初中化學九年級上冊·知識清單：氧氣的實驗室制取（第1課時）

初中化學九年級上冊·知識清單：氧氣的實驗室制取（第1課時）一、課題核心素養導航【基礎】【熱點】本課時是初中化學課程體系中的核心內容，承載著雙重教學功能。其一，它是對第一單元“走進化學世界”中化學實驗基本操作知識的深化與應用，是學生首次系統學習一種具體物質（氧氣）的實驗室制法，標志著從定性認識到定量制備的跨越。其二，氧氣作為化學性質比較活潑的空氣成分，其制取方法的學習為后續學習碳、氫、二氧化碳等其他氣體的制備奠定了方法論基礎，即學習一種氣體的實驗室制法通常從反應原理、發生裝置、收集裝置、檢驗與驗滿方法四個維度展開。因此，掌握本課時內容，對于構建元素化合物知識體系和實驗技能體系具有【非常重要】的奠基作用。【重要】從課程標準角度看，本課題要求學生初步學習氧氣的實驗室制法，能基于實驗事實推理并歸納出實驗室制取氧氣的思路和方法，體會反應原理對實驗裝置選擇的決定性作用。同時，通過探究分解過氧化氫制氧氣的反應中二氧化錳的作用，初步建立“催化劑”這一核心概念，培養“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”的化學核心素養。二、實驗室制取氧氣的反應原理深度剖析（一）工業制氧與實驗室制氧的本質區別【基礎】在正式學習實驗室制法前，必須厘清工業制法與實驗室制法的根本區別。工業上需要大量、低成本地生產氧氣，因此采用的是分離液態空氣法，該過程屬于物理變化。其原理是利用空氣中氮氣和氧氣沸點的不同，在低溫條件下加壓，使空氣轉變為液態，然后蒸發。由于液態氮的沸點（196℃）低于液態氧的沸點（183℃），氮氣先從液態空氣中汽化出來，剩余的主要是液態氧。實驗室則是為了在短時間內、方便、安全地獲得少量純凈氧氣，以供實驗探究使用，因此必須采用化學反應，屬于化學變化。（二）實驗室制取氧氣的三種主要方法【非常重要】【高頻考點】根據藥品和反應條件的不同，初中階段要求掌握三種實驗室制取氧氣的方法。理解每種方法的反應原理、藥品狀態及反應條件，是選擇實驗裝置的根本依據。1.加熱高錳酸鉀法反應原理：高錳酸鉀是一種暗紫色固體，在加熱的條件下，能夠分解生成錳酸鉀、二氧化錳和氧氣。化學方程式：2KMnO?△K?MnO?+MnO?+O?↑藥品狀態：固體（高錳酸鉀）反應條件：加熱【難點】注意事項：高錳酸鉀受熱易分解，但其粉末可能會隨氧氣流進入導管并導入水槽，使水槽中的水變紅。因此，采用此方法時，必須在試管口放置一團疏松的棉花，以防止高錳酸鉀粉末進入導管。2.加熱氯酸鉀與二氧化錳的混合物法反應原理：氯酸鉀是一種白色晶體，在二氧化錳作催化劑且加熱的條件下，分解生成氯化鉀和氧氣。二氧化錳在此反應中起催化作用，其質量和化學性質在反應前后保持不變。化學方程式：2KClO?MnO?△2KCl+3O?↑藥品狀態：固體（氯酸鉀和二氧化錳的混合物）反應條件：加熱（需要催化劑參與）3.分解過氧化氫法（俗稱“固液不加熱法”）反應原理：過氧化氫（俗稱雙氧水）是一種無色液體，在二氧化錳作催化劑的條件下，迅速分解生成水和氧氣。化學方程式：2H?O?MnO?2H?O+O?↑藥品狀態：液體（過氧化氫溶液）和固體（二氧化錳）反應條件：常溫（無需加熱，靠催化劑加速反應）【重要】優勢：與加熱高錳酸鉀或氯酸鉀的方法相比，該方法具有裝置簡單、操作安全、節約能源、便于控制反應速率（可通過添加液體的速率來控制）等優點，是實驗室制取氧氣的最佳選擇。三、催化劑與催化作用核心概念建立【非常重要】【難點】【熱點】催化劑是本課時引入的一個極為重要的化學概念，對學生后續學習眾多化學反應具有指導意義。（一）催化劑定義的精準解讀催化劑是指在化學反應里能改變其他物質的化學反應速率，而本身的質量和化學性質在反應前后都沒有發生變化的物質。