高中化学选修化学与技术 空气分离教学设计

高中化学选修化学与技术

1.1空气分离教学设计

（教师用书独具）

教学目标

•课标要求

了解我国基本化工的生产资源、基本化工产品的主要种类和发展概况。

•课标解读

I.了解空气在化工生产中的重要应用。

2.了解空气分离的方法。

•教学地位

本课时内容涉及化工生产中的重要资源——空气，是化工生产的基础，贯穿

于多数的化工生产中，并且人类日常生活中也离不开空气。

教学设计

•新课导入建议

人类离不开空气，空气是人类活动中的重要资源，在生活和生产中常用到空

气中的各种组分。如潜水员潜水用的氧气、合成氨工业用的N2,医疗中病人需

要输氧、液氮在医疗中作为冷冻剂、灯泡中的填充气（多举生活、生产中的实例）。

你知道空气有哪些成分吗？如何获得各种组分？

•教学流程设计

课前预习安排：看教材P—5,填写［课前自主导学］,并完成［思考交流］。=

步骤1：导入新课，

本课时教学地位分析c=步骤2：建议对［思考交流］多提问，反馈学生预习

效果。=步骤3：师生互动完成探究“空气组分的分离”。可利用［问题导思］①、

②、③的设问作为主线。步骤4：指导学生自主总结本课时学习的主要知识，然

后对照［课堂小结］。安排学生课下完成［课后知能检测］。仁步骤5：指导学生自主

完成［变式训练］和［当堂双基达标］1〜5题，并验证学生训练效果，做出点拨、指

正。仁步骤4：教师通过［例题］和教材P-5讲解分析，对“空气组分的分离”中注

意的问题进行总结.

课标解读重点难点

1.知道深冷分离、变压吸附分离和膜分离三种空气分离方法的

原理以及它们的适用范围。

1.空气的成分及在化工生产中的应用。(重点)

2.了解蒸储和精储的原理以及它们之间的区别和联系，了解吸

2.空气的分离方法及原理。(难点)

附作用的原理。

3.空气分离原理与空气各组分性质的关系。

3.理解空气各组分的物理性质与所采用的分离方法的关系。

(重难点)

4,认识空气作为一种资源的重要性以及分离技术对开发和利用

资源的意义。

课前导学

空气中各成分的应用：

空气是氧气、氮氧、二氧化碳、稀有气体等组成的混合物。炼钢和金属焊接需要

氧气,合成氨需要氯气，而施且气体常用做保护气及各种灯泡的填充气。

思考交流

稀有气体常用做保护气和灯泡填充气，这是利用气体的什么性质？

【提示】稳定性

空气分离方法：

1.深冷分离

(1)定义：先将空气降温、加压液化后,再将液态空气升温，根据空气中各种

组分的沸点不同进行精锚分离。

(2)空气液化的方法：先加压再进行热交换,最后进行节流膨胀。

(3)分离液态空气的方法——精微

精儡也叫分憎，是在一个设备内同时进行多次部分汽化和部分冷凝来分离液

态混合物的方法。

2.变压吸附

(1)原理：沸石分子筛和炭分子筛具有巨大的内表面积，吸附性能很强，口

具有较高的选择性，从而得到富氧空气。

(2)过程：加压吸附和减压解吸。

(3)优点：比深冷分离法能耗低，设备简单。

3.膜分离

(1)定义：利用具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、

提纯、浓缩的一种新的分离方法。

（2）优点：过程简单，设备费用低,能耗少等。

思考交流

液态空气精储时，沸点高的组分先挥发出来还是沸点低的组分先挥发出来？

【提示】

随着温度的升高，沸点低的组分先达到沸点而挥发出来。

课堂互动

空气组分的分离：

【问题导思】

①分离空气常用的方法有哪些？

【提示】a.深冷分离法；b.变压吸附分离法；c.膜分离法。

②精储液态空气时，先获得液氮（沸点：一196°。）还是液氧（沸点：一183°。）?

