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第08講 空氣的組成
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.了解空氣的主要成分,初步認(rèn)識空氣是由多種氣體組成的混合物
2.通過利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)測定空氣中氧氣含量,形成測定混合氣體中某一氣體含量的一般思路和方法
3.理解氣體量的改變引起氣壓改變,建立化不可見為可見的科學(xué)思維
【基礎(chǔ)知識】
1.回顧拉瓦錫測定空氣組成的實(shí)驗(yàn)
(1)氧氣的發(fā)現(xiàn)歷程
17世紀(jì)中葉以前,人們認(rèn)為空氣只是單一的某種物質(zhì),到了18世紀(jì),科學(xué)家通過對燃燒和呼吸的研究,才開始認(rèn)識到空氣成分的復(fù)雜性。英國化學(xué)家丹尼爾·盧瑟福(1749—1819)發(fā)現(xiàn)空氣中存在氮?dú)?;瑞典化學(xué)家舍勒(1742—1786)和英國化學(xué)家普利斯特里(1733—1804) 發(fā)現(xiàn)空氣中存在氧氣,并制得氧氣。由于他們受傳統(tǒng)的燃素說所束縛,并沒有定量的測出空氣中氮?dú)夂脱鯕獾暮?。法國化學(xué)家拉瓦錫(1743—1794)擺脫了傳統(tǒng)的燃素說的束縛,用定量實(shí)驗(yàn)測定了空氣的組成,揭示了燃燒是物質(zhì)與空氣里的氧氣發(fā)生了反應(yīng),即提出燃燒的氧化學(xué)說,使近代化學(xué)取得了革命性的勝利。
思考:上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明了什么?
拉瓦錫做了三點(diǎn)推測:①汞只與空氣中的部分氣體反應(yīng)(證據(jù)部分銀白色汞變紅)②汞與氣體反應(yīng)變成固體,使得密閉裝置內(nèi)氣體減少,氣壓變小,從而鐘罩內(nèi)汞液面上升,由于汞槽內(nèi)上升的汞的體積占密閉裝置內(nèi)空氣體積的五分之一,所以空氣中氣體減少的體積為原來空氣體積的五分之一。?變成紅色粉末的汞只有一部分,很可能是能與汞反應(yīng)的氣體已經(jīng)被反應(yīng)完了。
根據(jù)以上三點(diǎn)拉瓦錫猜測空氣中大約有五分之一是氧氣,為了驗(yàn)證這一猜想,他把紅色粉末收集起來放在另一個(gè)小容器里進(jìn)行加熱,得到了銀白色的汞和氣體,氣體的體積剛好等于密閉容器中減少氣體的體積;把得到的氣體放入前一個(gè)剩有五分之四體積的氣體的容器中,所得氣體的性質(zhì)與空氣的性質(zhì)完全相同。
進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)氧化汞分解產(chǎn)生的氣體能供給呼吸和支持燃燒;研究剩余的五分之四的氣體的性質(zhì)發(fā)現(xiàn)既不供給呼吸也不支持燃燒。
結(jié)論:空氣由氮?dú)夂脱鯕饨M成,其中氧氣約占空氣總體積1/5。
(2)拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的原理:
①汞在加熱條件下只和空氣中的氧氣反應(yīng)而不與其他氣體反應(yīng);
②生成的氧化汞是固體,使密閉裝置內(nèi)的氣體減少壓強(qiáng)減??;
③通過測定進(jìn)入裝置的液體的體積,推測減少氣體的體積。
(3)測定混合氣體中某種成分的含量
2.實(shí)驗(yàn)室測定空氣中氧氣的含量