1.“一變”改變速率：這是催化劑的核心作用。“改變”包含了兩層含義：既可以是“加快”反應速率（如二氧化錳對過氧化氫分解的作用），也可以是“減慢”反應速率（這類催化劑也稱為負催化劑或抑制劑，在后續學習或工業中有廣泛應用，初中階段主要接觸加快反應速率的正催化劑）。2.“二不變”質量與化學性質不變：這是判斷一種物質是否是催化劑的關鍵依據。“反應前后”特指化學反應從開始到結束這一時間段。必須強調的是，催化劑的“化學性質”不變，但其“物理性質”（如狀態、顆粒大小等）在反應過程中可能發生改變。同時，催化劑不能改變生成物的種類和質量，即對于一個確定的化學反應，無論是否使用催化劑，最終得到的生成物質量是不變的，催化劑只是縮短了達到平衡所需的時間。（二）探究二氧化錳在過氧化氫分解中的作用【基礎】通過對比實驗可以深刻理解催化劑的作用：實驗1：常溫下，將帶火星的木條伸入盛有5mL5%過氧化氫溶液的試管中，木條不復燃，說明常溫下過氧化氫分解緩慢，放氧量少。實驗2：向上述試管中加入少量二氧化錳，再將帶火星的木條伸入，觀察到木條復燃，并產生大量氣泡，說明二氧化錳加快了過氧化氫的分解速率。實驗3：反應停止后，傾倒上層清液，向剩余的固體中再次加入過氧化氫溶液，帶火星的木條再次復燃。重復操作多次，現象相同。這證明了二氧化錳的化學性質在反應前后沒有改變。實驗4：將實驗3中多次使用的固體物質進行干燥、稱量，發現其質量與最初加入的二氧化錳質量相等。這證明了二氧化錳的質量在反應前后沒有改變。綜合上述實驗，得出結論：二氧化錳在過氧化氫分解反應中起到了催化劑的作用，是該反應的催化劑。（三）催化劑應用的認識深化【拓展】催化劑在化工生產中占有極其重要的地位。例如，在汽車尾氣處理系統中，催化劑可以將有害的一氧化碳和氮氧化物轉化為無害的二氧化碳和氮氣；在合成氨工業、石油煉制工業中，都離不開各種高效的催化劑。需要指出的是，催化劑具有選擇性，即一種催化劑并非對所有反應都有效，例如二氧化錳是過氧化氫和氯酸鉀分解反應的催化劑，但對于高錳酸鉀分解，它只是生成物之一，而非外加的催化劑。四、氧氣的實驗室制法（發生裝置與收集裝置）【非常重要】【高頻考點】正確選擇實驗裝置是氣體制備成功的關鍵。裝置的選擇由反應原理決定。（一）發生裝置的選擇依據發生裝置的選擇主要取決于反應物的狀態和反應條件（是否需要加熱）。1.固固加熱型發生裝置1.適用范圍：適用于反應物為固體，且反應需要加熱的情況。2.對應方法：加熱高錳酸鉀制氧氣、加熱氯酸鉀與二氧化錳混合物制氧氣。3.核心儀器：鐵架臺（帶鐵夾）、酒精燈、大試管、單孔橡膠塞、導氣管。4.【難點】【易錯點】操作要點：a.試管口應略向下傾斜。原因：防止固體藥品受熱時可能存在的水分（或高錳酸鉀分解產生的水蒸氣）在試管口冷凝后倒流，導致灼熱的試管底部炸裂。b.鐵夾應夾在試管的中上部（距試管口約1/3處）。c.藥品應平鋪或斜鋪在試管底部，以增大受熱面積。d.導氣管伸入膠塞的部分不宜過長，稍露出膠塞即可，便于氣體導出。e.若用高錳酸鉀制氧，試管口要塞一團棉花。2.固液不加熱型發生裝置1.適用范圍：適用于反應物為固體和液體，且反應不需要加熱（常溫）即可進行的情況。2.對應方法：分解過氧化氫溶液制氧氣。3.核心儀器：鐵架臺（帶鐵夾）、錐形瓶（或大試管、廣口瓶）、長頸漏斗（或分液漏斗）、雙孔橡膠塞、導氣管。4.【難點】【易錯點】操作要點：a.若使用長頸漏斗，其下端管口必須伸入液面以下，形成“液封”。原因：防止生成的氧氣從長頸漏斗口逸出。b.分液漏斗因其自帶活塞，可以隨時控制液體的滴加速率，從而控制反應速率，且無需液封，優于普通長頸漏斗。c.固體藥品（二氧化錳）應放在錐形瓶底部，液體藥品（過氧化氫溶液）通過長頸漏斗或分液漏斗加入。