2.1空气的成分[上学期]

第二章 认识空气、保护空气
§2．1 空气的成分
[教学目标]
1.认识空气的成分．说出各成分的大致含量。
2.了解混合物及纯净物的概念。
3.知道空气各成分的主要用途。
4.体会呼出与吸人的气体成分含量的探究过程和方法。
[教学重点、难点]
重点：空气的主要成分及其体积分数，混合物与纯净物。
难点：混合物与纯净物的概念及其运用。
[教学流程]
教学过程
[第一课时]
[引言]大家在§l.3的探究实验中知道，铜先在用胶塞塞紧管口的试管内受热，发生了变化。那么，试管内除铜片之外，还有什么物质 为什么后来打开了管口胶塞再加热时，未变黑的铜片会继续变黑
大家想想：在“空空如也”的教室里、在“空旷”的野外、在一个瓶口向下的无盖瓶子中，那里有什么“东西”
[讨论]讨论交流上述问题后，由学生发言去列举一个实实在在感觉到空气存在的例子，看看全班能举出多少个例子。(如：扇动扇子成风；自行车充气后能载重；封住针筒的针口再推压针筒；空集气瓶口向下往水槽中的水垂直下压感到压力，再把瓶子侧倒时水槽内有气泡冒出等等。)引导学生回忆已有知识，自由发言，讨论一下空气与我们的生活有何关系？空气的成分是什么？
[板书课题]§2.1空气的成分
[设问]1.空气是一种物质吗？2.空气里究竟有什么物质 3.如何测定空气中氧气的体积分数
[板书]一、空气的成分
（一）空气中氧气含量的测定
[实验和观察]演示“实验2-1”，引导学生认真观察，及时思考，并填写教材第26页中的表。讨论出该实验的结论。
1.实验装置：（P26）
（1）仪器：集气瓶、燃烧匙、烧杯、导气管、止水夹
（2）药品：红磷（用白磷实验效果更好），水
2.实验步骤：（见课本P26表格）
3.实验现象：
红磷在集气瓶内燃烧，产生黄白火焰，放出热量，生成大量白烟（五氧化二磷固体小颗粒）。冷却后，打开止水夹，水经导管进入集气瓶，进入水的体积约占集气瓶内空气体积的1/5
4.实验分析：
5.实验结论：
（1）空气中氧气约占空气总体积的1/5。
（2）红磷可以在氧气中燃烧。
（3）氮气不燃烧，不支持燃烧，难溶于水
6.实验成功的关键：
（1）红磷要过量
（2）装置气密性好
（3）冷却到室温
（4）导管先注满水
（5）烧杯中的要足量
7.实验装置的改进
8.问题讨论
[阅读与讨论]阅读有关教材内容，讨论后教师作适当归纳。
[板书]（二）空气的成分（体积分数）
空气是由不同物质组成的混合物，空气的成分按体积计算，大约是：氮气（N2）78%、氧气(O2)21%、稀有气体0.94%、二氧化碳(CO2)0.03%、其他气体和杂质0.03%.
