第3节 氧气的制备 第1课时（导学案）（解析版）

第3节氧气的制备第1课时利用化学反应制备氧气一、知识目标1.认识工业制取氧气的思路和方法；2.学习实验室用过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气的实验装置和实验步骤；3.了解催化剂和催化作用，知道催化剂对化学反应的重要作用。二、核心素养目标1.宏观辨识与微观探析：能从宏观角度辨识工业上分离液态空气制取氧气的物理变化过程及其依据（沸点差异），并能从微观角度（分子运动、分子间作用力变化）解释该分离方法的原理；初步认识过氧化氢分解制氧气这一化学变化在宏观（产生气体、放热）与微观（分子分裂、原子重组）层面的表现。2.证据推理与模型认知：能基于实验观察（如带火星木条复燃、反应速率变化）和实验数据（如氧气体积），推理得出过氧化氢在二氧化锰存在下能快速分解放出氧气的结论；通过分析催化剂在反应前后质量和化学性质不变的特点，以及其在反应中改变速率的作用，初步构建“催化剂通过参与反应、改变反应路径从而降低活化能、加快反应速率，但自身循环再生”的认知模型。3.科学态度与社会责任：能依据反应物状态和反应条件（固体+液体，常温），设计并动手组装用过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气的简易实验装置（如锥形瓶+长颈漏斗/分液漏斗+导管+集气瓶），规范操作制取并收集氧气；能设计对比实验（如比较单独加热过氧化氢、单独使用二氧化锰、过氧化氢与二氧化锰混合），探究二氧化锰的催化作用及其特性，体验科学探究的过程，培养根据实验目的设计简单实验方案的意识。一、学习重点1.过氧化氢分解制取氧气。二、学习难点1.催化剂和催化作用。一、从空气中分离出氧气原料来源：工业制氧以空气为原料，因其价廉且易得。核心原理：利用氮气和氧气的沸点不同（氧气沸点-183℃，氮气沸点-196℃），通过除尘除杂、低温加压液化、蒸发分离等步骤实现分离物理（填“物理”或“化学”）变化。产物储存：液态氧通常加压贮存在淡蓝色的钢瓶中。新技术：现代制氧技术如膜分离（利用气体渗透速率差异）和分子筛（利用吸附性差异），具有能耗低、体积小的优点。二、利用化学反应制备氧气1.过氧化氢分解制备氧气反应原理：反应物：过氧化氢溶液（俗称双氧水），化学式H2O2。生成物：水+氧气。表达式：过氧化氢水+氧气。关键物质作用：实验中加入的二氧化锰起催化作用，反应前后其质量和化学性质不变。这类物质称为催化剂。反应类型：该反应属于催化剂反应（特征：一变多）。2.氧气收集方法选择（依据性质）性质收集方法操作要点不易溶于水排水法导管口气泡连续均匀时开始收集密度比空气大向上排空气法用带火星木条放瓶口验满一、新课导入问题思考：同学们，氧气是维持生命不可或缺的气体。请观察图片，结合生活经验思考：除了呼吸供氧，氧气还在哪些领域有重要作用？如何获取这些氧气？答案：医疗急救、航天供氧、炼钢助燃等；可从空气分离或化学反应制备。二、从空气中分离出氧气活动一：工业制氧探究问题讨论：已知在1.01×105Pa时，氧气的沸点为-183℃，氮气的沸点为-196℃。请和同学讨论并设计从上述气体混合物中获取氧气的方案。答案：升温蒸发，先气化沸点低的氮气。问题思考：这个过程属于物理变化还是化学变化？为什么？答案：物理变化，因为没有新物质生成。归纳总结：传统分馏法能耗高，如何改进？请分析膜分离与分子筛技术。答案：膜分离利用气体渗透速率差异，分子筛利用吸附选择性差异。典例：工业制取氧气主要有以下步骤，下列有关说法不正确的是（）A.液态空气是混合物B.氮气先被蒸发出来，说明氮气沸点比氧气低C.步骤②属于化学变化D.得到的剩余液体大部分为液氧，颜色为淡蓝色答案：C。A选项，空气中含有氮气、稀有气体、氧气等物质，属于混合物，该选项正确。B选项，氮气的沸点比氧气的更低，所以蒸发时先汽化成气体，该选项正确。C选项，步骤二蒸发时没有产生新物质，属于物理变化，该选项错误。D选项，液态氧气为淡蓝色，该选项正确。所以答案选C。