(1)拉瓦錫測定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)的不足:拉瓦錫嚴(yán)肅認(rèn)真地反復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了奧秘,但實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長,實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)裝置比較復(fù)雜,且實(shí)驗(yàn)過程對環(huán)境有污染。
(2)改進(jìn):選擇可燃物燃燒快速消耗氧氣使瓶內(nèi)氣壓減少,水倒吸。
可燃物應(yīng)滿足以下條件
反應(yīng)物角度: 只與空氣中的氧氣反應(yīng)
生成物角度:生成物不能是氣體,最好是固體
(3)利用紅磷燃燒測定空氣中氧氣含量
①原理:
②裝置:
③實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
紅磷燃燒,發(fā)出黃光,產(chǎn)生大量的白煙,并放出大量的熱;
冷卻到室溫后,打開止水夾,水沿導(dǎo)管進(jìn)入集氣瓶,進(jìn)入集氣瓶中水的體積約占集氣瓶內(nèi)空氣體積的1/5。
④實(shí)驗(yàn)分析:足量的紅磷在封閉的容器內(nèi)充分燃燒,消耗了空氣中的氧氣,生成五氧化二磷固體,使容器內(nèi)壓強(qiáng)減小,在外界大氣壓的作用下水進(jìn)入容器。集氣瓶中水只上升約1/5,說明氧氣略占空氣總體積的1/5,同時(shí)也說明說明剩余的氣體不能燃燒也不支持燃燒,且不溶于水,進(jìn)一步說明了氧氣略占空氣總體積的1/5
⑤實(shí)驗(yàn)誤差分析:
結(jié)果小于1/5的可能原因:紅磷不足;試驗(yàn)結(jié)束后,沒有冷卻到室溫就打開止水夾;裝置漏氣
結(jié)果大于1/5的可能原因:止水夾未夾緊;塞膠塞時(shí)過慢
3.空氣的組成(按體積分?jǐn)?shù))
在19世紀(jì)末,英國的物理學(xué)家——瑞利在測量空氣中各種氣體的密度時(shí),他先將空氣中的氧氣用燃燒的方法除去,測量剩余氣體的密度后,發(fā)現(xiàn)每升質(zhì)量為1.2572克,當(dāng)時(shí)認(rèn)為這就是氮?dú)獾拿芏?。后來,他用別的方法提取純氮?dú)?,結(jié)果發(fā)現(xiàn)每升質(zhì)量為1.2508克,兩次的結(jié)果相差0.0064克,他沒放過這一點(diǎn)點(diǎn)差錯(cuò),緊接看又做了幾次實(shí)驗(yàn),但每次的結(jié)果都相差0.006克左右。后來,瑞利又用卡文迪許的方法收集了0.5毫升的未知?dú)怏w,對所得的氣體進(jìn)行了光譜分析,光譜中出現(xiàn)了已知?dú)怏w不具有的新譜線,他將這種氣體命名為“Argn”,也就是氬氣(Ar)。
通過實(shí)驗(yàn)測定,空氣的成分按體積計(jì)算,大約是:氮?dú)?8%、氧氣21%、稀有氣體0.94%、二氧化碳0.03%、其他氣體和雜質(zhì)0.03%。
4.物質(zhì)的分類
混合物:像空氣這樣由兩種或兩種以上的物質(zhì)混合而成的物質(zhì)叫做混合物
混合物沒有固定的化學(xué)符號;組成混合物的各種成分保持著它們各自的性質(zhì)。
純凈物:像氮?dú)?、氧氣、二氧化碳等分別只由一種物質(zhì)組成,它們都是純凈物
純凈物可以用化學(xué)符號來表示
【考點(diǎn)剖析】
考點(diǎn)一:空氣組成的發(fā)現(xiàn)
例1.實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要方法,如圖是測定空氣成分的相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置,下列有關(guān)說法正確的是( )
A.該實(shí)驗(yàn)開始前應(yīng)先檢查裝置氣密性 B.實(shí)驗(yàn)中銀白色的固體汞變?yōu)榧t色粉末