[板书]（三）空气的组成是怎样发现的 ———拉瓦希
1.将天平的应用引入到化学的研究中，是化学研究从定性走向定量。
2.第一次用实验证明了空气中氮气和氧气
[板书]（四）氮气和稀有气体的特性和用途
[展示充氮食品袋]
[设问]你们知道为什么要在这些装入零食的食品袋中充入氮气吗？
[生]甲：为了防止食品被挤碎或压碎。
乙：为了掩盖袋里食品量比较少的真相。
丙：为了防止食品变质。
……
[评价]乙的回答也有道理，可我说的是正规厂家的。甲、丙的回答符合客观实际。
[讲解]氮气之所以能用于食品防腐，是由于氮气性质不活泼之故。灯泡中充氮以长使
用寿命，焊接金属用氮作保护气，都是利用了氮气不活泼这一性质。
[设问]氮气除了可用作保护气外。还可用作什么呢？
[学生看书并对氮气的用途进行总结]
知识点5 氮气的性质和用途
讨论：在测定空气中氧气含量的实验中，集气瓶内剩下的气体主要是氮气。结合实验和日常生活经验讨论：
⑴燃烧着的红磷熄灭了，这种现象说明氮气能不能支持燃烧？
⑵集气瓶内水平面上升一定高度后，还能继续上升吗？这种现象能不能说明氮气不易溶于水？
⑶空气所表现出来的某些性质，能不能在一定程度上代表氮气的性质？
接答：⑴红磷熄灭，说明剩余的氮气不能支持燃烧，其化学性质不活泼。
⑵从实验中观察可知：水面上升一定高度，不再继续上升，说明氮气不易溶于水。如果氮气溶于水，瓶内压强减小，水面会上升。
⑶空气的主要成分是氮气，空气是一中无色、无味的气体，也就说明氮气也是一种无色、无味的气体。 物理性质：无色、无味的气体，难溶于水
归纳：⑴氮气的性质
化学性质：不活泼、不燃烧也不支持燃烧
⑵氮气的用途
①制硝酸、化肥的原料，②做保护气，③液氮冷冻麻醉剂，④用作超导材料的环境改造剂等。
[问题讨论] 空气各组分的比例是否固定不变
[第二课时]
[板书]二、怎样区分混合物和纯净物
[形成概念]大家已见过下列符号：Cu、Cu0、02、N2、CO2、H2O，它们分别代表什么物质？(学生答) 每个化学符号代表一种纯物质，这种物质称为_______。如果把Cu与Cu0两种粉末混在一起，能叫做铜粉吗 把O2和N2混合起来呢？（学生答）什么才称为混合物 (讨论、表达)
[讨论]混合物与纯净物有何异同？
(启发：从组成是否固定，各组分能否保持其单独存在的化学性质，由多少种纯物质组成，能否用物理方法把各组分分离开来等四方面去思考。)
[练习]下列各项中，属于纯净物的有____________，属于混合物的是__________。
A．清洁自来水 B.氧化铜 C．H2O D.二氧化碳 E.氮气
F．新鲜空气 G.铁 H.氧气 I.食盐水
[小结]空气是混合物，由多种物质组成，其各组分的含量相对稳定，但不是固定不变的，空气主要由约1／502和近4／5的N2组成，还有少量其他气体。O2能支持呼吸和燃烧，其他气体也有各自的用途。今天大家还学习了混合物与纯净物的概念及其异同点。
[引申]从四个方面比较混合物与纯净物的区别
比较项目 混合物 纯净物
①由多少种物质组成
②各成分所占比例是否固定
③各组分能否保持原单独存在时的化学性质
④能否用物理方法分离各组分
[引言]我们都生活在空气中，生命需要不停顿地呼吸。那么，我们吸入的空气与呼出的气体相比，它们的各种成分的含量有什么不同
[板书]探究活动——我们的呼吸作用
[信息提示]
1．我们的呼吸作用需要吸人(消耗)氧气，然后呼出(产生)二氧化碳。
2．二氧化碳能使澄清的石灰水变成白色浑浊。
3．木条燃烧需要有氧气参加，氧气含量愈大，燃烧愈旺。
[预测]引导学生通过分析人的呼吸作用，去猜想“假设2”的内容(吸人空气中CO2的含量)。
[实验]收集两种气体，实验装置设计、实验步骤及现象的估计都可引导学生讨论交流后各自填入(用铅笔)教材第31—32页的空白处。教师检查归纳，演示后，学生自行更正。
[板书]操作过程和观察到的现象：