三、利用化学反应制备氧气活动一：过氧化氢分解制备氧气问题思考：大家观察这些物质的化学式：KCl、KMnO4、KClO3、H2O2、MnO2、H2O，思考没有氧元素的物质能产生氧气吗？含有氧元素的物质呢？答案：没有氧元素的物质不可能产生氧气，含有氧元素的物质可能产生氧气。问题观察：实验中观察到了哪些现象？这些现象说明了什么？答案：滴入过氧化氢溶液后产生大量气泡，带火星的木条复燃，再次滴加仍产生大量气泡，说明二氧化锰能加快过氧化氢分解产生氧气，且反应后仍能起作用。问题探究：二氧化锰是否被消耗？它在反应中扮演什么角色？答案：从“再次滴加仍反应”现象，推断MnO2未消耗且能重复催化。活动二：装置与操作规范问题探究：根据过氧化氢分解制取氧气的反应原理可知，反应物的状态是什么？反应条件是什么？答案：反应物是过氧化氢，为液态，反应条件有二氧化锰、常温不需要加热。问题思考1：发生装置产生的氧气需要用集气瓶收集，下面是两种排空气集气法，仔细观察图片，判断它们分别适合收集具有什么样性质的气体？答案：气体不与空气成分反应，向上排空气法适用于密度比空气大的气体，向下排空气法适用于密度比空气小的气体。根据氧气性质可以判断出向上排空气法可用于收集氧气。问题思考2：除了排空气集气法，还可以用排水法收集气体，具有什么性质的气体可以采用这种方法？氧气可以用排水法收集吗？答案：能用排水法收集的气体应具有不易溶于水且不与水反应的性质，氧气同时满足两个要求，可用此方法收集氧气。问题思考3：在用排水法收集氧气时，刚开始产生气泡能不能直接收集？答案：不能，刚开始产生的气泡是装置内的空气，应等气泡连续且均匀放出时再开始收集。问题探究：如何判断集气瓶中的氧气是否收集满？答案：用排水法收集：当集气瓶中的水排完，集气瓶口有大量气泡冒出时，证明已收集满。用向上排空气法收集：将带火星的木条放在集气瓶口，若木条复燃，证明已收集满。活动三：分解反应问题探究：分析下列三个化学反应，它们有什么共同特征？与化合反应有什么不同？碳酸氢铵氨气+水+二氧化碳碱式碳酸铜氧化铜+水+二氧化碳过氧化氢水+氧气答案：反应物都只有一种，生成物为两种或两种以上，化合反应是“多变一”，只有一种生成物。典例：实验室用过氧化氢分解制取氧气时，往往加入二氧化锰，以下说法正确的是（）A．如果不加入MnO2，过氧化氢就不会分解产生氧气B．在过氧化氢分解反应中，MnO2加快了化学反应速率C．加入MnO2后制取的氧气质量增大D．MnO2只能做过氧化氢分解的催化剂答案：B。A选项，如果不加入MnO2，过氧化氢在室温下会自然缓慢分解产生氧气，只是反应速率较慢，因此该选项错误。B选项，MnO2在该反应中作为催化剂，可以加快反应速率，因此该选项正确。C选项，催化剂只改变反应速率，不影响反应产物总质量，该选项错误。D选项，MnO2是一种多用途催化剂，也可用于其他反应，该选项错误。所以答案选B。1.如图是实验室用过氧化氢制取氧气的装置，下列说法正确的（）A．实验开始时一有气泡产生就将导气管伸入集气瓶口B．排水法收集氧气，事先将集气瓶内装满水，盖上玻璃片，将集气瓶倒扣到水槽中C．加药品时，先通过长颈漏斗加入过氧化氢，再用药匙把二氧化锰装入锥形瓶，塞紧橡皮塞D．集气瓶口有大气泡冒出时，迅速将集气瓶正放在桌面上，再盖上玻璃片【答案】B【解析】在实验室用过氧化氢制取氧气的装置中，排水法收集氧气需要事先将集气瓶装满水，盖上玻璃片，然后倒扣在水槽中，这能有效隔离空气并收集较纯氧气；而A选项不正确，因为初始产生的气泡可能含有装置内的空气或不纯气体，应等待气泡均匀连续冒出时再收集；C选项是错误的，正确操作应先加入固体二氧化锰，再加入液体过氧化氢，以避免反应过早开始导致气体逸散；D选项也是错误的，收集满后应先在水中用玻璃片盖住瓶口，再取出正放于桌面，以防氧气逸散。因此，只有B选项正确。2.下列有关催化剂的理解错误的是（）A．同一物质可做多个化学反应的催化剂B．对于同一化学反应，可以有几种不同的催化剂C．催化剂能改变化学反应速率，也能增加或减少生成物的质量D．