C.實(shí)驗(yàn)過程中汞只消耗曲頸甑內(nèi)的氧氣 D.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,玻璃鐘罩內(nèi)液面低于汞槽中液面
【答案】A
【解析】A.該實(shí)驗(yàn)是探究空氣中氧氣的含量,所以該實(shí)驗(yàn)在密閉體系中進(jìn)行,因此實(shí)驗(yàn)前要檢查裝置的氣密性,故A正確;
B.汞在常溫下為液體,汞和氧氣生成固體氧化汞,氧化汞是紅色的固體,所以實(shí)驗(yàn)過程中觀察到部分銀白色的液體汞變?yōu)榧t色,故B錯(cuò)誤;
C.汞消耗了密閉體系內(nèi)的氧氣,而不是只有曲頸甑內(nèi)的氧氣,故C錯(cuò)誤;
D.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,由于密閉容器內(nèi)氧氣被消耗,壓強(qiáng)變小,因此玻璃鐘罩內(nèi)液面應(yīng)該高于汞槽中的液面,故D錯(cuò)誤;故選:A。
考點(diǎn)二:實(shí)驗(yàn)室測定空氣中氧氣的含量
例2. 用如圖裝置可驗(yàn)證空氣中O2的含量。下列說法不正確的是( )
A.實(shí)驗(yàn)前需檢查裝置氣密性 B.紅磷燃燒產(chǎn)生大量白煙
C.紅磷熄滅后應(yīng)立即打開止水夾 D.集氣瓶中水面最終上升至2處
【答案】C
【解析】A.實(shí)驗(yàn)前需要檢查裝置的氣密性,防止裝置漏氣,導(dǎo)致測定結(jié)果偏小,不符合題意;
B.紅磷燃燒,產(chǎn)生大量白煙,放出熱量,不符合題意;
C.紅磷熄滅后,應(yīng)等冷卻至室溫后,打開止水夾,否則氣體受熱膨脹,占據(jù)了一定的體積,會導(dǎo)致測定結(jié)果偏小,符合題意;
D.紅磷燃燒,消耗氧氣,待完全反應(yīng)后,逐漸冷卻至室溫,由于消耗了氧氣,裝置內(nèi)壓強(qiáng)減小,故打開止水夾,燒杯中的水進(jìn)入集氣瓶,進(jìn)入水的體積就是消耗氧氣的體積,氧氣約占空氣體積的,故集氣瓶中水面最終上升至2處,不符合題意。
故選C。
考點(diǎn)三:空氣的組成
例3.如圖表示空氣中各成分含量,下列有關(guān)說法正確的是( )
A.縱坐標(biāo)表示質(zhì)量分?jǐn)?shù) B.X 表示的物質(zhì)為氧氣
C.稀有氣體屬于純凈物 D.Y 能支持燃燒等
【答案】D
【解析】A.空氣中各成分含量按體積分?jǐn)?shù)分,而不是質(zhì)量分?jǐn)?shù),該選項(xiàng)說法不正確;
B.空氣中氮?dú)饧s占空氣體積的78%,氧氣約占21%,則X表示氮?dú)?,該選項(xiàng)說法不正確;
C.稀有氣體中含有多種物質(zhì),為混合物,該選項(xiàng)說法不正確;
D.氧氣能支持燃燒,該選項(xiàng)說法正確。
故選D。
考點(diǎn)四:物質(zhì)的分類
例4.下列各組物質(zhì)中,屬于純凈物的是( )
A.碘酒B.瓶裝礦泉水C.冰水混合物D.潔凈的空氣
【答案】C
【解析】A.碘酒是由碘和酒精混合而成,屬于混合物,不符合題意;
B.瓶裝礦泉水由水、可溶性礦物質(zhì)等混合而成,屬于混合物,不符合題意;
C.冰是固態(tài)的水,冰水混合物由水一種物質(zhì)組成,屬于純凈物,符合題意;
D.潔凈的空氣是由氮?dú)狻⒀鯕獾然旌隙?,屬于混合物,不符合題意。
故選C。
【過關(guān)檢測】
1.最早通過實(shí)驗(yàn)得出空氣是由氮?dú)夂脱鯕饨M成這一結(jié)論的科學(xué)家是( )
A.英國的道爾頓
B.法國的拉瓦錫
C.俄國化學(xué)家門捷列夫
D.意大利的阿伏加德羅
【答案】B
【解析】A.道爾頓提出了原子論,不符合題意;
B.拉瓦錫用定量的方法測定了空氣的成分,得出空氣是由氮?dú)夂脱鯕饨M成的結(jié)論,符合題意;
