实验活动1 氧气的实验室制取与性质(一)

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
化学实验氧气制取反应原理实验探究

实验活动1 氧气的实验室制

搞懂三种制氧方法的反应本质、装置差异和性质验证的关键判断

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化学实验氧气制取反应原理实验探究

实验活动1 氧气的实验室制

搞懂三种制氧方法的反应本质、装置差异和性质验证的关键判断

1第 1 页 · 实验活动1 氧气的实验室制

检验气密性的方法

装置搭好了,激动地想加药品?先停一下——如果橡皮塞没塞紧或导管接口有缝,你加热产生的气体会从缝隙悄悄溜走,收集到的氧气就少得可怜。所以制氧前必须先检验气密性。

检查时机
加药品之前完成,否则加热后漏气无法补救
操作方法
导管末端浸入水中,双手紧握或微热容器
判断标准
导管口有气泡冒出,松手后形成稳定水柱
原理
气体受热膨胀,瓶内压强增大把水压出导管
漏气排查
水柱下降则漏气,需检查塞子和接口处
气球吹鼓后捏紧口对应 →检验气密性的水柱

气球能保持鼓→水柱稳定=气密;气球慢慢瘪→水柱下降=漏气

2第 2 页 · 检验气密性的方法

用排水法收集气体

气密性检查合格后,装置已经能稳定地产气了。现在要做的,是把生成的氧气收集起来。对难溶于水的气体,有一种简洁巧妙的方法——让气体把瓶里的水「挤」出去。

原理
气体难溶于水,进入瓶中把水排出,占据水原来的空间
适用气体
难溶或不溶于水、且不与水反应,如 O₂、H₂
装置组成
水槽 + 装满水倒置的集气瓶,导管伸入瓶口内
收满判断
瓶口外有大量气泡连续向外冒出时,说明气体已收集满
往倒扣水中的杯底吹气对应 →排水法收集气体

空气进杯内把水挤出杯口;气体进瓶内把水从瓶口排出

3第 3 页 · 用排水法收集气体

控制加热顺序与火力

装置装好、气密性查完,下一步该点火加热了——但加热不是一上来就开最大火。加热顺序和火力调控,背后是热胀冷缩和反应速率两套原理在起作用。

先预热,再集中加热
先用酒精灯在试管下方来回扫动让玻璃均匀受热,再将外焰对准药品部位集中加热
火力:先小后大
预热阶段用小火焰扫动;正式反应时切换到外焰大火,提高温度加快分解反应
预热是为了防炸裂
玻璃导热慢,局部骤热产生热应力差会炸裂;预热让整根试管温度趋于一致,消除应力
收尾:先撤管后灭灯
反应结束先移出导管再熄灭酒精灯,防止水倒吸入灼热试管引起炸裂
冬天薄玻璃杯倒沸水对应 →试管要先预热

冷杯直接倒沸水内外壁温差大,会炸裂;试管加热同理,必须先让玻璃慢慢升温

4第 4 页 · 控制加热顺序与火力

预先排除杂质气体

上一页我们讲了加热顺序,但你有没有想过:刚开始冒气泡时,能不能立刻收集?那段气体其实混着大量空气,直接收集的「氧气」根本不纯。

装置死体积含空气
试管、导管里原本就充满空气,氧气生成前必须先把它排净
起始气体是混合气
前段气泡里氮气占大头,不能支持燃烧,木条验满会失败
均匀气泡为收集起点
等气泡连续均匀冒出再开始收集,说明空气已基本排尽
验满≠验纯
排水法看气泡均匀;向上排空气法才用带火星木条验满
新管道通水前的吹扫对应 →预先排除装置内空气

管道里残留的灰尘和旧气要先冲掉,后面流出来的才是你要用的介质

5第 5 页 · 预先排除杂质气体

防止液体倒吸的操作

上页讲开始时怎么操作——要先排气再加热。那实验收尾呢?如果先关火再拔管,水会沿导管倒灌进还烫着的试管,试管可能当场炸裂。这就是「倒吸」,怎么防?

倒吸现象
停止加热后,液体沿导管反向被吸进反应容器
倒吸原理
气体冷却收缩→容器内气压降低→外界大气压把液体压入
关键操作
先将导管移出液面,再熄灭酒精灯——「先撤管,后撤火」
适用场景
排水集气收尾、洗气瓶、任何加热制气实验结束
吸管喝奶茶对应 →倒吸原理

松开嘴时吸管内气压变低,液体被大气压「压」上来——容器内气压低时液体就被「吸」进来

6第 6 页 · 防止液体倒吸的操作

观察并记录燃烧现象

前面已经能制取、检验并收集氧气,接下来不能只说“烧得很旺”。应先固定条件,再按反应前、反应中和反应后有序记录。

现象定义
物质燃烧时呈现的可观察变化,如发光、放热、火焰或火星
条件对照
记录反应物、氧气浓度、是否点燃等条件,解释现象为何不同
证据分层
直接观察写现象;生成物另经检验后,再写相应结论
典型应用
硫在氧气中发出蓝紫色火焰并放热;铁丝火星四射,生成黑色固体
刑侦取证清单对应 →燃烧现象记录

