空气成分的探究

空气成分的探究（提高）

考纲要求

１．了解空气的主要成分及各成分的性质和主要用途；能根据一些实验事实和现象，证明氧气、水蒸气、二氧化碳及氮气的存在。

２．掌握测定空气中氧气含量实验的原理、装置、操作方法以及注意的问题。

３．了解空气的污染和防治。

知识网络

要点诠释：

1.空气中各成分的含量是体积分数而不是质量分数。

2.空气是一种宝贵的资源。空气中的氧气能供给呼吸和支持燃烧，可用于医疗、飞行、登山、潜水、炼钢、焊接切割金属等。氮气是无色、无味的气体，难溶于水，不支持燃烧，也不能供给呼吸，较难与其他物质发生化学反应，但在一定条件下也能与其他物质发生反应；氮气具有广泛的用途，它是制硝酸和化肥的重要原料；由于氮气的化学性质不活泼，因此常用作保护气，如焊接金属时常用氮气作保护气，灯泡中充氮气以延长使用寿命，食品包装袋内充氮气以防腐。

3.稀有气体是氦、氖、氩、氪、氙等气体的总称。因为化学性质不活泼，过去又叫惰性气体，在生产和科学研究中，稀有气体有广泛的用途。由于稀有气体化学性质不活泼，因此常用作保护气，如焊接金属时用稀有气体来隔绝空气，灯泡中充稀有气体以使灯泡耐用；稀有气体在通电时能发出不同颜色的光，可制成多种用途的电光源。

考点二、空气中氧气含量的测定

法国化学家拉瓦锡用实验的方法研究了空气的组成，并得出空气由氮气和氧气组成，且氧气约占空气的结论。仿照这个历史上著名实验的原理，我们来测定空气中氧气的含量。

１．实验原理：利用4P+5O22P2O5（白色粉末），消耗掉氧气后使容器中气压减小，水被压入容器中，而进入水的体积约等于被消耗氧气的体积。

２．选择反应物的要求：

可燃物必须选用只能与氧气反应，且燃烧后生成物为固体的物质。不能选用木炭、硫等，因为木炭、硫燃烧产生的是气体物质，且与所耗氧气体积相同，使瓶内外气压相等，水不会

倒吸入瓶中。

３．实验装置如右图：

４．实验成功的关键：

（１）红磷必须足量；

（２）装置不能漏气；

（３）集气瓶中预先要加入少量的水；

（４）红磷点燃后要立即伸入集气瓶中，并塞紧胶塞；

（５）待红磷熄灭并冷却后，打开弹簧夹。

５．实验误差分析：

（1）进入瓶中水的体积一般小于瓶内空间的可能原因是：

ａ．红磷的量不足，使瓶内氧气未消耗尽；

ｂ．胶塞未塞紧，使外界空气进入瓶内（即装置气密性不好）；

ｃ．未冷却至室温就打开弹簧夹，使进入瓶内水的体积减少。

（2）进入瓶中水的体积一般大于瓶内空间的可能原因是：

a．如果选择的物质除了与氧气反应外，还可以与空气中其它成分反应；

ｂ．红磷点燃后燃烧匙没有迅速伸入集气瓶，会使集气瓶中部分气体逸出瓶外；

c、点燃红磷前未用弹簧夹夹紧乳胶管，部分气体受热膨胀后从导管逸出。

６．其它常见变形装置：依据测定空气中氧气体积含量的实验原理，除了使用课本上提供的实验装置之外，还可以设计下图所示的装置进行实验（注：白磷的着火点为40℃）。

要点诠释：

1.空气的组成以氮气和氧气为主，属于混合物。氮气的含量最多，约占空气体积的五分之四，其次是氧气，约占空气体积的五分之一。稀有气体的含量在我们的印象中最少，实际上比空气中二氧化碳的含量多30多倍。

