2.3氧氣的制備運(yùn)動(dòng)會(huì)場(chǎng)上燃燒的火炬，火箭的發(fā)射，潛水員帶著氧氣瓶在潛水，搶救危急病人，光合作用，腐爛的葡萄，都需要氧氣。既然氧氣的作用這么大，那么同學(xué)們一定很想知道氧氣是如何制得的，這一節(jié)課我們就來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究這個(gè)問(wèn)題。工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)研究等行業(yè)往往需要比較純凈的氧氣，因此需要將空氣中的氧氣分離出來(lái)，或通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)制備氧氣。?目標(biāo)預(yù)覽?能認(rèn)識(shí)工業(yè)制取氧氣的思路和方法；能運(yùn)用化學(xué)原理設(shè)計(jì)氧氣的實(shí)驗(yàn)室制備方案，初步學(xué)習(xí)氧氣制備的實(shí)驗(yàn)操作，養(yǎng)成嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)則的意識(shí)，初步形成實(shí)驗(yàn)室制備氣體的一般思路。一、從空氣中分離出氧氣工業(yè)上一般采用分離液態(tài)空氣的方法獲得氧氣。在分離液態(tài)空氣制取氧氣時(shí)，一般先將空氣除塵，再除去二氧化碳和水蒸氣等，獲得凈化后的氣體混合物。已知在1.01×105Pa時(shí)，氧氣的沸點(diǎn)為－183℃，氮?dú)獾姆悬c(diǎn)為－196℃。請(qǐng)和同學(xué)討論并設(shè)計(jì)從上述氣體混合物中獲取氧氣的方案。在低溫、加壓的條件下，將凈化過(guò)的空氣液化，然后將溫度控制在氮?dú)馀c氧氣的沸點(diǎn)之間，使沸點(diǎn)較低的液態(tài)氮先從液態(tài)空氣中分離出來(lái)，剩下的就是沸點(diǎn)較高的液態(tài)氧。在低溫條件下壓縮空氣使其液化，隨后控制溫度使沸點(diǎn)較低的液態(tài)氮先從液態(tài)空氣中分離出來(lái)，剩下的就是沸點(diǎn)較高的液態(tài)氧。為了便于貯存、運(yùn)輸和使用，通常把氧氣加壓貯存在淡藍(lán)色的鋼瓶中。圖2-20氧氣鋼瓶空氣是工業(yè)上制取氧氣價(jià)廉易得的原料，但上述過(guò)程需消耗大量的能量，制得的氧氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸也不方便。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)制氧氣的方法也有了新的發(fā)展。請(qǐng)你查閱資料并與同學(xué)交流，提出一種制取氧氣的新思路、新工藝。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的工業(yè)制氧氣的方法。例如，在一定壓力下，讓空氣通過(guò)特殊薄膜或多孔性材料(如分子篩)，將氧氣和氮?dú)夥蛛x可以得到高純度的氧氣，據(jù)此原理生產(chǎn)的制氧設(shè)備在危重病人的救護(hù)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。制氧新方法氣體膜分離技術(shù)是利用不同種類的氣體分子在通過(guò)特定薄膜時(shí)滲透速率不同的性質(zhì)，從而達(dá)到分離的目的。滲透速率大的氣體穿透薄膜而得到富集，滲透速率小的氣的制備截留。使用膜分離制氧機(jī)時(shí)，空氣透過(guò)特定薄膜,氧氣和氮?dú)庠谀さ膬蓚?cè)分別富集。圖2-21膜分離制氧的工作流程分子篩是一種具有均勻微孔結(jié)構(gòu)的材料,有很強(qiáng)的吸附能力，能把不同的分子分離開，起到“篩分”分子的作用，故稱為分子篩。分子篩制氧機(jī)是利用分子篩特殊的吸附能力和解吸技術(shù)，加壓時(shí)吸附空氣中的氨氣、二氧化碳?xì)怏w，將未被吸收的氧氣收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)凈化處理后即成為高純度的氧氣；在減壓條件下,分子篩將所吸附的氮?dú)?、二氧化碳?xì)怏w排放回空氣中,再加壓又可繼續(xù)吸附空氣中的氮?dú)狻⒍趸細(xì)怏w以獲得氧氣。圖2-22分子制氧機(jī)的工作流程分子篩是制氧機(jī)的核心部件,其性能直接影響制氧的效果。在制氧機(jī)工作過(guò)程中,分子篩并不會(huì)被消耗，但它有一定的使用壽命,一段時(shí)間后需要更換。新開發(fā)的制氧設(shè)備能耗低，無(wú)污染，裝置簡(jiǎn)單，占用空間小，具有廣泛的用途(圖2-23、圖2-24)。圖2-23膜分離制設(shè)備圖2-24分子制氧機(jī)二、利用化學(xué)反應(yīng)制備氧氣在實(shí)驗(yàn)室中，可利用某些含有氧元素的物質(zhì)在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來(lái)制備氧氣。例如，雙氧水中的過(guò)氧化氫在一定條件下發(fā)生反應(yīng)生成氧氣和水生成的氧氣可以通過(guò)特定的裝置加以收集。氧氣能使帶火星的木條復(fù)燃，實(shí)驗(yàn)室中常利用帶火星的木條檢驗(yàn)氧氣。利用圖2-25的實(shí)驗(yàn)裝置，將少量的二氧化錳加入錐形瓶中，再將適量的雙氧水(約5%的過(guò)氧化氫溶液)裝入分液漏斗，將雙氧水滴入錐形瓶中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；收集一瓶氣體，將帶火星的木條伸入集氣瓶中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；待氣體不再產(chǎn)生時(shí)，再滴加適量的雙氧水至錐形瓶中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。圖2-25過(guò)氧化分解制氧氣在上述實(shí)驗(yàn)中，加入的二氧化錳起什么作用?將雙氧水滴入盛有二氧化錳的錐形瓶中，觀察到有大量氣泡產(chǎn)生；將帶火星的木條伸入集氣瓶中，木條復(fù)燃；待氣體不再產(chǎn)生時(shí)，再滴加適量雙氧水，又產(chǎn)生大量氣泡。在上述實(shí)驗(yàn)中，二氧化錳起催化作用。收集氧氣時(shí)要注意什么問(wèn)題?用排水法收集氧氣時(shí)，應(yīng)注意：(1)集氣瓶中裝滿水不能留有氣泡；(2)等氣泡連續(xù)均勻冒出時(shí)開始收集。用向上排空氣法收集氧氣時(shí)，應(yīng)注意：(1)導(dǎo)氣管應(yīng)深入集氣瓶底部；(2)瓶口應(yīng)向上且瓶口用玻璃片蓋住一部分。研究表明，在過(guò)氧化氫制取氧氣的反應(yīng)中，加入二氧化錳能加速過(guò)氧化氫的分解。在反應(yīng)前后，二氧化錳的質(zhì)量保持不變，化學(xué)性質(zhì)也沒(méi)有發(fā)生變化這種在化學(xué)反應(yīng)中能增大化學(xué)反應(yīng)速率，但本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒(méi)有發(fā)生變化的物質(zhì)稱為該反應(yīng)的催化劑

