氧气的性质与制取 | 自在学

氧气的性质与制取

氧气是地球上分布最广、与生命关系最密切的气体之一。无论是人呼吸、物质燃烧，还是金属生锈，背后都有氧气的参与。了解氧气的性质与制取方法，是学习化学的重要一步。

氧气的物理性质

在通常的温度和气压条件下，氧气是一种无色、无味的气体，既看不见也闻不到。它的密度比空气略大，约为 $1.43\ \text{g/L}$ ，而空气的密度约为 $1.29\ \text{g/L}$ ，因此氧气会“沉在容器底部。

氧气在水中的溶解度很小，在常温下每升水大约只能溶解 $9\ \text{mL}$ 的氧气。正是这一点点溶解的氧气，维持着鱼类等水生生物的呼吸。

将氧气降温加压，可以使它变成淡蓝色的液体，称为“液态氧；继续冷却则变为淡蓝色固体。工业上储存和运输氧气，通常就是利用液态氧的形式。

氧气的密度比空气大，这一特点决定了收集氧气时可以用“向上排空气法”——将导管伸入集气瓶底部，氧气从下往上填满瓶子，空气从上方被赶走。

氧气的化学性质

氧气的化学性质比较活泼，能与许多物质发生反应，这类反应统称为“氧化反应”。与氧气发生的燃烧反应，是其中最剧烈的一类。

硫在氧气中燃烧

将一小勺硫磺点燃后，在空气中只会发出微弱的淡蓝色火焰；但将其伸入盛有氧气的集气瓶中，火焰立刻变得明亮，发出蓝紫色光，同时生成具有刺激性气味的二氧化硫气体。

S + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} SO_2

实验时，集气瓶底部要预先加少量水，原因是 $SO_2$ 会溶于水，防止污染空气。这个细节在实际操作中非常重要。

例题 1： 硫在氧气中燃烧，消耗硫 $3.2\ \text{g}$ ，求生成 $SO_2$ 的质量。

硫的相对原子质量为 $32$ ， $SO_2$ 的相对分子质量为 $32 + 16 \times 2 = 64$ 。

根据方程式 $S + O_2 \rightarrow SO_2$ ， $1\ \text{mol}$ 硫生成 $1\ \text{mol}$ ：

\frac{3.2\ \text{g}}{32\ \text{g/mol}} = 0.1\ \text{mol}

m(SO_2) = 0.1\ \text{mol} \times 64\ \text{g/mol} = 6.4\ \text{g}

生成 $SO_2$ 的质量为 $6.4\ \text{g}$ 。

铁在氧气中燃烧

铁丝在空气中只会慢慢氧化生锈，但将铁丝绕成螺旋状并点燃，伸入纯氧中，会剧烈燃烧，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

铁在氧气中燃烧时，集气瓶底部需要预先铺一层细沙或加少量水，防止高温熔融物溅落，炸裂瓶底。

注意：铁燃烧的产物是 $Fe_3O_4$ （磁性氧化铁），而铁在空气中缓慢氧化生锈的产物则是 $Fe_2O_3$ （氧化铁，红棕色），两者不同。

碳和木炭在氧气中燃烧

木炭在空气中只是缓慢燃烧，放出少量热和光；放入纯氧中后，燃烧更加剧烈，发出白光，生成二氧化碳。

C + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} CO_2

可以用澄清石灰水来检验产生的 $CO_2$ ：将气体通入石灰水中，若石灰水变浑浊，说明有 $CO_2$ 生成。

CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O

磷在氧气中燃烧

红磷点燃后在空气中燃烧，产生大量白烟；在纯氧中燃烧更为剧烈，白烟更浓，生成五氧化二磷。

4P + 5O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2P_2O_5

磷燃烧实验是测定空气中氧气含量的经典方法（在密闭容器中燃烧，体积缩小的部分即为氧气的体积）。

物质在氧气中燃烧比在空气中更剧烈，根本原因是纯氧浓度更高，单位体积内参与反应的氧分子数目更多，反应速率更快。

缓慢氧化与自燃

并非所有的氧化反应都伴随着火焰。铁生锈、食物腐败、人体呼吸，都是缓慢氧化的例子——反应速率很慢，不会发光，但确实有氧气参与、有热量释放。

当缓慢氧化产生的热量来不及散发、不断积累，温度升高到一定程度，物质就会在没有外部点火的情况下自行燃烧，这种现象叫做“自燃”。煤堆、干草垛如果堆放过于密实，就存在自燃的风险。

