初中化学九年级上册·知识清单：氧气的实验室制取（第1课时）

初中化学九年级上册·知识清单：氧气的实验室制取（第1课时）一、课题核心素养导航【基础】【热点】本课时是初中化学课程体系中的核心内容，承载着双重教学功能。其一，它是对第一单元“走进化学世界”中化学实验基本操作知识的深化与应用，是学生首次系统学习一种具体物质（氧气）的实验室制法，标志着从定性认识到定量制备的跨越。其二，氧气作为化学性质比较活泼的空气成分，其制取方法的学习为后续学习碳、氢、二氧化碳等其他气体的制备奠定了方法论基础，即学习一种气体的实验室制法通常从反应原理、发生装置、收集装置、检验与验满方法四个维度展开。因此，掌握本课时内容，对于构建元素化合物知识体系和实验技能体系具有【非常重要】的奠基作用。【重要】从课程标准角度看，本课题要求学生初步学习氧气的实验室制法，能基于实验事实推理并归纳出实验室制取氧气的思路和方法，体会反应原理对实验装置选择的决定性作用。同时，通过探究分解过氧化氢制氧气的反应中二氧化锰的作用，初步建立“催化剂”这一核心概念，培养“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”的化学核心素养。二、实验室制取氧气的反应原理深度剖析（一）工业制氧与实验室制氧的本质区别【基础】在正式学习实验室制法前，必须厘清工业制法与实验室制法的根本区别。工业上需要大量、低成本地生产氧气，因此采用的是分离液态空气法，该过程属于物理变化。其原理是利用空气中氮气和氧气沸点的不同，在低温条件下加压，使空气转变为液态，然后蒸发。由于液态氮的沸点（196℃）低于液态氧的沸点（183℃），氮气先从液态空气中汽化出来，剩余的主要是液态氧。实验室则是为了在短时间内、方便、安全地获得少量纯净氧气，以供实验探究使用，因此必须采用化学反应，属于化学变化。（二）实验室制取氧气的三种主要方法【非常重要】【高频考点】根据药品和反应条件的不同，初中阶段要求掌握三种实验室制取氧气的方法。理解每种方法的反应原理、药品状态及反应条件，是选择实验装置的根本依据。1.加热高锰酸钾法反应原理：高锰酸钾是一种暗紫色固体，在加热的条件下，能够分解生成锰酸钾、二氧化锰和氧气。化学方程式：2KMnO₄△K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑药品状态：固体（高锰酸钾）反应条件：加热【难点】注意事项：高锰酸钾受热易分解，但其粉末可能会随氧气流进入导管并导入水槽，使水槽中的水变红。因此，采用此方法时，必须在试管口放置一团疏松的棉花，以防止高锰酸钾粉末进入导管。2.加热氯酸钾与二氧化锰的混合物法反应原理：氯酸钾是一种白色晶体，在二氧化锰作催化剂且加热的条件下，分解生成氯化钾和氧气。二氧化锰在此反应中起催化作用，其质量和化学性质在反应前后保持不变。化学方程式：2KClO₃MnO₂△2KCl+3O₂↑药品状态：固体（氯酸钾和二氧化锰的混合物）反应条件：加热（需要催化剂参与）3.分解过氧化氢法（俗称“固液不加热法”）反应原理：过氧化氢（俗称双氧水）是一种无色液体，在二氧化锰作催化剂的条件下，迅速分解生成水和氧气。化学方程式：2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑药品状态：液体（过氧化氢溶液）和固体（二氧化锰）反应条件：常温（无需加热，靠催化剂加速反应）【重要】优势：与加热高锰酸钾或氯酸钾的方法相比，该方法具有装置简单、操作安全、节约能源、便于控制反应速率（可通过添加液体的速率来控制）等优点，是实验室制取氧气的最佳选择。三、催化剂与催化作用核心概念建立【非常重要】【难点】【热点】催化剂是本课时引入的一个极为重要的化学概念，对学生后续学习众多化学反应具有指导意义。（一）催化剂定义的精准解读催化剂是指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。1.“一变”改变速率：这是催化剂的核心作用。