1．用燃着的木条插人两个集气瓶内时，装空气的“空瓶”的火焰没有改变；装有呼出气体的瓶其燃烧程度明显减弱。
2．向两个集气瓶分别加入少量澄清石灰水，用玻片盖住摇匀后：瓶1没有什么变化，瓶2的澄清石灰水变为白色浑浊。(瓶l的气体要重新收集)
[解释及结论](由学生讨论后，提问表达，教师归纳板书)
1．瓶1是从空间取的新鲜空气，故燃烧程度不变；瓶2装的是呼出气体，燃烧程度减弱．说明呼出气体的含氧量比吸入时低，假设1正确。
2．瓶2的呼出气体与澄清石灰水充分接触后出现白色浑浊，说明呼出的气体含有较多的CO2，假设2也正确。
推荐操作：
[讨论] 1.为什么用口把呼出的气体通过吹火筒去吹炉火，炉火会愈吹愈旺 (炉温较高，燃烧面积大，口吹气时，气流带人更多的空气，故炉火更旺。)
2.四五十人在紧闭门窗的课室内上课，时间长了可能出现什么后果？
[小结]我们在不断地吸人空气，进行呼吸作用，消耗02，产生CO2，通过预测、实验、解释，大家探究出，呼出的气体与新鲜空气相比，所含的氧气减少了，所含的二氧化碳增加了。课后完成课本“习题2.1”的第3题。
四、[教法指引]
在小学科学课和初中生物课中，学生对空气和呼吸作用已有一定的认识，教学中要充分调动学生已有的知识基础，通过“实验2—1”，由学生推理出结论：空气中含有约1/5体积的O2，这些O2在燃烧过程中被消耗掉。要向学生讲解烧杯中的水倒流人集气瓶内的物理学原因。
空气各种成分的含量多少，是以体积分数表示的。部分学生对体积分数的概念不易理解，必要时可向学生解释：对照课本第27页“空气成分的体积分数表”中数据，若把21 mL 02、78mL N2与0.94 mL稀有气体，.0.03mL C02以及0.03mL的水蒸气或其他杂质混合到一个100mL的容器内，各种气体是极易扩散均匀的，这样就人工造成100mL空气了。每种气体的体积与总体积相比，就是这种气体在混合气体中的体积分数(通常用百分数表示)。空气中各成分的体积分数既是相对稳定的，又不是绝对不变的，这是教学上的一个难点，有必要向学生说明；在不同地区或同一地区的不同时间里，空气的某些成分的含量会发生变化。例如，人口密集或工厂密集的地区，CO2的含量会偏高。人们常把C02、H20和其他杂质称为空气的可变成分，它们占空气的分数虽然很少，但其效果不容忽视。
在学习混合物和纯净物的概念时，要紧密联系有关实验事实和生活中的具体事例，帮助学生形成概念，要注意分析对比两者的异同点，结合有关习题，指导学生运用概念。教材已出现了Cu、O2、CuO、N2、CO2、H20等化学式，可以提早向学生介绍这些化学用语，并指出：混合物不是一种单纯的物质，所以不能用一个化学式来表示，而每种纯净物都有固定的组成，都可用一个化学式表示一种纯净物。此外还应向学生指出，自然界和生活中绝大多数物质都是混合物，化学研究大都以纯净物为研究对象。
第二课时以对呼吸作用的探究括动为主要内容，要注意向学生展示已学过的知识信息，要明确指出：“吸入的空气”来自空间，就是“空间的新鲜空气”，某个敞口的空瓶里装的就是新鲜空气了。
五、[实验与活动]
“实验2-1”中，为了说明燃烧前瓶内有一整瓶空气，可先打开止水夹，观察到烧杯的水不会倒流进瓶内(两边的气压相等)，关闭止水夹后，才开始实验。为了便于观察，可在烧杯中加入几滴红墨水。如果以白磷代替红磷，实验效果更佳。集气瓶中预先应加入少量水。
探究活动中，收集两瓶“呼出的气体”，要用排水集气法。收集新鲜空气(即吸入的气体)时，要有所动作：手拿空瓶，瓶口朝下以示其“空”，再转向上，稍向上移动以示装人空气。探究过程尽可能让学生主动参与，学生通过讨论交流，用铅笔先行填人教材的空白处，再由教师检查归纳。各人更正。要注意引导学生学会正确描述操作过程和现象，教师要做规范的板书。
