极强,化学反应中的'电子掠夺者'
反应对象广
除稀有气体、卤素外,几乎能氧化所有单质
反应剧烈有别
有的需点燃引发,有的常温下就能缓慢进行
伴随放热发光
燃烧本质即剧烈氧化,释放大量热和光
饿汉扑向面包对应 →氧气的氧化性

饿汉见啥吃啥不挑食,氧气也几乎跟所有元素都反应

O2+4e2O2O_2 + 4e^{-} \to 2O^{2-}
2第 2 页 · 化学性质

物理性质

化学性质讲的是氧气怎么反应,反应之前它先得存在。这页看它的本来面目——不参与反应时的物理性质。

颜色与气味
常温常压下无色无味,肉眼和鼻子都察觉不到
密度
比空气略大,约1.429 g/L,可用向上排空气法收集
溶解性
不易溶于水,但水中溶解的少量氧气是水生生物生存的基础
沸点与熔点
沸点-183℃,熔点-218℃,工业上靠低温加压制成液氧
水比油重,倒水时水在下对应 →氧气比空气重

重的气体往下沉,收集氧气时瓶口朝上,让空气被从下面挤出去

3第 3 页 · 物理性质

氧气的物理性质

上页我们见识了氧气在化学反应中的"活泼"——从剧烈燃烧到缓慢氧化。但反应发生前,氧气本身是什么样的?这页回到物质本身,看它在常温下的状态、密度、溶解性这些"本性"。

色、态、味
无色无味的气体,常温常压下稳定存在,看不见也闻不到
密度略大于空气
标况 1.429 g/L,空气约 1.25 g/L,源于摩尔质量 32 vs 29
微溶于水
1 L 水约溶 30 mL O₂,但这点量恰好够鱼类呼吸
三态变化
−183°C 液化为淡蓝色,−218°C 凝固为蓝色雪花状固体
油漂在水面上不溶解对应 →氧气微溶于水

都体现"相似相溶":O₂ 是非极性分子,水是极性分子,互不相溶

ρO2=MVm=32 g/mol22.4 L/mol1.429 g/L\rho_{O_2}=\dfrac{M}{V_m}=\dfrac{32\text{ g/mol}}{22.4\text{ L/mol}}\approx 1.429\text{ g/L}
4第 4 页 · 氧气的物理性质

氧气的化学性质

物理性质只告诉你氧气"长什么样",真正决定它"能做什么"的,是化学性质。

强氧化性
外层6个电子,反应中倾向于抢电子,表现强氧化性
与金属反应
如Mg燃烧生成MgO,Fe、Cu在氧气中加热也能被氧化
与非金属反应
如C、S、H₂在氧气中燃烧,生成CO₂、SO₂、H₂O
反应放热
大多数氧化反应放热,常伴随发光、火焰等现象
差2块就拼完的拼图对应 →氧原子抢电子

外层6电子,差2块达8稳定结构,所以抢别人的电子

5第 5 页 · 氧气的化学性质

用文字表达式表示化学反应

上一页我们知道了氧气能让碳、硫、铁等物质燃烧——但怎么把"碳在氧气中燃烧变成二氧化碳"这件事规范地写下来?这就要用到文字表达式。

定义
用文字描述反应物变成生成物的过程,是化学反应的"白话翻译"
基本结构
反应物 → 生成物,左边原料,右边产物,中间箭头连接
条件标注
箭头上下方写反应条件,如"点燃""通电",缺它说不清怎么反应
状态符号
物质后注明固/液/气等状态,让反应情境更清楚
做菜的菜谱对应 →文字表达式

原料(反应物)经烹饪条件(反应条件)变成一道菜(生成物)

+氧气点燃二氧化碳\text{碳} + \text{氧气} \xrightarrow{\text{点燃}} \text{二氧化碳}
6第 6 页 · 用文字表达式表示化学反应

根据现象判断反应类型

上页我们写了几个文字表达式——镁条燃烧、铁丝燃烧、木炭燃烧。这些反应的生成物都只有一种,反应物却不止一种。怎么从实验现象入手,把它们归到正确的反应类型里?

化合反应
两种或两种以上物质生成一种物质的反应,简称'多变一'
氧化反应
物质与氧气发生的反应,氧气是反应物之一
现象判断要点
关注发光、放热、颜色变化、产生气体或沉淀
两者的关系
两者有交集但不等同——蜡烛燃烧是氧化但不是化合
医生凭症状诊断对应 →现象判断反应类型

症状对应实验现象,诊断对应反应类型——都是透过表面特征看本质

7第 7 页 · 根据现象判断反应类型

通过对比实验分析影响燃烧

上页我们用现象判断反应类型。但同样是'和氧气剧烈反应',为什么蜡烛安静地烧,铁丝却火星四溅?现象差异背后是变量在起作用。这页我们用对比实验,把这些变量一个一个拎出来。

可燃物性质
物质本身的化学属性决定燃烧差异(木炭安静燃烧,铁丝火星飞溅)
氧气浓度
氧气越浓,燃烧越剧烈(铁丝在空气中难持续,在纯氧中剧烈燃烧)
接触面积
接触越充分,燃烧越剧烈(煤块慢燃,煤粉可爆炸)
温度与着火点
必须先达到着火点;着火点越低越易点燃(白磷40℃自燃,红磷240℃才燃)
做菜对比咸淡对应 →控制变量法