(catalyst)。上述生成氧氣的反應(yīng)是由一種物質(zhì)生成兩種或兩種以上新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，稱為分解反應(yīng)(decompositionreaction)。過(guò)氧化氫水＋氣二氧化錳H2O2

H2OO2氧氣不易溶于水，也不與水反應(yīng)，因而可用排水法收集氧氣。氧氣密度比空氣大，也可以用向上排空氣法收集。在老師的幫助下，根據(jù)本頁(yè)“方法導(dǎo)引”中的實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)完成下列實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。利用圖2-26的實(shí)驗(yàn)裝置，加熱裝有少量高錳酸鉀的試管，收集一瓶氧氣，將帶有火星的木條伸入集氣瓶中檢驗(yàn)生成的氣體。圖2-26加熱高錳酸鉀制氧氣思考：怎樣檢查上述裝置的氣密性?為什么要在試管口放置一小團(tuán)棉花?在氣體收集完畢時(shí)應(yīng)如何操作?高錳酸鉀在加熱條件下容易發(fā)生分解反應(yīng)，也可以生成氧氣。髙錳酸鉀錳酸鉀＋二氧化錳＋氧氣加熱KMnO4

K2MnO4MnO2O2

高錳酸鉀分解制氧氣實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)1.檢查裝置的氣密性。2.在試管口放置一小團(tuán)棉花，防止高錳酸鉀粉末進(jìn)入導(dǎo)管造成堵塞或污染水槽。3.氣體收集完畢時(shí)，應(yīng)先將導(dǎo)管移出水面，再熄滅酒精燈，以免因試管內(nèi)壓強(qiáng)減小而產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)室中，還可加熱氯酸鉀(KClO3)和二氧化錳的固體混合物來(lái)制取氧氣。該反應(yīng)中二氧化錳是催化劑。氯酸鉀氯化鉀＋氧氣二氧化錳加熱KClO3

