常见气体的性质与制备
打开煤气灶的瞬间，蓝色火焰悄然点燃；医院里氧气瓶源源不断地供给病人呼吸；石灰岩洞中那些奇异的钟乳石，离不开二氧化碳日复一日的溶蚀；厨房中的氨水散发着刺鼻气味……这些看似平常的现象，背后都有各种气体的参与。
气体是化学中最活跃的物质形态之一，它们无色无味，却能引发剧烈的化学反应。掌握常见气体的制备方法、物理性质、化学性质以及收集与检验方法，是学习无机化学的重要基础。
实验室制气的基本原则
实验室中制备气体，并不是随便取来试剂混合就行，而是要根据气体的性质选择合适的原料、装置和收集方法。下表总结了制气实验的核心要素：
实验室制气最常见的两种装置如下：
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固液不加热型：适用于固体和液体在常温下就能反应产生气体的情况，如制备 H2、CO2、H2S。装置由圆底烧瓶（或锥形瓶）、分液漏斗和导气管组成，控制加液速度即可调节产气速率。
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固体加热型：适用于需要加热才能产生气体的情况，如加热 KMnO4 制 O2、加热 Ca(OH)2 与 制 。装置由试管（大口朝下斜放）、酒精灯和导气管组成。
固体加热型装置中，试管口要略低于管底（向下倾斜约 15°），目的是防止冷凝水回流到试管底部引起炸裂。这是实验操作中的关键细节。
氢气的制备与性质
打火机点燃氢气时，燃烧产生的唯一产物是水——这一特性使氢气成为最清洁的燃料之一。工业上大量使用氢气合成氨、加氢炼油，实验室中则常用金属与酸反应来制备。
实验室制备氢气
实验室中最常用的方法是：锌粒与稀硫酸（或稀盐酸）在常温下反应：
Zn+H2SO4（稀）→ZnSO4+
Zn+2HCl→ZnCl2+H2↑
选用锌而非铁或铝的原因：铁反应速率太慢，铝与盐酸反应过于剧烈不易控制，而锌的反应速率适中，便于收集。
氢气的物理性质
氢气是密度最小的气体（在标准状况下密度约为 0.0899 g/L，约为空气的 141），无色无味，难溶于水。正是因为氢气密度极小，历史上曾被用于飞艇充气，但因其可燃性引发多起事故后，逐渐被氦气取代。
氢气的化学性质
可燃性：氢气在空气中燃烧，火焰呈淡蓝色，产物只有水：
2H2+O2点燃
氢气与空气混合后，若氢气的体积分数在 4%～75% 之间（爆炸极限），点燃会发生爆炸。因此，点燃氢气之前必须先验纯——用排水法收集一试管气体，靠近火焰点燃，若发出轻微的“噗”声，说明氢气较纯，可以点燃使用；若听到尖锐爆鸣声，则说明气体中混有大量空气，不能点燃。
还原性：氢气能在高温下将金属氧化物中的金属还原出来，工业上用于还原氧化铁、氧化铜等：
CuO+H2ΔCu+
Fe2O3+3H2
例题 1
用 6.5 g 锌粒与足量稀盐酸反应，计算生成 H2 的物质的量及标准状况下的体积。
Zn 的摩尔质量为 65 g/mol：
n(Zn)=65 g/mol6.5 g
氧气的制备与性质
氧气约占大气的 21%，是维持生命的关键气体。潜水员随身携带氧气瓶，钢铁冶炼需要大量纯氧助燃——氧气的制备与性质，贯穿了化学的各个领域。
实验室制备氧气
实验室中有两种常见方法：
方法一：加热高锰酸钾（KMnO4）
2KMnO4ΔK
操作要点：试管口塞棉花，防止高锰酸钾粉末堵塞导管；试管口略向下倾斜，防止冷凝水回流炸裂试管。
方法二：双氧水与二氧化锰（MnO2）混合
2H2O2MnO2
其中 MnO2 起催化剂作用，反应前后质量和化学性质不变，只是加快了 H2O2 分解的速率。该方法不需要加热，操作更安全，产气速率也可通过加液量来控制。
氧气的物理性质
氧气在标准状况下是无色无味的气体，密度约为 1.43 g/L，略大于空气（空气密度约 1.29 g/L）。氧气不易溶于水（水中溶解氧约为 8∼10 mg/L，正是鱼类赖以生存的基础）。在低温高压下，氧气可液化为淡蓝色液体。
氧气的化学性质
氧气是强氧化剂，能与多种物质反应：
S+O2点燃
3Fe+2O2点燃
2Mg+O2点燃2MgO
铁在纯氧中燃烧时，必须在集气瓶底部放少量水或细沙，目的是防止熔融的 Fe₃O₄ 溅落引起集气瓶炸裂。这是氧气相关实验中最常考的操作细节。
例题 2
用 H2O2 溶液（质量分数为 30%，密度为 1.11 g/mL）制备 O2，取 该溶液完全分解，计算生成 的物质的量。
