六升七 化学气体收集课｜学会排水排空气法

1.气体收集的核心判断逻辑演讲人气体收集的核心判断逻辑01两种核心收集方法详解02课堂实操与巩固练习04课程总结与拓展延伸05两种方法的对比与选择技巧03目录六升七化学气体收集课｜学会排水排空气法作为一名已经带了六届六升七衔接化学课程的一线教师，我见过太多学生在刚开始接触气体收集时，因为搞不清密度和溶解性的关系，要么收集不到气体，要么收集的气体不纯——这也是我今天设计这节课的初衷：带着大家一步步把这个知识点吃透，从原理到操作，再到实际应用，全流程掌握两种核心的气体收集方法。本节课我们将围绕「气体性质决定收集方法」这一核心逻辑，循序渐进地完成学习目标，最终能够独立判断常见气体的收集方式。01气体收集的核心判断逻辑气体收集的核心判断逻辑在动手学习收集方法之前，我们首先要搞清楚：为什么不同的气体要用不同的方法收集？答案其实藏在气体的物理性质里——所有的气体收集方法，本质都是利用气体与空气、水的性质差异，将气体从发生装置中分离并收集起来。这一部分我们会拆解两个最关键的判断维度。1第一个判断维度：气体与空气的密度对比我们都知道，密度是物质的固有物理性质，气体也不例外。为了方便比较，我们可以用空气的平均相对分子质量作为基准：空气主要由78%的氮气和21%的氧气组成，我们可以大概计算一下它的平均分子量：氮气的分子量是28，氧气是32，所以28×0.78+32×0.21≈29，因此我们统一用「29」作为空气的平均相对分子质量，以此来判断其他气体的密度与空气的大小关系。当某气体的相对分子质量大于29时，它的密度就比空气大，比如二氧化碳（相对分子质量44）、氧气（相对分子质量32）；当某气体的相对分子质量小于29时，它的密度就比空气小，比如氢气（相对分子质量2）、甲烷（相对分子质量16）。1第一个判断维度：气体与空气的密度对比这里需要注意一个小细节：我们这里说的密度对比，是标准状况下的相对大小，对于六升七的同学来说，不需要纠结复杂的温度压强条件，只要记住「相对分子质量比29大，密度比空气大」这个简单结论就足够了。2第二个判断维度：气体在水中的溶解性及与水的反应性除了密度，气体和水的相互作用也是决定收集方法的核心因素：如果气体容易溶于水，或者会和水发生化学反应，那我们就不能用排水法收集它，否则气体就会溶解在水里或者和水反应，根本收集不到。我们可以把常见气体的水溶性分为四类：难溶/不易溶于水且不与水反应：比如氧气、氢气、甲烷，这类气体几乎不会和水发生反应，也几乎不会溶解在水里，完全可以用排水法收集；能溶于水且与水发生微弱反应：比如二氧化碳，一体积水大约能溶解一体积的二氧化碳，还会和水反应生成碳酸，不过这并不代表完全不能用排水法收集，这个特例我们后面会详细讲；易溶/极易溶于水：比如氨气、氯化氢，一体积水能溶解几百体积的氨气，这类气体绝对不能用排水法收集，否则会直接溶解在水里。2第二个判断维度：气体在水中的溶解性及与水的反应性这里我要提前纠正一个很多同学会有的误区：很多人觉得二氧化碳能溶于水就一定不能用排水法，但实际上如果我们需要收集纯度极高的二氧化碳，用排水法反而比排空气法更好——因为排空气法很难完全排尽空气，而二氧化碳在高浓度下，溶解在水里的量非常有限，这个细节我们后面的案例分析里会再展开讲。02两种核心收集方法详解两种核心收集方法详解讲完了收集的核心判断逻辑，接下来我们就来详细讲解两种最常用的气体收集方法：排水集气法和排空气集气法，每一种方法我们都会从适用范围、操作步骤、注意事项三个方面展开，结合我带学生做实验时遇到的真实案例，帮大家彻底掌握。1排水集气法排水集气法是利用气体难溶于水、不与水反应的性质，将集气瓶装满水倒扣在水槽中，让生成的气体把水排出去，从而收集到气体的方法。我第一次带学生做这个实验时，有个学生因为没盖紧玻璃片，结果集气瓶里进了空气，最后收集的氧气纯度不够，带火星的木条根本没复燃——从那之后，我都会反复强调排水法的每一个操作细节。1排水集气法1.1适用范围仅适用于难溶/不易溶于水，且不与水发生化学反应的气体，比如氧气、氢气、甲烷。