KCl

O2

根據(jù)氯酸鉀(KC1O3)分解制氧氣的化學(xué)原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，并說(shuō)明實(shí)驗(yàn)操作的具體要求?；诖嘶瘜W(xué)原理，實(shí)驗(yàn)裝置如圖。實(shí)驗(yàn)操作有以下具體要求：①準(zhǔn)備階段：檢查裝置氣密性，確保裝置不氣，以免氣體泄漏影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果和安全性。②藥品添加：氯酸鉀要平鋪在試管底部，使其受熱均勻，以保證反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行。③催化劑添加：二氧化錳作為催化劑，用量要適當(dāng)，與氯酸鉀均勻混合。④儀器安裝：試管口要略向下傾斜，防止冷凝水回流到熱的試管底部導(dǎo)致試管炸裂；導(dǎo)管伸入試管內(nèi)不宜過(guò)長(zhǎng)，只需稍露出橡皮塞即可，便于氣體導(dǎo)出。⑤加熱階段：先預(yù)熱試管，然后再集中加熱藥品部位，以防止試管局部過(guò)熱而破裂；加熱時(shí)要用酒精燈外焰加熱。⑥收集氧氣：當(dāng)用排水法收集氧氣時(shí)，導(dǎo)管口剛開始有氣泡冒出時(shí)不宜立即收集，要等氣泡連續(xù)均勻冒出時(shí)再收集，這樣收集到的氧氣更純凈；收集滿氧氣后，要先將導(dǎo)管移出水面，再熄滅酒精燈，防止水槽中的水倒吸進(jìn)入試管導(dǎo)致試管炸裂。實(shí)驗(yàn)室制取氣，需要依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、反?yīng)原理和氣體收集方法，選擇反應(yīng)試劑，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置(包括氣體的發(fā)生裝置和氣體的收集裝置兩部分)控制反應(yīng)條件，關(guān)注環(huán)境保護(hù)等。物質(zhì)制備的要求利用化學(xué)反應(yīng)制備物質(zhì)，應(yīng)選擇價(jià)廉易得的物質(zhì)為原料；物質(zhì)制備的裝置要安全可靠，物質(zhì)制備反應(yīng)的條件要便于控制，生成物要易于分離和收集；物質(zhì)制備過(guò)程中能源的消耗要盡可能少，要盡量避免對(duì)環(huán)境造成不利的影響。1.下列反應(yīng)中既不是化合反應(yīng)，又不是分解反應(yīng)的是()A.加熱氯酸鉀制氧氣B.木炭在氧氣中燃燒C.石蠟在空氣中燃燒D.磷在空氣中燃燒C2.如下是加熱高錳酸鉀制取氧氣過(guò)程中的部分操作示意圖，請(qǐng)指出其中的錯(cuò)誤操作及導(dǎo)致的后果。①加熱前將導(dǎo)管伸入集氣瓶中②氧氣集滿后，從水中移出集氣瓶并蓋上玻璃片③氣體收集完畢，先熄滅酒精燈，再把導(dǎo)管從水槽中取出①加熱前將導(dǎo)管伸入集氣瓶中加熱前不能將導(dǎo)管伸入集氣瓶中，應(yīng)等到氣泡連續(xù)均勻冒出時(shí)再開始收集，因?yàn)閯偱懦龅臍怏w中有空氣。②氧氣集滿后，從水中移出集氣瓶并蓋上玻璃片氧氣集滿時(shí)應(yīng)該在水面以下用玻璃片蓋住集氣瓶口，然后連同玻璃片，起移出水面，并正放在桌面上。③氣體收集完畢，先熄滅酒精燈，再把導(dǎo)管從水槽中取出氣體收集完畢，應(yīng)先把導(dǎo)管從水槽中取出，然后再熄滅酒精燈，防止水倒流導(dǎo)致試管炸裂。3.實(shí)驗(yàn)室用高錳酸鉀制取氧氣，可能用到的裝置如下圖所示。(1)本實(shí)驗(yàn)可選用的發(fā)生裝置為_________(填字母)。A(2)寫出高錳酸鉀分解制取氧氣反應(yīng)的文字表達(dá)式：________________________________________________________________。髙錳酸鉀錳酸鉀＋二氧化錳＋氧氣加熱KMnO4

