七年级化学上册空气成分课｜氧气与氮气

1课程导入：从生活现象到科学问题的提出演讲人CONTENTS课程导入：从生活现象到科学问题的提出空气成分的定量探究：验证氧气与氮气的体积占比氧气的性质与用途：性质活泼的生命必需物质氮气的性质与用途：性质稳定的重要工业原料氧气与氮气的核心认知梳理课程总结目录七年级化学上册空气成分课｜氧气与氮气各位同学，大家好，我是你们的化学任课教师，今天我们开展七年级化学上册“空气成分”单元中核心内容的学习，核心研究对象是空气中占比超过99%的两种组分——氧气与氮气。空气是人类接触最早、与生存关联最紧密的化学物质，也是初中化学阶段第一个系统研究的混合物，本节课我们将从生活问题出发，通过定量探究明确空气组分，再逐一拆解氧气、氮气的性质与用途，最终建立化学学科“性质决定用途”的核心认知逻辑。以下是本节课的完整学习内容。01课程导入：从生活现象到科学问题的提出1生活情境引发认知冲突相信大家都有过这样的体验：上周我们年级完成800米/1000米体能测试，冲过终点后大家都会大口喘气，很多同学说“我缺氧了”——既然我们呼吸需要氧气，是不是空气全部都是氧气呢？大家去超市买包装坚果、蛋糕，拆开包装时里面会充有大量气体，厂家标注这种气体是氮气，可以延长食品保质期，为什么不用氧气呢？这两个常见的生活现象，其实都指向同一个核心问题：空气不是单一物质，它由多种组分构成，其中氧气和氮气是最主要的两个部分，二者性质差异极大，用途也完全不同。我去年带学生做“生活中的化学”社会实践调查，有个同学专门收集了不同食品包装内的充气做检测，确实90%以上的包装充气都是食品级氮气，这也让我们对氮气的应用有了最直观的感受。2化学史回顾：空气成分的探究历程在18世纪以前，化学界一直认为空气是一种单一的纯净物，直到法国化学家拉瓦锡第一次用定量实验的方法测出了空气的大致组成。我在读大学化学史课程的时候，专门整理过拉瓦锡的原始实验记录：他把汞放在密闭容器中连续加热12天，发现一部分液态汞变成了红色粉末，同时容器内的空气体积减少了约1/5；剩余的气体既不能支持燃烧，也不能供给呼吸，拉瓦锡将其命名为“氮气”；之后他把红色粉末收集起来单独加热，得到了汞和氧气，得到的氧气体积正好等于容器内之前减少的体积，将氧气放回原容器后，混合气体的性质和原生空气完全一致。由此拉瓦锡得出结论：空气由氧气和氮气组成，氧气约占总体积的1/5，这个结论打破了延续百年的“燃素说”，打开了人类系统研究空气成分的大门，后续经过一百多年的完善，化学家才得出了我们现在使用的准确组分数据。3本节课核心学习目标明确梳理完历史背景，我们今天将沿着拉瓦锡的探究思路，先通过课堂实验验证空气成分的体积占比，再分别系统学习氧气和氮气的物理性质、化学性质，梳理二者对应的实际用途，最终总结二者的核心差异，建立符合化学逻辑的物质认知，接下来我们进入第一个探究环节。02空气成分的定量探究：验证氧气与氮气的体积占比1课堂演示实验：红磷燃烧法测定空气中氧气的体积分数1.1实验原理与器材准备本次实验的核心原理是：利用红磷在密闭容器中燃烧，完全消耗容器内的氧气，生成固体五氧化二磷，容器内因氧气消耗压强减小，外界大气压会将烧杯中的水压入密闭容器，最终压入水的体积就等于消耗的氧气的体积。今天我在讲台上准备的实验器材有：250mL集气瓶、燃烧匙、带导管的橡胶塞、弹簧夹、500mL烧杯、过量红磷、酒精灯、火柴；提前我已经在集气瓶内加入了少量水（用来吸收生成的五氧化二磷，同时加快装置冷却），并且将水面上方的空气空间平均分为五等份，做好了刻度标记。1课堂演示实验：红磷燃烧法测定空气中氧气的体积分数1.2实验操作与现象记录我按照规范步骤完成操作：第一步用弹簧夹夹紧乳胶管，检查装置气密性：将导管一端放入水中，用手捂住集气瓶外壁，导管口有连续气泡冒出，松开手后导管内形成一段稳定水柱，说明气密性良好；第二步点燃燃烧匙内的红磷，迅速伸入集气瓶并塞紧橡胶塞；大家可以观察到，红磷立即燃烧，产生明亮的黄色火焰，放出大量热，生成大量的白色烟——这里要纠正一个常见误区：烟是固体小颗粒的聚集体，雾是小液滴的聚集体，五氧化二磷是固体，因此这里只能描述为“白烟”，不能说“白雾”。