实验室制取氧气

实验室制取氧气通常采用分解反应——让某种含氧的化合物在一定条件下分解，释放出氧气。

加热高锰酸钾制氧气

高锰酸钾（ $KMnO_4$ ）是一种深紫色固体，加热后会分解，生成锰酸钾、二氧化锰和氧气。

2KMnO_4 \xrightarrow{\Delta} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2\uparrow

操作要点：试管口略向下倾斜，防止冷凝水流回试管底部炸裂试管；试管口放一团棉花，防止高锰酸钾粉末随气流进入导管。

双氧水与二氧化锰制氧气

过氧化氢（ $H_2O_2$ ，俗称“双氧水”）在常温下缓慢分解；加入二氧化锰（ $MnO_2$ ）作催化剂后，分解速率大幅加快，迅速产生氧气。

2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2\uparrow

$MnO_2$ 在反应前后质量和化学性质不变，是这个反应的催化剂。该方法无需加热，操作简便，是实验室中最常用的制氧方法之一。

加热氯酸钾制氧气

氯酸钾（ $KClO_3$ ）在加热条件下与催化剂 $MnO_2$ 共同作用，分解生成氯化钾和氧气。

2KClO_3 \xrightarrow{MnO_2, \Delta} 2KCl + 3O_2\uparrow

加热氯酸钾制氧气时，必须使用 $MnO_2$ 作催化剂并在适当温度下操作。若温度过高或混入可燃杂质，存在爆炸风险，实验操作时要格外注意安全。

例题 2： 用 $6.8\ \text{g}$ 的 $H_2O_2$ 在 $MnO_2$ 催化下完全分解，求生成的质量。

$H_2O_2$ 的相对分子质量为 $2 + 16 \times 2 = 34$ ， $O_2$ 的相对分子质量为。

由方程式 $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$ 可知，生成。

n(H_2O_2) = \frac{6.8\ \text{g}}{34\ \text{g/mol}} = 0.2\ \text{mol}

n(O_2) = \frac{0.2\ \text{mol}}{2} = 0.1\ \text{mol}

m(O_2) = 0.1\ \text{mol} \times 32\ \text{g/mol} = 3.2\ \text{g}

生成氧气的质量为 $3.2\ \text{g}$ 。

氧气的收集与验证

收集方法

氧气的收集方法有两种，根据氧气的性质来选择：

验证方法

将一根带有余烬（已熄灭但仍有红热炭的木条）伸入集气瓶中，若木条重新燃烧，说明瓶中氧气浓度足够高——这就是检验氧气的标准方法。

带火星的木条复燃，是检验氧气的标准实验方法。这一现象的原理是：氧气能支持燃烧，在高浓度氧气环境中，带余烬的木条获得足够的氧气维持燃烧，从而重新点燃。

工业制取氧气

实验室制氧成本高、产量少，工业上需要大量氧气时，采用的是“分离液态空气法”。

将空气压缩、冷却，使其液化。液态空气中的氮气沸点（ $-196°C$ ）低于氧气的沸点（ $-183°C$ ），升温时氮气先蒸发逸出，剩余的液体就是富含氧气的液态氧，再经过进一步处理得到高纯度氧气。

\text{液态空气} \xrightarrow{\text{升温}} \underbrace{N_2 \text{ 先蒸发}}_{\text{沸点}-196°C} \rightarrow \text{剩余液态 } O_2

