课题一：地球 — 大气层

同学您好！欢迎来到“地球”单元的第一部分学习笔记。您有没有停下来思考过，其实您现在吸入的空气是什么呢？我们很容易就忽略了它的存在，但这种肉眼看不到的气体混合物，对地球上所有生命都非常重要。在这个章节，我们会一起探讨大气层由什么组成、如何将其中最重要的气体分开，以及如何证明我们得到的是纯氧。这是理解我们身边奇妙化学世界的第一步。事不宜迟，开始吧！


1. 空气的组成

首先要说明清楚：空气并不是单一物质。它是由不同气体组成的混合物。混合物的意思是，不同的元素或者化合物只是简单地混合在一起，而没有发生化学反应。想象一下一碗什锦果仁——杏仁、核桃、腰果都在同一个碗里，但它们都还是独立的果仁。空气也是如此，不过是气体版本而已。


洁净、干燥空气的主要成分包括：

• 氮气 (N₂): 约 78%
• 氧气 (O₂): 约 21%
• 氩气 (Ar): 约 0.9%
• 二氧化碳 (CO₂): 约 0.04%

空气中亦有少量其他气体，称为微量气体，例如氖气和氦气，还有含量不定的水蒸气。

记忆小贴士！

想记住主要气体含量由多至少的次序，可以思考这句：“Nice Old Animals Chat”（“很Nice的老OuldAnimals聊天Chat”）。这个口诀对应着：Nitrogen (氮气)、Oxygen (氧气)、Argon (氩气)、Carbon dioxide (二氧化碳)。

学习重点

空气是混合物，并不是纯物质。它的主要成分是氮气（约78%），其次是氧气（约21%）。


2. 从空气中分离气体

由于氮气和氧气有许多重要用途（例如：氧气用于医院和焊接、氮气用于食物包装以保持新鲜），所以我们需要方法将它们从空气中分离出来。工业上用来做这个的方法叫做液态空气分馏法。

不用担心，就算听起来很复杂，它的主要原理其实很简单！

核心原理：沸点差异

分馏法之所以有效，是因为空气中不同的气体由液态变回气态的温度都不同。这个温度就叫做沸点。

类比：想象您有一种混合物，里面有水（沸点100°C）和纯酒精（沸点78°C）。如果您轻轻加热这种混合物，酒精会首先沸腾并变成蒸气。您可以收集这些蒸气，然后冷却它们以得到纯酒精，而水就会留在后面。我们对液态空气也是做同样的事情，只不过是在极低温下进行而已！

分步讲解：空气的旅程

整个过程主要分为两个阶段：

阶段一：将空气变成液体

1. 过滤空气：首先，空气会通过过滤器，以去除灰尘颗粒。
2. 去除水及二氧化碳：然后，空气会被冷却到约-80°C。在这个温度下，水蒸气会凝结成冰，而二氧化碳则会变成固体（干冰）。它们必须被去除。
3. 压缩与冷却：洁净、干燥的空气会被压缩到极高压力，这个过程会使空气变热。之后，它会被允许迅速膨胀，使它变得极之寒冷。这个过程会重复进行，直到空气变得够冷（约-200°C），转化成浅蓝色的液体。

您知道吗？
我们必须去除水和二氧化碳，如果不然，在所需的低温下，它们会凝固成固体，堵塞机器内部的管道！


阶段二：分离液态空气（分馏法）

液态空气会被泵入一个高塔的底部，这个高塔叫做分馏塔。这个塔底部比较暖，越向上就越冷。

以下是需要记住的主要沸点：

• 氮气: -196°C (最低沸点)
• 氩气: -186°C
• 氧气: -183°C (最高沸点)

负数小贴士：“越大”的负数（例如-196），代表越冷，所以它是最低的温度。

以下是分馏塔里面发生的事：

1. 液态空气在分馏塔底部会被轻微加热。

2. 沸点最低的氮气（-196°C）会首先沸腾。它会转化成气体，并上升到寒冷的分馏塔顶部被收集。

3. 沸点最高的氧气（-183°C）会维持液态较长时间。它会流到分馏塔底部，以液态形式被收集。

4. 氩气的沸点介乎于氮气和氧气之间，所以它会上升到分馏塔的中间部分，再转回液体并在那里被收集。


学习重点

空气中的气体是透过分馏法分离的。这个方法有效，是因为每种气体都有不同的沸点。氮气的沸点最低，会在分馏塔的顶部被收集；而氧气的沸点最高，则会在底部被收集。


3. 氧气的化学检验

那么您分离了一种气体，还觉得它是氧气。如何可以确定呢？化学家会用一种简单而可靠的化学测试，叫做余烬试验。

步骤：余烬试验

1. 在试管里面收集您想要测试的气体样本。

2. 拿一支木条，用火焰点燃它。

3. 轻轻吹熄火焰。木条尖端应该还是红色和发光的。这个时候，它就是一支余烬。

4. 立即将带有余烬的木条末端放入装有气体的试管口。

氧气的阳性结果

如果气体是氧气，余烬会复燃，重新冒出火焰！

为什么会这样？

氧气本身不会燃烧，但它是物质燃烧所需的（它助燃）。带有余烬的木条仍然很热，当它放入高浓度的纯氧中时，它有足够的燃料（木材）和氧气再次燃烧。

木条燃烧的文字方程式是：

碳（来自木材）+ 氧气 → 二氧化碳


快速回顾：常见错误提点！

确保您用的是余烬，而不是正在燃烧的木条。如果是正在燃烧的木条，它只会在氧气中烧得更旺，那样就比较难判断。而余烬复燃是一个更清晰、更明确的测试！


学习重点

氧气的检验方法是将一支余烬放进去。阳性结果就是余烬复燃。