1排水集气法1.2标准操作步骤器材准备：提前准备好集气瓶、水槽、磨砂玻璃片、橡胶导管、发生装置（比如用高锰酸钾制氧气的发生装置），这里要注意：玻璃片的磨砂面一定要朝下，因为磨砂面更粗糙，和集气瓶口的磨砂面贴合得更紧密，密封性更好，我见过很多学生因为盖反了玻璃片，导致收集的气体漏了一半；装满水：将集气瓶完全装满清水，用玻璃片贴着瓶口慢慢推进盖住，注意不要在集气瓶里留下任何气泡——如果有气泡，就代表集气瓶里混了空气，收集的气体纯度会大打折扣；倒扣入水槽：用手按住玻璃片，将集气瓶快速倒扣在水槽中，松开手后确保玻璃片不会掉下来，同时水槽里的水位要没过集气瓶的瓶口，否则集气瓶会露在水面上，气体根本排不出去；1排水集气法1.2标准操作步骤连接导管：将发生装置的导管伸入集气瓶内，导管口要对准集气瓶的瓶口位置，不要伸得太深，否则会阻碍水的排出；收集气体：等待反应开始后，一开始冒出的气泡是发生装置里的空气，绝对不能收集，一定要等到气泡连续均匀地冒出时，再开始收集——这时候排出的才是我们需要的纯净气体；验满与取出：当集气瓶口有大量气泡冒出时，说明气体已经收集满了，这时候要在水下用玻璃片盖住瓶口，再将集气瓶从水槽里拿出来；放置集气瓶：根据气体的密度来决定放置方式——密度比空气大的气体（比如氧气）要正放在桌面上，密度比空气小的气体（比如氢气）要倒放在桌面上，防止气体逸散。1排水集气法1.3优缺点与适用场景01优点：收集的气体纯度极高，几乎不会混入空气，是需要纯净气体时的首选方法；缺点：收集的气体带有水蒸气，比较湿润，无法得到干燥的气体；注意事项：如果实验过程中水槽里的水变少了，一定要及时补充，否则集气瓶会露出水面，导致收集失败。02032排空气集气法排空气集气法是利用气体与空气的密度差异，将空气从集气瓶中排出去，从而收集到气体的方法，根据密度的不同，又可以分为向上排空气法和向下排空气法两种。我经常跟学生说，排空气法就像是「给气体找位置」：密度比空气大的气体沉在下面，会把空气往上挤；密度比空气小的气体飘在上面，会把空气往下挤。2排空气集气法2.1向上排空气法向上排空气法适用于密度比空气大的气体，比如二氧化碳、氧气。2排空气集气法2.1.1适用范围密度比空气大，且不与空气中的成分发生反应的气体，比如氧气、二氧化碳、二氧化硫。2排空气集气法2.1.2标准操作步骤准备集气瓶：将集气瓶正放在桌面上，用玻璃片盖住大部分瓶口，只留出一个可以插入导管的小孔；插入导管：将导管伸入集气瓶的底部——这一步非常关键，因为密度比空气大的气体沉在下方，只有从底部通入，才能把空气从瓶口慢慢挤出去，如果导管只伸到瓶口，空气根本排不干净，收集的气体纯度会很低；收集气体：反应开始后，让气体通过导管进入集气瓶底部，慢慢将空气向上挤出去；验满：根据气体的不同选择合适的验满方法：比如氧气可以用带火星的木条放在瓶口，如果木条复燃，说明氧气已经收集满了；二氧化碳可以用燃着的木条放在瓶口，如果木条熄灭，说明二氧化碳已经收集满了；放置集气瓶：收集满后，用玻璃片盖住瓶口，正放在桌面上，因为气体密度比空气大，正放不会逸散。2排空气集气法2.1.3优缺点与注意事项优点：收集的气体非常干燥，不需要经过水的湿润；缺点：很难完全排尽集气瓶里的空气，收集的气体纯度不如排水法；注意事项：验满时木条绝对不能伸入集气瓶内部，只能放在瓶口，否则无法判断是否已经收集满。0102032排空气集气法2.2向下排空气法向下排空气法适用于密度比空气小的气体，比如氢气、甲烷。2排空气集气法2.2.1适用范围密度比空气小，且不与空气中的成分发生反应的气体，比如氢气、甲烷、氨气。2排空气集气法2.2.2标准操作步骤准备集气瓶：将集气瓶倒放在桌面上，用玻璃片盖住大部分瓶口，只留出一个可以插入导管的小孔；插入导管：将导管伸入集气瓶的底部——这里和向上排空气法一样，虽然气体密度小会向上飘，但只有从底部通入，才能把空气从瓶口完全挤出去；收集气体：反应开始后，让气体通过导管进入集气瓶底部，慢慢将空气从瓶口挤出去；验满：比如氢气可以用点燃的木条放在瓶口，如果听到轻微的「噗」声，说明氢气已经收集满了；如果听到尖锐的爆鸣声，说明氢气不纯，需要继续收集；放置集气瓶：收集满后，用玻璃片盖住瓶口，倒放在桌面上，因为氢气密度比空气小，倒放可以防止气体逸散——我有个学生之前把氢气正放在桌面上，结果第二天发现集气瓶里的气体全没了，就是因为正放导致氢气从瓶口逸散了。