九年级化学（科粤版）上精品学案：3.2制取氧气

3.2　制取氧气
1．能说出催化剂的定义，认识催化剂的重要作用。
2．了解实验室用过氧化氢、高锰酸钾制取氧气的反应原理。
3．初步学习实验室用高锰酸钾制取氧气的方法，初步学习检查装置气密性的方法。
4．认识分解反应定义及其与化合反应的区别，能识别判断具体的分解反应与化合反应。
1．实验室制氧气
这些氧气用什么来制取呢？
制取氧气首先要选择含氧的物质。
1．实验室常用过氧化氢溶液或加热高锰酸钾制取氧气。
2．工业上常用分离液态空气的方法制取大量氧气。
(1)实验室用过氧化氢溶液制取氧气
①反应原理：。
实验探究：
实验编号
观察到的现象
结论
A
出现少量气泡，带火星木条没有明显现象
缓慢产生氧气
B
出现大量气泡，带火星木条复燃
快速产生氧气
C
出现大量气泡，带火星木条复燃
快速产生氧气
过氧化氢溶液在通常条件下能非常缓慢地放出氧气，在加热或加入二氧化锰等物质后会迅速地放出氧气。
②用过氧化氢溶液制取氧气的装置
实验室制取氧气的装置包括：气体的发生装置(如图甲所示)和气体的收集装置(如图乙和丙所示)。用过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气，是固体与液体不需加热就能进行反应，选图甲作发生装置；收集装置选择乙(排水法)、丙(向上排空气法)。
③操作步骤
操作步骤可简记为：查→装→定→收。也可用谐音“茶庄订售”来协助记忆。
“查”：连接装置，检查其气密性；
↓
“装”：将少量二氧化锰→适量过氧化氢溶液依次装入试管，用带导管的单孔橡皮塞塞紧试管；
↓
“定”：将试管固定在铁架台上；
↓
“收”：收集氧气。
【例1—1】下列有关实验室用过氧化氢溶液制取氧气的说法中，正确的是(　　)。
A．过氧化氢中含有水和氧气
B．过氧化氢可以在二氧化锰催化下快速发生化学反应生成氧气
C．过氧化氢溶液只有加入二氧化锰才会产生氧气
D．加热能使过氧化氢迅速产生氧气，所以用过氧化氢溶液制取氧气时，必须用酒精灯加热
解析：
A
×
过氧化氢属于化合物，不含有水和氧气
B
√
过氧化氢可以在催化剂作用下生成氧气
C
×
过氧化氢溶液在常温下就能产生氧气，加入二氧化锰会使产生氧气的速率加快
D
×
实验室制取氧气时通常加入二氧化锰，不使用加热法
答案：B
(2)实验室用高锰酸钾、氯酸钾制取氧气
①反应原理
②用高锰酸钾制取氧气的装置
实验室用高锰酸钾制取氧气，是固体在加热条件下才能发生反应，选图甲作发生装置(与用过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气选取装置不同)；收集装置选择乙(排水法)或丙(向上排空气法)。
【例1—2】实验室用高锰酸钾制取氧气时，必不可少的最简单的一组仪器是(　　)。
A．试管、酒精灯、带导管的橡皮塞、集气瓶、铁架台、玻璃片
B．试管、酒精灯、水槽、集气瓶、玻璃片
C．集气瓶、铁架台、试管、带导管的橡皮塞、玻璃片
D．铁架台、烧瓶、集气瓶、玻璃片
解析：实验室用高锰酸钾制取氧气需要加热。
A
√
该组仪器，可加热制取并用向上排空气法收集氧气
B
×
缺少铁架台、带导管的橡皮塞
C
×
缺少酒精灯
D
×
缺少酒精灯、带导管的橡皮塞，不需要烧瓶
答案：A
③操作步骤
用高锰酸钾制取氧气，并用排水法收集，其实验操作步骤可简记为：查→装→定→点→收→离→熄。也可用谐音“茶庄定点收利息”来协助记忆。
“查”：连接装置，检查其气密性；
↓
“装”：将适量高锰酸钾装入试管，在试管口放一团棉花，用带导管的单孔橡皮塞塞紧试管；
↓
“定”：将试管口略向下倾斜，试管固定在铁架台上，铁夹夹在距试管口1/3左右处；
↓
“点”：点燃酒精灯→预热→对药品进行加热；
↓
“收”：在导气管口冒出的气泡均匀且连续时，收集氧气；
↓
“离”：收集完氧气后，将导气管从水槽中移出；
↓