工业制氧是物理变化，而实验室制氧（高锰酸钾分解、双氧水分解等）是化学变化。两者本质不同：前者是利用沸点差异分离，后者是通过化学反应产生新物质。

练习题

选择题

第1题【氧气物理性质】 下列关于氧气物理性质的描述，正确的是（　　）

A. 氧气是有颜色、有气味的气体

B. 氧气的密度比空气小，因此可以用向上排空气法收集

C. 氧气在水中几乎不溶解，标准状况下密度约为 $1.43\ \text{g/L}$ ，比空气大

D. 液态氧是无色液体

答案：C

解析：氧气在常温下无色无味（A错）；氧气密度比空气大，应用“向上排空气法”——导管伸入瓶底，气体从下往上填充，而不是“向下”（B的描述混淆了方法）；液态氧是淡蓝色（D错）。C的描述准确。

第2题【氧气的化学性质】 铁丝在氧气中燃烧时，下列描述正确的是（　　）

A. 铁丝点燃后立刻剧烈燃烧，发出蓝紫色火焰

B. 生成物是红棕色的 $Fe_2O_3$

C. 集气瓶底部预先铺细沙，是为了防止 $SO_2$ 污染空气

D. 生成物是黑色固体 $Fe_3O_4$ ，实验时集气瓶底部需加水或细沙防止炸裂

答案：D

解析：铁丝燃烧发出白光（耀眼火星），不是蓝紫色（A错，蓝紫色是硫燃烧的现象）；铁在纯氧中燃烧生成 $Fe_3O_4$ （黑色），不是 $Fe_2O_3$ （B错）；铺细沙是防止熔融物炸裂瓶底，不涉及（C错）；D描述完全正确。

第3题【实验室制氧】 用双氧水制取氧气时，加入二氧化锰的作用是（　　）

A. 增加生成氧气的总量

B. 为反应提供能量

C. 作为催化剂，加快反应速率，本身质量和化学性质不变

D. 与双氧水一起参与反应，生成氧气

答案：C

解析：催化剂的作用是改变反应速率，不改变生成物的量（A错）； $MnO_2$ 不为反应提供能量（B错）； $MnO_2$ 不参与生成氧气的反应本身，只是催化剂（D错）；C的表述与催化剂的定义完全吻合。

第4题【氧气的验证与收集】 下列关于氧气收集与验证的说法，正确的是（　　）

A. 将燃着的木条伸入集气瓶，木条燃烧更旺，说明是氧气

B. 用排水法收集氧气时，当导管口刚冒出气泡就立即收集

C. 将带火星的木条伸入集气瓶，若木条复燃，说明氧气浓度较高

D. 氧气可以用向下排空气法收集

答案：C

解析：验证氧气用“带火星的木条”，不是“燃着的木条”（A错）；排水法收集时，需等气泡连续均匀冒出后再收集，刚开始冒出的气体是装置内原有的空气（B错）；氧气密度比空气大，应用“向上排空气法”而非向下（D错）；C描述正确，带火星木条复燃是检验氧气的标准方法。

计算题

第5题【计算：高锰酸钾制氧】 加热 $31.6\ \text{g}$ 高锰酸钾（ $KMnO_4$ ），使其完全分解，求生成氧气的质量。（ $K$ 的相对原子质量为 $39$ ， $Mn$ 为，为）

解题过程：

$KMnO_4$ 的相对分子质量： $39 + 55 + 16 \times 4 = 158$

2 K M n O_{4} \overset{}{\to}

第6题【计算：铁在氧气中燃烧】 将 $5.6\ \text{g}$ 铁丝完全在氧气中燃烧，求需要氧气的质量和生成 $Fe_3O_4$ 的质量。（ $Fe$ 的相对原子质量为 $56$ ，为）

解题过程：

$Fe$ 的相对原子质量为 $56$ ， $O_2$ 的相对分子质量为 $32$ ， $Fe_3O_4$ 的相对分子质量为。

55

Δ

K_{2}

M

n

O_{4}

+

M

n

O_{2}

+

O_{2}

↑

2KMnO_4 \xrightarrow{\Delta} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2\uparrow