催化剂在化学反应前后质量和化学性质没有改变【答案】C【解析】催化剂能改变化学反应速率（如加快或减慢反应），但不能增加或减少生成物的质量；生成物的质量由反应物的初始量和化学方程式决定，催化剂只影响反应速率，而不改变反应的平衡位置或产物总量。因此C选项错误。A选项正确，如二氧化锰可同时催化过氧化氢分解和氯酸钾分解；B选项正确，如过氧化氢分解可用二氧化锰、氧化铁或生物酶等多种催化剂；D选项正确，这是催化剂的基本特征。3.下列反应属于分解反应的是（）A．酒精+氧气二氧化碳+水B．红磷+氧气五氧化二磷C．高锰酸钾锰酸钾+二氧化锰+氧气D．碳酸钙+盐酸→氯化钙+水+二氧化碳【答案】C【解析】分解反应是指一种化合物分解成两种或多种较简单物质的反应。A选项中，反应物有两种（酒精和氧气），因此不是分解反应；B选项中，反应物有两种（红磷和氧气），生成物一种，属于化合反应；C选项中，反应物只有一种（高锰酸钾），生成物有三种，符合分解反应的定义；D选项中，反应物有两种（碳酸钙和盐酸），因此不是分解反应，而是复分解反应。因此，只有C选项正确。4.实验空用过氧化氢制取氧气的实验中，不需要使用的一组仪器是（）A.铁架台、水槽B.试管、集气瓶C.酒精灯、烧杯D.导管、单孔橡胶塞【答案】C【解析】在过氧化氢分解制取氧气的实验中，反应无需加热，故酒精灯不需要使用；烧杯通常用于配制溶液或盛放液体，但该实验的反应容器一般为锥形瓶或试管，无需烧杯。而A选项的铁架台用于固定反应装置，水槽用于排水法收集氧气；B选项的试管可用作反应容器，集气瓶用于收集氧气；D选项的导管和单孔橡胶塞用于连接装置并导气。因此C选项中的仪器均不需要使用。5.实验室用过氧化氢溶液和二氧化锰的混合物制取氧气，有关操作如下，正确的一项是（）A．先向锥形瓶内倒入过氧化氢溶液，再放二氧化锰B．该装置的优点是可控制反应速率C．将集满气体的集气瓶正放在桌面上D．用带火星木条伸入集气瓶中验满【答案】C【解析】A选项错误，因为应先加入固体二氧化锰，再加入液体过氧化氢溶液，以避免反应过早开始导致气体逸散或失控；B选项错误，长颈漏斗不能控制反应速率，只能方便添加液体；C选项正确，氧气密度大于空气需正放；D选项错误，验满时应将带火星木条放在集气瓶口（木条复燃表示已满），而非伸入瓶内。一、从空气中分离出氧气主要方法：分离液态空气法原理：利用氮气（沸点-196℃）和氧气（沸点-183℃）的沸点差异，低温加压使空气液化后蒸发，氮气先逸出，剩余液体主要为液氧（物理变化）。新方法：气体膜分离技术（利用气体分子渗透速率差异）、分子筛制氧机（利用吸附与解吸特性）。二、利用化学反应制备氧气1.反应原理：过氧化氢水＋氧气2.催化剂：能改变化学反应速率，自身质量和化学性质在反应前后不变3.装置选择：发生装置：固液常温型（试管或锥形瓶，无需加热）收集装置：排水法（氧气不易溶于水）或向上排空气法（氧气密度比空气大）4.操作要点：排水法收集：待气泡连续均匀冒出时开始收集，瓶口有大量气泡冒出时验满。向上排空气法：带火星木条放瓶口复燃则验满。5.分解反应：一种物质生成两种或两种以上其他物质（“一变多”）。考点1工业制取氧气1．空气是一种宝贵的自然资源。下列关于空气及其成分的说法不正确的是（）A．工业上通过分离液态空气得到氧气B．氧气具有可燃性C．稀有气体通电发出不同颜色的光，可制作电光源D．液氮可作制冷剂【答案】B【解析】A、工业上利用液态氮和液态氧沸点的不同，通过分离液态空气的方法制取氧气，该选项正确；B、氧气具有助燃性，能支持燃烧，但本身不具有可燃性，不能燃烧，该选项错误；C、稀有气体在通电时能发出不同颜色的光，可用于制作霓虹灯等电光源，该选项正确；D、液氮汽化时会吸收大量的热，能使周围环境温度降低，可作制冷剂，该选项正确。故选B。2．工业上制取氧气主要有下列步骤：（1）从步骤②可以得出液态氮的沸点比液态氧的沸点(填“高”或“低”)。（2）贮存在蓝色钢瓶里的“工业液氧”是(填“纯净物”或“混合物”)。（3）工业上采用该方法制氧气，这一变化属于变化(填“物理”或“化学”)。