氧气的制取教学课件

氧气的制取氧气是生命活动必不可少的气体，它在空气中的含量约为作为地21%球上最重要的元素之一，氧气在生物呼吸、工业生产和科学研究中都扮演着至关重要的角色本教学课件将详细介绍氧气的物理化学性质，以及在实验室和工业中的制备方法我们将深入探讨相关的化学反应原理，学习氧气的安全收集与检验技术，并了解氧气在医疗、工业和日常生活中的广泛应用课程目标了解氧气特性制备方法掌握掌握氧气的基本物理化学性质，包括其在自然界中的分熟练掌握实验室中制取氧气的多种方法，包括加热高锰布、物理状态和化学活性等特征酸钾、氯酸钾和分解过氧化氢等技术理解反应原理安全操作技能深入理解氧气制备过程中的化学反应原理，掌握相关化学方程式和反应条件氧气基本介绍物理状态溶解性质氧气是一种无色无味的气体，氧气微溶于水，其溶解度随温在标准状态下略微带有淡蓝度升高而降低这一特性使得色它的密度比空气略大，这水生生物能够从水中获取氧气一特性对于实验室收集方法的进行呼吸，也是排水集气法可选择有重要意义行的理论基础化学特性氧气能够支持燃烧但本身不燃烧，是一种良好的氧化剂它与多种元素和化合物反应，形成氧化物，这是地球上许多自然过程的基础氧气的发现历史年1774瑞典药剂师和化学家卡尔威廉舍勒（··Carl Wilhelm）首次发现了氧气，他通过加热二氧化锰和硝酸钾的Scheele混合物制得了这种气体，并称之为火气年1775英国科学家约瑟夫普利斯特利（）独立发现·Joseph Priestley了氧气他通过聚焦阳光加热氧化汞，观察到了一种能使蜡烛更亮地燃烧的气体，并发表了相关研究年1777法国化学家安托万拉瓦锡（）确定氧气为·Antoine Lavoisier元素，并从希腊语酸的生成者（）为其命名，因为他oxys错误地认为所有酸都含有氧元素氧气在自然界中的分布大气层地壳氧气在地球大气中占约的体积，是大21%氧元素在地壳中的含量约为，主要以47%气中含量第二高的气体，仅次于氮气大各种氧化物和硅酸盐等化合物形式存在，气中的氧气主要来源于绿色植物的光合作是地壳中含量最丰富的元素用水体生物体在水分子中，氧元素占据的质量比

88.9%氧是生物体内含量最多的元素之一，以例海洋、湖泊等水体中也溶解有一定量水、蛋白质、碳水化合物等形式存在，参的氧气，为水生生物提供生存所需的氧与生命活动的各种生化反应过程气氧气的物理性质物理状态热力学参数溶解性能在标准状况下（1个大气压，0℃），•密度

1.429g/L0°C，1atm氧气在水中的溶解度为30mL/L氧气为无色无味的气体当温度降至（）随着温度升高，溶解度降20°C•沸点-183°C极低时，氧气会变成淡蓝色的液体，低；随着压力增加，溶解度增加，符•熔点-

