氧气的性质及制取详解

1777年,拉瓦锡向巴黎科学院提交了一篇划时代的论文《燃烧概论》,由此建立了燃烧的氧化学说,主要观点有:只有氧气存在时,物质才会燃烧;空气由两种成分组成,物质在空气中燃烧时吸收了空气中的氧．拉瓦锡的氧化学说彻底推翻了燃素说,使近代科学革命在化学领域取得了一个伟大的胜利．左图即为拉瓦锡用于研究空气中氧气含量的实验装置．

知能概述

在通常状况下,氧气(O2)是一种无色、无气味的气体,密度比空气稍大,不易溶于水,通常状况下(20℃,101kPa),1L水中约能溶解30mL氧气,水中的生命就是依靠溶解在水中的氧气呼吸的,氧气也有三态变化:

氧气是一种化学性质比较活泼的气体,在一定条件下可与金属、非金属发生化合反应,也可与化合物如有机物起反应,在反应中氧气提供氧,是一种常见的氧化剂．

实验室中氧气可利用过氧化氢溶液、高锰酸钾、氯酸钾等在一定条件下分解得到,氧气在日常生活与工业生产中均有重要的用途．

工业制氧气,利用氧气和氮气的沸点不同,蒸发分离液态空气而获得大量氧气．

问题解决

例1　带火星的木条在氧气中可以着火．那么,是不是只有纯净的氧气才能使带火星的木条着火呢?为此,同学们开展了相关探究实验．实验主要步骤如下:先制取一定量的氧气备用,再测得集气瓶实际容积为317mL,然后采用某种方法得到5瓶含氧量不同的空气,最后用带火星的木条来试验,观察是否着火．相关的数据如表所示:

(1)请指出得到5瓶含氧量不同的空气的具体方法_______________________________________________________________________________;

(2)试将上表空白处补充完整(精确到0．1);

(3)由该实验可得到的结论是_____________________________________．

(天津市竞赛题)

解题思路　将5个等容积的集气瓶中分别装入不同体积的水,再分别用排水法收集O2,即可得到含氧量不同的空气,当空气中氧气的含量低于一定量时,带火星的木条在其中不能复燃．

例2　几位同学根据下列各实验装置图,设计和讨论了以下问题:

例2图

(1)万超同学说:“选择A与_________组合成装置并在试管口加一团棉花可制取氧气,其反应的文字表达式为_________________________________．”

(2)周琦同学说:“B可用于实验室制取_________的发生装置,但应先检查装置的气密性,方法是:___________________________________________________________________________________________________________________．”

(3)文渊同学说:“D装置装满水后可以收集并储存氧气,需要氧气时可用水将装置中的氧气排出,水应从(填a或b)________端通入．”

(4)东升同学说:“我看到课外资料上介绍,实验室可用块状硫化亚铁(FeS)与稀硫酸反应制取硫化氢气体(H2S)．硫化氢气体的密度比空气大,能溶于水形成氢硫酸．根据以上知识,我现在明白了:实验室制取硫化氢气体应选用的发生装置是_________,收集装置是_________．”

制取气体的装置一定要求气密性良好,不同的装置,检查气密性的方法不一样．

气体发生装置的选择应根据反应物的状态及反应的条件而定．

(5)在实验中实验操作要正确．如使用A装置时应注意的事项有(只写一项)_______________________________________________________________．

(广东省竞赛题)

解题思路　实验室制取气体装置的选择应根据反应的条件及反应物的状态来确定,如固体加热型、固液加热型、固液常温型等．而气体的收集方法则应根据气体的密度大小、水溶性来确定．

例3　关于双氧水制氧气的说法正确的是(　)．

A．溶液中水的质量不变

B．只有加入二氧化锰才能制得氧气

C．液体中氢元素质量分数变大

D．氧元素全部由化合态变为游离态

(上海市中考题)