“熄”：熄灭酒精灯。
棉花作用：防止药品被冲入导管内，阻塞导管。
【例1—3】蓉蓉同学按如图所示的装置在实验室中制备氧气。
(1)认识仪器：请写出图中仪器A的名称________。
(2)操作顺序：
①装药品和放棉花。如果没有说明用量时，固体药品取量应____________。
②连接仪器，固定试管。
③加热。加热时应先____________________________。
(3)实验分析：请帮助她找出上述实验过程中漏掉的一个实验步骤__________________。
解析：加热制取氧气所需的热源仪器是酒精灯，由装置图也可以看出。实验步骤为：查→装→定→点→收→离→熄。再对照该题提供的信息可知，没有进行装置气密性检查。取固体药品没有说明用量，只需盖满试管底部；加热时应先预热，再集中药品部位加热。
答案：(1)酒精灯
(2)①只需盖满试管底部　③预热(或均匀受热或来回移动酒精灯)
(3)没有检查装置的气密性(或应该检查装置气密性)
2．催化剂与催化作用
(1)催化剂的概念：在化学反应里，能改变其他物质的反应速率，而本身的质量和化学性质在化学反应前后没有发生变化的物质。
(2)催化作用：催化剂在化学反应中所起的作用。
实验探究：
实验编号
观察到的现象
结论
A
出现少量气泡，带火星木条没有明显现象
缓慢产生氧气
B
b1→b2→b3
出现大量气泡，带火星木条复燃
快速产生氧气
b4→b5
出现大量气泡，带火星木条复燃
快速产生氧气
C
c1→c2→c3
出现大量气泡，带火星木条复燃
快速产生氧气
c4→c5
出现大量气泡，带火星木条复燃
快速产生氧气
很有趣哦！若不断地向试管中加入过氧化氢溶液，反应会不断地进行下去，发像二氧化锰永远用不完。而且如果在实验前准确地称出二氧化锰的质量，实验后将二氧化锰回收、干燥、再称量，会发现它的质量没有改变。
①催化剂可简单地理解为“一变二不变”。“一变”是指能改变其他物质的化学反应速率，这里的“改变”包括“加快”或“减慢”两种含义；“二不变”是指本身的“质量”和“化学性质”在化学反应前后都没有改变，但是物理性质可能改变。
②催化剂是针对具体的反应而言的，如二氧化锰在过氧化氢分解制取氧气时，能够起催化作用，是催化剂；但二氧化锰不是所有化学反应的催化剂，如二氧化锰在高锰酸钾制取氧气的反应中是生成物。
③在某个化学反应中，可以选择不同的物质作为催化剂。如利用过氧化氢分解制取氧气时，既可以选择二氧化锰作为催化剂，也可以选择氧化铁、硫酸铜溶液及红砖粉末等作催化剂。
④催化剂只能改变化学反应速率，并不能增加生成物的质量。
⑤在化学反应前后催化剂的物理性质可能发生了变化，但可以重复使用。
⑥催化剂参加了化学反应，既不是反应物也不是生成物，应算作反应条件，故写反应表达式时放在箭头的上方，如过氧化氢水＋氧气。
【例2】小慧同学在一次实验中误把高锰酸钾当成了二氧化锰加入氯酸钾中，加热时，氯酸钾(氯酸钾氯化钾＋氧气)的分解速率明显加快。于是她惊奇地告诉同学小华：高锰酸钾也可以作为氯酸钾分解的催化剂。小华同学经过思考后，认为小慧同学得出的结论不科学。
(1)小华的理由是_______________________________；
(2)如何证明高锰酸钾不是氯酸钾分解的催化剂：______________________；
(3)高锰酸钾能加快氯酸钾分解速率的原因是______________________。
解析：二氧化锰也是“氯酸钾氯化钾＋氧气”反应的催化剂，而“高锰酸钾锰酸钾＋二氧化锰＋氧气”在较低的温度下就能生成二氧化锰。氯酸钾中混有高锰酸钾，则：
答案：(1)未验证反应前后高锰酸钾的质量和化学性质是否改变　(2)单独加热高锰酸钾能产生氧气，说明高锰酸钾不是催化剂　(3)因为高锰酸钾受热分解生成锰酸钾、二氧化锰和氧气，二氧化锰对氯酸钾的分解有催化作用，所以高锰酸钾能加快氯酸钾分解的速率