想测盐量对味道的影响,菜量、火候、油量都不能动,只让盐这一项变——这才能得出可靠结论

8第 8 页 · 通过对比实验分析影响燃烧

支持燃烧

前页我们说,氧气最显著的化学性质是『支持燃烧』。但『支持燃烧』究竟是什么意思?氧气自己会烧吗?什么样的反应才算燃烧?下面一层一层揭开。

助燃剂身份
氧气是助燃剂而非可燃物,自己不燃烧,但参与燃烧反应
燃烧的实质
可燃物与O2发生剧烈氧化反应,化学能转化为热能和光能
浓度效应
O2浓度越高,反应越剧烈;纯氧中燃烧比空气中更旺
选择性
能否在O2中燃烧取决于可燃物本身的化学性质
炉膛里的空气对应 →氧气在燃烧中的作用

木柴自己能烧,但炉膛里O2越充足,烧得越旺;O2不足,火就微弱甚至熄灭

9第 9 页 · 支持燃烧

氧气的贮存方式

前面讲了氧气的物理性质——无色无味、密度比空气大、不易溶于水。但氧气在常温下是气体,运输和存放都不方便。医院蓝色钢瓶、火箭发射塔里的液氧,是怎么把氧气「稳住」的?

临界温度与液化条件
氧气临界温度-118.4°C,常温下无论加多大压力都无法液化
高压气态贮存
常温压缩到约15MPa灌入蓝色钢瓶,密度提升约200倍
低温液态贮存
冷却到-183°C以下变为淡蓝色液体,体积缩小约860倍
贮存方式的选择
医院和焊接用气瓶;火箭和大型工业用液氧;实验室现制现用
家里储水对应 →氧气贮存方式

自来水随用随取(管道气体)、桶装水密封加压(高压气瓶)、冻成冰块(低温液化)——场景不同包装不同

10第 10 页 · 氧气的贮存方式

硫在氧气中的燃烧

铁丝在氧气里剧烈燃烧放出白光,硫的燃烧没那么剧烈,但产物二氧化硫却和我们的生活更近——酸雨的主要成因之一就是它。

硫的物理性质
淡黄色固体,质脆,不溶于水,熔点低(约115°C)
燃烧现象对比
空气中微弱蓝色火焰;纯氧中明亮蓝紫色火焰
化学方程式
硫与氧气在点燃条件下生成二氧化硫,配平已平衡
二氧化硫的性质
无色、有刺激性气味的气体,易溶于水,是酸性氧化物
反应类型
化合反应:多变一,两种或多种物质生成一种物质
拼图合拢对应 →化合反应

几块碎片拼成完整图案,对应多个原子合成一个新分子

S+O2点燃SO2S + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} SO_2
11第 11 页 · 硫在氧气中的燃烧

硫在空气中的燃烧

上一页我们看了硫在纯氧中燃烧,发出明亮的蓝紫色火焰。那如果把硫放在空气中烧,会怎样?其实空气里也有氧气,只是浓度比纯氧低得多。这一页我们就来对比看看。

现象对比
空气中燃烧火焰微弱呈淡蓝色,不如纯氧中明亮蓝紫色
浓度是关键
空气中O₂约占21%,远低于纯氧,反应不够剧烈
对比意义
同一物质在不同氧浓度下的表现,证明浓度影响剧烈程度
产物不变
浓度改变剧烈程度,但不改变产物和反应本质
大火爆炒和小火慢炖同一道菜对应 →硫在纯氧和空气中燃烧

火力大小不同,菜的本质成分一样;氧气浓度不同,产物都是SO₂,区别只在剧烈程度

12第 12 页 · 硫在空气中的燃烧

本节要点

  • 判断物理与化学变化,看是否生成新物质
  • 氧气浓度越高,燃烧越剧烈
  • 化合反应是「多变一」的反应模式
  • 文字表达式要写全:反应物、生成物、条件
  • 贮存方式由物理性质决定:密度与溶解性
延伸主题:氧气与金属的反应化学方程式的书写缓慢氧化与自燃
13第 13 页 · 本节要点

课后思考

先自己想几分钟,再看参考答案。问题没有标准答案,比答案本身更重要的是你的思路。

1物理性质和化学性质的本质区别是什么?各举两个氧气相关的例子说明。

参考答案区分关键在于「是否生成新物质」。颜色、状态、密度属物理;助燃性、氧化性属化学。判断标志是化学变化是否发生——这是化学思维的起点。

2铁丝能在空气中燃烧吗?在氧气中呢?用文字表达式描述这个反应。

参考答案空气中仅红热,无火星;氧气中火星四射,生成黑色固体。表达式:铁+氧气→(点燃)四氧化三铁。提示:不是所有可燃物都像硫那样在两种环境下都能燃烧。

3氧气浓度越高,燃烧一定越剧烈吗?有没有边界条件会让这个结论失效?

参考答案不一定。浓度只是变量之一,温度、接触面积、本身活性都会影响。纯氧中铁丝燃烧过快反易熔断,钠在低浓度氧中反应更可控。这打破了「单变量万能」的思维。

14第 14 页 · 课后思考