初中九年级化学：空气的成分（第1课时）知识清单

初中九年级化学：空气的成分（第1课时）知识清单  一、空气成分的发现史——科学探究的典范  （一）早期认识与朴素猜想【基础】  在古代，人们对空气的认识仅停留在“气体”这一模糊概念，认为空气是单一、纯净的物质。这种认识持续了很长时期，直到17世纪，随着化学实验的兴起，人们才开始对空气的组成进行探索。比利时化学家海尔蒙特通过实验意识到存在不同种类的气体，并提出了“气体”这一概念，但他并未能完全揭示空气的复杂组成。  （二）燃素学说的困境【难点·历史背景】  在18世纪，燃素学说盛行，认为可燃物质中含有“燃素”，燃烧时燃素会以火焰的形式释放出去。然而，这一学说无法解释许多实验现象，例如：金属燃烧后质量反而增加（若燃素逸出，质量应减轻）。这种理论与实验的矛盾，为后来氧气的发现和燃烧本质的揭示埋下了伏笔，也为拉瓦锡的定量研究提供了突破口。  （三）拉瓦锡的定量研究——划时代的贡献【非常重要·高频考点】  1.实验装置与原理：法国化学家拉瓦锡（AntoineLaurentLavoisier）在1777年设计了一个具有里程碑意义的实验。他将少量液态汞（水银）放入一个曲颈甑中，并将曲颈甑的开口端与一个倒扣在汞槽中的玻璃罩相连，这样就构建了一个密闭的、与外界空气隔绝的系统。整个装置的关键在于，它允许拉瓦锡精确地测量和追踪密闭容器内空气体积的变化。  2.实验步骤与现象：  （1）加热阶段：拉瓦锡连续加热曲颈甑中的汞达12天之久。汞面逐渐生成一层红色的粉末（氧化汞），同时，玻璃罩内空气的体积减少了约1/5。这一现象表明，空气中的一部分气体（后来被命名为“氧气”）与汞发生了化合反应。  （2）气体检验：拉瓦锡对剩余占总体积约4/5的气体进行研究，发现它不能支持燃烧，也不能维持动物的生命，他将这种气体命名为“氮气”（源于希腊语“无生命”之意）。  （3）分解阶段：拉瓦锡收集了生成的红色粉末（氧化汞），并将其置于另一个更强的加热装置中。红色粉末受热分解，重新释放出一种气体，其体积恰好等于之前密闭容器中减少的空气体积。  （4）结论验证：拉瓦锡将这种重新释放出的气体与剩余气体混合，发现混合物恢复了普通空气的性质。更重要的是，他发现这种重新释放出的气体能强烈地支持燃烧和呼吸。  3.实验结论【核心必背】：  （1）空气不是一种单一的物质，而是由两种性质不同的气体混合而成。  （2）其中一种气体（氧气）约占空气总体积的1/5，它能支持燃烧，并与汞化合生成氧化汞。  （3）另一种气体（氮气）约占空气总体积的4/5，它不能支持燃烧，也不能维持生命。  4.实验的科学价值：拉瓦锡的这项研究，首次以确凿的定量实验证明了空气的混合组成，推翻了长久以来的“元素”说，并成功解释了燃烧的本质是物质与氧气的反应，从而彻底颠覆了燃素学说，将化学真正引上了定量研究的科学轨道。这一实验被视为化学史上的一座丰碑。  二、空气的组成成分——现代精确测定  （一）空气的组分概览【基础·常考点】  通过现代更精密的实验仪器（如气相色谱仪、质谱仪等）测定，空气的成分按体积分数计算，是相对恒定的。这里的“体积分数”是指某一种气体的体积占空气总体积的百分比，这是一个非常重要的概念，在后续的气体计算中会频繁使用。  （二）各成分的体积分数（切记是体积分数，非质量分数）【非常重要·必考点】  1.氮气（N₂）：约占78%。是空气中含量最多的气体。  2.氧气（O₂）：约占21%。