注意，哦！氯酸钾中混入高锰酸钾后加热时，氯酸钾分解的速率加快了，但是高锰酸钾不是催化剂！催化剂是二氧化锰！
3．分解反应
(1)定义：由一种物质生成两种或两种以上其他物质的反应叫做分解反应。
(2)特征：“多变一”，可用通式：AB―→A＋B表示。
【例3】下列变化中不属于分解反应的是(　　)。
A．分离液态空气制氧气
B．加热高锰酸钾制氧气
C．加热过氧化氢制取氧气
D．加热氯酸钾和二氧化锰的混合物制取氧气
解析：
A
√
工业制氧气的原理是根据液氮的沸点比液氧的沸点低来分离液态空气，制取氧气这一过程中发生的是物理变化
B
×
高锰酸钾锰酸钾＋二氧化锰＋氧气，属于分解反应
C
×
过氧化氢水＋氧气，属于分解反应
D
×
氯酸钾氯化钾＋氧气，属于分解反应
答案：A
4．工业制氧气
(1)分离液态空气制取氧气
①操作过程：
空气液态空气(约－200
℃
②分离液态空气制取氧气的微观解释
小贴士：液氮的沸点－196
℃，液氧的沸点－183
℃。液氧存放于蓝色钢瓶里。
(2)膜分离技术制取氧气
操作过程：空气含氧气较多的富氧空气含氧90%以上的富氧空气。
空气是一种混合物，工业上以空气为原料制取氧气的本质就是将氧气与空气中的其他成分分离开来，并没有生成新的物质，发生的是物理变化，不是分解反应。
【例4】下列有关工业制取氧气的叙述中，错误的是(　　)。
A．分离液态空气制取氧气是利用液氧和液氮沸点的不同，控制温度使其分离
B．发生的是分解反应
C．制取过程中没有生成新物质
D．工业制得的氧气加压储存在蓝色的钢瓶里
解析：工业制取氧气都是以空气为原料，利用物理的方法将氧气同空气中分离出来，整个过程中并没有新的物质生成，发生的是物理变化，不是分解反应。答案应选择B。
答案：B
5．装置气密性的检查
装置的连接和装置气密性的检查是保证成功制取气体的前提。
检查装置气密性的原理是：通过气体发生器与附设的液体构成封闭体系，依据改变体系内的压强所产生的现象(如气泡的产生、水柱的形成或上升、液面的下降与升高等)来判断气密性的好坏。根据制取气体装置的不同，检查装置气密性的方法主要有：
(1)空气热胀冷缩法：如下图所示，此装置的检验方法是：连接好装置，把导管的一端浸入水中，用手紧握试管外壁，导管口若有气泡冒出，并且当松开手后，水又回升到导管中形成一段水柱，则证明该装置的气密性是良好的。
(2)注水法：如下图所示，连接好装置，将止水夹夹在胶皮管处，从长颈漏斗注水，一段时间后，液面不下降，说明装置气密性好。
【例5—1】检查装置气密性的方法正确的是(　　)。
A．不漏气装置内的空气受热膨胀，有空气从导管口逸出
B．手握试管，感受容器温度
C．塞紧带有导管的橡皮塞，即可保证气密性
D．把导管一端浸在水里，手握试管有气泡冒出说明装置不漏气
解析：D形成密封系统，升温→增压→冒气泡，正确。
答案：D
【例5—2】下列装置的操作图(如图所示)中，不能用来检查气密性的是(　　)。
解析：
A
×
导管与集气瓶没有形成密封系统，推动活塞虽冒出气泡，但集气瓶内压强不变
B
√
密封系统，升温→增压→冒气泡
C
√
密封系统，增压→液面上升
D
√
密封系统，增压→液面不下降
答案：A
检查装置气密性的方法：①首先观察装置是否形成密封系统；②对于密封系统，改变其内部压强时产生的现象是什么，根据现象来判断装置气密性是否良好。
6．过氧化氢和高锰酸钾制取氧气对比
过氧化氢
高锰酸钾
原理
过氧化氢水＋氧气
高锰酸钾锰酸钾
＋二氧化锰＋氧气
状态
液体、固体
固体
条件
常温、催化剂
加热
发生装置
液体与固体常温(不加热)型反应装置
固体加热型反应装置(若加热时产生固体粉末，需在试管口加一团棉花)
收集装置和方法
收集氧气的方法：→；→。
步骤、注意事项
↓↓↓
↓↓定：口加棉，略?下倾，夹1/3处↓↓↓↓
【例6】实验室常用加热高锰酸钾固体的方法制取氧气(装置如图A所示)，也可以用过氧化氢溶液和催化剂二氧化锰粉末来制取氧气(装置如图B所示)。
