初中九年级化学 第二单元 空气和氧气 知识清单

初中九年级化学第二单元空气和氧气知识清单【本单元知识图谱与学习导航】本单元是初中化学从宏观走进微观、从定性走向定量的重要过渡，是学习化学用语、物质分类、化学反应规律的基础。核心在于建立“空气是一种混合物”和“氧气是一种化学性质比较活泼的气体”的基本观念，掌握氧气特有的助燃性，并能熟练运用文字表达式和符号表达式描述反应。本单元包含三大板块：空气的成分与保护、氧气的性质与用途、氧气的实验室制法。其中，空气中氧气含量的测定、氧气的化学性质、实验室制取氧气的原理与装置是高频考点，也是后续学习质量守恒定律、燃烧与灭火的重要铺垫。一、空气的成分与资源保护（▲▲▲基础）（一）拉瓦锡与空气成分的研究史（▲基础，常作为科学史背景考查）1、二百多年前，法国化学家拉瓦锡用定量的方法研究了空气的成分。他通过实验得出空气由氧气（O₂）和氮气（N₂）组成，其中氧气约占空气总体积的1/5的结论。该实验在化学史上的重要意义在于，突破了当时人们认为空气是单一物质的错误认识，将化学研究引向了定量方向。2、拉瓦锡的经典实验原理：汞（Hg）在密闭容器中加热，与空气中的氧气反应生成红色固体氧化汞（HgO），导致容器内气体体积减少约1/5；将生成的氧化汞加强热，又分解为汞和氧气，氧气的体积恰好等于先前减少的体积。这一“合”一“分”的循环，严谨地证明了氧气的存在与空气的组成。（二）空气中氧气含量的测定实验（▲▲▲高频考点，难点）1、实验原理：利用红磷（或白磷）在密闭容器中燃烧，消耗掉空气中的氧气，生成五氧化二磷（P₂O₅）固体，使容器内气体压强减小。在大气压的作用下，烧杯中的水被压入容器中，进入容器内水的体积，即为消耗掉的氧气的体积。2、实验装置（传统钟罩式或广口瓶+燃烧匙式）：（1）核心仪器：集气瓶（或钟罩）、燃烧匙、导管、止水夹、烧杯、橡皮塞。（2）药品：红磷（足量）。注：不能用木炭、硫粉、铁丝等替代。原因：木炭和硫燃烧会产生二氧化碳、二氧化硫气体，会占据氧气体积，导致气压变化不明显，使结果偏小；铁丝在空气中无法燃烧。3、实验步骤与现象：（1）连接装置，检查装置的气密性。（【易错点】步骤不可颠倒，气密性不好会导致测定结果偏小）（2）在集气瓶内加入少量水，并将水面上方空间分为5等份（做上记号）。（3）用弹簧夹夹紧胶皮管。点燃燃烧匙内的红磷后，立即伸入瓶中并把塞子塞紧。（4）现象：红磷继续燃烧，发出黄色火焰，产生大量白烟（五氧化二磷固体小颗粒），放出大量的热。（5）待集气瓶冷却至室温后，打开弹簧夹。（6）现象：烧杯中的水沿导管进入集气瓶，进入的水的体积约占集气瓶内原空气总体积的1/5。4、实验结论：空气中氧气约占总体积的1/5。剩余气体主要为氮气，该实验也间接证明了氮气的性质：难溶于水（水进入1/5后不再进入），不燃烧也不支持燃烧（红磷熄灭）。5、误差分析（▲▲▲难点）：（1）测定结果小于1/5的原因：[1]装置气密性不好（漏气），在冷却过程中外界空气进入。[2]红磷的量不足，导致氧气未被完全消耗。[3]未冷却至室温就打开弹簧夹，此时瓶内气体温度高，压强大，进入的水体积偏小。[4]实验前，导管内未预先充满水（影响极小，但有时作为分析点）。（2）测定结果大于1/5的原因：[1]弹簧夹未夹紧（或塞子塞得太慢），红磷燃烧时，瓶内气体受热膨胀，从导管或瓶口逸出，冷却后进入的水就偏多。[2]燃烧匙伸入集气瓶过慢，导致瓶内空气受热膨胀逸出。[3]实验前，导管内未预先充满水，打开止水夹后，导管内一段空气被压入瓶中，影响观察（但不会导致结果偏大，此处为易混淆点）。（3）使用了错误的药品，如木炭、硫粉，导致结果偏小，有时甚至几乎无变化。6、实验创新与改进：为减少污染、提高精确度，常将红磷置于密闭容器中用激光、聚光或电热棒引燃，或将红磷放在密闭试管中加热，利用白磷的着火点低进行水下燃烧等。