先求 H2O2 的质量：
m(溶液)=20 mL×1.11 g/mL
二氧化碳的制备与性质
在碳酸饮料中，二氧化碳溶于水形成碳酸，带来了那股清凉的酸味和爽口感。二氧化碳既不燃烧也不助燃，密度比空气大，因此干粉灭火器和液态 CO2 灭火器都利用了它的这些特性。
实验室制备二氧化碳
实验室最常用的方法：大理石（石灰石，主要成分 CaCO3）与稀盐酸在常温下反应：
CaCO3+2HCl→CaCl2+H2
不选稀硫酸的原因在于，反应生成的 CaSO4 微溶，会附着在石灰石表面阻止反应继续，导致产气量极少。稀盐酸生成的 CaCl2 易溶于水，反应可持续进行。
二氧化碳的物理性质
CO2 在标准状况下是无色无味的气体，密度约 1.97 g/L，是空气密度的约 1.5 倍。CO2 能溶于水（1体积水可溶约1体积 CO），加压时溶解度增大，这也是碳酸饮料加压充气的原理。固态 称为“干冰”，升华时吸收大量热，常用于食品保鲜和人工降雨。
二氧化碳的化学性质
与水反应：CO2 溶于水生成碳酸（H2CO3），碳酸是弱酸：
CO2+H2O⇌H2CO
与碱反应：CO2 与 NaOH 反应，少量 CO2 生成 Na，过量 生成 ：
CO2+2NaOH→Na2CO3+
CO2+NaOH→NaHCO3（CO2 过量）
与石灰水反应：少量 CO2 使澄清石灰水变浑浊，这是检验 CO2 的标准方法：
CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H
检验 CO2 时，将气体通入澄清石灰水，观察是否变浑浊。但需注意：若继续通入大量 CO2，生成的 CaCO3 会与过量 及水反应，转化为易溶的 ，溶液重新变澄清。所以检验时应适量通入，不可过量。
氨气的制备与性质
氨气（NH3）有着强烈的刺激性气味，是化工生产中最重要的气体之一。合成氨工业每年为全球提供数亿吨氮肥原料，而在实验室中，氨气的制备方法则简单直观。
实验室制备氨气
加热氯化铵（NH4Cl）与消石灰（Ca(OH)2）的混合物：
2NH4Cl+Ca(OH)2Δ
该反应体现了“铵盐与碱共热制氨”的通用规律——凡是铵盐与碱的混合物加热，都会有 NH3 逸出。工业上则采用氮气与氢气在高温高压催化剂条件下合成氨：
N2+3H2Δ,催化剂⇌2
氨气的物理性质
NH3 在标准状况下密度约为 0.77 g/L，比空气轻。NH3 极易溶于水，在常温下 1 体积水能溶解约 700 体积的氨气——这是氨气最显著的物理特性，也是“喷泉实验”的原理所在。
喷泉实验原理：将充满 NH3 的圆底烧瓶倒置，导管伸入水中，挤压胶头时少量水进入烧瓶，NH3 迅速溶于水，烧瓶内气压骤降，外部大气压将水压入烧瓶，形成喷泉。
能做喷泉实验的气体，必须满足“极易溶于水”（或溶于所用液体）的条件。常见的有：NH₃（溶于水）、HCl（溶于水）、SO₂（溶于 NaOH 溶液）、NO₂（溶于水或 NaOH）。O₂、H₂、CO₂ 等溶解度小，不能直接做喷泉实验。
氨气的化学性质
溶于水显碱性：NH3 溶于水生成氨水（NH3⋅H2O），氨水是弱碱：
NH3+H2O⇌NH3⋅
与酸反应生成铵盐：NH3 与盐酸相遇，产生白雾（NH4Cl 小颗粒）：
NH3+HCl→NH4Cl
催化氧化：工业上在催化剂作用下，将 NH3 氧化为 NO，是生产硝酸的第一步：
4NH3+5O2催化剂,Δ
例题 3
浓氨水与浓盐酸靠近时会产生大量白雾，解释原因，并写出相关化学方程式。
浓氨水挥发出 NH3 气体，浓盐酸挥发出 HCl 气体。两种气体在空气中相遇，迅速反应生成极细小的 NH4Cl 固体颗粒，这些颗粒悬浮在空气中形成白雾：
二氧化硫与氯化氢的制备
SO2 和 HCl 气体在工业和实验室中都有重要应用，但因具有毒性或腐蚀性，实验中必须注意尾气处理。
二氧化硫的制备
实验室通常用亚硫酸钠（Na2SO3）与稀硫酸在常温下反应制备 SO2：
Na2SO3+H2SO
也可用铜与热的浓硫酸反应（注意：铜与冷稀硫酸不反应）：
Cu+2H2SO4（浓）Δ
SO2 密度大于空气（约为空气的 2.2 倍），可用向上排空气法收集；又因 SO2 极易溶于水，尾气必须用 NaOH 溶液吸收，防止污染空气：
SO2+2NaOH→Na2SO3+
氯化氢的制备
实验室用食盐（NaCl）与浓硫酸在加热条件下反应：
NaCl+H2SO4（浓）Δ