218.8°C进一步降温则会形成蓝色的固体合亨利定律•临界温度-

118.6°C氧气的这种状态变化反映了分子间作正是由于氧气能够溶解在水中，水生•临界压力

5.04MPa用力随温度变化的规律，也是工业上生物才能通过鳃等呼吸器官从水中获分离空气中氧气的理论基础取氧气进行生命活动氧气的化学性质概述强氧化性能与多种元素和化合物发生氧化反应放热反应与还原性物质反应通常放出大量热多样化合物能形成氧化物、过氧化物、超氧化物等反应活性常温下活性适中，高温下活性显著增强氧气的化学性质主要表现为其强氧化性，能与多数元素直接反应形成氧化物这些反应通常伴随着能量释放，表现为燃烧现象氧气的化学活性受温度影响明显，温度升高会加速反应进行氧气参与的反应是地球上能量转换的重要方式，从生物体内的呼吸作用到工业上的燃料燃烧，都涉及氧气的氧化反应理解氧气的化学性质对于安全使用氧气和研究相关反应具有重要意义氧气与金属的反应活泼金属钠、钾等在常温下即可剧烈反应次活泼金属镁、铝、锌等需轻微加热即可反应中等活泼金属铁、铜等需要持续加热才能反应惰性金属金、铂等贵金属不与氧气反应金属与氧气反应的活泼性顺序与金属活动性顺序大致相符活泼金属与氧气反应时常伴随着明亮的火焰和大量热量释放例如，钠在氧气中燃烧产生黄色火焰，镁燃烧时产生耀眼的白光金属与氧气反应的通式为2M+O₂→2MO（M代表金属元素）但实际上，根据金属的化合价不同，可能形成不同类型的氧化物，如Na₂O、MgO、Al₂O₃、Fe₂O₃等这些氧化物的性质各不相同，有的呈碱性，有的呈两性或酸性氧气与非金属的反应非金属元素反应条件化学方程式反应现象碳（C）点燃C+O₂→CO₂无色火焰，放热硫（S）点燃S+O₂→SO₂蓝紫色火焰，产生刺激性气体磷（P）点燃4P+5O₂→2P₂O₅白色强光，产生白烟氢（H₂）点燃或高温2H₂+O₂→2H₂O淡蓝色火焰，爆鸣声非金属元素与氧气反应通常需要一定的引发条件，如加热或点燃反应过程中会释放能量，表现为燃烧现象不同非金属燃烧时呈现不同的火焰颜色和反应现象，这些特征可用于元素的定性识别非金属与氧气反应生成的氧化物大多具有酸性，溶于水后能形成相应的酸例如，SO₂溶于水生成亚硫酸（H₂SO₃），CO₂溶于水生成碳酸（H₂CO₃），P₂O₅溶于水生成磷酸（H₃PO₄）这些酸在环境科学和工业生产中具有重要意义实验室制取氧气的方法高锰酸钾分解法氯酸钾催化分解法过氧化氢分解法通过加热高锰酸钾加热氯酸钾在二氧化锰催化下，（₄）使其分（₃）和二氧化过氧化氢（₂₂）KMnO KClOH O解产生氧气这种方锰（₂）的混合常温下即可分解产生MnO法操作简便，反应平物，利用催化作用降氧气和水这种方法稳，产生的氧气纯度低反应温度，提高反操作安全简便，适合较高，但原料成本相应速率这是实验室课堂演示实验，但产对较高中最常用的制氧方生的氧气量较少法选择制取氧气的方法时，需要考虑多种因素，包括实验目的、设备条件、安全要求、成本效益以及对氧气纯度和产量的需求不同方法各有优缺点，应根据实际情况灵活选择方法一加热高锰酸钾反应原理方法优缺点高锰酸钾在加热条件下分解为锰酸钾、二氧化锰和氧气•优点反应平稳可控，氧气纯度高，操作相对简单•优点无需催化剂，反应产物无毒₄△₂₄₂₂2KMnO→K MnO+MnO+O↑•缺点高锰酸钾价格较高，实验成本增加这一反应通常在约开始进行，随着温度升高反应速率200°C•缺点需要较高的温度才能维持反应加快反应过程中，紫色的高锰酸钾晶体会逐渐变成深褐色的固体混合物高锰酸钾分解法适用于对气体纯度要求较高的实验由于反应过程平稳，热量释放较缓慢，安全性较好，是初级化学教学中比较理想的制氧方法但需注意控制加热温度，避免过热导致反应过快方法一实验装置图解试管与固定装置选用耐热硬质玻璃试管，使用试管夹固定在铁架台上试管夹应夹在试管上部，与试管口保持一定距离，避免热传导损坏橡胶塞试管倾斜放置，使试管口略微向下，防止回流导管与密封系统使用带有弯头的导管，一端通过单孔橡胶塞与试管连接，保证气密性导管另一端延伸到集气瓶底部，用于收集氧气导管材质应选择耐热且不易变形的硬质玻璃或硅胶管集气装置采用排水集气法，将装满水的集气瓶倒置在水槽中，导管插入瓶口下方随着氧气的产生，水被排出，瓶中充满氧气可准备多个集气瓶依次收集气体，确保实验连续性整个装置的气密性是实验成功的关键在开始加热前，应检查所有连接处是否密封良好同时，确保试管中的高锰酸钾分布均匀，避免局部过热导管不宜过长，以减少气体在传输过程中的损失方法一操作步骤准备试剂取适量干燥的高锰酸钾晶体（约占试管容积的1/5），放入干燥的硬质试管中确保试剂纯净无杂质，避免可能的爆炸风险装置组装将单孔橡胶塞与导管连接，插入试管口并确保密封良好将导管另一端插入装满水的集气瓶中，集气瓶应倒置在水槽中，瓶口完全浸入水中加热分解使用酒精灯或本生灯从试管底部开始均匀加热，先缓慢后逐渐增强观察到导管出口有气泡产生时，表明反应已经开始前期产生的少量气体（可能含有空气）应排放掉收集气体待气泡均匀稳定产生后，将导管插入倒置的集气瓶中收集氧气当一瓶集满后，可迅速更换另一瓶继续收集集满的瓶子应在水中用玻璃片盖住瓶口，取出后立即倒置放置整个实验过程中，应密切观察反应情况，控制加热强度如果气体产生过快，应适当减弱加热；如果气体产生减慢，可稍微增强加热实验结束时，应先移开集气瓶，再停止加热，避免因压力差导致的回流现象方法一注意事项试剂纯度要求高锰酸钾应干燥无杂质，特别是不能混有可燃性物质使用前可在干燥器中存放，防止潮解使用分析纯试剂可提高气体纯度和反应安全性加热技巧加热应从试管底部开始，并沿试管缓慢移动，确保均匀加热避免局部过热导致试管爆裂先小火预热，待反应开始后再调整火力，控制气体产生速率安全防护实验过程中应佩戴安全眼镜，试管口不得对着人加热时避免俯视试管，防止可能的喷溅伤人实验室应保持通风良好，避免氧气富集造成火灾隐患防止回流实验结束时，应先移开集气瓶，再停止加热，防止因冷却导致的负压使水倒吸入试管，造成试管破裂如果需要中断实验，也应先断开导管与水的接触在高锰酸钾制氧实验中，特别需要注意防止有机物污染，因为高锰酸钾是强氧化剂，与有机物接触可能引发剧烈反应甚至爆炸实验后的废液和残渣应按规定处理，不可随意丢弃方法二氯酸钾与二氧化锰反应原理催化机理氯酸钾在加热条件下分解产生氧气和氯化钾二氧化锰的催化作用主要是通过提供活性表面，降低反应的活化能，从而加速反应进行催化剂的使用使得反应温度从₃△₂2KClO→2KCl+3O↑纯氯酸钾分解所需的左右降至左右400°C150°C二氧化锰作为催化剂，能显著降低反应所需温度（约150°C值得注意的是，二氧化锰只改变反应速率，不改变反应的化即可反应），并使反应速率更加均匀可控二氧化锰本身在学平衡和反应热反应前后化学性质不变氯酸钾