【答案】（1）低（2）混合物（3）物理【解析】（1）步骤②中，首先蒸发出的是氮气，从液态到气态，沸点低的先气化出来，氮气先蒸发出来，所以态氮的沸点比液态氧的沸点低；（2）液态空气除去氮气得到“工业液氧”，空气中除氮气和氧气外还含有稀有气体、二氧化碳等，所以“工业液氧”中含有氧气、稀有气体等，是混合物；（3）工业上制取氧气采用的分离液态空气法，是利用液态氧与液态氮的沸点不同，将氮气分离出来，由于分离过程中没有生成其他物质，属于物理变化。考点2过氧化氢制取氧气实验3．如图所示，过氧化氢（H2O2）在催化剂二氧化锰的作用下，迅速分解放出大量的氧气，下列现象正确的是（）A．气球胀大，红墨水左移 B．气球缩小，红墨水右移C．气球胀大，红墨水右移 D．气球缩小，红墨水左移【答案】D【解析】过氧化氢在催化剂二氧化锰的作用下，迅速分解放出大量的氧气，气体增多，使得集气瓶内压强增大，大于外界大气压，因此可观察到气球缩小，红墨水左移，故选：D。4．（2025·云南楚雄·三模）我国石油化工专家闵恩泽院士，研发了多种用于石油化工生产的催化剂，为我国炼油催化剂制造技术奠定了基础。下列有关催化剂的说法正确的是A．催化剂能增加生成物的质量B．在化学反应中催化剂只能加快反应速率C．催化剂在反应前后化学性质不变D．过氧化氢溶液必须加入二氧化锰才能分解出氧气【答案】C【解析】A、催化剂只能改变化学反应速率，对生成物的质量没有影响，使用催化剂不能增加生成物的质量，该选项错误；B、催化剂能改变化学反应速率，既可以加快反应速率，也能减慢反应速率，该选项错误；C、催化剂在反应前后质量和化学性质都不变，该选项正确；D、过氧化氢溶液在常温下就能分解出氧气，只是分解速率较慢，加入二氧化锰能加快分解速率，但不是必须加入二氧化锰才能分解出氧气，该选项错误。故选C。5．氧气和二氧化碳是我们身边重要的物质，实验室用如图所示的装置制取少量氧气。（1）仪器a、仪器b的名称分别是、；（2）锥形瓶内发生反应的文字表达式是。【答案】（1）分液漏斗集气瓶（2）【解析】（1）仪器a的结构带有活塞，可以控制液体滴加速率，为分液漏斗；仪器b用于收集气体，为集气瓶；故填：分液漏斗；集气瓶（2）锥形瓶内发生的反应为：过氧化氢溶液在二氧化锰的催化作用下分解，生成水和氧气，反应的文字表达式为：。故填：考点3分解反应6．下列反应属于分解反应的是（）A．水氢气+氧气 B．酒精+氧气二氧化碳+水C．大理石+盐酸氯化钙+二氧化碳+水 D．碳+氧气二氧化碳【答案】A【解析】A、分解反应是指由一种物质生成两种或两种以上其他物质的反应，其特点是：只有一个反应物，且反应物必须是化合物，产物可以是单质或化合物，水在通电条件下分解为氢气和氧气，该反应中，反应物只有水（一种化合物），生成物是氢气和氧气（两种单质），符合分解反应的定义，此选项正确；B、酒精和氧气在点燃条件下反应生成二氧化碳和水，该反应中，反应物是酒精和氧气（两种物质），生成物是二氧化碳和水，分解反应要求只有一种反应物，因此不符合，此选项错误；C、大理石（主要成分为碳酸钙）和盐酸反应生成氯化钙、二氧化碳和水，该反应中，反应物是大理石和盐酸（两种物质），生成物是三种物质，分解反应要求只有一种反应物，因此不符合，此选项错误；D、碳和氧气在点燃条件下反应生成二氧化碳，该反应中，反应物是碳和氧气（两种物质），生成物只有二氧化碳一种物质，这属于化合反应（两种或多种物质生成一种物质的反应），不是分解反应，此选项错误。故选A。7．下列有关氧化反应、化合反应和分解反应的说法，不正确的是（）A．物质与氧气发生的反应属于氧化反应B．一个反应如果是分解反应，就不可能同时是化合反应C．化合反应不一定是氧化反应，氧化反应不一定是化合反应D．生成两种或两种以上物质的反应一定是分解反应【答案】D【解析】A、物质与氧气发生的反应属于氧化反应，选项正确；B、分解反应为一种反应物分解生成两种或两种以上物质的反应，化合反应为两种或两种以上物质反应生成一种物质的反应，一个反应如果是分解反应，就不可能同时是化合反应，选项正确；C、化合反应不一定是氧化反应，氧化反应不一定是化合反应。如氧化钙与水生成氢氧化钙（化合反应，非氧化反应）。酒精燃烧生成二氧化碳和水（氧化反应，但生成物多，非化合反应）。选项正确；D、生成两种或两种以上物质的反应不一定是分解反应，如