“改变”包含了两层含义：既可以是“加快”反应速率（如二氧化锰对过氧化氢分解的作用），也可以是“减慢”反应速率（这类催化剂也称为负催化剂或抑制剂，在后续学习或工业中有广泛应用，初中阶段主要接触加快反应速率的正催化剂）。2.“二不变”质量与化学性质不变：这是判断一种物质是否是催化剂的关键依据。“反应前后”特指化学反应从开始到结束这一时间段。必须强调的是，催化剂的“化学性质”不变，但其“物理性质”（如状态、颗粒大小等）在反应过程中可能发生改变。同时，催化剂不能改变生成物的种类和质量，即对于一个确定的化学反应，无论是否使用催化剂，最终得到的生成物质量是不变的，催化剂只是缩短了达到平衡所需的时间。（二）探究二氧化锰在过氧化氢分解中的作用【基础】通过对比实验可以深刻理解催化剂的作用：实验1：常温下，将带火星的木条伸入盛有5mL5%过氧化氢溶液的试管中，木条不复燃，说明常温下过氧化氢分解缓慢，放氧量少。实验2：向上述试管中加入少量二氧化锰，再将带火星的木条伸入，观察到木条复燃，并产生大量气泡，说明二氧化锰加快了过氧化氢的分解速率。实验3：反应停止后，倾倒上层清液，向剩余的固体中再次加入过氧化氢溶液，带火星的木条再次复燃。重复操作多次，现象相同。这证明了二氧化锰的化学性质在反应前后没有改变。实验4：将实验3中多次使用的固体物质进行干燥、称量，发现其质量与最初加入的二氧化锰质量相等。这证明了二氧化锰的质量在反应前后没有改变。综合上述实验，得出结论：二氧化锰在过氧化氢分解反应中起到了催化剂的作用，是该反应的催化剂。（三）催化剂应用的认识深化【拓展】催化剂在化工生产中占有极其重要的地位。例如，在汽车尾气处理系统中，催化剂可以将有害的一氧化碳和氮氧化物转化为无害的二氧化碳和氮气；在合成氨工业、石油炼制工业中，都离不开各种高效的催化剂。需要指出的是，催化剂具有选择性，即一种催化剂并非对所有反应都有效，例如二氧化锰是过氧化氢和氯酸钾分解反应的催化剂，但对于高锰酸钾分解，它只是生成物之一，而非外加的催化剂。四、氧气的实验室制法（发生装置与收集装置）【非常重要】【高频考点】正确选择实验装置是气体制备成功的关键。装置的选择由反应原理决定。（一）发生装置的选择依据发生装置的选择主要取决于反应物的状态和反应条件（是否需要加热）。1.固固加热型发生装置1.适用范围：适用于反应物为固体，且反应需要加热的情况。2.对应方法：加热高锰酸钾制氧气、加热氯酸钾与二氧化锰混合物制氧气。3.核心仪器：铁架台（带铁夹）、酒精灯、大试管、单孔橡胶塞、导气管。4.【难点】【易错点】操作要点：a.试管口应略向下倾斜。原因：防止固体药品受热时可能存在的水分（或高锰酸钾分解产生的水蒸气）在试管口冷凝后倒流，导致灼热的试管底部炸裂。b.铁夹应夹在试管的中上部（距试管口约1/3处）。c.药品应平铺或斜铺在试管底部，以增大受热面积。d.导气管伸入胶塞的部分不宜过长，稍露出胶塞即可，便于气体导出。e.若用高锰酸钾制氧，试管口要塞一团棉花。2.固液不加热型发生装置1.适用范围：适用于反应物为固体和液体，且反应不需要加热（常温）即可进行的情况。2.对应方法：分解过氧化氢溶液制氧气。3.核心仪器：铁架台（带铁夹）、锥形瓶（或大试管、广口瓶）、长颈漏斗（或分液漏斗）、双孔橡胶塞、导气管。4.【难点】【易错点】操作要点：a.若使用长颈漏斗，其下端管口必须伸入液面以下，形成“液封”。原因：防止生成的氧气从长颈漏斗口逸出。b.分液漏斗因其自带活塞，可以随时控制液体的滴加速率，从而控制反应速率，且无需液封，优于普通长颈漏斗。c.固体药品（二氧化锰）应放在锥形瓶底部，液体药品（过氧化氢溶液）通过长颈漏斗或分液漏斗加入。（二）收集装置的选择依据收集装置的选择主要取决于气体的密度（与空气比较）和气体在水中的溶解性，以及气体是否与空气中的成分发生反应。1.排水集气法1.适用条件：气体难溶于水或不易溶于水，且不与水发生反应。氧气不易溶于水，且不和水反应，故可用此法。2.优点：收集到的气体纯度较高（不含空气），且便于观察气体是否集满（当瓶口有大气泡冒出时，说明已满）。3.