2.测定空气中氧气含量实验应注意事项：

（1）红磷必须过量。如果红磷的量不足，则不能将密闭容器内空气中的氧气完全反应掉，密闭容器内水面不能上升到原气体体积的1/5，导致测得空气中氧气的体积分数偏小。

（2）实验装置的密封性要好。如果密封性不好，则密闭容器外的空气会进入密闭容器内，导致所测得的氧气体积分数偏小。

（3）不能用硫、木炭、铁丝等代替红磷。因为硫或木炭燃烧后产生的气体会弥补反应所消耗氧气的体积，铁丝在空气中不能燃烧，导致密闭容器内水面不会上升。

考点三、空气的污染防治

１．空气的污染物

２．城市空气质量日报：主要内容包括“空气污染指数”、“首要污染物”、“空气质量级别”等。目前计入空气污染指数的项目暂定为：SO2、CO、NO２、可吸入颗粒物和臭氧等。空气质量级别有优、良好、轻度污染、中度污染和重度污染等几类。

要点诠释：

1.空气是我们赖以生存的重要物质，随着工业的发展，排放到空气中的有害气体和烟尘对空气造成了污染，其中污染空气的主要气体有二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等。这些污染物主要来源于化石燃料的燃烧和工厂废气的排放。污染了空气损害人体健康，影响作物生长，破坏生态平衡。所以我们要保护空气，要从自身做起，应采取：消除污染源；使用洁净能源；工厂废气经处理达标到环保标准后再排放；植树、造林、种花、种草等措施。

2.二氧化碳是空气中的固有成分，虽然空气中二氧化碳含量的增加能引起温室效应，但二氧化碳不是污染空气的物质；二氧化碳是绿色植物进行光合作用的必需物质之一，是地球上碳氧循环的重要组成部分，没有二氧化碳，地球上的动植物生命就难以存在。

典型例题

类型一、考查空气的主要成分及其体积分数

1．下列有关空气各成分的说法正确的是（）

A.氧气的化学性质比较活泼，属于可燃物

B.氮气的化学性质不活泼，可用于食品防腐

C.空气质量报告中所列的空气质量级别越大，空气质量越好

D.二氧化碳在空气中含量增多会引起温室效应，属于空气污染物

答案与解析

【思路点拨】知道空气中各成分的性质和用途。

【答案】B

【解析】氧气能支持燃烧但不能燃烧，空气质量级别越大，空气质量越差，二氧化碳虽然能引起温室效应，但不属于污染物。

【总结升华】注意不要将氧气的助燃性，错误理解为可燃性，从而认为氧气是可燃物。二氧化碳含量增多会引起温室效应，但是不属于空气污染物，空气污染物是指空气中没有的物质，存在时造成人和生物的生存不适。

管倒立于盛有水（室温）的水槽中（如下图乙所示），并在水中将橡皮塞取下。

【思路点拨】此题考查实验方案的设计和评价，是中考的热点题型。解题时要从装置、操作、结果等方面进行对比分析，找到实验1和实验2的优缺点。

【答案】

（1）防止空气进入试管，使测定结果偏低

（2）乙在实验1中，点燃红磷后伸入集气瓶中，会排出瓶内少量空气

【解析】在实验1中，将点燃的燃烧匙伸入瓶内时，放出的热会将瓶内的部分空气赶出瓶外。待冷却后打开止水夹，进入集气瓶水的体积大于1/5，使空气中氧气含量的测定结果大于21%。

【总结升华】掌握空气中氧气含量测定的实验原理、装置、操作方法以及误差分析是解题的基础。

5.某同学设计了测定空气中氧气含量的实验，实验装置如下图所示。

该同学的实验步骤如下：

①将图中的集气瓶分为5等份，并做好标记；

②在带橡皮塞和导管的燃烧匙内装入足量的红磷，将导管上的止水夹夹紧，在酒精灯上点燃红磷，并立即伸入集气瓶内，塞紧橡皮塞；

③充分反应后，待集气瓶冷却至室温，打开止水夹。

请回答下列问题：

（1）该实验中红磷须稍过量，目的是________________。

（2）步骤③中，打开止水夹后观察到的现象是_______，由此可得出空气中氧气的体积分数约为______。

（3）磷在空气中燃烧生成的氧化物通常可做强干燥剂。已知在标准状况下，32g氧气的体积是22.4L，在该条件下，制备71g这种干燥剂所消耗的空气的体积约为

________________ L。

答案与解析

【思路点拨】测定空气中氧气含量的原理是消耗氧气使装置内外产生压强差，水被倒吸入集气瓶内（占据氧气的空间），从而达到测定氧气体积含量的目的。红磷过量，可使集气瓶中的氧气完全消耗。