“加人澄清石灰水，摇匀”可以改为：两支试管分别装有l/3试管的澄清石灰水，一支用口通过玻璃管吹气进去会变白色浑浊，另一支加塞后摇匀，使石灰水与管内空气充分接触也不变白色浑浊。
六、[资料搜索]
稀有气体的发现
1785年，卡文迪许(cavendish)向一根玻璃管的空气里通人过量的氧气，用放电法使氮气变为氮的氧化物，然后用碱吸收，剩余的氧气用红热的铜除去。在实验中，即使把N2和O2除尽，最后仍有少量残余气体。这种现象当时没有受到化学家应有的重视。直到1892年英国物理学家瑞利(Rayleigh)发觋，从氮的氧化物制得的氮气每升l.2505克，而从空气中分离出来的氨气每升1.2572克，这几毫克超出实验误差范围。他查阅了卡文迪许写的材料并重做实验。除掉空气中的N2和02外，得到一种不活泼的气体，再经一系列实验，才断定该气体是由一种新的元素组成，命名为“氩”(拉丁文原意为“怠惰”)。
1868年，天文学家简孙(Janssen)从分光镜中发现了太阳光谱里有一条跟钠D线不在同一位置上的黄线，该线是当时还不知道的新元素所产生的。因此，他断定太阳上有一种在地球上尚未发现的新元素，并命名为“氢”。地球上的氨是1895年在分析钇铀矿时发现的。后来人们在大气中、水中以至陨石和宇宙线里也发现了氮。
1898年．拉姆齐在大量液态空气蒸发后的残余物里，首先发现了比氩重的氪(拉丁文原意为“隐藏的”)，然后分离出氖(拉丁文原意为“新的”)，最后在分馏液态氩时又发现了氙(拉丁文原意为“生疏的”)。还有一种稀有气体氧是道恩(Dom)于1900年在含镭的矿物中发现的。氡的拉丁文原意为“射气”，因为它是放射性元素镭蜕变而产生的一种放射性气体。
范例经典
例1下列事实说明空气中含有哪些成分
(1)空气是制造氮肥的原料 ;(2)饼干在空气中放置逐渐变软 ;(3)蜡烛在空气中燃烧 ;(4)长期放在空气中的石灰水表面上有一层白膜 。
分析:空气中含有氮气所以才能制造氮肥;空气中含有的水蒸气使饼干变软;蜡烛能燃烧是因为空气中含有氧气;空气中的二氧化碳和石灰水的有效成分Ca(OH)2反应,生成不溶于水的碳酸钙。
答案:(1)氮气 (2)水蒸气 (3)氧气 (4)二氧化碳
点评:此题考查了学生对空气各成分的掌握情况,并知道发生变化的原因是由空气的哪些成分引起的,使学生较灵活地用空气成分的知识解决有关问题。
例2 为了测定空气的成分,按下图做实验:
(1)将燃烧匙中过量的红磷点燃后放入集气瓶中,能观察到的现象是
。
(2)反应停止,待集气瓶冷却后打开止水夹,烧杯中的水会 ，约达到集气瓶体积的 为止。
(3)此实验说明 。
(4)已知镁+氧气氧化镁 镁+氮气氮化镁(固体)
根据上述反应,能否用镁代替红磷测定空气成分呢
分析:解这类习题的关键是要弄清实验中发生的现象,反应物、生成物的性质,然后根据现象分析得出结论。解题时,关键掌握:①反应前集气瓶内充满空气;②红磷过量,可将集气瓶中的氧气完全消耗掉;③磷燃烧生成的五氧化二磷固体所占的体积忽略不计,因消耗了空气中的氧气使瓶内压强减小;④打开止水夹后,烧杯中的水会进入集气瓶中,所进水的体积和消耗掉的氧气的体积近似相等,从而得出氮气、氧气近似的体积比;⑤镁虽然为固体,但它不仅与空气中氧气反应,还可与氮气反应,生成的两种物质也为固体,无法准确测出空气中氧气或氮气的实际含量。
答案:(1)红磷在空气中燃烧,发出黄色火焰,产生浓厚的白烟,放出热量。
(2)沿导管进入集气瓶中
(3)集气瓶中有氧气,大约占体积
(4)不能
评注:①此题中的现象描述应是“白烟”而不是“白雾”。因为磷燃烧产生的是五氧化二磷固体小颗粒聚集成的烟,而雾是“小液滴”。
②若保证实验的成功,必须采用在空气中燃烧后生成物为固体的物质,固体所占的体积很小,使瓶内气压变化较大。若用燃烧生成气体的物质来做此实验,虽消耗氧气,却又增加了别的气体,此时瓶内气压变化不大,就看不到水进入瓶中的现象,实验就会失败。