解题思路　双氧水是过氧化氢溶液,过氧化氢分解得到的产物是氧气和水,所以反应后溶液中水的质量变大,氧元素的质量减少,液体中氢元素的质量分数则增大．化合态和游离态是物质存在的形式,由同种元素组成的纯净物为单质——游离态;由不同种元素组成的纯净物为化合物——化合态．

例4　为“证明绿色植物光合作用能产生氧气”,小金设计了如图所示的实验．回答:

(1)本实验选择水生绿色植物金鱼藻作为实验材料而不选用盆栽的天竺葵,其理由是______________________________________________________．

(2)写出证明试管内收集的气体是氧气的方法____________________________________________．

例4图

(3)利用上述实验装置与材料,设计“证明光照是绿色植物光合作用的条件”的实验．(写出简要的实验思路)___________________________________．

(浙江省杭州市中考题)

解题思路　光合作用是指绿色植物通过叶绿体、利用光能把二氧化碳和水转化为能储存能量的有机物,并且释放出氧气的过程．用生活在水中的金鱼藻是便于观察和收集产生的气体,可利用氧气的助燃性进行检验,设计是否有光照的对比实验可以证明光照是光合作用的条件．

提高预览:水是由氢、氧元素组成的．

例5　(双选)右图所示装置有洗气、储气等用途．在医院给病人输氧气时,也利用了类似的装置,并在装置中盛放适量蒸馏水．以下说法不正确的是(　)．

A．导管B连接供给氧气的钢瓶

B．导管B连接病人吸氧气的塑胶管

C．该装置可用来观察输出氧气的速度

D．该装置可用来调节输出氧气的速度

例5图

(全国复赛题)

解题思路　氧气不易溶于水,可以用排水集气法收集氧气,在排水集气时进气管应插在集气瓶口超出胶塞少许,出气管应插入液面以下,便于将水排出．但输氧则相反,导管B应连接病人吸氧的塑胶管,图中并无气流调节设置,因而只能用于观察氧气输出的速率．

例6　某种能够提供医用氧气的便携式制氧器,其制氧剂为复方过碳酸钠(含A,B剂)．A剂的主要成分为过碳酸钠晶体(2Na2CO3·3H2O2)．过碳酸钠晶体是一种易溶于水的白色固体,受热易分解,溶于水时生成碳酸钠和过氧化氢．B剂是一种难溶于水的固体．在反应仓内加入适量的水,先放A剂,再放B剂,即可分解产生氧气．有关反应的文字表达式如下:

反应完全后,过滤、分离残余物,测得滤渣的质量与原加入反应仓内B剂的质量相等．若将收集到的滤渣与A剂、水再次混合,又有氧气生成．

请回答下列问题:

(1)在制氧的过程中,B剂的作用是_________________．

(2)与实验室用氯酸钾或高锰酸钾制氧气相比,该方法更方便家庭制氧气的理由之一是_____________________．

(3)从贮存制氧剂、处理残余物两方面,为该制氧器的使用者各提一条合理化的建议:________、_________．

解题思路　B剂在反应前后质量未变,再次使用仍有效果,证明化学性质也未发生变化,应是该反应的催化剂,反应在常温下即可进行,符合出行时便于携带、更方便的需求．

1．下列关于氧气的说法正确的是(　)．

A．氧气具有可燃性,可以支持燃烧

B．水生动物能在水中生存是因为氧气易溶于水

C．工业上利用分离液态空气的方法制取氧气

D．氧气的化学性质很活泼,常温下能与所有物质发生化学反应

(2019年山东省青岛市中考题)

2．下列对实验现象的描述不正确的是(　)．

A．镁条在空气中燃烧,发出耀眼白光

B．硫在氧气中燃烧,产生蓝紫色火焰

C．蜡烛在空气中燃烧,生成二氧化碳和水

D．氢气在空气中燃烧,产生淡蓝色火焰

(2019年天津市中考题)

3．实验室用过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气并回收二氧化锰,部分操作如下图所示．其中正确的是(　)．

第3题图

(湖北省武汉市调考题)