【答案】

4P+5O22P

氧气的体积为：=28L

÷= 140L

A．尾气不会对空气造成污染

B．每月少开一天车不会减少汽车尾气的排放

C．汽车尾气中只含有CO2和H2O

D．“为首都多一个蓝天”是每个市民的职责

（4）SO2气体是空气的主要污染物，该气体可用氢氧化钙悬浊液吸收，生成难溶于水的亚硫酸钙（CaSO3）和水。请写出该反应的化学方程式________________。

（5）想一想，请说出厦门空气主要污染物的一个来源________________；为改善厦门的空气质量，保护蓝色美丽的天空，请提出你的一个建议________________。

答案与解析

【思路点拨】本题所给的信息多，具有一定的干扰性。我们要仔细读题，再结合教材上介绍的空气质量日报、空气污染的危害及防止污染的措施来解题。

【答案】

（1）④

（2）B D

（3）D

（4）SO2+Ca(OH)2 = CaSO3↓+H2O

（5）粉尘多植树

【解析】空气质量级别分为五级，Ⅰ级到Ⅴ级（即优、良好、轻度污染、中度污染和重度污染）空气质量越来越差；污染物暂定为：SO2、CO、NO2、可吸入颗粒物和臭氧等；污染物主要来源于矿物质不完全燃烧，化工厂的废气，汽车的尾气等。

【总结升华】空气质量日报中的“首要污染物”包括二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、粉尘（可吸入颗粒物）和臭氧等。二氧化碳不是空气质量日报中的污染物，但二氧化碳过多会造成温室效应。

巩固练习

一、选择题 (每小题只有一个选项符合题意)

1.在通常情况下空气中各种成分的含量保持相对稳定，其中体积分数约为21%的气体是（）

A.N2

B.O2

C.CO2

D.H2O

2.我省从今年3月30日起，统一发布PM2.5检测数据。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，它们直径小，富含大量有害物质，且在大气中停留时间长，对人体健康影响很大。下列情况不会增加空气中PM2.5的

是（）

A．露天焚烧秸秆 B．利用太阳能发电C．汽车排放尾气 D．直接用煤作燃料

3.（2012年江苏）苏州博物馆最近启用新购置的“真空充氮杀虫灭菌消毒机”来处理和保护文物。即将文物置于该机器内，三天后氮气浓度可达99.99%；再密闭三天左右，好氧菌、厌氧菌和丝状霉菌都被杀灭。下列有关氮气说法错误的是（）