第三步等红磷熄灭、装置完全冷却到室温后，打开弹簧夹，大家可以清晰看到：烧杯中的水顺着导管流入集气瓶，最终水面上升正好到第一个刻度线位置，也就是占我们提前标记的空气体积的1/5。1课堂演示实验：红磷燃烧法测定空气中氧气的体积分数1.3实验结论与误差分析从实验现象我们可以得出两个核心结论：第一，氧气约占空气总体积的1/5；第二，剩余约4/5的气体（主要成分是氮气）不能支持红磷燃烧，也难溶于水，否则水会继续上升填满整个集气瓶。接下来我们分析实验中常见的误差：我往届学生做分组实验时，很多组得到的氧气体积占比小于1/5，常见原因有三个：一是红磷的量不足，没有完全消耗容器内的氧气；二是装置气密性不好，红磷燃烧消耗氧气后，外界空气进入容器，导致压强差变小；三是没有等到装置冷却到室温就提前打开弹簧夹，容器内温度偏高、压强偏大，进入的水体积偏小。如果得到的氧气体积占比大于1/5，常见原因也有两个：一是点燃红磷后伸入集气瓶速度太慢，塞紧塞子前瓶内空气受热膨胀逸出了一部分；二是弹簧夹没有夹紧，燃烧过程中部分空气从导管逸出，都会导致最终进入的水体积偏多。由此可见，化学实验对操作规范要求极高，每一个步骤的偏差都会影响最终结果，大家后续做分组实验时一定要注意。2空气成分的准确体积分数经过现代精密仪器测定，空气的成分按体积计算，大约是：氮气78%、氧气21%、稀有气体0.94%、二氧化碳0.03%、其他气体和杂质0.03%。这里我要特别强调，这个占比是体积分数，不是质量分数，即每100体积的空气中，大约含有78体积的氮气、21体积的氧气，不是质量占比，很多同学初学很容易记错，一定要重点区分。由此可见，空气里最主要的组分就是氮气和氧气，二者加起来占总体积的99%，是我们本节课研究的核心对象。3过渡我们已经通过实验明确了空气中氧氮的占比关系，接下来我们就分别系统学习两种物质的性质，再对应梳理它们的实际用途，我们先从大家更熟悉的氧气开始。03氧气的性质与用途：性质活泼的生命必需物质1氧气的物理性质物理性质是不需要发生化学变化就能表现出来的性质，我们可以从四个核心维度梳理：3.1.1颜色气味状态：在标准状况（0℃、101kPa）下，氧气是无色、无味的气体，我们每天呼吸的空气中的氧气就是这个状态；我在大学基础化学实验中心进修的时候，见过加压降温得到的液态氧，是淡蓝色的透明液体，固态氧是淡蓝色的雪花状固体，只有在特殊条件下才会存在。3.1.2密度：标准状况下氧气的密度是1.429g/L，空气的平均密度是1.293g/L，因此氧气的密度略大于空气，这个性质决定了实验室可以用向上排空气法收集氧气。1氧气的物理性质3.1.3溶解性：室温下，1L水中大约能溶解30mL氧气，因此我们总结为“氧气不易溶于水”。这里要纠正一个常见误区：很多同学认为氧气不溶于水，那水里的鱼依靠什么呼吸呢？鱼就是靠溶解在水中的氧气进行呼吸作用，因此氧气是可以少量溶解的，只是溶解性不强；当然氧气也不是易溶于水，因此实验室也可以用排水法收集氧气。3.1.4三态变化：在压强降低、温度降低的条件下，氧气会先液化、再凝固，整个过程没有新物质生成，属于物理变化。2氧气的化学性质化学性质是物质在化学变化中表现出来的性质，氧气的核心化学性质可以总结为两点：3.2.1能供给呼吸：氧气是维持所有需氧生物生命活动的必需物质，氧气进入人体后参与呼吸作用，分解有机物释放能量，维持生命活动正常进行；当我们剧烈运动时，需要更多的能量，因此需要摄入更多的氧气，这也正好呼应了我们导入环节提出的“运动后大口喘气”的问题。3.2.2能支持燃烧：绝大多数可燃物都能在氧气中燃烧，而且燃烧比在空气中更剧烈。我提前做了预实验：木炭在空气中只能保持红热，在氧气中能剧烈燃烧，发出明亮的白光，放出大量热，生成的气体能使澄清石灰水变浑浊；细铁丝在空气中只能烧至红热，不能燃烧，在氧气中能剧烈燃烧，火星四射，生成黑色的四氧化三铁固体。这里也要纠正一个非常容易出错的误区：氧气能支持燃烧，但氧气本身不能燃烧，它是助燃剂，不是可燃物，很多同学初学都会说错，一定要重点记忆。总结来说，氧气的化学性质比较活泼，能和绝大多数物质发生反应，具有氧化性，是最常见的氧化剂之一。3氧气的用途化学研究物质的核心逻辑是“性质决定用途”，氧气的所有用途都直接对应它的性质：3.3.1基于供给呼吸的用途：医疗抢救中给危重病人输氧、高山登山运动员登顶时携带氧气瓶、深海潜水员携带氧气瓶、高原地区供氧，都是利用了氧气能供给呼吸的性质。