§5空气

燃  烧

物质燃烧，意味着它参加了一种特殊的化学反应，在该反应中，有大量的热产生。燃烧是一个放热过程。

某些化合物在加热时，一般会分解成较简单的化合物，有时也会分解成元素（§2）。假如使元素镁或硫燃烧，当看到图5.1所示的现象时，就表明生成了新物质，但生成的新物质并不比原来的元素简单。

下面是两组实验的结果，在每个实验里，都是使0.30克的金属完全燃烧。

        镁                                 铜

金属镁的质量＝0.30克；            金属铜的质量＝0.30克；

生成的白色粉末质量＝0.50克。      生成的黑色粉末的质量＝0.38克。

在这两个实验中，燃烧后生成物的质量均增加了，这表明金属物质一定与其它某种物质（在图5.2中记作“Q”）发生了反应，从而生成了金属与“Q”的化合物。通过分析图5.3所示的实验结果，可知Q一定是空气。当把试管内的水加热到沸腾时，水变成水蒸汽，这些水蒸汽把试管内的空气排到试管外面，这时，铜片的颜色完全没有变化，关紧弹簧夹，从水中拿出橡胶管，然后打开弹簧夹，使空气进入试管，这时可看到，由于铜片“燃烧”生成了新物质，热铜片出现了黑色（对铜进行这种实验，放出的热量不足以使铜片着火燃烧）。什么是空气？

空气不是纯净物，它由几种气体混合而成。其中一些气体是元素，另一些气体是化合物。如果阅读或亲手做下面的实验，就会更清楚这个问题。

把一根燃着的蜡烛固定在一块浮在水面的浮板上，然后用烧杯将蜡烛罩住（图5.4）。过一段时间，蜡烛熄灭，而烧杯内的水面却上升了。这是由于烧杯内剩下的空气不能维持蜡烛继续燃烧，其原因可能有以下两个方面：

（i）空气中只有部分气体被用于燃烧；

（ii）燃烧产物使蜡烛熄灭。

上述两个原因在此都是正确的。

为确定空气中是否只有一部分气体被用来燃烧，应选择一种燃烧后生成新的固体的物质来进行实验，这样，燃烧产物就不会再是使蜡烛熄灭的原因。

用图5.5所示的唧筒进行实验可证明空气中可支持燃烧的只是部分气体。一唧筒内充有50厘米³空气，把铜丝加热到高温。接着，借助柱塞使空气来回流经此热铜丝。铜丝在空气中“燃烧”的同时，本身变黑了。化学反应结束后，让装置冷却，这时发现，空气最终的体积

只有40毫升。从而可知，原有的50cm³空气中只有10毫升空气与铜发生了反应。即占空气体积五分之一（20％）的气体是“活泼”的，而其余五分之四（80％）的空气是“不活泼的”。因此，空气至少是由两种气体组成的混合物。

“活泼的”空气

如果把一小块金属钠放在瓶盖上加热，可以看到先是钠熔化，随后钠着火燃烧。几乎与其它所有金属一样，钠也在“活泼”空气中燃烧从而生成黄色的新物质。这种黄色固体物质也是由钠和“活泼”的空气组成。用强火加热该固体物质可使其分解，生成一种无色的气体。这种无色气体可使灼热的木条复燃，因此可肯定它是氧气。

图5.6所示的实验说明了氧气就是所谓的“活泼”的空气。加热试管，试管内的高锰酸钾分解并放出氧气。然后让氧气流过热铜丝，可以看到铜丝所发生的变化与在空气中加热铜丝时所发生的变化相同，因此，氧气就是所谓的“活泼”空气。

实验1  氧与铜的反应

实验装置如图5.6所示。加热高锰酸钾直到可使放在玻璃管口处的灼热木条复燃，这时，氧气充满了试管，管内的空气已全部被排除。用大火加热铜丝，直到再不能看到铜丝发生变化为止。