【提示】沸点低的液氮先分离出来。

③当空气通过膜分离装置时，氧分子能透过膜而氮分子不能透过膜，说明哪

种气体分子的直径更大一些？

【提示】直径大的气体分子不能透过膜，故分子直径：N2>O2O

1.深冷分离

（1）定义：深冷分离是先将空气降温、加压液化，再将液态空气升温，根据

空气中各组分的沸点不同进行精储分离。

（2）方法

空需液态空气看「氮隗点D

加压（精屈液氧（沸点「183℃）

2.变压吸附分离

将加压的空气通过分子筛，氮气和氧气因分别被吸附而分离开来，再把被吸

附的气体从分子筛中解吸出来的分离方法称为变压吸附。

3.膜分离

膜分离是利用特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对混合

物进行分离、提纯、浓缩的一种新的分离方式。

例.下列分离物质的方法中，不是根据粒子大小进行分离的是（）

A.渗析B.过滤

C.分储D.膜分离

【解析】A项，渗析是根据胶体粒子直径和溶液中分子、离子直径不同，将溶

液中溶质与胶粒分离开的方法；B项，过滤是根据浊液中分散质直径和溶液中分

散质直径不同，将二者分离的方法；C项，分储是利用混合物中各组分沸点不同,

将各组分分离的方法；D项，膜分离是利用02和N2分子大小不同使二者分离的

方法。

【答案】C

变式训练

在压强为LOlxl（）5pa时液态氮的沸点是一196℃,液态氧的沸点是一183℃,

液态家的沸点是一269°C。采用深冷分离法从空气中分离这3种气体时，随温度

升高它们逸出的先后顺序是（）

A.氨气、氮气、氧气B.氧气、氮气、氮气

C.氮气、氧气、氮气D,氧气、氮气、氮气

【解析】采用深冷分离空气时，随温度升高，沸点低的气体先逸出。

【答案】A

【教师备课资源】

可怕的氨

氨是最近几年进行室内监测时发现的最惊人的污染物。氧本身并不危险，但

是它的带电裂变产物可附在灰尘上，这些尘粒进入肺后会形成极其危险的内辐

射，这种近距离辐射对细胞的破坏十分厉害。氯是从砖块、混凝土、土壤和水中

散发出来的，在普通住宅里测得的氨含量比户外高好几倍；有人在浴室里测到，

喷淋龙头放水15分钟后，翅在空气中的含量增加了25%o

1.空气的4种成分：02、N2、C02、稀有气体。

2.空气的3种分离方法：深冷分离、变压吸附、膜分离。

当堂达标

1.下列各项不属于我国城市空气质量报告内容的是（）

A.SO2B.C02

C.NO2D.PMio

【解析】该题是常识性问题。C02不属于城市空气质量报告内容。

【答案】B

2.下列说法错误的是（）

A.空气是氧气、氮气、二氧化碳、稀有气体等组成的混合物

B.空气中的氮气用于合成氨、稀有气体常用做保护气及各种灯泡的填充气

C.在深冷分离中，液态空气精馈是利用空气中各组分的沸点不同进行分离

D.膜分离是利用分子筛对空气进行分离，从而制得富氧空气

【解析】膜分离是利用特制的、具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对混

合物进行分离、提纯、浓缩的一种方法。

【答案】D

3.（双选）下列操作利用吸附作用分离的是（）

A.深冷分离B.变压吸附

C.活性炭除去毒气D.膜分离

【解析】

深冷分离是根据各组分的沸点不同进行精微分离；变压吸附是利用分子筛

具有较大的内表面积，吸附性能很强的特点，进行加压吸附和减压解吸的分离方

法；活性炭也是具有较大表面积；膜分离是利用具有透过性能的薄膜进行分离的

方法。

【答案】BC

4.下列关于空气分离的叙述中，不正确的是（）

A.深冷分离法分离空气时，使空气温度降低的方法是先加压，再进行热交

换，最后进行节流膨胀

B.变压吸附法是由在生产中加压吸附和减压解吸交替操作而得名

C.膜分离法所使用的薄膜不需要具有特殊的性质

D.分离技术伴随着生产力的发展、科学的进步，从低级到高级不断地改进、

创新

【解析】

膜分离法使用的薄膜具有选择透过性能。

