空气与氧气
从呼吸的空气中认识氧气，通过实验探究空气中氧气的含量，掌握氧气的物理性质、化学性质（支持燃烧、供给呼吸）以及实验室制取方法。
一、概念导入：我们呼吸的是什么？
每天我们都在呼吸，你知道吸入的空气里有什么吗？干燥的空气就像一罐混合饮料：大部分是氮气（约占78%），其次是氧气（约占21%），剩下的是稀有气体、二氧化碳、水蒸气等。氧气虽然不是最多的，但它却是维持生命和燃烧的关键角色。今天我们就来深入了解空气的主要成分——氧气。
二、空气的成分
拉瓦锡通过实验最早确定了空气的组成。现代精密测量表明，空气中各成分的体积分数大约是：
- 氮气（N₂）：78%
- 氧气（O₂）：21%
- 稀有气体（He、Ne、Ar等）：0.94%
- 二氧化碳（CO₂）：0.03%
- 其他气体和杂质：0.03%
从图中可以清楚地看到，氮气和氧气占据了绝大部分，其他成分加起来还不到1%。
三、空气中氧气含量的测定——拉瓦锡实验的简化版
如何证明空气中大约有1/5的氧气？我们可以利用氧气能与红磷反应生成固体五氧化二磷（P₂O₅），而氮气等其他气体不与红磷反应的原理。实验装置如图2所示。
实验步骤：
- 检查装置气密性。
- 在集气瓶内装少量水，并将水面以上部分分为5等份（如图虚线）。
- 用弹簧夹夹紧胶皮管，点燃燃烧匙中的红磷，立即伸入集气瓶并塞紧瓶塞。
- 待红磷熄灭并冷却至室温后，打开弹簧夹。
现象：红磷燃烧产生大量白烟（五氧化二磷），冷却后打开止水夹，烧杯中的水沿导管进入集气瓶，最终水面上升约1/5体积。
结论：氧气约占空气体积的1/5。该实验同时说明剩余气体（主要是氮气）不燃烧也不支持燃烧，且难溶于水。
四、氧气的性质
1. 物理性质
- 在标准状况下，氧气是无色、无味的气体
- 密度比空气略大（密度 1.429 g/L > 空气 1.293 g/L）
- 不易溶于水（1升水中约溶解30 mL氧气）
- 有三态变化：加压降温可变为淡蓝色液体（液氧），进一步凝固为蓝色雪花状固体
2. 化学性质
氧气是一种化学性质比较活泼的气体，具有氧化性，能支持燃烧和供给呼吸。氧气与许多物质都能发生化合反应（同时属于氧化反应）。
（1）与金属反应
- 铁：在氧气中剧烈燃烧，火星四射，生成黑色固体（四氧化三铁）
$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} Fe_3O_4$ - 镁：在氧气中燃烧发出耀眼的白光，生成白色固体（氧化镁）
$2Mg + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2MgO$
（2）与非金属反应
- 碳：在氧气中燃烧发出白光，生成能使澄清石灰水变浑浊的气体（二氧化碳）
$C + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} CO_2$ - 硫：在氧气中燃烧发出明亮的蓝紫色火焰，生成有刺激性气味的气体（二氧化硫）
$S + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} SO_2$ - 磷：在氧气中燃烧产生大量白烟（五氧化二磷）
$4P + 5O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2P_2O_5$
（3）与化合物反应
氧气还能与甲烷（CH₄）、酒精（C₂H₅OH）等化合物反应，生成二氧化碳和水，同时放出大量热。
五、化合反应与氧化反应
化合反应：由两种或两种以上物质生成另一种物质的反应（形式：A + B → C）。上面列举的碳、硫、磷、铁与氧气的反应均属于化合反应。
氧化反应：物质与氧气发生的反应。氧化反应不一定是化合反应（如蜡烛燃烧生成二氧化碳和水，是两种物质，不属于化合反应），化合反应也不一定是氧化反应（如氧化钙与水反应）。但两者有交集：物质与氧气的化合反应既是化合反应也是氧化反应。
六、氧气的实验室制取
实验室常用三种方法制取氧气：
- 加热高锰酸钾（KMnO₄）
- 分解过氧化氢（H₂O₂，俗称双氧水），常用二氧化锰（MnO₂）作催化剂
