一、氧氣的製取
1.氧氣的實驗室製法
實驗室利用含氧物質通過分解反應製得氧氣。
(1)反應原理
過氧化氫水+氧氣
氯酸鉀氯化鉀+氧氣
高錳酸鉀錳酸鉀+二氧化錳+氧氣
(2)實驗裝置
①實驗室用過氧化氫製取氧氣,用二氧化錳作催化劑,其反應裝置如圖A所示。
②實驗室用加熱高錳酸鉀或氯酸鉀製取氧氣,其反應裝置如圖B所示(若用氯酸鉀為原料則不塞棉花)。
③排水集氣法收集氧氣的裝置如圖C所示;向上排空氣法收集氧氣的裝置如圖D所示。
(3)操作步驟
用加熱高錳酸鉀製取氧氣,並用排水法收集氧氣,其實驗裝置如圖所示。實驗步驟可以概括為「查」「裝」「定」「點」「收」「離」「熄」七個字,可用諧音記憶為「茶」「莊」定」「點」「收」「利」「息」
①檢查裝置的氣密性:把導管一端浸入水中,兩手緊握大試管外壁,如果裝置不漏氣,裡面的空氣受熱膨脹,導管口會有氣泡冒出,鬆開兩手,使它冷卻,導管中就會形成一段水柱。
②將藥品裝入試管,並把一小團棉花放在試管口,用帶導管的單孔橡膠塞塞緊管口。要用紙槽或藥匙將高錳酸鉀斜鋪在試管底部。
【注意】試管口要塞一團棉花,防止高錳酸鉀粉末進入導管造成堵塞。
③把實驗所用儀器固定在鐵架臺上(組裝儀器時要遵循「從左到右,從下到上」的原則),注意鐵夾夾在試管的中上部,試管口略向下傾斜;
【注意】試管口要略向下傾斜,防止產生的冷凝水倒流回試管底部,使試管炸裂。
④點燃酒精燈,先使酒精燈火焰在試管下方來回移動,讓試管均勻受熱,然後對準試管中的藥品部位加熱。
【注意】試管預熱的目的是防止試管因受熱不均而炸裂。
⑤當氣泡連續、均勻地放出後,用排水法收集氣體。
【注意】導管口剛有氣泡冒出時不宜收集,這時試管中的空氣還未完全排出,收集的氣體會不純。
⑥收集完畢,將導管撤離水槽。
⑦熄滅酒精燈。
【注意】實驗結束時先撤離導管再熄滅酒精燈,防止驟冷使水倒吸導致試管炸裂。
(4)檢驗方法。
將帶火星的木條伸入集氣瓶內,如果木條復燃,說明該集氣瓶內的氣體是氧氣。(下圖①)
(5)驗滿方法。
用向上排空氣法收集氧氣時,將帶火星的木條放在瓶口,如果木條復燃,說明該瓶內的氧氣已收集滿。(下圖②)
2.氧氣的工業製法
(1)原料:空氣。
(2)製取方法。
①液化蒸發空氣法:利用氮氣(沸點-196℃)、氧氣(沸點-183℃)沸點不同,用液化空氣分離法製取。
先將空氣加壓降溫變成液態,然後再加熱,使氮氣首先從液態空氣中蒸發出來,剩下的主要就是液態氧氣。該方法屬於物理變化。
②膜分離技術法:將空氣通過富集氧氣功能的薄膜,即可得到含氧氣量較高的空氣,用該膜進行多級分離,可得到含氧氣90%以上的富氧空氣。
【說明】實驗室製取氧氣是製取我們實驗時所需的少量氧氣,它屬於化學變化;而工業上製取氧氣則是大量製取氧氣,利用空氣分離的方法,原料來源廣泛,所製得的氧氣價格較低,它屬於物理變化。
二、催化劑和催化作用
(1)催化劑是指在化學反應中能改變其他物質的反應速率,而本身的質量和化學性質在化學反應前後都沒有改變的物質(又叫觸媒)。催化劑在化學反應中所起的作用叫催化作用。
【說明】①千萬不可將「化學反應前後」理解為「化學反應過程中」,催化劑在化學反應過程中參與了化學反應,只是反應最終又生成了催化劑這種物質,所以總體看來催化劑在化學反應前後未發生變化。②在化學反應前後,催化劑的化學性質不變,而不是物理性質不變。
(2)催化劑具有「兩變」和「兩不變」的特點
①「兩變」:a.改變其他物質的化學反應速率;b.化學反應的不同,所用催化劑也要改變,即催化劑的「專一性」
②「兩不變」:a.在化學反應前後,催化劑本身的質量不變;b.在化學反應前後,催化劑本身的化學性質不變。
(3)理解催化劑概念時應注意的問題
①改變化學反應速率,包括加快和減慢。
②二氧化錳不是專用催化劑,硫酸銅溶液對過氧化氫的分解也有催化作用。
③催化劑不能增多或減少生成物的質量。
④對於能夠發生的化學反應,沒有催化劑也能進行,只不過反應速率較小或較大。