与二氧化锰混合制取氧气是实验室中最常用的方法，具有产气量大、反应温度低、操作简便等优点二者的最佳质量比约为（氯酸钾二氧化锰），过多的催化剂会导致反应放热不均10:1:然而，这种方法也存在一定安全风险氯酸钾是强氧化剂，若与还原性物质混合可能引发爆炸因此在操作过程中必须严格控制混合物的纯度和加热条件，确保实验安全方法二实验装置示意110:1实验仪器最佳配比硬质玻璃试管、单孔橡胶塞、导管、集气瓶、水氯酸钾与二氧化锰的质量比约为10:1，这个比例能槽、铁架台、试管夹、酒精灯或本生灯、坩埚钳确保催化效果最佳，反应平稳可控℃150反应温度在二氧化锰的催化作用下，氯酸钾在约150℃开始分解，远低于无催化剂时的温度实验装置与高锰酸钾制氧基本相似，主要区别在于反应物和加热控制试管中放入氯酸钾和二氧化锰的混合物，试管应保持倾斜状态，使试管口略向下，防止水蒸气回流导管应确保气密性良好，避免气体泄漏混合物应均匀分布在试管底部，避免堆积过厚加热时应特别注意控制温度，避免局部过热由于催化反应的特性，一旦反应开始，可能会自持进行并放出大量热，因此应随时准备好移开热源，防止反应失控方法二操作要点试剂准备温度控制分别称取适量的氯酸钾和二氧化锰，按约开始时小火均匀加热试管底部，当混合物的质量比混合混合时应使用干净的开始熔化且有气泡产生时，减小火力避10:1研钵轻轻研磨，确保均匀但不要过度用力免温度骤升导致反应剧烈残留物处理观察判断实验结束后，等试管冷却，将残留物（主通过气泡产生速率判断反应情况，气泡均要为氯化钾和二氧化锰）按规定处理可匀稳定为宜当气泡产生速率明显减慢且用水溶解氯化钾，过滤回收二氧化锰混合物呈现白色时，表明反应接近完成在操作过程中，试剂的纯度和混合均匀度直接影响实验的安全性和氧气的纯度混合时应在干燥环境中进行，避免水分引入研磨时力度要适中，过度研磨可能因摩擦生热引发局部反应加热应遵循由弱到强，由局部到整体的原则，随时观察反应情况调整火力当发现反应过于剧烈时，应立即移开热源，待反应减缓后再继续加热整个过程中保持警惕，确保实验安全进行方法二安全警示严控温度氯酸钾是强氧化剂，加热温度过高可能导致爆炸性分解应严格控制加热温度，避免局部过热反应一旦开始，应随时准备移开热源，防止反应失控防止污染氯酸钾与有机物或还原性物质（如糖、硫、木炭等）混合可能引起爆炸实验中使用的器材必须清洁干燥，禁止使用有机物质（如橡皮管）直接接触热的混合物试剂纯度必须使用分析纯试剂，尤其是催化剂二氧化锰应确保不含碳质杂质严禁使用含碳物质（如二氧化锰矿石）代替纯二氧化锰，否则可能导致剧烈爆炸正确操作试管不宜装填过满，混合物高度不超过试管长度的1/5加热时试管口不得对着人，应佩戴防护眼镜混合物的研磨要轻柔，避免因摩擦生热引发反应氯酸钾制氧实验虽然高效，但潜在危险性较大历史上曾发生多起因操作不当导致的实验室爆炸事故因此，教师在演示或指导学生实验时必须强调安全意识，严格按照操作规程进行，确保实验安全方法三过氧化氢分解反应原理过氧化氢（双氧水，H₂O₂）在二氧化锰催化下分解产生水和氧气2H₂O₂MnO₂→2H₂O+O₂↑这是一个放热反应，在常温下即可进行，不需要外部加热二氧化锰作为催化剂，能显著加速反应但本身不参与反应，反应前后质量和化学性质不变方法三实验装置过氧化氢分解制氧的实验装置主要由四部分组成反应容器（通常为玻璃烧瓶或锥形瓶）、滴液漏斗、导气管和集气装置滴液漏斗用于控制过氧化氢溶液的滴加速率，确保反应平稳进行导气管将产生的氧气引导至集气瓶中，通常采用排水集气法收集与前两种方法不同，这种装置无需加热，因此不需要耐热材料滴液漏斗的活塞应调节适当，确保液体滴加速率可控烧瓶中应放入适量的二氧化锰粉末（约占烧瓶容积的），以提供足够的催化表面积整个装置的气密性要好，防止氧气泄漏，影响收集效率1/10方法三操作流程装置准备在干净的烧瓶中放入适量二氧化锰粉末（约2-3克）安装好滴液漏斗、导气管和集气装置，检查气密性确保滴液漏斗的活塞处于关闭状态加入过氧化氢将3%-6%的过氧化氢溶液（约50-100mL）倒入滴液漏斗中缓慢打开活塞，控制溶液以适当速率滴入烧瓶，观察反应情况观察反应溶液滴入后，会立即观察到二氧化锰表面产生大量气泡，这些气泡随导气管进入集气瓶同时，反应混合物温度会升高，表明反应放热收集气体通过排水集气法收集产生的氧气当一个集气瓶充满后，可更换下一个继续收集氧气收集完毕后，应及时用玻璃片盖住瓶口，倒置保存整个操作过程中，最关键的是控制过氧化氢的滴加速率滴加过快会导致反应剧烈，产生大量气泡可能造成溶液喷溅；滴加过慢则会降低气体收集效率通常应根据气泡产生的情况调整滴加速度，保持气泡均匀稳定产生工业制取氧气的方法空气液化分离法工业上最主要的制氧方法，适合大规模生产水电解法同时获得高纯度氢气和氧气，能耗较高变压吸附法利用分子筛在不同压力下对气体吸附能力的差异工业制氧方法的选择主要取决于需求规模、纯度要求和成本考虑空气液化分离法是最经济的大规模制氧方法，可同时获得氮气、稀有气体等副产品，但设备投资大，能耗较高水电解法产氧纯度高，但能耗更大，主要用于需要同时获得高纯氢气和氧气的场合变压吸附法（）是一种较新的技术，适用于中小规模制氧，设备投资小，操作灵活，但氧气纯度和产量有限近年来，膜分离技术也开始PSA应用于氧气制备，具有能耗低、操作简便等优势，但目前纯度和规模仍有局限空气液化分离法原理空气压缩与净化空气经过滤除去灰尘、水分后被压缩至约200个大气压，然后通过分子筛去除二氧化碳、水蒸气等杂质净化过程确保后续低温系统不会被杂质堵塞或造成安全隐患预冷与热交换净化后的高压空气在热交换器中与回流的低温气体交换热量，温度逐渐降低这一过程采用逆流热交换原理，大大提高了能量利用效率，降低系统能耗膨胀制冷预冷后的空气通过膨胀机或节流阀急剧膨胀，温度骤降至约-190°C，部分液化这一过程利用了焦耳-汤姆逊效应，即气体绝热膨胀时温度降低的原理精馏分离液化空气进入精馏塔，利用氧气（沸点-183°C）和氮气（沸点-196°C）沸点差异进行分离在适当温度和压力条件下，氮气优先气化上升，氧气富集在液相中，最终分别从塔顶和塔底获得高纯度的氮气和氧气空气液化分离技术是一个能量和质量高度集成的系统，现代工厂通常采用双塔或多塔结构，提高分离效率这种方法不仅可以生产氧气和氮气，还能回收氩、氖、氪、氙等稀有气体，大大提高了空气资源的利用价值水电解法基本原理电解装置水电解法利用电能使水分解为氢气和氧气，反应方程式为典型的水电解装置由阳极（产生氧气）、阴极（产生氢气）、电解质（通常为碱性溶液如）和隔膜（防止气体KOH混合）组成根据电解质和工作温度，主要分为碱性电解、₂电解₂₂2H Ol→2H g+O g质子交换膜电解和固体氧化物电解三种技术在标准条件下，电解摩尔水需要千焦的能量实际工