都按条件、过程、结果收集证据,并把亲眼所见与推断分开

7第 7 页 · 观察并记录燃烧现象

氧气的实验室制取

看到了木条在氧气中复燃——氧气确实能支持燃烧。但氧气不会凭空出现,要研究它就得先在实验室把它「造」出来。这一页说清楚:实验室到底怎么把氧气做出来。

制取≠反应
制取是完整流程:发生→净化→收集→检验,反应只是第一步
氧气的两种经典路线
加热高锰酸钾分解;或用二氧化锰催化过氧化氢分解
发生装置的选择
看反应物状态(固体/固液)和条件(加热/不加热)
收集方法的依据
根据气体密度和水中溶解性,选排水法或排空气法
在家自制豆浆对应 →实验室制取氧气

备料→打浆→滤渣→装杯,对应原料→发生→净化→收集

8第 8 页 · 氧气的实验室制取

高锰酸钾制氧气

制氧气最经典的反应之一,是加热高锰酸钾——紫黑色晶体,受热自己会'裂开'放出氧气。今天拆开看它的反应本质和几个关键操作。

反应原理与类型
2KMnO₄加热分解为K₂MnO₄、MnO₂和O₂;Mn从+7部分降至+6、部分降至+4,是歧化反应
棉花的作用
KMnO₄为粉末,受热时易被气流带入导管,需在试管口塞一团棉花阻挡
试管口方向
略向下倾斜,防止水蒸气在管口冷凝后回流至热试管底部造成炸裂
加热操作
先用酒精灯均匀预热试管,再集中在药品部位加热,避免受热不均破裂
屋顶斜面对应 →试管口向下倾斜

雨水顺坡流走不倒灌;管口水蒸气冷凝后顺坡流走,不会回流到热管底

2KMnO4ΔK2MnO4+MnO2+O22\text{KMnO}_4 \xrightarrow{\Delta} \text{K}_2\text{MnO}_4 + \text{MnO}_2 + \text{O}_2\uparrow
9第 9 页 · 高锰酸钾制氧气

气体发生装置

做高锰酸钾制氧气:试管装药、酒精灯加热、铁架台夹稳——三者围绕『产氧气』这一件事组织起来。这套为产生气体而服务的整体,就是气体发生装置。

定义
为产生气体而设计的反应与配套仪器的整体组合
四大构成
反应容器、热源、支撑固定、配件导管缺一不可
选型依据
由反应物状态(固/液)和反应条件(是否加热)共同决定
三种典型
固固加热型、固液不加热型、固液加热型
厨房炒菜的工具组合对应 →气体发生装置

不同的菜(反应)决定不同的锅+火(装置)组合

10第 10 页 · 气体发生装置

气体收集装置

前面我们用高锰酸钾制出了氧气,也用过排水法收集。但实验室里不止氧气一种——氢气、二氧化碳要不要也这样收?这要看气体的「脾气」。

排水法
适用于难溶或不溶于水的气体,集气瓶须先装满水
向上排空气法
密度大于空气的气体;瓶口朝上,导管伸到瓶底
向下排空气法
密度小于空气的气体;瓶口朝下,导管在瓶口附近
选择依据
主要看密度(与空气比)和溶解性(与水是否反应)
氢气球往上飘,CO₂沉在底部对应 →排空气法方向选择

氢气(轻)往上→瓶口朝下收集;CO₂(重)往下→瓶口朝上收集

11第 11 页 · 气体收集装置

本节要点

  • 气密性是所有气体实验的共同前提
  • 发生装置由反应物状态和反应条件决定
  • 收集方法看溶解性和密度,排水法纯度更高
  • 加热遵循先预热后集中,防试管炸裂
  • 现象描述先具体观察,后给化学结论
延伸主题:氧气的化学性质实验二氧化碳的实验室制取气体实验装置的综合选择
12第 12 页 · 本节要点

课后思考

先自己想一想,再对照参考答案。不是死记硬背,而是检验自己是否真的理解。

1为什么装药品之前,必须先检验装置的气密性?反过来可以吗?

参考答案不可以。如果先装药品再检查,一旦发现漏气就要拆装置,药品会被污染或洒出;某些反应一旦启动也难以中途停止。检查气密性是装置组装后的第一步,目的是在动手前排除隐患。

2加热高锰酸钾制氧气时,如果一开始就开大火,会发生什么?背后原理是什么?

参考答案反应过于剧烈,气流会把高锰酸钾粉末带进导管,堵塞导管或污染水槽里的水。正确顺序是先均匀预热,再对准药品集中加热——「控制火力」本质上是在控制反应速率。

3如果换成极易溶于水的氨气,排水法还适用吗?为什么?应该用什么方法?

参考答案不适用。排水法的前提是气体难溶或不溶于水。氨气极易溶于水,一接触水就被吸收,收集瓶里不会出现气体。应改用向下排空气法(氨气密度比空气小)。方法选择要回到物质本身的物理性质。

13第 13 页 · 课后思考