(4)催化劑在化工生產中的重要作用
例如,在石油煉製過程中,用高效催化劑生產汽油和煤油等;在汽車尾氣處理過程中,用催化劑促進有害氣體的轉化;釀造工業和製藥工業都要用酶作催化劑;橡膠工業中,在橡膠中加入炭黑作催化劑,可減慢橡膠老化的速率。
三、化合反應和分解反應
(1)化合反應
①定義:由兩種或兩種以上物質生成一種物質的反應,叫作化合反應,它屬於化學反應的基本類型之一。②特點:反應物有多種,生成物只有一種,即「多變一」。
③表示式:A+B+……+→C。
④舉例:磷+氧氣五氧化二磷。
(2)分解反應
①定義:由一種物質生成兩種或兩種以上的物質的反應叫作分解反應,分解反應也屬於化學反應的基本類型之一。
②特點:反應物只有一種,生成物有多種,即「一變多」。
③表達式:A→B+C+……。
④舉例:過氧化氫=水+氧氣
重難點突破:
一、氣體發生裝置的氣密性檢查
在初中化學實驗及有關實驗設計習題中,經常涉及裝置的氣密性檢查問題。一般來說,無論採用哪種裝置製備氣體,在成套裝置組裝完畢裝入反應物之前,必須檢查裝置的氣密性,以確保實驗的順利進行。
氣密性檢查的原理是:通過氣體發生器與附設的液體構成封閉系統,依據改變系統內壓強時產生的現象(如氣泡的生成、水柱的形成、液面的升降等)來判斷裝置的氣密性是否良好。
如圖所示裝置的氣密性檢查方法是:把導管b的下端浸入水中,用雙手緊握試管a,若導管口有氣泡冒出,鬆開手至試管冷卻後,水又回升到導管b中形成一段水柱,則證明裝置氣密性良好。
此外,還可採用抽氣法或注水法,通過觀察氣泡的產生或液面的變化來判斷裝置的氣密性是否良好。
【例1】(南京中考)用推拉注射器活塞的方法可以檢查如圖所示裝置的氣密性。當緩慢推動活塞時,如果裝置氣密性良好,則能觀察到( )
A.瓶中液面明顯上升 B.長頸漏鬥內液面上升
C.瓶內氣體分子間的間隔變大 D.長頸漏鬥下端管口產生氣泡
二、氧氣的實驗室製法實驗拓展
1.高錳酸鉀製法
①補充高錳酸鉀製取氧氣的實驗裝置圖時,試管口要畫略向下傾斜,管口要塞一團棉花;導管不能伸入試管過長。
②畫酒精燈時,酒精燈中液體酒精的體積不能超過酒精燈容積的2/3。
③畫膠管時要塗黑,導管伸入集氣瓶時彎管口不能過長。
④用排水法收集氣體畫液體時,液面要用實線,不能斷開,中間用虛線;若集氣瓶中裝滿水,水中沒有氣泡,若集氣瓶中沒有裝滿水,則水中要有氣泡。
2.雙氧水(過氧化氫)製取氧氣
(1)實驗藥品:雙氧水(過氧化氫溶液)和二氧化錳
(2)反應原理:過氧化氫水+氧氣 (基本反應類型分解反應)。
(3)實驗裝置
①發生裝置:該實驗為過氧化氫(液體)和二氧化錳(固體)的反應,故可採用固液不加熱型裝置製取。
②收集裝置:採用排水法或向上排空氣法收集。
(4)實驗步驟
①連接儀器,檢查裝置氣密性。
②向錐形瓶中裝入二氧化錳固體。
③固定好裝置。
④向分液漏鬥中加入過氧化氫溶液。
⑤收集氧氣。
(5)檢驗與驗滿:同高錳酸鉀檢驗方法。
(6)實驗拓展:
①如果將分液漏鬥換成長頸漏鬥,長頸漏鬥末端應該伸入液面以下,形成液封,以防止氣體逸出。
②該實驗用分液漏鬥的優點是可以控制溶液的滴加速度。
【例2】化學是一門以實驗為基礎的科學,結合下列裝置回答問題:
(1)寫出標註儀器的名稱:a________,b________。
(2)實驗室用高錳酸鉀製取氧氣,應選擇的發生裝置是________(填字母),反應的化學方程式為____________________。
(3)選用E裝置收集氣體時,下列實驗操作正確的是________。(填序號)
①反應前,將集氣瓶注滿水,用玻璃片蓋住瓶口,倒立在盛水的水槽中;②導管口開始有氣泡放出時,立即將導管口移入集氣瓶;③收集氣體後,將集氣瓶蓋上玻璃片再移出水槽。
(4)實驗室中一般用鋅粒和稀硫酸在常溫下製取氫氣,製取氫氣應選擇的發生裝置是________。(填字母)
(5)適合用D裝置收集的氣體必須具備的性質是____________。