（三）空气的成分（▲▲基础）1、空气的成分按体积分数计算，大约是：氮气（N₂）78%，氧气（O₂）21%，稀有气体（氦He、氖Ne、氩Ar、氪Kr、氙Xe等）0.94%，二氧化碳（CO₂）0.03%，其他气体和杂质0.03%。【特别提示】一定要强调是“体积分数”，而非质量分数。2、氮气（N₂）的性质与用途（▲▲）：（1）物理性质：无色、无味的气体，难溶于水。（2）化学性质：化学性质不活泼，比较稳定，一般不支持燃烧，也不供给呼吸。（3）用途：【高频考点】①工业上用作保护气（如焊接金属时隔绝空气、食品包装填充防腐）；②生产氮肥（如硝酸、合成氨）的原料；③医疗上用于冷冻麻醉（液氮）；④超导材料在液氮的低温环境下显示超导性能。3、稀有气体的性质与用途（▲）：（1）性质：无色、无味，化学性质极不活泼，曾被称作“惰性气体”。（2）用途：①作保护气（如焊接金属、填充灯泡）；②制成多种用途的电光源（通电时发出不同颜色的光，如氖灯发红光，氩灯发蓝紫色光）；③氦气可用于制造低温环境，也可用于填充气球（因其密度小且化学性质稳定，比氢气安全）。4、二氧化碳（CO₂）在空气中含量虽少，但参与光合作用，对地球生命至关重要。含量过高会导致温室效应。（四）空气的污染与防治（▲▲）1、污染物类型：（1）有害气体：主要包括二氧化硫（SO₂）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO₂）以及臭氧（O₃）。其中SO₂和NO₂是导致酸雨（pH<5.6的雨水）的主要原因。（2）可吸入颗粒物（PM10，PM2.5）：指粒径在10微米和2.5微米以下的颗粒物，对人体健康和大气能见度影响巨大。2、污染来源：化石燃料（煤、石油）的燃烧，工厂排放的废气，汽车尾气，地面扬尘等。3、防治措施：①加强空气质量监测与预报；②使用清洁能源（如太阳能、风能、氢能）；③工厂废气经处理达标后排放；④汽车尾气安装净化装置；⑤积极植树造林、种草，增大绿化面积。4、空气质量日报：主要内容包括“空气污染指数”、“首要污染物”、“空气质量级别”、“空气质量状况”。计入空气污染指数的项目暂定为：二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、可吸入颗粒物和臭氧等。二、氧气的性质与用途（▲▲▲核心）（一）氧气的物理性质（▲基础）1、标准状况下，氧气是无色、无味的气体。2、密度：比空气略大（在标准状况下，氧气密度为1.429g/L，空气为1.293g/L）。3、溶解性：不易溶于水（在室温下，1L水中约能溶解30mL氧气）。【重要】这是解释可以用排水法收集氧气的基础。4、三态变化：在一定条件下，氧气可变为淡蓝色的液体，甚至淡蓝色的雪花状固体。（二）氧气的化学性质（▲▲▲高频考点，实验探究）氧气是一种化学性质比较活泼的气体，具有氧化性（助燃性，但不具有可燃性，不能燃烧，是支持燃烧的）。它在反应中提供氧，是常用的氧化剂。1、氧气与金属单质的反应：（1）与镁（Mg）反应：现象：在空气中点燃，剧烈燃烧，发出耀眼的白光，放出大量热，生成一种白色固体（氧化镁，MgO）。文字表达式：镁+氧气–点燃→氧化镁符号表达式：Mg+O₂–点燃→MgO（配平后：2Mg+O₂–点燃→2MgO）（2）与铁（Fe）反应：【特别注意】铁丝在空气中不能燃烧，只会发红；只有在氧气中才能剧烈燃烧。实验操作：把光亮的细铁丝绕成螺旋状（为了增大受热面积），一端系一根火柴，点燃火柴，待火柴快燃尽时，缓慢插入盛有氧气的集气瓶（瓶底预先放少量水或铺一层细沙，目的是防止高温熔融物溅落炸裂瓶底）。现象：剧烈燃烧，火星四射，放出大量热，生成一种黑色固体（四氧化三铁，Fe₃O₄）。文字表达式：铁+氧气–点燃→四氧化三铁符号表达式：Fe+O₂–点燃→Fe₃O₄（配平后：3Fe+2O₂–点燃→Fe₃O₄）（3）与铜（Cu）反应：现象：在空气中加热，铜丝（片）表面由紫红色逐渐变为黑色（氧化铜，CuO）。