3.3.2基于支持燃烧的用途：工业炼钢过程中，向炼钢炉内吹入纯氧，可以提高炉温，降低生铁中的碳含量，得到性能符合要求的钢材；气焊、气割金属时，用氧气支持乙炔等燃料燃烧，产生的高温可以熔化金属，完成焊接和切割；航天火箭推进系统中，氧气作为助燃剂帮助燃料燃烧，提供巨大推力，这些都是氧气支持燃烧的典型应用。4过渡学习完氧气，我们来看空气中占比更大的氮气，很多同学觉得氮气很陌生，好像没有什么用处，其实氮气在我们生活中无处不在，应用范围甚至比氧气更广，接下来我们系统学习氮气。04氮气的性质与用途：性质稳定的重要工业原料1氮气的物理性质同样我们从四个核心维度梳理：4.1.1颜色气味状态：常温常压下，氮气也是无色无味的气体，我们依靠感官完全无法区分氮气和氧气。4.1.2密度：标准状况下氮气的密度是1.251g/L，比空气的平均密度略小，因此氮气密度小于氧气和空气。4.1.3溶解性：氮气难溶于水，室温下1L水只能溶解大约10mL氮气，溶解性远弱于氧气。4.1.4三态变化：标准大气压下，氮气在-195.8℃就会液化变成无色的液氮，我去年带学生去省科技馆参加化学科普活动，现场做了液氮冰淇淋的演示，把奶油混合原料放入液氮中，不到10秒就冻成了细腻的冰淇淋，我当时也尝了一口，口感确实比普通冰淇淋更细腻顺滑，给我留下了很深的印象。2氮气的化学性质氮气的化学性质和氧气差异极大，核心特点是稳定性和反应性的统一：4.2.1常温下化学性质非常稳定：氮气分子中两个氮原子之间形成了键能极高的共价键，常温下化学键很难断开，因此很难和其他物质发生化学反应；氮气不能供给呼吸，也不支持燃烧，我们之前红磷实验中，红磷消耗完氧气就自动熄灭，就直接证明了氮气不支持燃烧。这里要提醒大家一个安全常识：进入长期未通风的地窖、密闭仓库时，不光二氧化碳浓度过高会导致窒息，如果氮气浓度过高挤占氧气空间，同样会引发缺氧窒息，因此进入密闭空间前一定要做灯火试验，确认安全后再进入。4.2.2特定条件下能发生化学反应：氮气的稳定性是相对的，不是永远不发生反应，在高温、高压、催化剂或者放电条件下，氮气也能和多种物质发生反应。比如我们常说的“雷雨发庄稼”，本质就是打雷放电时，空气中的氮气和氧气反应生成一氧化氮，2氮气的化学性质一氧化氮继续和氧气反应生成二氧化氮，二氧化氮和水反应生成硝酸，硝酸随雨水落到土壤中，转化为能被植物吸收的氮肥，就是氮气参与反应给庄稼施肥的过程。工业上，氮气和氢气在高温高压催化剂条件下合成氨气，氨气是生产氮肥、硝酸的基础原料，是我国化学工业的核心支柱之一。3氮气的用途同样遵循“性质决定用途”的逻辑，我们梳理氮气的常见用途：4.3.1利用化学稳定性做保护气：这是氮气最常见的用途，我们导入环节提到的食品包装充氮气，就是利用氮气性质稳定、不会和食品发生反应，同时能隔绝氧气，防止食品氧化变质，延长保质期；灯泡中充入氮气，可以防止灯丝高温氧化，延长灯泡使用寿命；焊接金属时用氮气做保护气，防止高温下金属被氧气氧化；我去年去省博物馆看马王堆汉墓出土文物展，那件著名的素纱襌衣就是放在充氮的恒温恒湿展柜中保护的，利用氮气的稳定性防止丝织品被氧化降解，大大延长了文物的保存时间，对文物保护来说至关重要。4.3.2作为化工原料生产氮肥和硝酸：农业生产离不开氮肥，而所有氮肥的生产都以氮气为基础原料，因此氮气是农业增产的重要基础，养活了全球数十亿人口，其战略意义十分重大。3氮气的用途4.3.3利用液氮的低温特性做制冷剂：除了我们提到的液氮冰淇淋，医疗上做冷冻切除手术，用液氮冷冻病灶，低温可以杀死病变细胞，还能减少手术出血；超导领域，很多超导材料需要在低温环境下才能表现出超导性能，液氮是成本极低、容易获得的制冷剂，因此被广泛应用。4.3.4生活中的其他应用：现在很多私家车轮胎会充入氮气，因为氮气性质稳定，热膨胀系数低，胎压受温度影响小，不容易爆胎，还能减少轮胎磨损，延长轮胎使用寿命，这也是大家生活中能直接接触到的应用。05氧气与氮气的核心认知梳理1性质核心差异对比我们把二者的核心差异做一个梳理：相同点是常温常压下都是无色无味的气体，都是空气的主要组分，都是人类生存和生产发展离不开的重要物质；不同点是物理性质上氧气密度更大、