·该化学反应有热放出吗？

·反应后的固体物质其外观与在空气中加热铜丝时剩下的固体相同吗？

·在氧气中加热铜丝与在空气中加热铜丝有区别吗？

·你认为“活泼”空气是氧气吗？

空气中的其它气体

空气中的两种主要气体是两种元素气体——氧（“活泼”部分）和氮。还有数量极少的其它气体。氧和氮两种气体可通过下面的实验鉴别出来。

实验2  空气中另外两种气体

a.在表玻璃上放一些在空气中呈澄清状态的石灰水，并保持几小时。

·石灰水表面出现什么现象？

·如何解释你所看到的现象？

b.在表玻璃上放一些白色的硫酸铜，然后求出硫酸铜与表玻璃的总质量。把硫酸铜曝露于空气中，直至下一堂课。

·硫酸铜固体的颜色有什么变化？

c.求出这时表玻璃和其上物质的总质量。

·如何解释实验结果？

图5.7示出了干燥空气的组成。空气中水蒸汽的百分含量随气候条件变化，范围一般为0～4％。干空气（不是氧气或氮气）中有1％的量主要由一组称为“惰性气体”的元素组成，这些元素在其惰性方面与氮气相似。空气中的惰性气体混合物中氩占99％以上。

再谈 氧 气

当物质在空气或纯氧气中被加热而起反应时，它们生成氧化物。

氧化物是指由氧和其它元素组成的化合物。

实验室制取氧气的一个最好的方法是利用一种称为过氧化氢的不常见氧化物。这种氧化物是一种水溶液，对其加热，可放出氧气。如果在过氧化氢水溶液中加入黑色的氧化锰，可加快放出氧气的速度。氧化锰在化学反应中起催化剂的作用。

催化剂是一种可使化学反应加速进行而自身不消耗的物质。

实验3  氧气的再次实验

实验装置如图5.8所示。小心地给放有黑色氧化锰的试管内加入过氧化氢溶液，一次可加几滴。把放出的氧气收集于五只试管内，并用木塞塞住试管口。

·你认为氧气极易溶于水吗？

把下列元素——木炭（碳）、铁屑或钢丝、锰条、硫粉、锌粉分别放入燃烧匙内加热，直到开始着火燃烧，然后把燃烧匙伸进充满氧气的试管内（图5.9）。

·各元素出现什么现象？

本实验所生成氧化物的详细内容可参阅§15。

大量制取氧气

空气是制取氧气的最廉价的资源。图5.10表明了怎样把氧气与其它气体分离开来而制得纯净的氧气。

首先从空气中除去二氧化碳和水蒸汽，然后让除去了二氧化碳的干空气迅速膨胀，促使它冷却而变成液体，这种液体是液态氧和液态氮的混合物（还有少量的惰性气体）。当蒸馏这种液体时，可首先把较易挥发的氮气（在图5.10中氮气的沸点最低）分离出来。

将氮和氧分离与§1中讲到的使乙醇和水部分分离相似，不过，两个多级蒸馏所用的温度相差很大。

氧气的用途

用上面的方法制取的氧气大部分在炼钢工业上用来烧除钢水中的杂质（§12）。氧气的其它用途是：与一种气体例如氢气或乙炔燃烧产生用于焊接与切割的高温火焰；用于火箭运行，通过与煤油或氢气燃烧产生火箭所需的推力；帮助呼吸。通常情况下，空气中所含的氧气足够呼吸使用，但医院里一些病人却需要输入氧气。此外，登山者和潜水员也需要携带氧气瓶。

习题

1.当放在瓶盖或坩锅内的硫粉在空气中燃烧时，你估计其质量会有什么变化？解释实验结果为何和质量守恒定律不矛盾。

2.把一矩形铜箔对折几次后锤平成“信封”样，然后在空气中对其用大火加热，等冷却后拆开使之恢复成原来形状。

叙述并解释你估计会观察到的现象。

3.在图5.4所示的实验中，蜡烛熄灭后烧杯内还剩有约七分之六的“空气”。问：（a）你原来估计会剩下几分之几的“空气”？（b）解释为何（a）的答案小于七分之六。

4.未加热过的白磷会在空气中缓慢燃烧，因此通常把白磷存放在水中。

描述一个用一小块白磷来证明白磷燃烧时需要20％的空气的实验，并绘出实验装置图。

5.（a）设计可从空气中除去水蒸汽、二氧化碳和氧气的几套装置，并说出除去这几种气所用到的物质。

（b）实验结束后剩下什么气体？如何收集这些气体？

6.我们呼出的气体中约含有17％的氧气，4％的二氧化碳。

（a）氧气和二氧化碳的百分含量与我们吸进的空气中这两种气体的百分含量有何不同？

（b）解释出现这种差异的原因，从而说明为什么呼吸对于维持生命是最重要的。

7.放置在空气中的铁器会慢慢变成深褐色粉末，这就是铁的锈蚀现象。图5.11所示的实验说明了铁生锈的过程。

（a）解释实验结果；

（b）什么物质使得铁的生锈过程与物质的燃烧有共同之处？