大气气体

欢迎学习大气气体。在这一章中，我们将探讨干燥洁净空气的成分、用实验测定空气中氧气体积分数的方法、元素在氧气中的燃烧反应，以及二氧化碳的形成与其对环境的影响。

本章学习重点：

• 指出干燥空气中含量最多的四种气体的大致体积分数。

• 描述如何利用金属（铜、铁）和非金属（磷）测定空气中氧气的体积分数。

• 描述镁、氢和硫在氧气中的燃烧反应，包括所生成氧化物的酸碱特性。

• 描述金属碳酸盐（如碳酸铜(II)）经热分解生成二氧化碳的过程。

• 解释二氧化碳作为温室气体的作用，以及其含量增加如何可能导致气候变化。

1. 干燥空气的成分

洁净的干燥空气是多种不同气体的混合物。你必须记住含量最多的四种气体的大致体积分数：

• 氮气 (\(\text{N}_{2}\))：约 78%

• 氧气 (\(\text{O}_{2}\))：约 21%

• 氩气 (\(\text{Ar}\))：约 0.9%

• 二氧化碳 (\(\text{CO}_{2}\))：约 0.04%

备注： 空气中还含有不同量的水蒸气，具体含量取决于湿度和温度。

2. 测定空气中氧气的百分比

通过将已知体积的空气与过量的金属或非金属反应，可以除去其中的氧气。体积的减少量即代表原本存在的氧气体积。

方法甲：使用金属铜

• 将一份空气样本（例如 \(100\text{ cm}^3\)）在两个气体注射器之间反复来回推动，通过置于石英管中加热的铜屑。

• 铜与氧气反应生成黑色的固体氧化铜(II)：

\[2\text{Cu(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{CuO(s)}\]

• 在读取最终体积读数前，必须让装置冷却至室温（因为气体受热会膨胀）。

• 气体体积会减少约 \(21\%\)（例如由 \(100\text{ cm}^3\) 减至 \(79\text{ cm}^3\)）。

方法乙：利用铁生锈

• 将湿铁丝绒放置于倒置在盛水烧杯中的量筒或试管底部。

• 经过几天，铁与氧气和水反应生成水合氧化铁(III)（铁锈）：

\[4\text{Fe(s)} + 3\text{O}_2\text{(g)} + x\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow 2\text{Fe}_2\text{O}_3\cdot x\text{H}_2\text{O(s)}\]

• 随着氧气被消耗，水面会上升以填补其空间。

方法丙：使用磷（非金属）

• 将一小块磷放在浮于水面的蒸发皿上，上方倒扣一个钟罩。

• 点燃磷，它会与氧气反应生成固体五氧化二磷（氧化磷），并溶解于水中：

\[4\text{P(s)} + 5\text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{P}_2\text{O}_5\text{(s)}\]

• 水面在钟罩内上升约初始空气体积的 \(\frac{1}{5}\)（\(21\%\)）。

计算氧气的百分比

\[\text{O}_2 \text{ 的百分比} = \frac{\text{空气初始体积} - \text{空气最终体积}}{\text{空气初始体积}} \times 100\]

3. 元素在氧气中的燃烧

燃烧是一种物质在氧气中燃烧的放热反应。元素与氧气反应形成氧化物，氧化物可分为碱性氧化物或酸性氧化物。

A. 镁的燃烧

• 观察结果： 镁燃烧时发出耀眼夺目的白光火焰，生成白色粉末（氧化镁，\(\text{MgO}\)）。

• 化学方程式：

\[2\text{Mg(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{MgO(s)}\]

• 酸碱特性： 氧化镁是一种碱性氧化物。它微溶于水并产生碱性溶液（氢氧化镁，\(\text{pH} \approx 9\text{--}10\)）：

\[\text{MgO(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2\text{(aq)}\]

B. 氢的燃烧

• 观察结果： 氢气燃烧时带有几乎看不见的淡蓝色火焰，产生水蒸气。“爆鸣测试”（squeaky pop test）可确认氢气的存在。

• 化学方程式：

\[2\text{H}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O(l)}\]

• 酸碱特性： 水是一种中性氧化物（\(\text{pH} = 7\)）。

C. 硫的燃烧

• 观察结果： 硫燃烧时带有蓝色火焰，生成一种无色、具刺激性且令人窒息的气体（二氧化硫，\(\text{SO}_2\)）。

• 化学方程式：

\[\text{S(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow \text{SO}_2\text{(g)}\]

• 酸碱特性： 二氧化硫是一种酸性氧化物。它溶于水形成亚硫酸（\(\text{H}_2\text{SO}_3\)），使蓝色石蕊试纸变红（\(\text{pH} \approx 2\text{--}3\)）：

\[\text{SO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_3\text{(aq)}\]

4. 热分解产生二氧化碳

热分解是指利用热能将化合物分解为较简单物质的过程。

金属碳酸盐的分解

许多金属碳酸盐受热时会分解，产生金属氧化物和二氧化碳气体：

\[\text{金属碳酸盐} \xrightarrow{\text{受热}} \text{金属氧化物} + \text{二氧化碳}\]

例子：碳酸铜(II)

• 观察结果： 绿色的碳酸铜(II)粉末受热分解，生成黑色粉末（氧化铜(II)）和无色气体（\(\text{CO}_2\)）。

• 化学方程式：

\[\text{CuCO}_3\text{(s)} \xrightarrow{\Delta} \text{CuO(s)} + \text{CO}_2\text{(g)}\]

• 检验二氧化碳： 将气体通入石灰水（氢氧化钙水溶液，\(\text{Ca(OH)}_2\)）中。由于生成了碳酸钙白色沉淀，石灰水会变为乳白色/浑浊：

\[\text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} + \text{CO}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CaCO}_3\text{(s)} + \text{H}_2\text{O(l)}\]

5. 二氧化碳与气候变化

温室效应

1. 太阳发出短波辐射（如可见光和紫外线），这些辐射穿透大气层并加热地球表面。

2. 地球表面随后以发射长波红外辐射的方式冷却。

3. 大气中的温室气体，包括二氧化碳 (\(\text{CO}_{2}\))，会吸收并将部分红外辐射重新射回地球，使地球维持比原本更高的温度。

人类活动与气候变化

• 人类活动，尤其是燃烧化石燃料（煤、石油、天然气）和砍伐森林，显著增加了大气中 \(\text{CO}_2\) 的浓度。

• 这种增强型温室效应锁住了额外的热能，可能导致全球变暖和气候变化（导致海平面上升、极端天气事件以及栖息地丧失）。

核心知识总结

• 干燥空气成分： \(78\%\ \text{N}_2\)、\(21\%\ \text{O}_2\)、\(0.9\%\ \text{Ar}\)、\(0.04\%\ \text{CO}_2\)。

• 测定 \(\%\ \text{O}_2\)： 通过让空气与铜、铁或磷反应，并观察体积减少量来测定。

• 在 \(\text{O}_2\) 中燃烧： 镁生成碱性的 \(\text{MgO}\)（白光火焰/白色粉末）；氢生成中性的 \(\text{H}_2\text{O}\)；硫生成酸性的 \(\text{SO}_2\)（蓝色火焰）。

• \(\text{CuCO}_3\) 的热分解： 绿色的 \(\text{CuCO}_3\) 转化为黑色的 \(\text{CuO}\) 和 \(\text{CO}_2\) 气体。

• \(\text{CO}_2\) 与气候： 来自化石燃料日益增加的 \(\text{CO}_2\) 会加剧温室效应，导致气候变化。