K2MnO4MnO2O2

(3)進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)并用排水法收集氧氣，發(fā)現(xiàn)收集到的氧氣不純，分析可能的原因。①?zèng)]有等到氣泡連續(xù)均勻冒出就開始收集；②集氣瓶中沒(méi)有裝滿水；③收集過(guò)程中，集氣瓶口沒(méi)有在水面下，導(dǎo)致部分空氣進(jìn)入集氣瓶；④在向集氣瓶中注水時(shí)，水未充滿導(dǎo)管，留有空氣。(4)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試管破裂，分析可能的原因。①加熱前未給試管均勻預(yù)熱，局部溫度過(guò)高導(dǎo)致破裂；②加熱時(shí)試管外壁有水，受熱不均而破裂。③加熱過(guò)程中試管底部接觸到燈芯，因燈芯溫度較低使試管局部驟冷而破裂。④實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先熄滅酒精燈，而未將導(dǎo)管從水槽中及時(shí)撤出，導(dǎo)致水槽中的水倒吸進(jìn)入試管,使試管炸裂。⑤試管本身質(zhì)量有問(wèn)題，4.實(shí)驗(yàn)室制取氣體常用如下頁(yè)圖所示裝置。請(qǐng)回答下列問(wèn)題。(1)寫出圖中標(biāo)注編號(hào)的儀器的名稱：①____________；②_____________。鐵架臺(tái)錐形瓶(2)寫出實(shí)驗(yàn)室用B裝置制取氧氣反應(yīng)的文字表達(dá)式：_________________________；該裝置的優(yōu)點(diǎn)____________________________________。過(guò)氧化氫水＋氣二氧化錳H2O2

H2OO2可以控制反應(yīng)發(fā)生的速率(3)若用氯酸鉀和二氧化錳混合物共熱制取氧氣，并用排水法收集氧氣實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：①點(diǎn)燃酒精燈并收集氣體；②熄滅酒精燈；③加入藥品并固定儀器；④檢查裝置的氣密性；⑤從水槽中撤出導(dǎo)管。正確的操作順序是________________(填序號(hào))。④③①⑤②5.裝置氣密性良好是制取氧氣實(shí)驗(yàn)成功的保證。(1)制取氧氣實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)檢查氣體發(fā)生裝置的氣密性。你能舉例說(shuō)明檢查裝置氣密性的方法嗎?例如對(duì)于加熱高錳酸鉀制取氧氣的裝置，先將導(dǎo)管的一端浸入水中，然后用手握住試管，若導(dǎo)管口有氣泡冒出，松開手后，導(dǎo)管內(nèi)形成段穩(wěn)定的水柱，就說(shuō)明裝置氣密性良好。(2)你認(rèn)為裝置漏氣通常會(huì)發(fā)生在哪些部位?①橡皮塞與容器接口處：橡皮塞可能沒(méi)有塞緊或存在缺損。②導(dǎo)管與橡皮塞的連接處：連接不緊密，③導(dǎo)管本身：如導(dǎo)管有破損或裂縫。(3)如果有一裝置確實(shí)漏氣，你怎樣找出漏氣的部位，并在老師的幫助下對(duì)裝置采取補(bǔ)救措施?查找漏氣部位：①先對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行大致觀察，看是否有明顯的連接不緊密或損壞的地方。②采用分段檢測(cè)的方法，比如先關(guān)閉某些部分，然后通過(guò)一些簡(jiǎn)單的檢測(cè)手段(如用手感受氣流等)來(lái)判斷哪一部分可能存在問(wèn)題，逐步縮小范圍確定漏氣點(diǎn)。補(bǔ)救措施：①如果是橡皮塞等的問(wèn)題，可以更換合適的、密封良好的橡皮塞。②如果是連接部位不緊密，可以重新連接并確保緊密牢固。③對(duì)于有裂縫或破損的儀器，在老師指導(dǎo)下看是否能進(jìn)行修補(bǔ)或更換新的儀器。6.二氧化錳是過(guò)氧化氫分解的催化劑。其實(shí)，在日常生活中有很多物質(zhì)都可以作為過(guò)氧化氫分解的催化劑。請(qǐng)你查閱資料，在老師的指導(dǎo)下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究等方法尋找更多可以加快過(guò)氧化氫分解的物質(zhì)。略1.如圖所示是幾種實(shí)驗(yàn)室制取氣體的發(fā)生裝置與收集裝置。(1)寫出儀器名稱：I____________，Ⅱ____________。試管錐形瓶(2)