4．可以一次性鉴别出空气、氧气和二氧化碳三瓶气体的最适宜的方法是(　)．

A．分别加入澄清的石灰水　B．分别滴入紫色石蕊试液

C．将燃着的木条分别伸入瓶中　D．将带火星的木条分别伸入瓶中

(山西省竞赛题)

5．把分别盛有甲、乙、丙气体的试管倒插入盛有水的烧杯中,一段时间后,观察到如图所示的现象,对甲、乙、丙气体的分析正确的是(　)．

A．甲、乙、丙气体都易溶于水

B．乙气体比甲气体更易溶于水

C．可以采用排水集气方法收集丙气体

D．不可以用排空气方法收集甲气体

第5题图

(广东省竞赛题)

氧气可以支持燃烧,可以作火箭发射时的助燃剂．

实验现象是可以通过听、看、闻等手段观察到的,蜡烛燃烧的产物不是实验现象而是化学反应的结果．

6．(双选)取4份等质量的KClO3,向其中3份中分别加入少量等质量的KMnO4,MnO2和Mn,分别在某温度下加热至质量不再改变,测定产生氧气的质量．然后将剩余固体溶于足量水中,添加过物质的组别中均有相同组成的不溶物．测定结果如下:

已知m1＞m2＞m3,下列关于此实验的说法一定正确的是(　)．

A．3种物质的加入都有利于KClO3分解制氧气

B．残留不溶物的质量关系为ω1＜ω2＜ω3

C．KMnO4是KClO3分解制氧气效果最好的催化剂

D．不加入其他物质时,KClO3未发生分解反应

(全国复赛试题)

7．用右图所示装置制取气体,需满足的条件是(　)．

①反应物是固体;②反应需要加热;③制得的气体不易溶于水;④制取的气体密度比空气大;⑤制得气体能与空气中氧气反应．

A．①②③④⑤　B．②④⑤

C．①②　D．①②③

第7题图

8．下列各图所示装置的气密性检查中,漏气的是(　)．

第8题图

(山东省竞赛题)

9．可以用加热氯酸钾和二氧化锰混合物的方法在实验室制取氧气．下列是反应生成氧气和氯化钾的质量与反应时间的关系坐标图,其中合理的是(　)．

第9题图(www.xing528.com)

(河南省竞赛题)

10．化学活动小组的同学做完上题后,认真思考发现,图中时间t时该反应__________(完全/未完全)进行,若上图中时间均为加热时间,则上述表达氧气和氯化钾的质量与反应时间的关系坐标图都不合理,理由是_________________________________________,请画出正确的关系坐标图．

11．为纪念人类成功攀登珠穆朗玛峰50周年,中国登山协会业余登山队于2003年5月21日登顶成功．登山队必备的物质之一是氧气瓶,其作用是________;氧气与体内的葡萄糖(C6H12O6)发生反应,提供人体所需的能量,写出该反应的文字表达式_________________;燃料燃烧也需要氧气,这是利用氧气_____________的性质．

(全国复赛题)

12．请根据下列实验回答问题．

第12题图1

(1)仪器a的名称是________．

(2)上述三个实验中,水对实验仪器起到安全保护作用的是______(填字母)．

(3)A实验中发生反应的文字表达式是___________________________________________________________________________________________．

(4)对于B实验,小李同学进行了改进与创新,实验过程如下图所示:

第12题图2

图2改进实验与B实验相比,明显的优点是(写一条即可)__________________________________________．

(陕西省中考题)

13．红棕色的二氧化氮是造成光化学烟雾的罪魁祸首,它易溶于水,并与水反应生成硝酸和无色的一氧化氮,一氧化氮遇到氧气又反应生成二氧化氮．先收集一试管纯净的二氧化氮(试管的体积为VmL),然后将试管倒扣在盛满水的水槽中,并不断向试管中通入氧气．

(1)试描述整个过程中的现象．

(2)最后水能充满试管吗?若能,那么整个过程中共通入多少毫升的氧气?若不能,请说明原因．

(山东省竞赛题)