- 加热氯酸钾（KClO₃）和二氧化锰的混合物
我们重点掌握前两种，特别是加热高锰酸钾法：
$2KMnO_4 \xrightarrow{\triangle} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2 \uparrow$
实验注意事项：
- 试管口略向下倾斜：防止冷凝水回流炸裂试管。
- 试管口塞一团棉花：防止高锰酸钾粉末进入导管堵塞导管。
- 导管口出现连续均匀气泡时才开始收集（因为刚开始排出的是装置内的空气）。
- 实验结束时，先撤导管，后熄灭酒精灯：防止水槽中的水倒吸炸裂试管。
- 用向上排空气法收集氧气时，导管应伸入集气瓶底部；用排水法收集时，集气瓶应装满水倒扣。
七、催化剂与催化作用
在分解过氧化氢或加热氯酸钾制取氧气时，常加入二氧化锰（MnO₂），它能改变（通常是加快）反应速率，而自身的质量和化学性质在反应前后都不变。这样的物质称为催化剂。催化剂的特点：
- “一变”：改变反应速率（可加快也可能减慢）。
- “二不变”：质量不变，化学性质不变。
- 催化剂是参与反应的，只是反应后又变回原样。
八、典型例题
例1（易）：空气中体积分数最大的气体是什么？氧气约占多少？
解答：氮气（N₂）约占78%，氧气约占21%。
例2（中）：在测定空气中氧气含量的实验中，如果红磷的量不足，会导致测得的结果偏大还是偏小？为什么？
思路：红磷不足，燃烧时消耗的氧气少，瓶内气体减少的体积小于理论值（1/5），因此进入瓶内的水体积偏小。
答案：结果偏小。因为红磷不足，无法将瓶内的氧气完全消耗，打开止水夹后进入的水体积小于集气瓶剩余空气的1/5。
易错点：有些同学会误认为红磷不足导致结果偏大，实际是进去的水偏少，氧气的体积分数测量值偏小。
例3（难）：实验室用加热高锰酸钾的方法制取氧气，实验结束时发现水槽中的水变成了紫红色，可能的原因是什么？如何改进？
思路：水槽中水变红说明有高锰酸钾固体进入了水槽。高锰酸钾是紫黑色固体，易溶于水。原因通常是试管口没有塞棉花，或者棉花塞得太松，高锰酸钾粉末随气流进入水槽。
答案：原因：试管口未塞棉花或棉花失效，高锰酸钾粉末通过导管进入水槽。改进方法：在试管口塞一团疏松的棉花，防止粉末喷出。
易错点：有人误认为是导管太长或收集方式不对导致的变色，实际上是粉末固体进入水中溶解引起的。
九、常见误区
- 误区1：误认为氧气具有可燃性。实际上氧气是助燃性（支持燃烧），本身不燃烧。
- 误区2：误认为催化剂只会加快反应速率（其实催化剂也可减慢反应速率，如汽车尾气转化器中的催化剂主要加快反应，但防腐剂中的催化剂用来减慢氧化）。
- 误区3：在氧气含量测定实验中，红磷熄灭后立即打开止水夹。正确操作是冷却至室温后再打开，否则瓶内气体温度高、压强偏大，进入的水体积偏小。
- 误区4：误将排水法收集氧气时的“连续均匀气泡”理解为“一开始冒泡就收集”。正确应等导管口气泡连续均匀冒出时再收集，因为开始冒出的气泡是装置内的空气。
十、学习建议
- 记忆口诀：空气成分记忆“氮七八氧二一，零点九四是稀气，二氧化碳零点零三”。
- 分类对比：将氧气的性质（物理、化学）、制取方法（装置、原理、注意事项）列表对比记忆。
- 动手实验：条件允许时亲手做一次红磷测定氧气或制取氧气的实验，现象比文字更深刻。
- 抓住关键词：催化剂“一变二不变”，化合反应“多变一”，氧化反应“与氧反应”。
十一、知识链接
学习空气与氧气是后续学习燃烧与灭火（燃烧需要氧气）、碳及其氧化物（碳在氧气中燃烧）、金属的化学性质（铁、镁与氧气反应）的基础。同时，空气的分离（工业制氧气）涉及物理变化，与实验室制氧气的化学变化形成对比。催化剂的概念在酸碱反应、生物酶等领域也会广泛运用。
十二、习题自测
- 空气中含量第二多的气体是______，它的主要用途是______。
- 做铁丝在氧气中燃烧的实验时，集气瓶底部为什么需要放少量水或铺一层细沙？
- 实验室用高锰酸钾制取氧气，若用向上排空气法收集氧气，如何验满？
参考答案：
- 氧气（O₂），供给呼吸和支持燃烧。
- 防止高温熔化物溅落炸裂集气瓶底。
- 将带火星的木条放在集气瓶口，若木条复燃，则已集满。