八年级化学上册空气成分课｜氧气氮气

1课程导入与空气成分研究基础演讲人2026-06-17课程导入与空气成分研究基础01氮气的性质与用途02氧气的性质与用途03氧气与氮气的核心特征对比04目录八年级化学上册空气成分课｜氧气氮气作为你们的化学任课教师，今天我们将进入身边的化学物质模块，围绕空气中占比最高的两种核心成分——氧气和氮气展开系统学习，本节课我们将从空气成分的研究基础入手，由浅入深梳理两种气体的物理性质、化学性质，最终落脚到生产生活中的实际应用，帮助大家建立“性质决定用途”的化学核心思维。课程导入与空气成分研究基础011课程导入我们从出生开始就无时无刻不呼吸空气，课前调研中我发现，不少同学都认为“空气就是空的，什么都没有”。上个月我带大家在操场做空气收集实验，我们把装满水的集气瓶倒扣倒掉，成功收集了一瓶操场的空气，很多同学摸了半天都说“啥也感受不到”，但实际上这瓶看不见摸不着的空气，是由多种物质组成的混合物，其中体积占比前两位的就是氮气和氧气，二者和我们的生存、生产发展息息相关，今天我们就深入认识这两种我们最熟悉又最陌生的气体。2空气成分的定量研究历程在18世纪之前，学术界一直认为空气是单一的纯净物质，直到法国化学家拉瓦锡第一次通过定量的汞燃烧实验，证实空气中大约有1/5体积的气体可以支持燃烧，剩余4/5体积的气体不支持燃烧也不能供给呼吸。我上大学研读化学史的时候，翻看过拉瓦锡当年的实验手稿，他前后重复了27次实验，每次都得到近似1:4的结果，这种严谨的定量研究思维，其实也是我们化学学习需要始终坚持的原则。后续经过一百多年的技术发展，现代科学家依靠精密仪器测出了空气各成分的准确占比。3现代测定的空气各成分体积分数目前通用的测定结果为：按体积计算，氮气约占78%，氧气约占21%，稀有气体约占0.94%，二氧化碳约占0.03%，其他气体和杂质约占0.03%。这里需要提醒大家，该占比为体积分数而非质量分数，不要记混，从数据可以清晰看到，氮气和氧气占据了空气总体积的99%，是空气最核心的组成部分。经过对空气成分整体框架的梳理，我们接下来先从大家认知更多的氧气入手，逐一学习两种气体的性质与用途。氧气的性质与用途021氧气的物理性质物理性质指不需要发生化学变化就能表现出来的性质，我们从核心维度逐一梳理：1氧气的物理性质1.1颜色、气味与状态在标准状况（0℃、101kPa）下，氧气是无色无味的气体，每次准备演示实验我收集满氧气后，都会让同学们轮流扇闻，从来没有同学闻到过特殊气味，这也符合我们日常的生活认知。1氧气的物理性质1.2密度标准状况下氧气的密度为1.429g/L，而空气的平均密度为1.293g/L，氧气密度略大于空气，这个性质直接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1.3溶解性不少同学都知道水中有鱼类生存，说明水中溶解有氧气，那氧气是不是易溶于水？实际上室温下1L水只能溶解约30mL氧气，属于不易溶于水，正是因为溶解度低，实验室才常用排水法收集氧气。去年夏天我去郊外鱼塘钓鱼，看到大热天鱼塘老板一直开着增氧泵，就是因为温度升高后水中溶解氧的含量会进一步降低，不开增氧泵鱼就会缺氧死亡，这个生活案例刚好印证了氧气溶解度不大的特点。1氧气的物理性质1.4三态变化氧气的状态随温度压强变化改变，101kPa压强下，温度降到-183℃时氧气会变为淡蓝色的液态氧，继续降到-218℃会变为淡蓝色雪花状的固态氧。工业生产的液氧一般储存在统一刷成蓝色的高压钢瓶中，我前两年去本地工业气体充装站参观，整片仓库整齐码放的蓝色钢瓶非常醒目，这是行业统一标识，方便快速区分气体种类。2氧气的化学性质和物理性质相比，氧气的化学性质是本节课的学习重点：2氧气的化学性质2.1氧气的助燃性氧气最典型的化学性质就是能够支持燃烧，我们可以通过三个典型演示实验总结规律：木炭在空气中燃烧只能保持红热、放出热量，伸进装满氧气的集气瓶后，会剧烈燃烧发出明亮的白光，放出大量热，反应生成的气体能使澄清石灰水变浑浊，证明产物为二氧化碳；硫粉在空气中燃烧发出微弱的淡蓝色火焰，生成有刺激性气味的二氧化硫，在氧气中燃烧则发出明亮的蓝紫色火焰，燃烧剧烈程度明显提升，我刚参加工作第一年做这个实验时，一时疏忽没在集气瓶底提前放少量水吸收二氧化硫，结果一整节课实验室都弥漫着刺激性气味，呛得大家直咳嗽，这个教训也提醒大家，做实验一定要严格遵守操作规范，做好污染防护；铁丝在空气中加热只会保持红热，不会燃烧，将绑了引燃火柴的细铁丝伸进氧气集气瓶后，会剧烈燃烧、火星四射，放出大量热，生成黑色的四氧化三铁固体，这个实验也需要在瓶底放少量水或铺一层细沙，防止高温熔融物溅落炸裂瓶底，我带学生实验时见过同学没做防护，导致玻璃集气瓶底开裂，这个安全要点一定要记牢。2氧气的化学性质2.2氧气的氧化性除了燃烧这类剧烈氧化反应，氧气还能和很多物质发生缓慢氧化反应，我们的呼吸作用就是葡萄糖和氧气发生缓慢氧化放出能量，维持生命活动，铁生锈、食物腐烂都是常见的缓慢氧化，本质都是氧气氧化性的体现。