C.門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律并編制出元素周期表,不符合題意;
D.阿伏加德羅提出了分子學(xué)說,不符合題意。
故選B。
2.用如圖裝置測定空氣中氧氣含量,有關(guān)說法錯(cuò)誤的是( )
A.取用的紅磷必須足量
B.引燃紅磷后,左管內(nèi)液面先下降后上升,冷卻后升至刻度1
C.該裝置環(huán)保,所得結(jié)果更準(zhǔn)確
D.該裝置還能測得稀有氣體的體積分?jǐn)?shù)
【答案】D
【解析】A.取用的紅磷必須足量,才能將裝置內(nèi)氧氣耗盡,否則會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小,不符合題意;
B.引燃紅磷后,紅磷燃燒,放出大量的熱,裝置內(nèi)氣體受熱膨脹,壓強(qiáng)增大,左管內(nèi)液面下降,待完全反應(yīng)后,逐漸冷卻至室溫,由于消耗了氧氣,裝置內(nèi)壓強(qiáng)減小,故左管內(nèi)液面上升,氧氣約占空氣體積的,故冷卻后升至刻度1,不符合題意;
C.該裝置在密閉容器中進(jìn)行,反應(yīng)生成的五氧化二磷不會逸出,比較環(huán)保,且避免了盛有點(diǎn)燃紅磷的燃燒匙伸入集氣瓶中時(shí),氣體的受熱膨脹逸出,誤差小,不符合題意;
D.該裝置是通過紅磷燃燒消耗氧氣,測定空氣中氧氣的含量,無法測得稀有氣體的體積分?jǐn)?shù),符合題意。
故選D。
3.用如圖裝置證明空氣中氧氣的含量。下列說法正確的是( )
A.實(shí)驗(yàn)前需要檢查裝置的氣密性B.紅磷燃燒的現(xiàn)象是產(chǎn)生大量的煙霧
C.實(shí)驗(yàn)后集氣瓶內(nèi)水面上升至刻度2附近D.用木炭代替紅磷可以得到相同的結(jié)論
【答案】A
【解析】A.實(shí)驗(yàn)前需要檢查裝置的氣密性,以防止裝置漏氣影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,正確;
B.紅磷燃燒的現(xiàn)象是產(chǎn)生大量的白煙,不產(chǎn)生煙霧,錯(cuò)誤;
C.氧氣約占空氣總體積的五分之一,進(jìn)入集氣瓶水體積等于氧氣的體積,實(shí)驗(yàn)后集氣瓶內(nèi)水面上升至刻度1附近,錯(cuò)誤;
D.木炭在空氣中燃燒生成二氧化碳,雖消耗了氧氣,但生成了二氧化碳?xì)怏w,集氣瓶內(nèi)的氣壓不降低,水不能倒流,用木炭代替紅磷不可以得到相同的結(jié)論,錯(cuò)誤。
故選A。
4.下圖裝置常用來測定空氣中氧氣的含量。下列對該實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識中正確的是( )
A.紅磷燃燒產(chǎn)生大量白霧
B.燃燒匙中的紅磷可以換成木炭
C.該實(shí)驗(yàn)可說明N2難溶于水
D.紅磷的量不足會導(dǎo)致進(jìn)入集氣瓶中水的體積大于1/5
【答案】C
【解析】A.紅磷燃燒產(chǎn)生大量白煙、不是白霧、故A選項(xiàng)錯(cuò)誤、不符合題意;
B.木炭燃燒生成的是二氧化碳?xì)怏w、無法使集氣瓶內(nèi)壓強(qiáng)變小、故不可以把紅磷換成木炭、B選項(xiàng)錯(cuò)誤、不符合題意;
C.如果氮?dú)馊苡谒t集氣瓶內(nèi)會裝滿水、故通過集氣瓶中水未裝滿可以得出、氮?dú)怆y溶于水、故C選項(xiàng)正確、符合題意;
D.紅磷的量不足會導(dǎo)致消耗的氧氣偏低、故進(jìn)入集氣瓶中水的體積小于五分之一、故D選項(xiàng)說法錯(cuò)誤、不符合題意。故選:C。
5.空氣成分中,可以供給呼吸的氣體約占空氣總體積的( )
A.21%B.78%%%
【答案】A
【解析】空氣成分按體積分?jǐn)?shù)計(jì)算是:氮?dú)饧s占78%,氧氣約占20.9%,稀有氣體約占0.94%,二氧化碳約占0.03%,還有其他氣體和雜質(zhì)約占0.03%。其中氧氣能供給呼吸,約占空氣總體積的21%。