是空气中支持燃烧和供给呼吸的主要成分。  3.稀有气体：约占0.94%。这是一个家族的总称，主要包括氦气（He）、氖气（Ne）、氩气（Ar）、氪气（Kr）、氙气（Xe）等。它们在空气中的含量很少，化学性质非常稳定，过去被称为“惰性气体”。  4.二氧化碳（CO₂）：约占0.03%（现代由于工业发展，其含量略有上升，但通常仍以0.03%作为基准值）。它是植物进行光合作用的原料，也对地球的保温起着重要作用（温室效应）。  5.其他气体和杂质：约占0.03%。主要包括水蒸气（H₂O，含量因时因地变化很大）、尘埃、微生物、臭氧（O₃）、氮氧化物、二氧化硫等。这些组分虽然含量微小，但对天气变化和人类健康有重要影响。  （三）空气中各成分含量排序口诀记忆【技巧点拨】  为了方便记忆，可以利用口诀：“氮七八，氧二一，零点九四稀有气，还有零零三（0.03）的二氧化碳，其他杂质零零三（0.03）”。必须牢牢记住，氮气占绝对主导地位。  三、空气中氧气含量的测定——核心实验与原理分析  （一）实验原理【核心·基础】  利用某种特定物质（通常是红磷）在密闭的容器中与空气中的氧气发生反应，消耗掉氧气，生成固体产物。反应后，容器内气体减少，压强随之降低。在外界大气压的作用下，水会倒吸入容器，进入容器内水的体积，就代表了被消耗的氧气的体积。  （二）实验装置（以拉瓦锡实验的改进版为例）【重要·识图】  1.主要仪器：集气瓶（或具支试管）、橡胶塞、燃烧匙、导管、弹簧夹、烧杯、酒精灯。  2.药品：红磷（足量）。  3.试剂：水。  4.装置特点：集气瓶内预先加入少量水（用于吸收五氧化二磷白烟和降温），并将水面以上的容积划分为5等份。导管一端穿过橡胶塞进入集气瓶，另一端浸入盛有水的烧杯中。橡胶塞上插有燃烧匙。  （三）实验步骤与现象【操作要点·高频考点】  1.检查装置气密性：连接好装置后，将导管一端放入水中，双手紧握集气瓶外壁。若导管口有气泡冒出，松开手后，导管内形成一段水柱，则证明装置气密性良好。此步骤是保证实验成功的关键前提，若漏气，会导致实验结果偏小。  2.装入药品：在集气瓶内装入少量水，并将集气瓶剩余容积划分为5等份，做好标记。在燃烧匙内装入足量的红磷。  3.点燃并反应：在酒精灯上点燃燃烧匙内的红磷，迅速伸入集气瓶中，并立即塞紧橡胶塞。  现象：红磷剧烈燃烧，发出黄色火焰，产生大量浓厚的白烟（五氧化二磷固体小颗粒），并放出大量热。  4.冷却后观察：待集气瓶冷却至室温后，打开弹簧夹。  现象：烧杯中的水被吸入集气瓶中，进入集气瓶内水的体积大约占集气瓶内原空气总体积的1/5。  （四）实验关键成功要素分析【难点·易错点】  1.药品选择【重点】：必须选择能在空气中燃烧，且只能与氧气反应，生成物为固体（或易被吸收的液体）的物质。红磷（P）完全符合要求：4P+5O₂→（点燃）2P₂O₅，生成的五氧化二磷（P₂O₅）是白色固体。若选用木炭、硫磺，它们燃烧生成二氧化碳或二氧化硫气体，虽然也消耗氧气，但同时生成了气体，导致容器内压强变化不明显，水不会倒吸或倒吸很少（除非用氢氧化钠溶液吸收生成的酸性气体）。  2.红磷足量【核心】：必须加入足量或过量的红磷，以确保集气瓶中的氧气被完全耗尽。若红磷量不足，氧气有剩余，则最终进入的水体积偏小，导致测定结果小于1/5。  3.装置气密性要好【核心】：装置漏气，当冷却时，外界空气会进入集气瓶内，导致进入的水体积偏小，测定结果小于1/5。  