2排空气集气法2.2.3优缺点与注意事项和向上排空气法基本一致，优点是干燥，缺点是纯度稍低，需要注意的是，密度比空气小的气体绝对不能正放，否则会快速逸散。03两种方法的对比与选择技巧两种方法的对比与选择技巧讲完了两种方法的具体操作，接下来我们来对比一下两种方法的优缺点，以及如何根据实际需求选择合适的收集方法。我给学生总结了一个简单的口诀，大家可以记下来：「不溶水，选排水，纯而净；溶或反，看密度，大向上，小向下；要干燥，排空气，要纯净，选排水」。1核心对比维度|对比维度|排水集气法|排空气集气法||----------------|--------------------------|--------------------------||气体纯度|极高，几乎无空气混入|较低，易混入少量空气||气体干燥程度|湿润，带有水蒸气|干燥，无水蒸气||适用范围|难溶/不易溶于水的气体|溶于水且密度与空气差异大的气体||操作难度|稍高，需要注意水槽水位等|较低，操作相对简单|2常见误区辨析在我这么多年的教学中，我见过最多的误区主要有以下几个，今天我们一一纠正：误区1：所有能溶于水的气体都不能用排水法收集：比如二氧化碳，虽然能溶于水，但如果我们需要收集纯度极高的二氧化碳，用排水法反而更好，因为一体积水只能溶解一体积的二氧化碳，当二氧化碳浓度足够高时，溶解的量非常有限，而排空气法很难完全排尽空气，所以排水法收集的二氧化碳纯度反而更高；误区2：一开始有气泡就收集气体：很多学生刚开始做实验时，看到气泡冒出来就迫不及待地收集，但实际上一开始冒出的气泡是发生装置里的空气，不是我们需要的反应生成的气体，一定要等到气泡连续均匀冒出时再收集；误区3：排空气法导管没伸到瓶底：这是最常见的错误之一，导管如果只伸到瓶口，空气根本排不干净，收集的气体纯度会非常低，比如用向上排空气法收集氧气时，如果导管只伸到瓶口，收集的氧气里会混有大量空气，带火星的木条根本不会复燃；2常见误区辨析误区4：混淆向上和向下排空气法：比如氢气密度比空气小，应该用向下排空气法，但很多学生容易搞反，用向上排空气法收集，结果根本收集不到气体，我上课的时候会拿一个充了氢气的气球，让学生看气球往上飘，这样就能轻松记住密度小的气体要用向下排空气法；误区5：集气瓶放置错误：比如氢气应该倒放，氧气应该正放，如果搞反了，气体就会逸散，比如之前那个把氢气正放的学生，第二天气体就全没了。3实际案例分析我们结合三个最常见的实验室制取气体的案例，来练习一下如何选择收集方法：案例1：实验室制取氧气：氧气不易溶于水，密度比空气大，所以可以用排水法或向上排空气法。如果需要纯净的氧气，选排水法；如果需要干燥的氧气，选向上排空气法；案例2：实验室制取二氧化碳：二氧化碳能溶于水且和水反应，密度比空气大，所以常规情况下我们用向上排空气法收集，但如果需要纯度极高的二氧化碳，也可以用排水法收集；案例3：实验室制取氢气：氢气难溶于水，密度比空气小，所以可以用排水法或向下排空气法。如果需要纯净的氢气，选排水法；如果需要干燥的氢气，选向下排空气法。04课堂实操与巩固练习课堂实操与巩固练习光听理论知识肯定不够，接下来我们来做几个小练习，巩固一下今天学到的内容：1课堂小练习在右侧编辑区输入内容下列气体中，可以用排水法收集的是（）答案：B，因为氧气不易溶于水，其他三种气体都能溶于水或极易溶于水；下列气体中，适合用向下排空气法收集的是（）A.二氧化碳B.氧气C.氨气D.氯化氢答案：CD，因为氢气和甲烷的密度都比空气小；如果我们需要收集一瓶干燥的氧气，应该选用哪种收集方法？答案：向上排空气法，因为排水法收集的氧气带有水蒸气，不够干燥；小明同学用向上排空气法收集二氧化碳，但是收集了很久都没收集满，可能的原因是什么？答案：可能是导管没有伸到集气瓶底部，导致空气排不干净，或者装置漏气，或者反应物不够了。A.氧气B.二氧化碳C.氢气D.甲烷2实操演示接下来我会给大家演示一下排水法收集氧气的完整过程，大家可以仔细观察每一个操作细节，尤其是玻璃片的盖法、导管的位置、验满的方法等。05课程总结与拓展延伸1本节课核心内容回顾今天我们一共学习了三个核心内容：气体收集的两个核