核心仪器：水槽、集气瓶、玻璃片。4.【基础】操作要点：a.集气瓶装满水，不能有气泡，用玻璃片磨砂面盖住瓶口（确保严密），倒立放入水槽中。b.导气管应伸入集气瓶口内，不宜过长。c.收集气体时，要等到导气管口有连续、均匀的气泡冒出时，再开始收集。原因：刚开始排出的是装置内的空气，若立即收集，会导致氧气不纯。d.当集气瓶口有大气泡冒出时，说明气体已满。在水下用玻璃片盖住瓶口，移出水面。正放在桌面上（因为氧气密度比空气大，正放可减少逸散）。2.向上排空气法1.适用条件：气体密度比空气大，且不与空气中的成分反应。氧气密度比空气略大，故可用此法。2.优点：操作简便，收集的气体干燥。3.缺点：纯度不如排水法高。4.核心仪器：集气瓶、玻璃片。5.【基础】操作要点：导气管应伸入集气瓶底部，以便将瓶底的空气尽可能排尽。（三）多功能瓶的应用【拓展】【难点】多功能瓶（洗气瓶）是一种灵活多用的装置，用于收集气体时，可根据气体性质选择进气口。1.排空气法收集：若用于收集密度比空气大的气体（如氧气），应“长进短出”（a进b出），即气体从长导管进入，将空气从短导管排出；若用于收集密度比空气小的气体（如氢气），则应“短进长出”（b进a出）。2.排水法收集：若瓶内先装满水，用于排水法收集气体，则应“短进长出”（b进a出），即气体从短导管进入，将水从长导管压出。五、氧气的检验与验满【基础】【高频考点】检验和验满是两个不同的概念，目的不同，操作方法也不同。（一）氧气的检验【定义】检验的目的是确定某瓶无色气体是否为氧气。这是一个定性实验。【操作方法】将带火星的木条伸入集气瓶内部。【现象与结论】若木条复燃，证明该气体是氧气。（二）氧气的验满【定义】验满的目的是确认采用某种收集方法时，集气瓶是否已经收集满了氧气。这是一个定量（或程度）确认的实验。【操作方法】根据收集方法的不同，验满方法也有所不同。1.用向上排空气法收集时：将带火星的木条放在集气瓶口。【现象与结论】若木条复燃，证明氧气已集满。2.用排水法收集时：当集气瓶口有大气泡冒出时，即证明已满。无需再用带火星的木条验满。【易错点】学生常将检验和验满的操作混淆。必须牢记：检验是“伸入”瓶中，验满（排空气法）是“放在”瓶口。六、高锰酸钾制氧气的详细操作步骤（实验细节与易错点）【非常重要】【高频考点】以加热高锰酸钾法制取氧气为例，其实验操作步骤可概括为“查、装、定、点、收、离、熄”（谐音记忆：茶庄定点收利息），每一步都有严格的规范要求。1.查：检查装置的气密性。操作方法：将导气管一端浸入水中，双手紧握试管外壁。若观察到导管口有气泡冒出，松开手后，导管内形成一段稳定的水柱，则说明装置气密性良好。【易错点】若气温较高，用手捂效果不明显时，可用热毛巾敷或用酒精灯微微加热试管。2.装：装入药品。操作方法：将高锰酸钾装入干燥的试管中，并在试管口塞一团棉花，然后塞紧带导管的单孔塞。【易错点】棉花要塞得松紧适宜，太紧会导致气体导出不畅，太松则起不到阻挡粉末的作用。3.定：固定装置。操作方法：将试管固定在铁架台上，铁夹夹在试管中上部。试管口要略向下倾斜。【易错点】务必检查试管口是否向下倾斜，这是防止冷凝水倒流炸裂试管的关键。4.点：点燃酒精灯加热。操作方法：先预热（使试管均匀受热），然后对准药品部位集中加热。【易错点】预热是防止试管局部骤热而炸裂的重要步骤。5.收：收集气体。操作方法：待导气管口有连续、均匀的气泡冒出时，将导管伸入盛满水的集气瓶口，开始收集。当瓶口有大气泡冒出时，表明已满，在水下用玻璃片盖住瓶口，取出正放于桌面。【易错点】必须等气泡连续均匀冒出才能收集，否则收集的氧气混有空气而不纯。集满氧气的集气瓶必须正放。6.离：撤离导管。操作方法：收集完毕后，先将导气管从水槽中移出。【易错点】此步是防止水倒吸的【关键操作】。7.熄：熄灭酒精灯。操作方法：用灯帽盖灭酒精灯。【易错点】若先熄灭酒精灯，试管内温度降低，压强减小，水槽中的水会沿导管倒吸入热的试管，导致试管炸裂。因此，“离”和“熄”的顺序绝对不能颠倒。七、考点、考向与解题策略整合（一）核心考点分析本课时内容在各类考试中均为【重中之重】，主要考查以下几个方面：1.