(1)从反应物状态、反应条件和所需仪器来比较装置A和装置B的差异：
装置A
装置B
反应物状态
反应条件
仪器
(2)写出实验室用这两种方法制取氧气的文字表达式__________________、____________。
(3)一同学选择高锰酸钾制取并用排水法收集氧气：他收集氧气的最佳时机是________________，在收集氧气过程中他发现水槽内的水变成了红色，其原因是__________________。
(4)从绿色化学的理念考虑，选用____________(填“高锰酸钾”或“过氧化氢”)更能体现化学实验的绿色化追求。若用该物质来制取氧气，在加入药品前应先检查装置的____________________。
解析：从装置图可看出装置A和装置B的不同：
装置A
装置B
反应物状态
固体
液体(或固体和液体)
反应条件
加热
不加热
仪器
有酒精灯
没有酒精灯
两个装置中发生的反应分别为：高锰酸钾锰酸钾
＋二氧化锰＋氧气，过氧化氢水＋氧气。制取气体要首先检查装置的气密性；因发生装置内原来充满了空气，用排水法集气时应先把装置内空气排净后再收集，所以收集氧气的最佳时机为：连续均匀的气泡冒出时，开始收集；高锰酸钾受热分解时产生粉末，既不能体现绿色理念，又易随气流进入导管甚至水槽中等，故在管口加一团棉花。
通过对比重点找出“固体加热型”和“液体常温型”装置异同，理解原理，把握解题的关键。
答案：(1)
装置A
装置B
反应物状态
固体
液体
反应条件
加热
不加热
仪器
需要酒精灯
不需要酒精灯
(2)高锰酸钾锰酸钾＋二氧化锰＋氧气
过氧化氢水＋氧气
(3)导管口均匀且连续冒出气泡　试管口没有加一团棉花
(4)过氧化氢　气密性
7．氧气的检验和验满
(1)氧气的检验就是根据氧气的特性，把带火星的木条插入集气瓶中，根据带火星的木条复燃来进行确定。
(2)氧气的验满是判断集气瓶内是否已经收集满氧气。收集方法不同验满的方法也不同：用排水法收集氧气把集气瓶扶正，瓶口逸出气泡→已收集满；向上排空气法收集氧气把带火星的木条放在集气瓶口，带火星木条复燃→已收集满。
氧气的检验和验满都用带火星的木条，但放到的位置不同：检验→插入瓶中；验满→放在瓶口。
【例7】下列有关实验操作，正确的是(　　)。
A．检验一瓶无色气体是不是氧气，应在集气瓶口闻气味
B．把带火星的木条放在集气瓶口没有复燃，说明瓶内气体不是氧气
C．用向上排空气法收集氧气时，把带火星的木条放在集气瓶内，检验氧气是否已收集满
D．用排水法收集氧气时，把集气瓶扶正，瓶口有大气泡逸出表示已收集满
解析：
A
×
氧气没有气味
B
×
带火星的木条放在集气瓶口，检验的不是瓶内气体
C
×
用向上排空气法收集氧气时，应把带火星的木条放在集气瓶口
D
√
气体满则逸
答案：D
8．分解反应与化合反应的关系
分解反应和化合反应都属于基本反应类型，它们是一对相反的过程。判断、区分抓特征。
区别
联系
化合反应
“多变一”，一种生成物
都属于反应基本类型，两者是并列的关系，互不从属
分解反应
“一变多”，一种反应物
明确化学反应的分类依据，理解化合反应、分解反应、氧化反应的概念，明晰它们之间的关系。
【例8】下列各组变化中，后者一定包含前者的是(　　)。
A．化学变化　化学反应　　　B．氧化反应　化合反应
C．分解反应　化学反应
D．化合反应　分解反应
解析：分解反应、化合反应的分类依据相同，它们属于并列关系，化合反应、氧化反应的分类依据不同，它们属于交叉关系，它们之间与化学反应的从属关系如下图所示：
分析可知，C选项正确。
答案：C
9．实验室制取氧气时如何选择装置
实验室通常用过氧化氢溶液、加热高锰酸钾的方法来制取氧气。由于反应物状态的不同和反应条件的不同，就决定了反应发生装置不同。
(1)实验室常用制取氧气的发生装置有两类：固液(或液液)常温(不加热)型装置(如图AB所示)和固体加热型装置(如图C所示)。