A.通常状况下氮气易溶于水

B.氮气不能供给呼吸

C.通常情况下氮气的化学性质不活泼

D.高浓度氮气可抑制菌类的生长

4.（2012年甘肃）下列关于氧气的说法中正确的是（）

A 氧气在低温、高压的条件下可以转化为液体或者固体

B 空气中氧气的质量分数约为21%

C 氧气的化学性质比较活泼，是可燃物

D 因为氧气与氮气的密度不同，所以工业上用分离液态空气法制取氧气

5.（2012年广东）空气是一种宝贵的自然资源，下列气体不可直接从空气分离获得的是（）

A．用作医疗急救的氧气B．用作焊接保护气的稀有气体

C．用作食品防腐剂的氮气D．用作清洁燃料的氢气

6.（2012年安微省）我省环保部门按新修订的《环境空气质量标准》，着力做好细颗粒物(PM2.5)和臭氧（O3)等新增指标的监测。下列说法正确的是（）

A．直接焚烧植物秸秆不会造成大气污染B．吸入细颗粒物对人体健康没有危害

C．化学在环境监测和保护中起重要作用D．臭氧(03)是一种氧化物

7.（2012年山东烟台）下列关于空气成分的说法错误的是（）

A.氧气约占空气体积的21%

B.饼干在空气中变软是因为空气中含有水蒸气

C.稀有气体通电发光是化学变化

D.空气中的氧气主要来自植物的光合作用

8.（2012年山东）下列物质中含有氧分子的是（）

A．空气 B．二氧化碳 C．纯净水 D．高锰酸钾

9.如图所示，某同学为验证空气中含有少量二氧化碳，将大针筒内的空气一次性压入新

制的澄清石灰水，发现石灰水没有变化。据此，你认为该同学应该（）A．得出空气中没有二氧化碳的结论

B．得出空气中含有少量二氧化碳的结论

C．继续用大针筒向澄清石灰水压入空气

D．撤去大针筒，用嘴向澄清石灰水吹气

10.下列有关空气各成分的说法正确的是（）

A．氧气的化学性质比较活泼，属于可燃物

B．氮气的化学性质不活泼，可用于食品防腐

C．空气质量报告中所列的空气质量级别越大，空气质量越好

D．二氧化碳在空气中含量增多会引起温室效应，属于空气污染物

11.下列说法不正确的是（）

A.空气中稀有气体的体积分数约为0.94％

B.常用氮气作食品保护气，是由于氮气的化学性质不活泼

C.凡是无色、澄清透明的液体都是溶液

D.稀有气体又叫惰性气体，是因为其化学性质不活泼，可用作保护气

二、填空题

12.2012年2月29日，我国发布新修订的《环境空气质量标准》，新标准增加了PM2.5检测指标。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，主要来自化石燃料的燃烧和扬尘，对人体健康和空气质量的影响很大。

（1）计入空气污染指数的项目中除了可吸入颗粒物外，还包括_______（填序号）

①CO ②CO2③SO2 ④NO2

（2）以下不属于化石燃料的是_________（填序号）

①天然气②石油③酒精④煤

（3）我市从4月1号起所有机动车都要进行尾气检测，其中包括PM2.5的检测。汽油燃烧产生的颗粒物主要

是__________，这是汽油________燃烧产生的。

（4）下列关于PM2.5的说法错误的是____________（填序号）。

①燃放烟花爆竹会产生PM2.5；②PM2.5是造成灰霾天气的“元凶”之一

③PM2.5的颗粒大小与分子大小差不多；④PM2.5专用口罩使用了活性炭，是利用了活性炭的吸附性。

13.（2012年山东）随着工业的迅速发展和化石燃料的大量使用,排放到空气中的有害气体大大增加.其中,一种气体(与二氧化碳性质相似,能与水和碱反应)是酸雨的主要成分,

该气体是_____,酸雨形成的原因是_______,工业上常用石灰乳吸收这种气体,原理为

___________。(用化学方程式表示)

14.在大自然中，CO2与O2能相互转换，以保持空气成分相对稳定。

（1）空气中氧气的体积分数约为___________；大气中二氧化碳含量增多会导致

___________效应。

（2）植物通过光合作用，可将二氧化碳转化为氧气，光合作用的化学方程式为：6CO2

＋6X＝C6H12O6＋6O2，则X的化学式为___________。

三、实验题

15.（2012年四川）为测定空气里氧气的含量，甲、乙、丙三个同学用如图所示的装置分别进行了实验探究。

（1）甲同学：点燃红磷立即伸入瓶中并塞上瓶塞。待红磷燃烧停

止并冷却后，打开止水夹，观察到集气瓶中吸入水的体积约占集气瓶容

积的___________。

（2）乙同学：用碳替代红磷，完成上述实验，发现集气瓶内并没

有吸入水，其原因是___________。

（3）丙同学：向集气瓶中加入少量的___________溶液，然后完成

乙同学的实验，得到了与甲同学相同的实验结果。

16.同学们在老师的指导下，用图A所示装置测定空气中氧气的含量。

（1）实验时，取下橡胶塞，点燃红磷迅速伸入集气瓶中并塞紧橡胶塞，这时看到的现象是___________。

（2）小倩设计了如图B所示的改进装置，其优点是___________（只写一点）。从理论上分析，玻璃管内液面最终将上升至___________ 处（填1、2、3、4），但实验测结果液面往往偏低，其原因可能是___________。

1.

【答案】B

【解析】空气的成分按体积分数计，氮气约占78%，氧气约21%。

2.

【答案】B

【解析】PM2.5属于大气污染物中的可吸入颗粒，太阳能发电不会造成大气污染，不会增加空气中PM2.5。

3.