4.冷却至室温再读数【核心】：反应后，集气瓶内气体温度升高，体积膨胀，压强增大。若未冷却至室温就打开弹簧夹，气体处于膨胀状态，导致进入的水体积偏小，测定结果小于1/5。  5.导管中预先装满水（或计算时考虑导管容积）：在改进装置中，为了更精确，需考虑导管内残留空气的体积。但在标准初中实验中，通常忽略导管容积，默认集气瓶内空气即为反应体系。  6.引燃后迅速伸入并塞紧瓶塞：防止红磷燃烧时，瓶内气体受热膨胀逸出，导致最终进入的水体积偏大，测定结果大于1/5。  （五）误差分析【非常重要·必考】  1.测定结果小于1/5的可能原因：  （1）红磷量不足，氧气未完全耗尽。  （2）装置气密性不好，漏气。  （3）未冷却至室温就打开弹簧夹。  （4）实验前，导管中未预先装满水（在特定装置中）。  2.测定结果大于1/5的可能原因：  （1）点燃红磷后，伸入集气瓶的动作过慢，导致瓶内部分空气受热膨胀逸出。  （2）实验过程中，未预先在集气瓶内加入少量水（或未及时吸收P₂O₅），但这不是主要原因。主要原因是第一种。  四、空气中各成分的性质与用途——性质决定用途  （一）氮气（N₂）【高频考点】  1.物理性质：无色、无味、难溶于水（溶解度很小）、密度比空气略小。  2.化学性质【核心】：化学性质稳定，一般情况下不支持燃烧（即不能燃烧），也不供给呼吸。但在高温、高能条件下，也能与某些物质（如氢气、氧气、金属镁等）发生反应。  3.主要用途【高频考点】：  （1）保护气：利用其化学性质稳定，常用作食品包装的填充气（防腐）、焊接金属时的保护气（防止金属在高温下被氧化）、灯泡填充气（延长灯泡寿命）。  （2）化工原料：用于合成氨（制造氮肥、硝酸），制造炸药等。  （3）医疗冷冻：利用液氮在汽化时吸收大量热，提供超低温环境，用于冷冻麻醉、冷冻治疗、保存生物样本和精子等。  （4）超导材料：液氮为超导材料提供低温环境。  （二）稀有气体【热点·拓展】  1.物理性质：无色、无味、难溶于水。  2.化学性质【核心】：极不活泼，过去被称为“惰性气体”，很难与其他物质发生化学反应。但现在已能制得一些稀有气体化合物（如六氟合铂酸氙），因此“惰性气体”的称呼已不准确。  3.主要用途【高频考点】：  （1）保护气：由于化学性质极不活泼，常被用作比氮气更高级的保护气，例如在焊接精密仪器（如镁、铝等活泼金属）时使用氩气。  （2）电光源【重要】：稀有气体在通电时会发出不同颜色的光。例如，氖气通电发出红光（常用于霓虹灯，俗称“氖灯”），氩气通电发出蓝紫色光，氦气通电发出粉红色光。这些特性被广泛应用于制造霓虹灯、航标灯、闪光灯等。  （3）医疗麻醉：氙气是一种无毒的麻醉剂。  （4）填充气球：氦气密度远小于空气，且化学性质稳定、不可燃，比氢气安全，常用于填充气球、飞艇。  （三）二氧化碳（CO₂）【基础·常考点】  1.物理性质：无色、无味、能溶于水（通常说能溶于水，1体积水约溶1体积CO₂）、密度比空气大。  2.化学性质：不能支持燃烧（本身也不燃烧），不能供给呼吸，能与水反应生成碳酸（使紫色石蕊试液变红），能使澄清石灰水变浑浊（这是检验二氧化碳的特征反应）。  3.主要用途：  （1）灭火：利用其密度比空气大和不支持燃烧的性质，覆盖在燃烧物表面隔绝空气。  （2）制冷剂：固态二氧化碳俗称“干冰”，升华时吸收大量热，可用作制冷剂，人工降雨（制造舞台云雾效果也常用干冰）。  （3）化工原料：用于制汽水（碳酸饮料）、纯碱、尿素等。  （4）气体肥料：植物进行光合作用的原料，适当增加二氧化碳浓度可提高农作物产量。  （四）氧气（O₂）【基础·核心】  1.物理性质：无色、无味、不易溶于水（通常说不易溶，1L水约溶30mL氧气）、密度比空气略大。  2.化学性质【核心】：非常活泼，能支持燃烧（助燃性）和供给呼吸。  3.主要用途：  （1）供给呼吸：用于医疗急救、潜水、登山、航空等。  （2）支持燃烧：用于炼钢（提高炉温）、气焊和气割（形成氧炔焰，温度高达3000℃以上）、航天火箭发动机的助燃剂等。  五、纯净物与混合物——物质分类的基石  （一）概念辨析【非常重要·基础概念】  1.混合物：由两种或两种以上的物质混合而成。这些物质之间没有发生化学反应，各自保持着原有的化学性质。混合物没有固定的组成，也就没有固定的性质（如熔点、沸点等）。例如：空气、糖水、碘酒、合金、矿石等。  2.纯净物：由一种物质组成。它有固定的组成，因此有固定的性质（如固定的熔点、沸点、密度等）。可以用专门的化学符号来表示，如氧气（O₂）、氮气（N₂）、红磷（P）、五氧化二磷（P₂O₅）、二氧化碳（CO₂）等。  （二）空气的分类【必考点】  根据以上定义，空气是由氮气、氧气、稀有气体、二氧化碳等多种气体以及水蒸气、尘埃等杂质混合而成的，各成分在混合过程中并未发生化学反应，因此，空气属于典型的混合物。  （三）易错辨析【高频·易错点】  1.“纯净”不等于“干净”：化学中的纯净物是指由同一种物质组成，与日常语言中的“干净”（指不含杂质，但可能仍是混合物）不同。例如，过滤后的水看似干净，但其中仍溶解有矿物质，属于混合物；而蒸馏水或去离子水，只由水分子（H₂O）构成，才是纯净物。  2.冰水混合物：冰和水都是由同一种分子——水分子（H₂O）构成的，只是状态不同。因此，冰水混合物在化学上被视为纯净物。  3.稀有气体是混合物：稀有气体是氦、氖、氩、氪、氙等气体的总称，因此，当我们在空气中谈“稀有气体”时，它指的是一个混合物类别。而单独一瓶氦气，则是纯净物。  六、考点、考向、解题步骤与常见题型  （一）核心考点归纳  1.空气的组成（体积分数）：直接考查氮气、氧气等的体积分数。  2.空气中氧气含量的测定实验：考查实验原理、步骤、现象、误差分析、药品选择等，是绝对的高频考点。  3.空气中各成分的性质与用途：考查性质与用途的对应关系，如氮气作保护气、稀有气体作电光源等。  4.纯净物与混合物的判断：结合生活实例或化学语境，判断物质的类别。  5.空气污染与防治（常作为本课时的延伸或下一课时重点）。  （二）常见题型与解题思路  1.选择题：  例：空气中体积分数最大的气体是（）。  A.氧气B.氮气C.二氧化碳D.稀有气体  解题思路：直接回忆空气成分的体积分数即可，氮气占78%，最大。  答案：B  例：下列物质中，属于纯净物的是（）。  A.洁净的空气B.冰水混合物C.稀有气体D.澄清石灰水  解题思路：判断纯净物的关键是看是否由一种物质组成。A由多种气体组成；B虽然形态不同，但都是H₂O；C是多种气体的总称；D是氢氧化钙的水溶液。  答案：B  2.填空题：  例：法国化学家________通过著名的________实验，得出了空气是由________和________组成的结论。  解题思路：考查化学史，答案：拉瓦锡、定量、氮气、氧气。  