重要信息:

①可反映化学反应时的微粒个数的化学反应方程式:

3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO 2NO＋O2＝2NO2；

②相同条件时,气体的分子个数比等于体积比．

14．实验室用如图所示装置制取氧气并完成相关实验(夹持仪器已略去)．

第14题图

(1)仪器①的名称是_____________．

(2)A装置中反应的化学方程式为__________________________．

(3)用C装置收集气体的方法是________(填选项字母)．

a．排水法　b．向下排空气法　c．向上排空气法

(4)检验C中收集满氧气的方法是__________________________．

(5)C中收集满氧气后,打开弹簧夹K1、K4关闭K2、K3,其中打开K1的目的是___________________________．点燃D中燃烧匙内的红磷后,立即伸入C装置中并把塞子塞紧,观察到红磷燃烧的现象是__________________________．待红磷熄灭、C装置冷却后,打开K3,观察到的现象是__________________________．

(2019年四川省成都市中考题)

(2)A装置中的反应可用文字表达式表示．

15．某研究性学习小组从下列装置中选用部分装置组装后在实验室里制取氧气,并通过排水量来测定所收集到氧气的体积．

第15题图

(1)甲同学用一定质量的高锰酸钾制取氧气,整套实验装置接口的正确连接顺序为a→_________→_________→_________．

(2)实验过程中,甲同学观察到E装置中的水变为紫红色,这是因为________进入E装置并溶于水中的缘故．为了防止实验过程中出现上述现象,相应的改进措施是_________．

(3)实验结束,乙同学意外发现收集到的氧气体积大于理论值,为此继续进行以下实验探究:

【提出问题】出现“收集到的氧气体积大于理论值”的原因是什么?

【作出猜想】猜想Ⅰ:可能是反应生成的二氧化锰分解放出氧气;

猜想Ⅱ:可能是反应生成的锰酸钾分解放出氧气;

猜想Ⅲ:___________________________________________．

请回答他作出猜想Ⅲ的理由是__________________________________．

【实验验证】

实验一:取一定质量的二氧化锰于试管中,加热一段时间,冷却后测得固体残留物的质量不变．证明猜想_________错误．

实验二:取一定质量的锰酸钾于试管中,加热一段时间_________．综合实验一和实验二,证明猜想Ⅱ正确．

【反思拓展】实验结束后,经过讨论、交流,丙同学用下列仪器和药品又设计了一个实验方案测定空气中氧气的体积分数．

①带瓶塞的1000mL圆底烧瓶　②电子天平(称量精确度为0．01g)

③酒精灯　④某种较活泼的金属粉末(实验过程中需要用到的其他实验用品已省略,实验中有关物质的物理量数据为已知)

他的实验步骤是:___________________________________________．

再利用实验数据和已知数据就可换算得出空气中氧气的体积分数．

(天津市竞赛题)

16．某兴趣小组对KClO3分解反应的催化剂进行研究,在相同的加热条件下,用如图装置完成表中实验:

第16题图

(1)设置实验1的目的是_____________________．

(2)表中所列3种催化剂的催化效果最佳的是_____________________．

(3)写出KClO3分解的化学方程式(或文字表达式):______________．

(4)由实验1和实验4可知,KCl_________(填“有”或“无”)催化作用．维持加热条件不变,用实验1再继续收集50mLO2,所需时间明显少于171s,解释原因:______________________________________________．

(5)要比较KClO3分解反应中不同催化剂的催化效果,除了测量收集50mLO2所需时间外,还可以测量相同时间内_________________．

(2019年安徽省中考题)

17．科学探究很奇妙!在一次实验中,小明不小心把硫酸铜溶液滴加到了盛有5%过氧化氢的溶液中,发现立即有大量气泡产生．硫酸铜溶液中有三种粒子(H2O、、Cu2＋),小明想知道硫酸铜溶液中的哪种粒子能使双氧水分解的速率加快．请你和小明一起通过如图所示的三个实验完成这次探究活动,并回答有关问题．