1237.1现代电解装置通常采用高效电极材料、先进隔膜和优化设业过程中，由于电阻、极化等因素，能耗会更高计，以提高能效和降低成本水电解法生产氧气的最大优势是产品纯度高（可达），同时获得的氢气也是高纯度的这种方法特别适用于需要同时

99.999%使用高纯氧气和氢气的场合，如航天工业、特种冶金等然而，水电解法的主要缺点是能耗高，成本较大近年来，随着可再生能源发展，将过剩的风电、太阳能电力用于水电解制氢储能，并副产氧气的模式开始受到关注，为这一技术带来了新的应用前景气体的收集方法收集方法适用气体原理优缺点排水集气法难溶于水的气体利用气体置换水操作简便，气体纯度高向上排空气法密度小于空气的气体利用气体上浮性质简单快捷，但纯度较低向下排空气法密度大于空气的气体利用气体下沉性质适用于氧气等，操作简便选择合适的气体收集方法需要考虑气体的性质（溶解度、密度）、实验条件和所需气体的纯度对于氧气，由于其难溶于水且密度略大于空气，既可使用排水集气法，也可使用向下排空气法收集在教学实验中，排水集气法更为常用，因为它能更直观地观察气体的产生量排水集气法原理与适用范围排水集气法基于气体置换液体的原理，适用于难溶或微溶于水的气体，如氧气、氢气、氮气、甲烷等这种方法能直观显示气体产生量，且收集的气体相对纯净，不含空气杂质装置准备需要水槽、集气瓶、导气管和支架水槽中装入适量水，集气瓶完全充满水后倒置于水槽中，瓶口完全浸没于水下导气管一端连接气体发生装置，另一端插入集气瓶口下方操作过程当气体从导气管进入集气瓶时，会逐渐置换出瓶中的水随着气体不断产生，水位逐渐下降，直至集气瓶中充满气体当瓶中水完全被排出时，表明收集完成气体保存收集满气体的瓶子仍保持倒置状态，在水中用玻璃片或表面皿盖住瓶口，然后将瓶子转正取出取出后的气体瓶应保持瓶口向上，防止气体因密度差而逸出在使用排水集气法时，应注意导气管出口要深入集气瓶内部，但不要太靠近瓶底，以免气泡上升受阻对于溶解度较大的气体（如氨气、氯化氢等），应使用饱和溶液代替纯水，以减少气体损失向上排空气法基本原理操作步骤向上排空气法基于密度差原理，适用于收集密度小于空气的将干燥的集气瓶口朝上放置于支架上

1.气体，如氢气（密度）、甲烷（密度）

0.0899g/L

0.7168g/L将导气管一端连接气体发生装置，另一端伸至集气瓶底

2.等这些气体会从下往上逐渐排出集气瓶中的空气部待排出少量气体冲洗导管后，将导管插入集气瓶底部该方法操作简便，无需使用水，适合快速收集少量气体或进

3.行简单演示实验气体从下往上充满集气瓶，逐渐排出原有空气

4.待气体充满瓶子（约分钟）后，迅速取出导管并盖上

5.2-3瓶塞使用向上排空气法收集气体时，由于无法直观观察到气体已充满集气瓶，通常需要根据经验判断收集时间一般来说，气体流量较小时应延长收集时间，确保充分置换瓶中空气收集完成后，集气瓶应保持瓶口向下放置，防止轻质气体从瓶口逸出对于氢气等易燃气体，收集过程中应远离火源，防止意外引燃这种方法收集的气体通常含有一定量的空气，纯度不如排水集气法高向下排空气法基本原理操作步骤向下排空气法基于气体密度差异，适用于收集密度大于空气将干燥的集气瓶口朝上放置于支架上