【答案】C

课后检测

1.氮气是空气的主要组成部分。因此有科学家根据蒸汽机的原理，设计制造出

了液氮蒸汽，机，即利用液态氮的蒸发来驱动机车，从而达到环境保护的目的。其

原理是（）

A.N2在空气中燃烧放热

B.N2与H2反应放热

C.N2在空气中约占78%（体积分数）

D.液态氮的沸点为一196。，远低于常温

【解析】根据深冷分离空气的基本原理，液氮在常温常压下，由液态汽化为气

体，体积膨胀做功。故答案为D。

【答案】D

2.当液态空气温度升高达到刚沸腾时，在蒸发出的气体中（）

A.基本上不含氧气

B.氮气占体积的78%

C.基本上不含氮气

D.氮气含量稍高于体积的78%

【解析】由于氧气的沸点比氮气高，当液态的空气温度升高达到刚沸腾时，首

先蒸发出来的气体是氮气，所以基本上不含氧气。工业上用分离液态空气的方法

制氧气，就是根据空气中各组分的沸点不同进行精微分离的。

【答案】A

3.采用深冷分离液态空气时，先逸出稀有气体的原因是（）

A.稀有气体性质不活泼

B.在空气中含量最少

C.分子直径最小

D.沸点最低

【解析】深冷分离空气是利用空气各组分沸点不同而分离的方法。

【答案】D

4.在下列物质的应用中，属于利用物质的吸附性的是（）

①氢氧化铝胶体用于净水②无水硫酸铜用作干燥剂③木炭用于工业制糖

中的脱色④四氯化碳用于提取溟水中的澳

A.①②③B.

C.②③D.①②③④

【解析】无水硫酸铜用作干燥剂的原理是硫酸铜跟水发生化合反应。四氯化碳

用于提取湿水中的浪是利用了溟在四氯化碳中的溶解性。

【答案】B

5.下列说法中不正确的是（）

A.膜分离可应用于化工、石油、燃料等工业中回收各种气体

B.当空气通过膜分离装置时，氧分子能透过膜，而氮分子不能透过膜

C.膜分离法制备的富氧空气含氧量在25%〜40%之间

D.膜分离法分离过程复杂，设备费用高，耗能多

【答案】D

6.下列操作原理与渗析原理相同的是（）

A.深冷分离B.变压吸附

C.蒸储和精储D.膜分离

【解析】渗析、膜分离原理均是利用粒子直径大小而进行分离、提纯的方法。

【答案】D

7.（双选）下列说法中正确的是（）

A.深冷分离法是大规模生产高纯度氧气、氮气等气体的方法，并且能耗小,

生产成本较低

B.空气的成分自古至今都是不变的

C.在绝热的条件下，将空气加压通过节流阀后突然膨胀，叫做节流膨胀

D.精储也叫分储，是在一个设备内同时进行多次部分汽化和部分冷凝来分

离液态混合物的方法

【解析】A项，深冷分离法能耗大；B项，空气的成分受人类活动的影响。

【答案】CD

8.下列关于膜分离技术的说法中，不正确的是()

A.膜分离所使用的薄膜必须具有使某些物质可以通过，另一些物质不能通

过的特性

B.膜分离法制备富氧空气是利用空气透过气体分离膜时，由于氧气和氮气

透过的能力不同而使二者分离的方法

C.膜分离技术制备的富氧空气的含氧，量在35%左右

D.膜分离技术只能用于空气的分离

【解析】

膜分离技术可以用于其他混合物的分离，如氯碱工业中使用的阳离子膜。

【答案】D

9.正常情况下，大气中含有约78%的N2,21%的02,还含有少量的CCh、水蒸

气以及稀有气体和杂质。如果大气中二氧化碳的含量明显增加，就会引起“温室

效应”，导致全球变暖。

(1)二氧化碳是共价化合物，它的电子式可表示为O

(2)实验室中检验CCh气体最方便的方法是将CO2气体通入饱和的澄清石灰

水中，产生的实验现象是_______,相应的反应方程式为

______________________________________________________________________O

(3)在宇宙飞船和太空站上工作的宇航员，在密闭的工作舱内需要吸入氧

气，呼出CO2,飞船内可以使用一种物质，它能吸收CO2,并产生氧气，该物质

是，其反应方程式为

【答案】

(1)0C0(2)产生白色沉淀(或白色浑浊)