文字表达式：铜+氧气–加热→氧化铜符号表达式：Cu+O₂–加热→CuO（配平后：2Cu+O₂–加热→2CuO）2、氧气与非金属单质的反应：（1）与碳（C）反应：现象：在空气中燃烧，发出红光；在氧气中燃烧更旺，发出白光，放出热量。生成的气体能使澄清石灰水变浑浊（二氧化碳，CO₂）。文字表达式：碳+氧气–点燃→二氧化碳符号表达式：C+O₂–点燃→CO₂（2）与硫（S）反应：实验操作：硫粉装在燃烧匙中，在空气中点燃，然后伸入盛有氧气的集气瓶中（瓶底可放少量水吸收SO₂，防止污染空气）。现象：在空气中燃烧，发出微弱的淡蓝色火焰；在氧气中燃烧更旺，发出明亮的蓝紫色火焰，放出热量，生成一种有刺激性气味的气体（二氧化硫，SO₂）。文字表达式：硫+氧气–点燃→二氧化硫符号表达式：S+O₂–点燃→SO₂（3）与磷（P）反应：现象：在氧气中燃烧，发出耀眼的白光，放出热量，产生大量的白烟（五氧化二磷）。文字表达式：磷+氧气–点燃→五氧化二磷符号表达式：P+O₂–点燃→P₂O₅（配平后：4P+5O₂–点燃→2P₂O₅）3、氧气与化合物的反应：（1）与蜡烛（主要成分石蜡，是含碳、氢的化合物）反应：现象：在氧气中燃烧更旺，火焰明亮，发出白光，放热，集气瓶内壁有水雾（水）出现，生成的气体能使澄清石灰水变浑浊（二氧化碳）。文字表达式：石蜡+氧气–点燃→二氧化碳+水【注意】蜡烛燃烧是化学变化，但其火焰分为焰心、内焰、外焰，外焰温度最高。（三）化合反应与氧化反应（▲▲▲基本概念辨析）1、化合反应：由两种或两种以上物质生成另一种物质的反应。（多变一）（1）形式：A+B+……→C（2）举例：S+O₂–点燃→SO₂，2Mg+O₂–点燃→2MgO2、氧化反应：物质与氧（包括氧气）发生的反应。（1）氧气在氧化反应中提供氧，它具有氧化性。（2）氧化反应分为剧烈氧化（如燃烧、爆炸）和缓慢氧化（如铁生锈、呼吸作用、食物腐烂）。（3）【难点辨析】化合反应不一定是氧化反应（如CaO+H₂O=Ca(OH)₂），氧化反应也不一定是化合反应（如蜡烛燃烧生成CO₂和H₂O，生成物是两种，不是化合反应）。两者是交叉关系。（四）氧气的用途（▲）1、供给呼吸：如医疗急救、潜水、登山、航空等。2、支持燃烧：如炼钢（富氧炼钢提高炉温）、气焊与气割（利用乙炔在氧气中燃烧产生的高温火焰）、航天火箭发动机中的助燃剂等。三、氧气的实验室制法（▲▲▲高频考点，实验与探究）（一）工业制法（▲基础）1、原理：分离液态空气法（物理变化）。利用液态氮和液态氧的沸点不同。在低温条件下加压，使空气变为液态，然后升温。由于液氮的沸点（196℃）比液氧的沸点（183℃）低，因此氮气先从液态空气中蒸发出来，剩下的主要就是液态氧（淡蓝色），贮存在钢瓶中。（二）实验室制法——发生装置与收集装置的选择（▲▲▲核心）1、发生装置的选择依据：反应物的状态（固+固、固+液）和反应条件（是否需要加热、催化剂等）。2、收集装置的选择依据：气体的密度（与空气比较）和溶解性，以及是否与水或空气中的成分反应。（1）排水法：适用于不易溶于水（或难溶于水）且不与水反应的气体。如氧气（O₂）、氢气（H₂）。优点：收集的气体较纯。缺点：气体潮湿。（2）向上排空气法：适用于密度比空气大且不与空气中成分反应的气体。如氧气（O₂）、二氧化碳（CO₂）。优点：收集的气体干燥。缺点：纯度不高。（3）向下排空气法：适用于密度比空气小且不与空气中成分反应的气体。如氢气（H₂）。（三）实验室制取氧气的三种方法（▲▲▲必考）1、加热高锰酸钾（KMnO₄）法：（1）原理：高锰酸钾–加热→锰酸钾+二氧化锰+氧气（2）符号表达式：KMnO₄–加热→K₂MnO₄+MnO₂+O₂（配平后：2KMnO₄–加热→K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑）（3）装置：固固加热型。