1.的气体，如氧气（密度）、二氧化碳（密度

1.429g/L将导气管一端连接气体发生装置，另一端置于瓶口上方

2.）等这些气体会从上往下逐渐排出集气瓶中的空

1.977g/L待排出少量气体冲洗导管后，将导管口悬于瓶口正上方

3.气气体从上往下流入瓶中，逐渐排出原有空气

4.由于氧气密度仅略大于空气（），使用此方法收集

1.293g/L待气体充满瓶子后（通常需要分钟），移开导管并迅

5.3-5时效果不如二氧化碳明显，但仍可行速盖上瓶塞向下排空气法的优点是操作简单，不需要水槽等额外设备，特别适合收集会与水反应或高度溶于水的重质气体（如氯气、二氧化硫等）但这种方法难以直观判断气体是否已充满集气瓶，收集的气体纯度也较低在收集氧气时，由于其密度与空气相差不大，扩散较快，应增加气流速率并延长收集时间，确保充分置换收集完成后，集气瓶应保持瓶口向上放置，防止气体流失进行气体检验前最好使用排水集气法再次纯化氧气的检验方法复燃现象操作步骤灵敏度氧气最经典的检验方法是利用其支持燃烧的取一根木条（通常使用木质火柴或细木条），此方法灵敏度较高，当气体中氧气浓度超过性质，观察带火星的木条在其中是否复燃点燃后吹灭，保留红色火星迅速将带火星25%时，带火星的木条就能明显复燃随着这种方法简单直观，是实验室中最常用的氧的木条伸入装有待测气体的集气瓶中如果氧气浓度增加，复燃现象越明显，火焰越明气定性检验方法木条复燃，且火焰明亮，表明气体中含有较亮在纯氧中，木条会迅速复燃并伴随呼高浓度的氧气的一声，火焰异常明亮木条复燃法是氧气特有的检验方法，其他常见气体如氮气、二氧化碳、氢气等都不具有这种性质因此，这一方法具有很好的专属性，能有效鉴别氧气在检验过程中，应注意安全，避免木条完全燃尽掉入瓶中，造成火灾隐患对于需要更精确测定氧气含量的场合，可使用专业的氧气检测仪器，如顺磁氧分析仪、电化学氧传感器或光学氧传感器等这些仪器能够准确测量气体中的氧气百分比，广泛应用于工业、医疗和环境监测领域氧气的实际应用医疗领域工业应用航空航天水处理氧气广泛用于医院的氧疗在钢铁冶炼、金属切割和液态氧是火箭发动机的重在污水处理厂，氧气被用治疗，帮助呼吸困难患者化学合成等工业过程中，要氧化剂，也是高空飞行于活性污泥法处理有机废缓解症状从急救呼吸机氧气扮演着关键角色高器和宇航员生命支持系统水，促进微生物降解污染到家用制氧机，医用氧已纯氧的使用大大提高了生的核心组成部分，确保在物增氧技术也广泛应用成为现代医疗不可或缺的产效率和产品质量缺氧环境中的生存于水产养殖和湖泊治理一部分氧气的应用几乎涵盖了人类活动的各个领域，从生命科学到工业生产，从环境保护到深海探索随着科技进步，氧气的应用领域不断拓展，生产和使用技术也在持续优化，为人类社会发展提供着基础支持医疗用氧氧疗原理与应用医用氧气标准氧疗是通过提供浓度高于空气的氧气，帮助患者提高血氧饱•医用氧气纯度要求≥99%和度，改善组织缺氧状态根据患者病情，氧疗可分为低流•氧气中二氧化碳含量300ppm量氧疗（）、中流量氧疗（）和高流量氧1-2L/min2-6L/min•一氧化碳含量5ppm疗（）6L/min水蒸气含量•67ppm常见的氧疗设备包括鼻导管、面罩、无创呼吸机和有创呼吸无油、无菌、无臭味•机等在急性呼吸衰竭、慢性阻塞性肺病、心肌梗死、中毒医疗机构必须严格监控氧气质量，定期检测氧气纯度和杂质和高原反应等情况下，氧疗是关键的救治手段含量，确保患者安全在特殊情况下（如新冠疫情期间），还需建立氧气供应应急预案虽然氧气对许多患者至关重要，但不当使用也存在风险长期高浓度氧疗可能导致氧气中毒，表现为肺部纤维化、视网膜病变等另外，在某些特殊病例（如慢性二氧化碳潴留患者）中，高浓度氧疗可能抑制呼吸驱动，反而加重病情工业应用冶金工业化工合成氧气在钢铁冶炼中的应用彻底革新了生产氧气是许多化工过程的关键原料，如合成工艺氧气顶吹转炉法可将炼钢时间从以1氨、硝酸、环氧乙烷和醋酸等部分氧化往的数小时缩短至分钟以内，大大提高反应需要精确控制氧气浓度，既保证反应402生产效率进行又避免过度氧化纸浆漂白废物处理现代造纸工业使用氧气漂白技术替代传统在污水处理和垃圾焚烧中，氧气可显著提氯漂白，大大减少了环境污染氧漂工艺高处理效率富氧燃烧技术能减少废气排可去除木质素同时保留纤维素，提高纸张放，提高燃烧温度，降低有害物质生成质量工业用氧通常根据纯度和用途分为不同等级高纯氧（）用于精密化工和电子工业；标准工业氧（）用于切割和冶金；低≥

99.6%≥

99.2%纯氧（）用于一般燃烧和氧化过程随着绿色工业理念的普及，氧气在清洁生产中的应用日益增多≥95%值得注意的是，工业用氧的安全管理尤为重要高浓度氧气环境中，许多常见材料的燃点显著降低，燃烧速度加快因此，氧气储存、运输和使用必须严格遵循安全规范，防止火灾和爆炸事故航空航天领域飞行呼吸系统航天生命支持在高空飞行中，随着高度增加，大气压力和国际空间站和载人航天器配备复杂的环境控氧分压降低，人体会出现缺氧症状现代飞制和生命支持系统（ECLSS），维持舱内氧机配备了氧气系统，在高度超过10,000英尺气浓度在