【答案】A

【解析】氮气常温下是一种无色、无味气体，难溶于水，化学性质稳定，不能供给呼吸。

4.

【答案】A

【解析】空气中氧气的体积分数约为21%，不是指质量分数约为21%；氧气具有助燃性，不是可燃物；由于液态氧与液态氮的沸点不同，工业上常用分离液态空气方法获取氧气。

5.

【答案】D

【解析】空气的成分中不含氢气，所以无法从空气中分离得到氢气。

6.

【答案】C

【解析】PM2.5属于吸入颗粒中的一类，会影响人体健康，焚烧秸杆也会产生PM2.5，臭氧是一种单质。

7.

【答案】C

【解析】稀有气体的化学性质很稳定，稀有气体通电发光属于物理变化。

8.

【答案】A

【解析】空气中含有氧气，所以含有氧分子；二氧化碳由二氧化碳分子构成，不含氧分子；纯净水由水分子构成，高锰酸钾由高锰酸根离子和钾离子构成，也不含氧分子。

9.

【答案】C

【解析】选项D首先可以排除，因为用嘴吹入的气体不再是空气，无论现象如何，都无法得出空气中二氧化碳的含量情况。由于空气中二氧化碳的含量较低，所以一次通入少量空气时，可能无法观察到

石灰水变浑浊现象，需要继续通入空气再观察现象。

10.

【答案】B

【解析】氧气具有助燃性，不具可燃性；空气质量级别越大，空气质量越差；二氧化碳没有毒性，不属于空气污染物。

11.

【答案】C

【解析】溶液的基本特征是均一、稳定的混合物。蒸馏水虽然是无色、澄清透明的液体，但它为纯净物，所以蒸馏水不是溶液。

12.

【答案】（1）①③④（2）③（3）碳不完全（4）③

【解析】空气污染物主要有有害气体（一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等）和可吸入颗粒。煤、石油和天然气常称为三大化石燃料。PM2.5属于大气污染物中的可吸入颗粒，汽油不完全燃烧会产生碳等颗粒，使空气PM2.5增大；PM2.5的大小比分子大多了；从PM2.5的成因可知，使化石燃料完全燃烧或开发新能源有利于PM2.5的治理，植树造林或加强工业废气的处理也有助于PM2.5的治理。

13.

【答案】

二氧化硫含硫或含氮的氧化物排放到空气中，和水蒸气结合生成酸，使所降雨水的酸性较强

SO2+Ca(OH)2=CaSO3↓+H2O

14.

【答案】（1）21% 温室（2）H2O

【解析】

本题考查了空气的成分及质量守恒定律的具体运用。

（1）空气中各成分按体积分数计算，氧气约占21%，氮气约占78%。二氧化碳、甲烷等在空气中的含量增多会导致温室效应。

（2）根据质量守恒定律，在化学反应前后原子的种类和个数保持不变，即可确定X的化学式为H2O

15.

【答案】（1）（2）碳燃烧生成物是二氧化碳气体，瓶内气压不变（3）NaOH

【解析】

因为红磷燃烧消耗空气中的氧气，氧气约占空气体积的，故集气瓶中吸入水的体积约占集气瓶容积的；测空气中氧气的含量主要是根据物质燃烧消耗空气中的气体造成气压减

小，减小的体积就是氧气的体积，故不能有气体生成，用碳代替红磷，碳燃烧生成物是二氧化碳气体，瓶内气压不变，故不会进入水；乙同学要想得到正确的实验结论必须消耗掉生成的二氧化碳气体，故可选择氢氧化钠溶液吸收二氧化碳。

16.【答案】

（1）红磷继续燃烧，生成大量白烟

（2）不污染空气或操作简便或实验误差较小 1 白磷量不足或未冷却到室温就观察

【解析】

（1）红磷具有可燃性，集气瓶中有一定量空气，所以红磷会继续燃烧。

（2）从改进的装置来看，其实验效果应该更明显，操作相对简便，实验的误差更小。由于氧气占空气体积的五分之一，玻璃管内的液面最终会上升至1处；如果实验结果偏低，原因主要是白磷不足或玻璃管未冷却到室温就进行观察。