（4）实验步骤（可归纳为“查、装、定、点、收、移、熄”七字口诀）：[1]查：检查装置的气密性。方法：将导管一端浸入水中，用手紧握试管外壁，若导管口有气泡冒出，松开手后导管内形成一段水柱，则气密性良好。【易错点】手握试管时间不宜过长，以免气体膨胀过快无法形成水柱；若气温较高，可用热毛巾捂试管。[2]装：装入药品（高锰酸钾）。在试管口放一小团棉花（▲▲▲关键操作），目的是防止加热时高锰酸钾粉末进入导管，堵塞导管。[3]定：将试管固定在铁架台上。试管口应略向下倾斜，目的是防止冷凝水回流到热的试管底部，炸裂试管。[4]点：点燃酒精灯，先预热试管（来回移动酒精灯），然后对准药品部位集中加热。[5]收：收集气体。当导管口有连续均匀的气泡冒出时，才开始收集。若一有气泡就收集，则收集到的气体中混有空气（因为刚开始排出的是试管内的空气），导致氧气不纯。用排水法收集时，集气瓶充满水后倒立在水槽中，瓶内不得有气泡。[6]移：收集完毕，先将导管移出水面。[7]熄：然后熄灭酒精灯。【▲▲▲重中之重，易错点】若先熄灭酒精灯，后移出导管，会导致试管内温度降低，气压减小，水槽中的水会被倒吸入热的试管中，使试管炸裂。2、加热氯酸钾（KClO₃）和二氧化锰（MnO₂）混合物法：（1）原理：氯酸钾–(二氧化锰)/加热→氯化钾+氧气（2）符号表达式：KClO₃–(MnO₂)/加热→KCl+O₂↑（配平后：2KClO₃–(MnO₂)/加热→2KCl+3O₂↑）（3）二氧化锰的作用：催化剂（加快反应速率），其质量和化学性质在反应前后均不改变。【高频考点】（4）装置：固固加热型（与高锰酸钾装置基本相同，但试管口不用放棉花）。3、分解过氧化氢（H₂O₂）溶液法：（1）原理：过氧化氢–(二氧化锰)/→水+氧气（2）符号表达式：H₂O₂–(MnO₂)/→H₂O+O₂↑（配平后：2H₂O₂–(MnO₂)/→2H₂O+O₂↑）（3）装置：固液不加热型。常用锥形瓶（或试管）+长颈漏斗（或分液漏斗）+双孔塞组合。（4）优点：不需加热，操作简便、安全，节约能源，可控制反应速率（通过分液漏斗控制滴加速率）。（5）注意：长颈漏斗末端必须伸入液面以下（液封），防止生成的氧气从漏斗口逸出。若使用分液漏斗，则不需液封，因其自带活塞。（四）催化剂与催化作用（▲▲▲难点）1、概念：在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂（又叫触媒）。催化剂在反应中所起的作用叫催化作用。2、“一变两不变”原则：（1）一变：改变其他物质的反应速率（“改变”包括加快或减慢，初中阶段主要指加快）。（2）两不变：本身的质量和化学性质不变。但物理性质可能改变。3、催化剂的特性：（1）专一性：一种催化剂只对某个特定反应或某类反应有催化作用。（2）选择性：对同一反应，可能有多种催化剂，但效果不同。（3）参与反应过程，但最终不变。催化剂不是反应物，也不是生成物，应写在反应条件的位臵（如“MnO₂”写在等号上方）。（4）不能改变生成物的质量和种类，只能改变达到平衡的时间。4、探究催化剂作用（如MnO₂在H₂O₂分解中的作用）的实验设计思路：（1）对照实验：取等量H₂O₂溶液，一份不加MnO₂，另一份加MnO₂，比较产生气泡的速率。（2）验证质量不变：反应后，将MnO₂过滤、洗涤、干燥、称量，看质量是否变化。（3）验证化学性质不变：将分离出的MnO₂再次加入到新的H₂O₂溶液中，观察是否仍能加快反应速率。四、核心实验探究与跨学科视角（一）空气中氧气含量测定的改进实验（▲▲）1、改进一：利用放大镜聚光点燃白磷（或红磷）。优点：在密闭体系内进行，避免了伸入燃烧匙时空气逸出的误差，结果更精确，且更环保。2、改进二：利用暖宝宝贴（主要成分铁粉、碳、食盐）。原理：铁生锈（缓慢氧化）消耗氧气。