3氧气的主要用途化学核心思维中“性质决定用途”，根据氧气的性质我们可以总结出两类核心用途：3氧气的主要用途3.1供给呼吸日常呼吸、医疗急救、高山潜水、高空飞行等缺氧环境都需要补充氧气，前几年我在社区做防疫志愿者，亲眼看到定点医院的氧气需求量比平时翻了三倍多，很多危重病人都依靠氧气维持呼吸，足以见得氧气对生命的核心意义。3氧气的主要用途3.2支持燃烧工业炼钢需要氧气降低生铁中的含碳量，气焊气割金属需要可燃气体和氧气反应获得高温，航天领域的燃料燃烧也需要氧气做助燃剂，这些都是氧气助燃性的实际应用。学习完氧气的性质与用途，接下来我们认识占空气体积比更高、却常常被大家忽略的氮气，看看这种含量最高的气体有什么独特的性质和价值。氮气的性质与用途031氮气的物理性质我们同样从核心维度梳理氮气的物理性质：1氮气的物理性质1.1颜色气味状态和氧气相同，通常状况下氮气是无色无味的气体，我们每天呼吸的空气里近八成都是氮气，我们感受不到它的存在，就是因为它没有颜色气味，也不会和我们的身体发生常温反应。1氮气的物理性质1.2密度标准状况下氮气的密度为1.251g/L，只比空气的平均密度略小，因为密度和空气太接近，若用排空气法收集很难得到纯净的氮气，所以实验室一般用排水法收集氮气。1氮气的物理性质1.3溶解性氮气比氧气更难溶于水，室温下1L水只能溶解约15mL氮气，这也进一步支撑了排水收集法的应用。1氮气的物理性质1.4三态变化标准大气压下氮气的沸点为-196℃，远低于氧气的沸点，所以工业上分离液态空气制取气体时，氮气会先蒸发分离出来。去年我带班级同学去省科技馆参加化学科普活动，亲眼观看了液氮低温实验，工作人员把一朵新鲜的玫瑰花放进液氮，十几秒后拿出来，玫瑰花已经变得硬脆，轻轻一捏就变成了碎渣，这种超低温的特性就是液氮最大的特点之一。2氮气的化学性质氮气的化学性质和氧气差异极大，核心特点就是稳定性：2氮气的化学性质2.1常温下化学性质不活泼氮气分子中两个氮原子通过共价三键结合，键能很大，不容易断开和其他物质发生反应，所以常温下氮气很难和绝大多数物质发生化学反应，这也是它最核心的化学特征。2氮气的化学性质2.2特殊条件下氮气可发生化学反应需要纠正大家一个误区，氮气不活泼不代表它永远不发生反应，只是对反应条件要求更高：在高温高压加催化剂的条件下，氮气可以和氢气反应合成氨气，氨气是生产氮肥和硝酸的核心原料；在放电条件下，氮气可以和氧气反应生成一氧化氮，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，随雨水落到土壤中转化为氮肥，这就是农村老辈人常说的“雷雨发庄稼”的原理。我老家在农村，小时候爷爷就说夏天多打雷，秋天收成就好，当时只当是俗语，学了化学才明白背后就是这个原理在起作用，现在想来其实古人的经验早就暗含了化学规律。3氮气的主要用途同样遵循性质决定用途的逻辑，氮气的核心用途可以分为三类：3氮气的主要用途3.1作保护气利用常温下化学性质不活泼的特点，氮气是目前应用最广泛的惰性保护气，我们平时吃的袋装薯片、真空包装卤味，包装袋里填充的大部分都是氮气，一方面可以隔绝氧气防止食品氧化变质，延长保质期，另一方面可以支撑包装袋，避免食品运输过程中被压碎；灯泡里充入氮气可以防止灯丝高温氧化，延长灯泡使用寿命；金属焊接时用氮气做保护气，也可以避免高温下焊接部位被氧化，保证焊接强度。3氮气的主要用途3.2化工原料氮气是合成氨工业的核心原料，所有的氮肥、硝酸都离不开空气中的氮气，我国用占世界不到10%的耕地养活了14亿人口，氮肥的广泛应用功不可没，从这个角度说，我们能吃饱饭，其实也有空气中氮气的贡献。3氮气的主要用途3.3低温应用利用液氮的超低温特性，医疗上用液氮做冷冻麻醉，切除病变组织时用液氮冷冻可以减少出血、降低疼痛感；低温生物学中保存精子、植物种子，都用液氮做冷源；此外很多超导材料只有在液氮的低温环境下才能表现出超导性能，目前很多前沿超导研究都离不开液氮的支持。完成对两种气体的单独梳理后，我们接下来对比二者的核心特征，进一步深化对知识点的理解。氧气与氮气的核心特征对比041物理性质核心差异氧气密度大于空气，不易溶于水，沸点为-183℃；氮气密度略小于空气，难溶于水，沸点为-196℃，二者的沸点差异是工业上分离液态空气制取氧气和氮气的核心依据。2化学性质核心差异氧气化学性质活泼，氧化性强，常温下就能和多种物质发生反应，能够支持燃烧、供给呼吸；氮气常温下化学性质稳定，很难发生反应，只有在高温、放电等特殊条件下才能参与化学反应。3应用核心差异氧气的应用围绕供给呼吸和助燃两个核心，和生命活动、能源利用直接绑定；氮气的应用围绕化学稳定性和化工原料两个核心，在食品保存、材料保护、农业生产中发挥不可替代的作用。本节课接近尾声，我们对核心内容做总结梳理：本节课我们从空气成分的研究基础入手，围绕核心主题氧气和氮气，逐步深入梳理了二者的物理性质、化学性质，总