19.5%至

23.1%之间这些系统通时自动或手动提供氧气军用飞机和特种飞常采用多重冗余设计，包括储存氧、水电解行中，飞行员通常使用正压供氧面罩，确保制氧和化学制氧等多种方式，确保宇航员安在高G力和急速变化环境下的氧气供应全推进系统液态氧（LOX）是火箭发动机的主要氧化剂，与燃料（如液氢、煤油等）反应提供巨大推力液氧温度为-183°C，需要特殊的低温储存和输送系统SpaceX猎鹰9号、NASA太空发射系统等现代火箭都使用液氧作为主要氧化剂航空航天领域对氧气的要求极为严格，不仅需要保证高纯度，还要考虑储存稳定性和使用可靠性航天服中的氧气系统是一个微型化的生命支持系统，需要在极端环境下维持宇航员的生命体征，通常采用闭环再生设计，最大限度利用有限资源随着太空探索的深入，月球基地、火星任务等长期载人航天计划面临更大挑战原位资源利用（ISRU）技术，如从月球土壤或火星大气中提取氧气，将是未来航天领域的重要研究方向焊接与切割氧乙炔焊接氧气切割-氧乙炔焊接是最传统的气体焊接方法，利用乙炔（₂₂）在氧气切割是利用金属在高温下与氧气剧烈反应的原理进行的操-C H氧气中燃烧产生的高温火焰（约）熔化金属实现连接作时，先用预热火焰将金属加热至红热（约），然后通入3000°C800°C根据氧气与乙炔比例不同，可调节出三种类型火焰中性焰高纯度氧气流，金属在氧气中剧烈燃烧形成氧化物熔渣，实现切（₂₂₂）、氧化焰（氧气过量）和还原焰（乙炔过割O:C H=1:1量）中性焰最常用，适合大多数金属焊接；氧化焰适合焊接黄铜等；这种方法主要适用于切割碳钢和低合金钢对于不锈钢、铝等金还原焰适合焊接铝、镁等容易氧化的金属属，由于表面形成致密氧化膜阻碍进一步氧化，需使用等离子切割或激光切割等技术氧气在焊接切割领域的应用要求严格的安全措施氧气瓶应远离热源和可燃物，瓶阀和减压阀必须保持清洁无油脂操作者需穿戴防护装备，包括焊接面罩、防火手套和工作服作业区域应通风良好，周围不得堆放易燃物品，并配备适当的灭火设备随着技术发展，等离子切割、激光切割等新工艺逐渐替代传统氧气切割，但在某些特殊场合（如厚板切割、野外作业等），氧气切割因其设备简单、成本低廉的优势仍被广泛使用实验室安全注意事项0%25%油脂接触率危险浓度氧气设备必须保持绝对无油脂状态，油脂在高浓当环境中氧气浓度超过25%时，燃烧风险显著增度氧气中可能自燃，导致严重事故加，普通材料燃点降低100%通风要求实验室必须保持良好通风，防止氧气积累，实验结束后应彻底排空设备中残留气体在实验室使用氧气时，必须严格遵循安全操作规程所有与氧气接触的设备，包括导管、接头和容器，都应使用耐氧材料制成，并保持清洁干燥严禁使用有机润滑剂（如凡士林、机油等）润滑氧气设备，应选用专门的氟化物润滑剂实验过程中，应远离火源和易燃物质，禁止在操作氧气的同时进行明火实验如发现氧气泄漏，应立即关闭气源，打开门窗通风，疏散人员对于较大泄漏，应切断电源，消除火源，并使用水雾降低空气中氧气浓度实验室应配备干粉灭火器和防火毯等消防设备，并定期进行安全演练氧气浓度与燃烧氧气与燃烧三要素燃烧过程可燃物与氧气反应释放热量和光可燃物能与氧气反应放热的物质助燃物（氧气）支持燃烧的氧化剂点火源提供引发反应所需的初始能量燃烧是一种快速的氧化反应，需要三个基本要素同时存在可燃物、氧气和点火源这三者构成了著名的燃烧三角形理论可燃物是能与氧气发生氧化反应并放出热量的物质，如木材、纸张、汽油等；氧气作为助燃物，提供燃烧所需的氧化剂；点火源则提供启动反应所需的初始能量，如火花、高温表面等灭火原理正是基于破坏燃烧三角形中的一个或多个要素水灭火主要通过冷却作用降低温度；二氧化碳灭火剂通过隔绝氧气；干粉灭火剂则通过化学抑制作用中断燃烧链式反应理解燃烧三要素对于防火安全和灭火策略制定至关重要，尤其是在氧气浓度较高的环境中，更需要严格控制可燃物和点火源氧气制备效率计算理论产量计算实际产量与产率根据化学反应方程式和反应物的量计算理论上应产生的氧气量例实际产量通常通过测量收集到的气体体积确定产率计算公式为如，对于高锰酸钾分解₄₂₄₂₂产率实际产量理论产量2KMnO=K MnO+MnO+O↑%=/×100%根据方程式，摩尔₄理论上产生摩尔₂，即例如，如果使用₄实际收集到氧气（标准状况2KMnO1O316g

15.8g KMnO

0.9L₄产生₂在标准状况下，摩尔气体体积为，下），理论产量为，则产率为KMnO32g O

122.4L

15.8g÷316g×

22.4L=

1.12L

0.9L÷因此理论上₄可产生氧气316g KMnO

22.4L

1.12L×100%=

80.4%影响氧气制备产率的因素很多，包括反应物纯度（杂质会影响反应进行或消耗产物）；反应条件控制（温度过高或过低都会影响反应完全性）；气体收集过程中的损失（溶解在水中、泄漏等）；反应是否完全（部分反应物未反应）；以及测量误差（温度、压力、体积等测量不准确）为提高产率，可采取以下措施使用高纯度试剂；优化反应条件（温度、催化剂等）；改进气体收集方法，减少损失；延长反应时间，确保反应完全；以及提高测量精度，减少系统误差通过这些措施，实验室条件下的氧气制备产率通常可达80%-90%典型计算题示例制备方法计算示例解题过程高锰酸钾分解计算

39.5g KMnO₄完全分解产生的氧气体积标nKMnO₄=

39.5g÷158g/mol=

0.25molnO₂=准状况

0.25mol÷2=

0.125molVO₂=

0.125mol×

22.4L/mol=

2.8L氯酸钾分解计算

24.5g KClO₃完全分解产生的氧气体积nKClO₃=

24.5g÷

122.5g/mol=

0.2molnO₂=025°C,1atm.2mol×3÷2=

0.3molVO₂=

0.3mol×

24.5L/mol=

7.35L双氧水分解计算68g10%H₂O₂溶液完全分解产生的氧气mH₂O₂=68g×10%=

6.8gnH₂O₂=

6.8g÷3体积标准状况4g/mol=

0.2molnO₂=

0.2mol÷2=

0.1molVO₂=

0.1mol×

22.4L/mol=

2.24L在解决氧气制备计算题时，掌握物质的量与气体体积的转换关系是关键根据阿伏伽德罗定律，在标准状况下（0°C，1个大气压），1摩尔任何气体的体积都是

22.4升在非标准状况下，需要使用理想气体状态方程PV=nRT进行修正对于需要考虑反应条件的复杂题目，例如限制条件下的反应（如某一反应物过量）或连续反应的计算，需要先确定限制反应的物质，然后再基于化学计量关系进行计算实际应用中，还需考虑反应的转化率和副反应等因素，这使得计算更加复杂但也更贴近实际实验误差分析温度与压力影响气体体积受温度和压力显著影响温度升高，气体体积增大；压力增大，气体体积减小实验中如未考虑温度和压力变化，将导致测量误差例如，在夏季高温环境下收集的气体，其实际摩尔数会比标准状况下计算的少水蒸气干扰使用排水集气法收集气体时，收集到的气体中会含有水蒸气，导致测得的气体体积偏大准确计算需要减去水蒸气的分压贡献水蒸气压随温度变化，25°C时约为