2NaCl+H2SO4（浓）强热
HCl 气体密度大于空气（约为空气的 1.26 倍），用向上排空气法收集；极易溶于水，尾气同样需要用 NaOH 溶液吸收。
气体的收集与检验
制备气体只是第一步，如何正确收集和检验气体，同样是实验中不可缺少的环节。
收集方法的选择
气体的收集方法根据其密度和溶解性来判断：
NO 只能用排水法收集，因为 NO 会与空气中的 O2 迅速反应生成 NO2（），无法用排空气法收集到纯净的 。
常见气体的检验方法
例题 4
某气体可能含有 CO2、HCl、H2O（水蒸气），设计实验鉴别：先将气体通过浓硫酸（干燥），再通入硝酸银溶液，最后通入澄清石灰水。
尾气处理
对于有毒气体，尾气必须进行处理，不能直接排入大气。常见尾气处理方式：
CO2、SO2、HCl：通入 NaOH 溶液中吸收（碱液吸收法）
SO2+2NaOH→Na2SO3+
HCl+NaOH→NaCl+H2O
NH3：通入稀硫酸或盐酸中吸收（酸液吸收法）
2NH3+H2SO4→(NH
CO（一氧化碳）：在导管口点燃，转化为 CO2（燃烧处理法）
2CO+O2点燃2CO
尾气吸收时，导管不能直接插入液面以下，否则一旦气体被大量吸收，瓶内气压骤降，液体会倒流进入加热装置，引发危险。正确做法是在导管末端放置一个“防倒吸装置”（如大肚球或将导管置于液面以上）。
练习题
第1题
下列关于实验室制备 H2 的说法，正确的是（ ）
A. 可以用铁和稀盐酸代替锌和稀盐酸，反应速率更快
B. 用向上排空气法收集 H2，因为 H2 密度小
C. 点燃 H2 前必须先验纯，防止混有空气时点燃爆炸
D. 收集满 H2 后，集气瓶应正放在桌面上
答案：C
A 错误：铁与稀盐酸反应速率比锌慢，且产生的气体中混有 H2S 杂质（若铁不纯），通常选用锌而非铁。
B 错误：H2 密度比空气小，应用向下排空气法（导管伸入瓶底，气体从上往下充满瓶子），或用排水法收集。
C 正确：H2 与空气混合后，体积分数在 4%～75% 范围内属于爆炸性混合物，点燃前必须验纯，听到轻微“噗”声才可放心使用。
第2题
用排水法和向上排空气法都能收集的气体是（ ）
A. NH3
B. NO
C. CO2
D. HCl
答案：C
CO2 密度大于空气（相对分子质量 44 > 29），可用向上排空气法；CO2 虽然能溶于水，但溶解度相对较小（不是“极易溶”），少量实验中仍可用排水法（但收集的气体中含有水蒸气，且气体会有一定损耗）。
NH（A）：极易溶于水，不能用排水法，只能用向下排空气法。
第3题
将浓盐酸靠近浓氨水瓶口，会产生大量白雾。下列关于该现象的解释，正确的是（ ）
A. 浓盐酸与浓氨水发生了液相反应，生成固态 NH4Cl
B. 浓氨水挥发出 NH3，浓盐酸挥发出 HCl，两者在气相中化合生成 NH4Cl 微粒
C. 浓盐酸中的 HCl 气体氧化了 NH3，生成白色氧化物
D. 白雾是因为盐酸遇热蒸发，水蒸气在空气中凝结形成的
答案：B
浓盐酸和浓氨水都具有挥发性，分别挥发出 HCl(g) 和 NH3(g)，在空气中相遇后迅速反应：
NH
第4题
下列制备气体的方案中，原料选择合理且能顺利产生气体的是（ ）
A. 用 Na2SO3 固体与浓硫酸制备 SO2
B. 用 CaCO3 固体与稀硫酸制备 CO2
C. 用 MnO2 固体加热制备 O2
D. 用 NH4Cl 与 NaOH 溶液混合加热制备 NH3
答案：A 和 D 均可，本题选 D
A：Na2SO3 与浓硫酸反应可以产生 SO2，原理正确，但若用浓硫酸（而非稀硫酸），浓硫酸有较强氧化性，可能进一步氧化产生的 SO 为 ，通常实验室用更为妥当，因此 A 不是最优选项。
第5题（计算题）
实验室用 Na2SO3 固体与足量稀硫酸反应制备 SO2，取 31.5 g 固体与足量稀硫酸反应。
（1）写出反应的化学方程式；
（2）计算生成 SO2 的物质的量；
（3）计算生成 SO2 在标准状况下的体积。
解题过程：
（1）化学方程式：
Na2SO3+H2SO
第6题（计算题）
向 2.0 g NH4Cl 和 2.96 g Ca(OH)2 的混合固体中加热，充分反应后：
（1）写出反应的化学方程式；
（2）判断哪种反应物过量，计算过量的物质的量；
（3）计算生成 NH3 在标准状况下的体积。
解题过程：
（1）化学方程式：
2NH4Cl+Ca(OH)2Δ