反应原理的书写：熟练、准确书写三个实验室制氧气的化学方程式，尤其注意配平、反应条件（△、催化剂）及气体符号“↑”的正确标注。2.实验装置的选择与辨析：根据给定的药品和反应条件，判断应选择何种发生装置和收集装置，并能分析装置图的优缺点或错误之处。3.实验操作的规范性与顺序：特别是加热高锰酸钾制氧气的“查、装、定、点、收、离、熄”七步顺序及每一步的注意事项，是实验探究题的考查热点。4.催化剂概念的理解与应用：围绕催化剂的“一变两不变”进行辨析，考查对概念内涵和外延的掌握程度。5.气体的检验与验满：区分“检验”与“验满”的操作方法差异，并能正确描述现象和得出结论。6.综合实验探究：将氧气的制取、性质实验（如木炭、铁丝在氧气中燃烧）相结合，考查知识的综合运用能力。（二）常见题型与解题步骤1.装置连接与排序题考向：给出多个分散的仪器，要求组装一套完整的气体制取装置。解题步骤：第一步：根据反应原理确定发生装置类型（固固加热型/固液不加热型）。第二步：根据气体性质确定收集装置类型（排水法/向上排空气法）。第三步：按照“发生装置→收集装置”的顺序，将仪器正确连接（导管口字母的连接顺序）。第四步：检查是否符合操作规范（如长颈漏斗是否液封，导管伸入位置是否合适等）。2.实验现象与结论分析题考向：给出某个实验操作后的现象，要求推断原因或得出结论。解题步骤：第一步：锁定实验现象发生的具体环节。第二步：联系该环节的操作规范和化学原理进行归因。例如，“水槽中的水变红”归因于试管口未塞棉花。“收集的氧气不纯”可能归因于导管一有气泡就立即收集，或装置气密性不好。3.催化剂探究实验题考向：设计对比实验探究某物质是否为催化剂，或比较不同催化剂的催化效果。解题步骤：第一步：明确催化剂的核心验证点：能否改变速率？反应前后质量和化学性质是否改变？第二步：设计对照实验。通常需要设置一组不加该物质的空白实验作为对照，以证明其确实改变了反应速率。第三步：对于质量的验证，需要进行反应前后的称量操作；对于化学性质的验证，往往需要通过重复实验（如再次加入反应物看是否能继续催化）来间接证明。（三）【易错点】与【难点】突破1.【易错点】气体发生装置和收集装置中导气管的长短问题。在发生装置中，导气管（导出气体）只要略伸入胶塞即可。在排空气法收集装置中，导气管（导入气体）必须伸入集气瓶底部。在排水法收集装置中，导气管只需伸入集气瓶口少许。切记不可混淆。2.【难点】对催化剂概念中“改变”的理解。题目中常出现“二氧化锰是催化剂，它能增加氧气的产量”这一说法，这是错误的。催化剂只能改变化学反应速率，不能改变生成物的质量。3.【易错点】实验结束时的操作顺序。必须牢记“先离后熄”，这是防止液体倒吸的【关键】，也是实验安全的重要保障。无论采用何种加热制气的方法，只要涉及排水法收集，都必须遵循此顺序。4.【难点】固液不加热装置的气密性检查方法。与加热法不同，该类装置通常采用“液封法”。即关闭导管（或关闭分液漏斗活塞），向长颈漏斗中加水，使漏斗下端形成一段水柱，静置一段时间，若水柱液面不下降，则证明气密性良好。这与加热法的原理（热胀冷缩）是不同的，需要区分。八、典型例题与深度解析【例题1】（基础概念题）下列关于催化剂的说法正确的是（）A.催化剂在化学反应前后其质量和性质都不变B.二氧化锰是一切化学反应的催化剂C.催化剂只能加快化学反应的速率D.某个化学反应可能有多种催化剂【解析】选项A：错误。催化剂是“化学性质”不变，物理性质可能改变。选项A中笼统地说“性质”不变，是不准确的。选项B：错误。催化剂具有选择性，二氧化锰只对某些反应（如过氧化氢、氯酸钾分解）有催化作用，并非一切反应。选项C：错误。催化剂是“改变”反应速率，既可以加快，也可以减慢。选项D：正确。同一个化学反应，可能有多种不同的物质可以作为它的催化剂。例如，除了二氧化锰，氧化铜、氧化铁等对过氧化氢的分解也有催化作用。【答案】D【例题2】（实验装置与操作题）根据下图所示装置，结合所学知识回答下列问题。（此处本应有装置图，现用文字描述。