Ca(0H)2+CO2=CaCO3；+H2O

(3)Na2O22Na2O2+2co2=2Na2cO3+O2

10.(1)图瓦卢是由多个珊瑚礁形成的岛国。由于大气中C02含量的剧增，大量

珊瑚礁(主要成分是碳酸钙)被海水侵蚀，其原因是(用化学方程式表示)：

______________________________________________________________________0

(2)温室效应导致海平面上升，引起温室效应的人为原因主要是：

_________________________________________________O

(3)为了控制温室效应。各国科学家提出了不少方法和设想。有人根据液态

CCh密度大于海水密度的事实，设想将CCh液化后，送入深海海底。以减小大气

中CCh的浓度。为使CCh液化，可采用的措施是_______o

A.减压、升温B.增压、升温

C.减压、降温D.增压、降温

(4)科学家致力于二氧化碳的“组合转化”技术研究，把过多的二氧化球转

化为有益于人类的物质。如将CCh和H2以1：4的比例混合，通入反应器。在

适当的条件下即反应，可获得一种重要的能源。请完成以下化学方程式：C02+

4H2—>()+2H2O

若将CO2与H2混合，在一定条件下以1：3的比例发生反应，生成某种重

要的化工原料和水。该化工原料可能是o

A.烷烧B.烯煌

C.焕煌D.芳香煌

(5)快速、有效地减缓大气中C02大量增加的生态学措施是_______o

A.使用天然气等燃料

B.控制全球人口增长

C.植树造林，保护森林

D.立即减少煤和石油的燃烧

【答案】

(l)CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

(2)大量化石燃料(煤、石油、天然气)的燃烧

(3)D(4)CH4B(5)C

11.下面是关于汽车燃料及其燃烧产物性质的问题。

(1)如图对三种不同类型汽车(以序号①、②、③表示)的废气排放情况进行

了比较。这三种汽车分别是以汽油为燃料的汽车、以天然气(主要成分是甲烷)为

燃料的汽车和电动汽车。请判断其中序号为①的是汽车，序号为③的是

汽车。(以下为废气成分)

碳氢化合物一氧化碳(CO)氮氧化物(NOJ二氧化碳(CO2)

(2)下图为一定量饱和Ca(OH)2溶液中通入二氧化碳气体后，产生CaCO3

白色沉淀的质量与二氧化碳体积之间的关系面线。试回答；

0A段曲线和AB段曲线所表示的反应方程式是

OA____________________________________________________________________

AB____________________________________________________________________

A点时已参加反应的CO2和Ca(OH)2的物质的量之比为o

B处溶液中存在的浓度较大的两种离子是和o(填离子符号)

将B处生成的溶液煮沸，可见到的现象是o

【解析】

(1)燃料燃烧越不充分，产生的废气就越多。由于含碳量：汽油〉天然气，故汽

油不如天然气燃烧充分。

(2)0A表示CaCOs沉淀量随通入C02的量增加而增加；AB表示CaCO3不断

溶解;A点表示C02与Ca(OH)2完全反应，且沉淀量最大，即〃(CO?)：〃[Ca(OH”]

△

=1：1；B处为Ca(HCO3)2溶液,Ca(HCCh)2受热易分解:Ca(HCO3)2=CaCO31

+CO2T+H2OO

【答案】⑴电动以汽油为燃料的（2）Ca（OH）2+CO2=CaCO31+H2O

2+

CaCOa+CO2+H2O=Ca（HCO3）21：1CaHCOI生成白色沉淀

12.航天飞行器座舱内空气更新过程如图所示：

空气、CO,HQ

（1）II是CO2和H?的反应装置，该反应的化学方程式为

⑵从装置I、I【、n【可看出02的来源是CO2和H2O,宇航员每天消耗28moi

O2,呼出23moicO2,则宇航员每天呼出的气体中含H2Omolo