3.17kPa，可通过相关公式修正气体溶解损失部分氧气会溶解在水中，导致收集到的气体量减少在20°C时，氧气在水中的溶解度约为30mL/L可通过使用预先饱和溶解氧的水来减少这一误差，或通过计算补偿溶解损失操作与设备误差装置气密性不佳导致气体泄漏，反应未完全进行，试剂纯度不足，以及测量仪器精度有限等因素都会导致实验误差使用标准操作流程并定期校准设备可减少这些误差为提高实验精确度，可采取以下措施使用气体校正公式（如理想气体公式PV=nRT）对非标准状况下的气体体积进行修正；考虑水蒸气分压的影响，计算干燥气体的实际体积；改进实验装置，提高气密性；使用高精度仪器进行测量；以及多次重复实验取平均值，减少随机误差的影响氧气性质实验设计金属在氧气中燃烧非金属在氧气中燃烧氧气助燃实验通过观察金属在氧气中燃烧的现象，了解硫、磷、碳等非金属在氧气中燃烧，呈现比较蜡烛在空气和纯氧中燃烧的区别，观氧气的强氧化性不同金属表现出不同的不同颜色的火焰并产生相应的氧化物例察火焰亮度、大小和温度的变化在纯氧燃烧特征，如铁丝产生明亮火星，镁条发如，硫燃烧产生二氧化硫气体，有刺激性中，蜡烛火焰更明亮、更大，燃烧速度也出耀眼白光，铜丝呈绿色火焰气味；红磷燃烧产生致密白烟明显加快，充分展示氧气的助燃性设计氧气性质实验时，应注重安全性和教学价值实验前应准备足够纯度的氧气，并确保所有器材干净无油脂演示实验时，应使用适量样品，控制反应速率，避免剧烈反应造成安全隐患对于铝粉、锌粉等细分散金属，应特别注意防止爆炸性反应金属在氧气中燃烧金属反应条件观察现象化学方程式铁丝预热至红热剧烈燃烧，产生明亮火星3Fe+2O₂→Fe₃O₄镁条点燃发出耀眼白光，产生白色粉末2Mg+O₂→2MgO铜丝充分预热绿色火焰，表面形成黑色氧化层2Cu+O₂→2CuO钠少量，加热点燃黄色火焰，产生白色烟雾4Na+O₂→2Na₂O金属在氧气中燃烧实验能直观展示不同金属的活泼性差异和氧气的氧化性实验中可以观察到，随着金属活泼性增加，燃烧反应更容易进行，反应现象也更加剧烈例如，钠在空气中即可燃烧，而铜需要充分预热才能在纯氧中缓慢氧化进行这类实验时，需注意安全防护镁燃烧产生的光非常强烈，观察时应使用深色防护眼镜；钠等活泼金属应使用非常少的量，并防止与水接触；铁丝燃烧产生的高温铁珠可能飞溅，应确保集气瓶坚固并放置在安全位置实验后的产物可用于后续化学性质研究，如测试金属氧化物的酸碱性非金属在氧气中燃烧硫粉燃烧红磷燃烧实验操作将少量硫粉放入燃烧匙中，加热至熔化并点燃，然后迅实验操作取极少量红磷于干燥的燃烧匙中，点燃后迅速插入氧气速插入装有氧气的集气瓶中瓶中观察现象硫在氧气中燃烧产生美丽的蓝紫色火焰，同时释放出刺观察现象红磷在氧气中燃烧发出耀眼的白光，产生大量白色烟雾激性气味的二氧化硫气体（五氧化二磷）化学方程式₂₂化学方程式₂₂₅S+O→SO4P+5O→2P O检验方法将湿润的蓝色石蕊试纸放入燃烧后的气体中，试纸变红，检验方法将白烟溶于水，加入几滴酚酞试液，溶液保持无色；再证明生成了酸性氧化物加入氢氧化钠溶液，溶液变红，证明生成了酸性物质磷酸碳在氧气中燃烧将木炭条或活性炭片预热至红热，然后插入氧气瓶中碳在氧气中燃烧更加剧烈，但无明显火焰，只有红热增强反应生成二氧化碳₂₂可用澄清石灰水检验，石灰水变浑浊证明生成了二氧化碳C+O→CO这些实验清晰展示了非金属元素在氧气中的燃烧特性和氧化物的酸性本质值得注意的是，几乎所有非金属氧化物溶于水后都呈酸性，这是区别于金属氧化物的重要特征实验时需特别注意安全，尤其是红磷实验，应使用极少量样品，防止反应过于剧烈氧气在生物体内的作用氧气吸收细胞呼吸通过呼吸系统（如肺、鳃）将氧气从环境中吸在线粒体中，氧气参与有氧呼吸过程，作为电收并输送到血液中，再由血红蛋白运送到各组子传递链的最终电子受体，与氢离子结合生成织细胞水废物排出能量释放呼吸过程产生的二氧化碳和水作为代谢废物，氧化过程释放大量能量，用于合成ATP，为细通过血液运输并最终从呼吸系统排出体外胞提供各种生命活动所需的能量有氧呼吸是生物体获取能量的主要方式，其总反应式可简化为C₆H₁₂O₆+6O₂→6CO₂+6H₂O+能量（ATP）这一过程实际上包含糖酵解、柠檬酸循环和电子传递链三个阶段，氧气主要在最后阶段发挥作用氧气的充足供应对维持正常代谢至关重要当氧气不足（缺氧）时，细胞会转向无氧呼吸产生能量，但效率大幅降低，并产生乳酸等代谢产物，导致肌肉疲劳等症状长期严重缺氧会造成组织损伤甚至死亡同时，过量氧气（高氧）也会产生大量活性氧自由基，导致氧化应激和细胞损伤光合作用与氧气光能捕获叶绿素分子捕获太阳光能，激发电子进入高能态水分解光能驱动水分子分解，释放氧气、电子和氢离子电子传递电子通过传递链，产生ATP和NADPH碳固定利用ATP和NADPH将二氧化碳转化为有机物光合作用是地球上最重要的生物化学过程之一，其总反应式可表示为6CO₂+12H₂O+光能→C₆H₁₂O₆+6O₂+6H₂O在这个过程中，氧气作为副产品被释放到大气中，维持了地球大气中21%的氧含量，为需氧生物提供了生存环境光合作用与呼吸作用形成了地球上的碳循环与氧循环植物通过光合作用固定二氧化碳并释放氧气，动物通过呼吸作用消耗氧气并释放二氧化碳这种动态平衡维持了大气成分的相对稳定，支持了地球上丰富的生物多样性然而，人类活动导致的森林砍伐和化石燃料燃烧正在打破这种平衡，引起气候变化等全球性环境问题环境中的氧气问题大气氧含量变化水体溶解氧问题地球早期大气中几乎不含氧气，约亿年前由于蓝藻等光合微水体溶解氧是评价水质的重要指标健康的淡水水体溶解氧通25生物的出现，氧气含量开始上升，形成了现代大气目前，人常在，海水约为当溶解氧低于时，7-14mg/L6-8mg/L5mg/L类活动对大气氧含量的影响相对较小，但长期来看，森林砍伐鱼类等水生生物开始受到压力；低于时，多数水生生物2mg/L和海洋酸化可能影响全球氧气平衡无法生存，形成死区有研究表明，过去年间，大气氧浓度下降了约，主要水体缺氧主要由两类因素导致一是有机污染物（如生活污水、