将暖宝宝贴放在密闭容器中，通过进入的水的体积测定氧气含量。优点：无需点燃，操作安全，结果精确。（二）氧气的实验室制取与性质综合实验（▲▲▲）1、常考题型：根据所给仪器组装一套制取并收集干燥氧气的装置。（1）若用过氧化氢溶液和二氧化锰制取，发生装置应选择固液不加热型，如锥形瓶+分液漏斗。（2）若用高锰酸钾制取，发生装置应选择固固加热型，试管口略向下倾斜，且要塞棉花。（3）要收集干燥的氧气，应选用向上排空气法，不能用排水法（会使气体潮湿）。装置连接顺序为：发生装置→干燥装置（如装有浓硫酸的洗气瓶）→收集装置。2、铁丝燃烧实验的深度分析：（1）为什么没看到“火星四射”？可能原因：①氧气不纯（铁丝在氧气中燃烧要求氧气浓度高）；②铁丝表面有锈（未打磨），锈层阻碍反应进行；③火柴梗过长，消耗了过多氧气；④伸入时机不对（火柴燃尽前伸入会消耗氧气，燃尽后伸入温度不够）；⑤集气瓶底没有放水或沙子，导致熔融物溅落瓶底，但这不是看不到现象的原因，而是防止炸裂。（2）为什么绕成螺旋状？增大铁丝的受热面积和与氧气的接触面积。（三）跨学科视角：物理与化学的融合（▲）1、氧气含量的测定实验中，核心原理是物理中的气压差。气体的消耗导致内部压强减小，小于外界大气压，从而将水压入。这是典型的利用物理原理解决化学定量问题。2、氧气的收集方法选择，基于气体的物理性质（密度、溶解性），体现了化学研究中对物质物理属性的依赖。3、催化剂在化工生产中的应用（如合成氨工业中的铁触媒），涉及化学动力学和工业生产效率问题，连接了化学与工程学。五、本单元思维导图与解题模型（一）重要概念辨析模型1、纯净物与混合物：空气是混合物，因为它由N₂、O₂、CO₂等多种物质组成。液氧、五氧化二磷、四氧化三铁等是纯净物。2、化合反应与氧化反应的关系：化合反应不一定是氧化反应（如CO₂+H₂O=H₂CO₃），氧化反应也不一定是化合反应（如蜡烛燃烧）。有氧气参加的化合反应同时也是氧化反应。（二）实验室制取氧气的一般思路1、确定原理：在实验室条件下，用什么药品，通过什么反应来制取。2、设计装置：根据反应物状态和反应条件选发生装置；根据气体性质选收集装置。3、操作步骤：按照“查、装、定、点、收、移、熄”等顺序进行操作，注意安全与规范。4、检验与验满：（1）检验（证明是氧气）：将带火星的木条伸入集气瓶内（注意是“伸入”），若木条复燃，证明该气体是氧气。（2）验满（证明已收集满）：排水法：当集气瓶口有大气泡冒出时，证明已满。向上排空气法：将带火星的木条放在集气瓶口（注意是“放在瓶口”），若木条复燃，证明已满。（三）高频考点题型与解题策略1、文字叙述题：考查空气成分、用途、污染等。要求准确记忆各成分的体积分数和典型性质。如：“空气中体积分数最大的气体是氮气”，“能用于食品防腐的是氮气”，“通电时能发出不同颜色光的是稀有气体”。2、实验探究题（必考）：（1）空气中氧气含量测定：重点考查药品选择原因、现象、结论、误差分析、装置改进。解题关键是理解压强差原理，分析每一步操作对瓶内压强的影响。（2）氧气性质的实验：重点考查硫、铁、木炭在空气和氧气中燃烧现象的差异，以及集气瓶底放水或沙子的目的（吸收SO₂或防止高温熔融物炸裂瓶底）。解题关键是明确产物的性质和反应条件。（3）氧气制取实验：重点考查发生装置和收集装置的选择，高锰酸钾制氧气的步骤细节（试管口略向下倾斜、放棉花、先移导管后熄灯的原因），催化剂的概念验证。解题关键是掌握固固加热型和固液不加热型的核心区别，以及每一步操作背后的安全逻辑。3、推断题：给定一些物质间的转化关系，如：A（无色液体）加入B（黑色固体）生成C（能使带火星木条复燃）和D。A是H₂O₂，B是MnO₂，C是O₂，D是H₂O。要求写出反应的符号表达式和基本反应类型。六、易错点与高频考点警示【易错点1】混淆体积分数与质量分数。空气中氧气含量为21%，是指