故選A。
6.自行車輪胎里的氣體是壓縮空氣。壓縮空氣中含量最多的氣體是( )
A.氧氣B.氮?dú)釩.二氧化碳D.稀有氣體
【答案】B
【解析】壓縮空氣也是空氣,空氣中含量最多的氣體是氮?dú)猓s占空氣體積的78%。
故選B。
7.下列物質(zhì)中,前者屬于純凈物,后者屬于混合物的是( )
A.二氧化碳、液氮B.潔凈的空氣、礦泉水
C.紅磷、牛奶D.稀有氣體、冰水共存物
【答案】C
【解析】A.二氧化碳、液氮都是由一種物質(zhì)組成,都屬于純凈物,故A錯(cuò)誤;
B.潔凈的空氣由氮?dú)?、氧氣、稀有氣體、二氧化碳等多種物質(zhì)組成,屬于混合物,礦泉水由水和可溶性礦物質(zhì)組成,屬于混合物,故B錯(cuò)誤;
C.紅磷由一種物質(zhì)組成,屬于純凈物,牛奶由蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖、礦物質(zhì)、維生素及水等多種物質(zhì)組成,屬于混合物,前者屬于純凈物,后者屬于混合物,故C正確;
D.稀有氣體是指元素周期表上所有0族元素對應(yīng)的氣體單質(zhì),稀有氣體共有七種,包括氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣,屬于混合物,冰水共存物由一種物質(zhì)組成,屬于純凈物,故D錯(cuò)誤。
故選:C。
8.如圖為空氣成分示意圖(按體積分?jǐn)?shù)計(jì)算),下列說法正確的是( )
A.空氣的成分是相對穩(wěn)定的,主要由a和b組成
B.b為純凈物
C.a氮?dú)?
D.a和c的體積比約為5:1
【答案】C
【解析】A.空氣中的成分是相對穩(wěn)定的,主要由a氮?dú)猓ㄕ伎諝怏w積78%)和c氧氣(占空氣體積21%)組成,錯(cuò)誤;
B.b占空氣體積的1%,主要為稀有氣體、二氧化碳、水蒸氣等,是混合物,錯(cuò)誤;
C.a占比最大,是氮?dú)?,正確;
D.a氮?dú)夂蚦氧氣的體積比約為4:1,錯(cuò)誤;
故選C。
9.某興趣小組按圖所示裝置,用紅磷燃燒的方法測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。
(1)實(shí)驗(yàn)中,紅磷燃燒的文字表達(dá)式為___________,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,集氣瓶內(nèi)的氣體主要性質(zhì)為___________。
(2)紅磷熄滅后,集氣瓶冷卻至室溫,打開水夾K,水能倒吸入集氣瓶的原因是___________;且倒吸入水的體積約占集氣瓶體積的___________,不用木炭代替紅磷的原因是___________。
【答案】(1) 紅磷+氧氣五氧化二磷 不燃燒也不支持燃燒
(2) 紅磷燃燒消耗氧氣,導(dǎo)致集氣瓶中氣壓減小 五分之一/ 木炭燃燒生成二氧化碳?xì)怏w,不能造成壓強(qiáng)差
【解析】(1)磷在空氣中燃燒,生成五氧化二磷,文字表達(dá)式為:紅磷+氧氣五氧化二磷,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,紅磷不再燃燒,說明剩余氣體主要性質(zhì)為不燃燒也不支持燃燒。
(2)紅磷熄滅后,集氣瓶冷卻至室溫,打開K,水能倒吸入集氣瓶的原因是:紅磷燃燒消耗氧氣,導(dǎo)致集氣瓶中氣壓減小。紅磷燃燒產(chǎn)生大量白煙,燃燒消耗氧氣,氧氣體積約占空氣體積的五分之一,故進(jìn)入的水的體積約為集氣瓶體積的五分之一。因?yàn)槟咎咳紵啥趸細(xì)怏w,瓶內(nèi)壓強(qiáng)基本不變,所以不能用木炭來代替紅磷。
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