2000.1%原因是化石燃料燃烧消耗氧气并释放二氧化碳虽然这种变化农业径流）消耗氧气；二是富营养化导致藻类大量繁殖，其死速率不会对人类呼吸造成直接威胁，但反映了人类活动对环境亡分解过程消耗大量氧气全球已记录超过个海洋死区，400的广泛影响总面积超过万平方公里，并且这一数字仍在增加

24.5氧气污染物主要指臭氧（₃）和过氧化物等臭氧在平流层对生命有保护作用，但在近地面大气中是有害污染物，会刺激呼吸系O统，损害植物叶片高浓度过氧化物如过氧乙酰硝酸酯（）也是光化学烟雾的重要成分，对人体健康和生态系统有负面影PAN响实验室教学示范教师演示实验教师先展示完整实验流程和安全注意事项学生分组实验4-6人一组，分工合作完成实验操作数据收集与分析记录实验现象和数据，进行计算和误差分析实验报告撰写总结实验过程、结果和讨论在组织氧气制取实验教学时，应综合考虑安全性、教学效果和时间安排教师演示实验可选择高锰酸钾制氧方法，展示完整的实验过程和数据处理方法学生分组实验则可采用更安全的过氧化氢分解法，减少安全隐患常见问题及解决方法包括气体收集不顺畅（检查装置气密性，调整导管位置）；反应速率过快或过慢（调整加热强度或催化剂用量）；气体纯度不够（延长排气时间，改进收集方法）；产气量不足（检查试剂用量和纯度，延长反应时间）实验报告应包含原理、步骤、数据记录、计算过程、误差分析和讨论等部分，培养学生的科学素养和实验技能实验观察与思考题1方法比较与选择比较三种制氧方法（高锰酸钾分解、氯酸钾催化分解、过氧化氢分解）的优缺点，并讨论在不同条件下（如教学演示、大量制备、安全考虑）应选择哪种方法更为合适2反应速率影响因素设计实验探究影响氧气制备反应速率的因素，如催化剂用量、反应物浓度、温度等，并通过测量单位时间内产生的氧气体积来定量分析各因素的影响程度3燃烧现象比较比较不同物质（如铁丝、木炭、硫粉、镁条）在空气和纯氧中燃烧的现象差异，并从化学反应原理和氧气浓度角度解释这些差异4探究性实验设计设计一个实验，测定空气中氧气的含量，并与理论值（21%）进行比较，分析可能的误差来源并提出改进方法氧气制备实验为学生提供了丰富的探究机会例如，学生可以通过改变实验条件，研究高锰酸钾分解反应的活化能，或者比较不同品牌、不同浓度过氧化氢溶液的分解效率这些探究活动不仅加深对化学原理的理解，也培养了学生的科学探究能力在进行比较性实验时，应注意控制变量方法的应用，确保只有一个因素发生变化例如，比较不同催化剂效果时，应保持反应物用量、温度等其他条件一致实验数据处理中，可引入误差分析和统计方法，培养学生的数据分析能力和科学严谨性知识拓展氧的同素异形体过氧化物与超氧化物氧元素存在多种同素异形体，主要包括双原子氧的化合物除了常见的氧化物（O²⁻）外，还氧（O₂）、三原子氧（O₃，即臭氧）和单包括过氧化物（O₂²⁻）和超氧化物原子氧（O）它们的物理化学性质有显著差（O₂⁻）过氧化物如H₂O₂和Na₂O₂，异O₂是常见的无色无味气体；O₃具有特含有O-O键，具有氧化性和还原性；超氧化物殊气味，强氧化性，在平流层形成臭氧层；O如KO₂，是强氧化剂，在空间站和潜艇中用极不稳定，存在于高能环境如电弧中作氧气发生器和CO₂吸收剂前沿应用技术氧在前沿科技中有广泛应用高温超导材料中的氧空位对超导性能至关重要；燃料电池技术利用氧气作为阴极反应物；富氧燃烧技术减少温室气体排放；纳米氧化物在催化、传感和能源领域有重要应用臭氧层保护研究是一个重要的环境科学领域位于平流层的臭氧吸收99%的紫外线辐射，保护地球生物免受伤害20世纪发现的臭氧层空洞引发全球关注，《蒙特利尔议定书》禁止使用氯氟烃等破坏臭氧层的物质近年来臭氧层有恢复迹象，预计将在21世纪中期恢复到1980年水平氧气在生物医学领域也有创新应用，如高压氧疗法治疗减压病和难愈合伤口；富氧培养技术促进细胞生长；人工血液替代品（如全氟碳乳剂）可携带大量氧气；以及基于氧敏感染料的生物传感器用于监测组织氧含量这些技术展示了氧气研究的广阔前景总结与回顾本课程系统讲解了氧气的基本性质、制备方法和应用我们了解到氧气是一种无色无味的气体，在自然界中分布广泛，是地球上含量最丰富的元素之一氧气具有强氧化性，能与多数元素反应形成氧化物，支持燃烧但本身不燃烧我们详细探讨了三种实验室制氧方法加热高锰酸钾、氯酸钾催化分解和过氧化氢分解，以及工业上的空气液化分离法和水电解法氧气在医疗、冶金、焊接、航空航天等领域有广泛应用，同时在使用过程中必须注意安全，防止火灾和爆炸风险通过实验和计算，我们加深了对化学反应原理和化学计量关系的理解，培养了实验技能和科学思维。