例3 阅读下面短文,并回答问题。
19世纪末,英国物理学家雷利在测定氮气的密度时,发现从空气中分离出来的氮气每升质量是1.2572g,而从含氮物质制得的氮气每升质量是1.2505g。经多次测定,两者质量相差仍然是0.0067g。可贵的是雷利没有忽视这种微小的差异,在化学家拉姆塞的合作下,经过十几年的努力,于1894年发现了空气中的氩。
下列有关结论中,正确的是(填序号)。
①氩是一种化学性质极不活泼的气体;
②雷利从空气中分离出的氮气是纯净物;
③19世纪末以前,人们认为空气是由氮气和氧气组成的;
④雷利发现,从空气中分离的氮气中含有没有被发现的较重的气体。
分析:本题主要考查学生对知识的应用能力和阅读能力的结合。从第一句我们分析出19世纪末以前,人们一直认为空气是由氧气和氮气组成的;经过十几年的努力才发现了氩。这说明氩气的化学性质不活泼,也说明空气中分离出来的氮气不是纯净物。从题中所给数据比较,说明氩气的密度比较大。
答案①③④
例4 把银白色的金属钠用小刀轻轻切下一小块,放入盛水的烧杯中,观察到该金属能与水剧烈反应,放出热量,且熔化成小圆球浮在水面上,逐渐消失。根据以上叙述,推断金属钠的物理性质有:①颜色 ,②状态 ,③硬度 ,④熔点 ,⑤密度 。
分析:本题是隐蔽型信息迁移题。做这种题时,要注意寻找题给信息之外的隐蔽条件。用小刀切22下“一小块”,说明钠是块状固体;能“用小刀切”说明它比较软;“能浮在水面上”说明钠的密度比水小;放出的热量足以让钠“熔化”,说明钠的熔点很低。
答案:银白色 块状固体 较软 低 比水小
例5 （2005.南宁） 某同学用下图装置测量空气中氧气含量。待红磷燃烧结束并恢复到室温，打开弹簧夹．看到通过导管进入广口瓶的水超过了广口瓶容积的l/5。造成这一现象的原因可能是（ ）
A.实验前没有将弹簧夹夹紧 B.实验装置可能漏气
C.实验中所取红磷不足 D. 实验中所取红磷过量
评析： 本题考察空气中氧气含量的测量实验。在广口瓶中红磷燃烧，消耗了空气中的氧气使广口瓶内气压减小， 打开弹簧夹，烧杯中的水通过导管进入广口瓶。进入广口瓶内水的体积就是空气中氧气的体积，约占l/5。要保证实验结论的准确必须：①实验中所取红磷要足量，②实验装置气密性好，③红磷燃烧结束后恢复到室温，④实验前弹簧夹夹紧。其中①②③会导致测定结果小于l/5，④会导致测定结果大于l/5。
解答：选A
例6 （2005.福州）右图所示装置可用来测定空气中氧气的含量。对该实验认识不正确的是（ ）
A.红磷的量不足会影响实验结论
B.装置不漏气是实验成功的重要因素之一
C. 钟罩内气体压强的减小会导致水面上升
D. 将红磷改为木炭也能得到正确的实验结论
例7（2005.四川.云南）2004年人类对火星的探索取得了重大突破，下图分别是地球和火星的大气组成(体积分数)示意图。下列说法正确的是( )
A．地球和火星的大气中O2的体积分数相同 　
B．地球和火星的大气中都含有N2
C．地球和火星的大气中CO2的体积分数相同 　
D．地球和火星的大气组成完全相同
例8 （2005.桂林）小明和小红对市场上销售的一种分袋包装的蛋糕发生了兴趣，因为蛋糕包装在充满气体的小塑料袋内，袋内的气体充得鼓鼓的，看上去好像一个小“枕头”。他们认为这种充气包装技术，主要是为了使食品能够较长时间地保鲜、保质。那么，这是什么气体呢？
小红猜想是氮气，小明猜想是二氧化碳。
　　（1）请你帮助他们设计一个简单的实验方案，来判断小明的猜想是否正确，简要写出操作步骤：
；
（2）小明的猜想如果正确，现象应是 ；
（3）你认为食品充气包装，对所充气体的要求是：
　　 ① ；② ；③ 。
答案：（1）用注射器抽取袋内气体通入到少量澄清的石灰水（或紫色石蕊试液）中，观察现象 （2）澄清的石灰水变浑浊（或紫色石蕊试液变红色） （3）①无毒 ②不与食物反应 ③廉价、易获得