A装置：试管口略向下倾斜，导管伸出胶塞少许。B装置：锥形瓶，长颈漏斗下端浸入液面以下，导管伸出胶塞少许。C装置：集气瓶，导管伸入底部。D装置：集气瓶，充满水，导管伸入瓶口少许。）（1）写出图中标号仪器的名称：①______（长颈漏斗），②______（水槽）。（2）实验室用高锰酸钾制取氧气，应选用的发生装置是______（填字母），该装置尚存在一处不足之处，请指出并加以改进：。（3）用过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气时，应选用（填字母）作为发生装置，其反应的化学方程式为______。若选用C装置收集氧气，验满的方法是______。（4）若用D装置收集氧气，这是利用了氧气______的性质。当观察到______时，说明氧气已收集满。【解析与答案】（1）长颈漏斗；水槽。（2）A。不足之处是试管口没有塞棉花。应在试管口放一团疏松的棉花，以防止加热时高锰酸钾粉末进入导管。（3）B。2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑。验满方法：将带火星的木条放在集气瓶口，若木条复燃，则证明已满。（4）不易溶于水（或难溶于水）。集气瓶口有大气泡向外冒出时。【例题3】（探究与拓展题）小明同学发现，将氯酸钾与氧化铜混合加热，也能较快产生氧气。于是他对氧化铜能否作为氯酸钾分解的催化剂产生了兴趣，进行了如下探究。【提出问题】氧化铜是否也能作氯酸钾分解的催化剂？它是否比二氧化锰的催化效果更好？【设计实验】按下表进行实验，并测定分解温度（分解温度越低，催化效果越好）。实验编号实验药品分解温度①1.5g氯酸钾580℃②1.5g氯酸钾和0.5g二氧化锰350℃③1.5g氯酸钾和0.5g氧化铜370℃【分析数据】（1）由实验①与实验______对比，证明氧化铜能加快氯酸钾的分解速率。（2）实验③中发生反应的化学方程式为：2KClO₃CuO△2KCl+3O₂↑。【反思与评价】（3）若要证明氧化铜是氯酸钾分解的催化剂，还需要通过实验验证氧化铜在反应前后______和______不变。（4）通过上述实验数据，可以得出的结论是：______。【解析】（1）要证明氧化铜能加快反应速率，需要设置不加氧化铜的空白对照，即与实验①对比。（3）证明某物质是催化剂，必须满足“一变两不变”，实验已证明能改变速率，还需验证其质量和化学性质在反应前后不变。（4）比较实验②和③的分解温度（350℃vs370℃），二者均远低于580℃，说明两者都有催化效果。但二氧化锰对应的分解温度更低，说明二氧化锰的催化效果比氧化铜更好（在氯酸钾分解反应中）。【答案】（1）①（2）氧化铜（或CuO）写在了等号上方或“△”符号上下方均可。（3）质量；化学性质。（4）二氧化锰和氧化铜都能作氯酸钾分解的催化剂，且二氧化锰的催化效果比氧化铜好（或答：在氯酸钾分解反应中，二氧化锰的催化效果优于氧化铜）。九、思维导图与知识结构化为了帮助同学们形成清晰的知识网络，可以从以下维度构建本课时的思维导图：中心主题：氧气的实验室制取（第1课时）第一分支：反应原理——工业制法：分离液态空气（物理变化）——实验室制法：————方法一：加热高锰酸钾(2KMnO₄△K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑)————方法二：加热氯酸钾和二氧化锰(2KClO₃MnO₂△2KCl+3O₂↑)————方法三：分解过氧化氢(2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑)第二分支：催化剂——定义：一变（改变反应速率）、二不变（质量、化学性质不变）——特性：选择性、反应前后化学性质不变（物理性质可能变）——应用：探究实验方法（对比实验、称量、重复实验）第三分支：实验装置——发生装置：————固固加热型（适用方法一、二）：试管口略向下倾斜、棉花（方法一）————固液不加热型（适用方法三）：长颈漏斗需液封、分液漏斗可控速——收集装置：