第17题图

(1)你认为最不可能的是哪一种粒子?_________;理由是___________________________________．

(2)要证明另外两种粒子能否加快双氧水分解的速率,还需要进行实验②和③:在实验②中加入稀硫酸后,无明显变化,说明_________不起催化作用;在实验③中加入_________后,会观察到大量气泡,证明起催化作用的是_________．

(3)检验实验产生的气体的方法是__________________________________．

(4)小明如果要确定硫酸铜是催化剂,还需通过实验确认它在化学反应前后______________________．

(2019年甘肃省中考题)

解题信息:

粒子是微观存在的、肉眼看不见的细微颗粒,如分子、原子、离子等,双氧水即过氧化氢的水溶液,其中含有水分子．

例1　(1)在集气瓶里预先加入一定体积的水,再用排水法收集氧气　(2)45．2　(3)当空气中氧气体积分数大于或等于41．9%时,能使带火星的木条着火

例2　(1)E或G(2)二氧化碳(CO2)　将导气管口堵住并向长颈漏斗中注入一定量的水,静置,观察长颈漏斗中水位是否下降,不下降证明不漏气　(3)a　(4)B　G(5)试管口略向下倾斜(答案合理即可)

例3　C

例4　(1)便于观察收集产生的气体　(2)将带火星的木条伸入试管内,若木条复燃,则证明其内的气体是氧气　(3)①准备相同的两组实验装置；②分别加入等量、生长状况一致的金鱼藻,一组予以光照,一组遮光；③用带火星的木条检验试管中收集到的气体,判断植物是否进行了光合作用

例5　AD

例6　(1)催化作用　(2)反应在常温下进行　(3)贮存时应保持低温、干燥　可从残余物中回收B剂

1．C　2．C　3．A　4．C　5．C　6．AB　7．D　8．D　9．C

10．完全　实验室用氯酸钾与二氧化锰混合制氧气时,需加热一段时间才会有氧气产生

第10题答图

11．供给呼吸　　支持燃烧

12．(1)集气瓶　(2)C　(3)　(4)装置简单或操作简便或实验结果更准确

13．(1)开始时试管中红棕色消失,液面上升,然后又变成红棕色,红棕色又消失,水面又上升,直到水充满整个试管．

(2)能,V/4mL

根据信息:3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO……　①

2NO＋O2＝2NO2……　②

①式×2＋②式得:

4NO2＋O2＋2H2O＝4HNO3……　③

根据③式,当通入氧气的体积为二氧化氮体积的1/4时,试管中无任何气体剩余,即试管中充满液体．

14．(1)长颈漏斗　(2)(3)C

(4)将带火星的木条靠近C装置上端瓶口,观察木条是否复燃

(5)排出A中继续产生的气体,防止气压过大　剧烈燃烧,放出热量,产生大量白烟　烧杯B中的水进入装置C

15．(1)f　e　g　(2)高锰酸钾粉末　在试管口内放棉花团

(3)【作出猜想】可能是锰酸钾和二氧化锰均被分解放出氧气　锰酸钾和二氧化锰都含有氧元素

【实验验证】Ⅰ和Ⅲ　冷却后测得固体残留物的质量较原固体减少

【反思拓展】先用电子天平称出稍过量的金属粉末的质量；再把金属粉末放在带瓶塞的1000mL的圆底烧瓶中灼烧,至氧气完全反应,再称量反应后圆底烧瓶中固体物质的质量

16．(1)对比实验　(2)MnO2　(3)　(4)有　随着反应的进行,生成的催化剂KCl越来越多(合理即可)　(5)收集的氧气体积(合理即可)

17．(1)水分子　5%的过氧化氢的溶液中含有水,而该溶液中过氧化氢分解的速率没有明显加快,所以水不是催化剂．

(2)硫酸根离子氯化铜溶液(或硝酸铜溶液)　铜离子(Cu2＋)

(3)将带火星的木条伸入试管中,若木条复燃则是氧气

(4)质量和化学性质都没有改变