例：现有①氧气；②氮气；③二氧化碳；④稀有气体；选择适当的物质填空（填序号）：  （1）可用于医疗急救的是________；  （2）可作焊接金属的保护气是________；  （3）通电时能发出不同颜色的光的是________；  （4）能使澄清石灰水变浑浊的是________。  解题思路：性质决定用途。①氧气供给呼吸；②氮气化学性质稳定；④稀有气体通电发光；③二氧化碳使石灰水变浑浊。  答案：（1）①；（2）②；（3）④；（4）③。  3.实验探究题（最重要）：  例：某化学兴趣小组对“空气中氧气含量的测定”实验进行了改进，设计了如图所示的装置（略）。请回答下列问题：  （1）写出红磷燃烧的文字表达式：。  （2）实验前，检查装置气密性的方法是。  （3）点燃红磷后，立即伸入集气瓶中并塞紧瓶塞，可观察到的现象是________________________。  （4）待装置冷却至室温后，打开弹簧夹，烧杯中的水进入集气瓶，进水量小于1/5，请你分析可能的原因：________________________（写出一条即可）。  （5）有同学提出，能否用木炭代替红磷进行实验？为什么？  解题步骤：  （1）回忆反应物和生成物：红磷+氧气→五氧化二磷。  （2）气密性检查的标准操作。  （3）描述现象要准确：剧烈燃烧、黄色火焰、白烟、放热。  （4）误差分析：红磷不足、漏气、未冷却。  （5）分析替代物：木炭燃烧生成气体CO₂，导致压强变化不大。  参考答案：  （1）红磷+氧气→（点燃）五氧化二磷。  （2）连接好装置，将导管一端放入水中，双手紧握集气瓶外壁，若导管口有气泡冒出，说明气密性良好。  （3）红磷剧烈燃烧，产生大量白烟，放出热量。  （4）红磷量不足（或装置气密性不好、未冷却至室温就打开弹簧夹）。  （5）不能。因为木炭燃烧生成二氧化碳气体，虽然消耗了氧气，但又生成了气体，导致容器内气压变化不大，水几乎不会进入或进入很少。  （三）解题要点与易错点总结  1.审题要清：看清题目问的是“体积分数”还是“质量分数”，是“纯净物”还是“混合物”。  2.表述要准：描述实验现象时，不能把结论当作现象（如不能说“生成五氧化二磷”，要说“产生大量白烟”）；写文字表达式时，要注明反应条件（点燃），气体符号（↑）在反应物有气体、生成物无气体时加，此处红磷是固体，生成物P₂O₅也是固体，所以不用加。  3.原理要通：理解氧气含量测定的核心是压强差，因此分析任何误差都要回到压强的变化上。  4.概念要清：区分“稀有气体”和“某一稀有气体”，前者是混合物，后者是纯净物。  七、跨学科视野与拓展思考  （一）与物理学的联系  1.压强原理：空气中氧气含量测定实验的核心是物理学的压强差原理。气体的热胀冷缩、气压与体积的关系，是整个实验设计的基础。  2.物态变化：液氮、干冰的制冷原理都涉及物态变化（汽化、升华）过程中的吸热现象。  （二）与生物学的联系  1.呼吸作用：生物体（包括人类）吸入氧气，呼出二氧化碳。空气中氧气和二氧化碳含量的相对稳定，是地球生命赖以生存的基础。  2.光合作用：植物吸收二氧化碳和水，在光照条件下合成有机物并释放氧气，这是维持空气中氧气和二氧化碳平衡的关键过程。  （三）与环境科学的联系  1.空气污染：空气中的有害气体（二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳）和可吸入颗粒物是导致酸雨