选择装置方法：
解答有关制取气体装置问题时，首先分清反应物状态和反应条件，然后选择适当的装置。
【例9】实验室利用下列装置可以制取某些气体，请据图回答问题：
(1)这五个装置示意图中，有一个装置是错误的，指出错误装置是__________(填序号)。
(2)图示中仪器①的作用是__________________；实验室用高锰酸钾来制取氧气，可选择A作发生装置，但要对A进行改进，改进的方法是__________________________________。
(3)常温下，硫化氢(H2S)是一种有臭鸡蛋气味的气体，实验室可用硫化亚铁(FeS)固体和稀硫酸反应制得，则应选择__________(填序号，下同)来作发生装置。
(4)NO气体难溶于水，密度略大于空气，易与氧气反应生成NO2，则应选择________装置来收集NO。
解析：E装置中的导气管应插到集气瓶的底部，试管口放一团棉花是为了防止高锰酸钾粉末进入导气管，制取硫化氢气体是利用固体和液体反应且不需要加热，故选B，由于硫化氢气体密度略大于空气，易与氧气反应生成NO2所以不能用排空气法收集，只能用排水法收集。
答案：(1)E　(2)加热　试管口放一团棉花　(3)B　(4)D
10．控制变量，探究化学反应中催化剂性质
当研究多个因素之间的关系时，往往先控制其他几个因素不变，集中研究其中一个因素的变化所产生的影响，这种方法叫控制变量法。通过控制变量可以对影响实验结果的多个因素逐一进行探究，然后再总结出结论。
催化剂不是化学反应的必要条件，它只改变化学反应的速率，而不能决定能否发生化学反应。在化学反应前后，催化剂的物理性质(如形状)在化学变化前后往往会发生改变，但是催化剂的质量和化学性质在化学变化前后是不变的。
因此探究化学反应中催化剂性质，需要证明该物质的三点：(1)能改变某一反应的速率；(2)在化学反应前后质量保持不变；(3)在化学反应前后化学性质保持不变。
影响化学反应快慢的因素除催化剂的种类外，还有温度、浓度等，要想证明某一种因素的影响，要依据控制变量法，在同样条件下，设计对比实验来验证。
【例10】科学探究是奇妙的过程。在一次实验中，小明不小心把硫酸铜溶液滴加到了盛有5%
H2O2的溶液的试管中，立即有大量的气泡产生。硫酸铜溶液中含有三种粒子(H2O、SO、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下图所示的三个实验完成这次探究活动，并填写空白。
(1)你认为最不可能的是哪一种粒子，理由是__________________________________。
(2)检验实验①产生的气体的方法是___________________________________________。
(3)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，证明__________不起催化作用；
在实验③中加入________后，会观察到大量的气泡，证明起催化作用的是________。
(4)小明如果要确定硫酸铜是催化剂，还须通过实验确认它在化学反应前后__________。
解析：(1)双氧水中已经含有大量的水分子，故不可能是水分子起催化作用；(2)用带火星的木条检验氧气；(3)要证明是SO还是Cu2＋起催化作用，需要做对比实验，实验②是证明SO能否起催化作用，则实验③需要加入一种含Cu2＋的溶液验证Cu2＋能否起催化作用；(4)以上实验仅证明了硫酸铜能加快过氧化氢分解的速率，要证明是催化剂还要证明其化学性质和质量在反应前后未发生改变。
答案：(1)双氧水是水溶液，所以水不是催化剂
(2)用带火星的木条伸入到试管①中，木条复燃，证明是氧气
(3)SO或硫酸根离子　CuCl2(或氯化铜)或Cu(NO3)2(或硝酸铜)　Cu2＋或铜离子
(4)化学性质和质量都没有改变