（二）收集裝置的選擇依據收集裝置的選擇主要取決于氣體的密度（與空氣比較）和氣體在水中的溶解性，以及氣體是否與空氣中的成分發生反應。1.排水集氣法1.適用條件：氣體難溶于水或不易溶于水，且不與水發生反應。氧氣不易溶于水，且不和水反應，故可用此法。2.優點：收集到的氣體純度較高（不含空氣），且便于觀察氣體是否集滿（當瓶口有大氣泡冒出時，說明已滿）。3.核心儀器：水槽、集氣瓶、玻璃片。4.【基礎】操作要點：a.集氣瓶裝滿水，不能有氣泡，用玻璃片磨砂面蓋住瓶口（確保嚴密），倒立放入水槽中。b.導氣管應伸入集氣瓶口內，不宜過長。c.收集氣體時，要等到導氣管口有連續、均勻的氣泡冒出時，再開始收集。原因：剛開始排出的是裝置內的空氣，若立即收集，會導致氧氣不純。d.當集氣瓶口有大氣泡冒出時，說明氣體已滿。在水下用玻璃片蓋住瓶口，移出水面。正放在桌面上（因為氧氣密度比空氣大，正放可減少逸散）。2.向上排空氣法1.適用條件：氣體密度比空氣大，且不與空氣中的成分反應。氧氣密度比空氣略大，故可用此法。2.優點：操作簡便，收集的氣體干燥。3.缺點：純度不如排水法高。4.核心儀器：集氣瓶、玻璃片。5.【基礎】操作要點：導氣管應伸入集氣瓶底部，以便將瓶底的空氣盡可能排盡。（三）多功能瓶的應用【拓展】【難點】多功能瓶（洗氣瓶）是一種靈活多用的裝置，用于收集氣體時，可根據氣體性質選擇進氣口。1.排空氣法收集：若用于收集密度比空氣大的氣體（如氧氣），應“長進短出”（a進b出），即氣體從長導管進入，將空氣從短導管排出；若用于收集密度比空氣小的氣體（如氫氣），則應“短進長出”（b進a出）。2.排水法收集：若瓶內先裝滿水，用于排水法收集氣體，則應“短進長出”（b進a出），即氣體從短導管進入，將水從長導管壓出。五、氧氣的檢驗與驗滿【基礎】【高頻考點】檢驗和驗滿是兩個不同的概念，目的不同，操作方法也不同。（一）氧氣的檢驗【定義】檢驗的目的是確定某瓶無色氣體是否為氧氣。這是一個定性實驗。【操作方法】將帶火星的木條伸入集氣瓶內部。【現象與結論】若木條復燃，證明該氣體是氧氣。（二）氧氣的驗滿【定義】驗滿的目的是確認采用某種收集方法時，集氣瓶是否已經收集滿了氧氣。這是一個定量（或程度）確認的實驗。【操作方法】根據收集方法的不同，驗滿方法也有所不同。1.用向上排空氣法收集時：將帶火星的木條放在集氣瓶口。【現象與結論】若木條復燃，證明氧氣已集滿。2.用排水法收集時：當集氣瓶口有大氣泡冒出時，即證明已滿。無需再用帶火星的木條驗滿。【易錯點】學生常將檢驗和驗滿的操作混淆。必須牢記：檢驗是“伸入”瓶中，驗滿（排空氣法）是“放在”瓶口。六、高錳酸鉀制氧氣的詳細操作步驟（實驗細節與易錯點）【非常重要】【高頻考點】以加熱高錳酸鉀法制取氧氣為例，其實驗操作步驟可概括為“查、裝、定、點、收、離、熄”（諧音記憶：茶莊定點收利息），每一步都有嚴格的規范要求。1.查：檢查裝置的氣密性。操作方法：將導氣管一端浸入水中，雙手緊握試管外壁。若觀察到導管口有氣泡冒出，松開手后，導管內形成一段穩定的水柱，則說明裝置氣密性良好。【易錯點】若氣溫較高，用手捂效果不明顯時，可用熱毛巾敷或用酒精燈微微加熱試管。2.裝：裝入藥品。操作方法：將高錳酸鉀裝入干燥的試管中，并在試管口塞一團棉花，然后塞緊帶導管的單孔塞。【易錯點】棉花要塞得松緊適宜，太緊會導致氣體導出不暢，太松則起不到阻擋粉末的作用。3.定：固定裝置。操作方法：將試管固定在鐵架臺上，鐵夾夾在試管中上部。試管口要略向下傾斜。【易錯點】務必檢查試管口是否向下傾斜，這是防止冷凝水倒流炸裂試管的關鍵。4.點：點燃酒精燈加熱。操作方法：先預熱（使試管均勻受熱），然后對準藥品部位集中加熱。【易錯點】預熱是防止試管局部驟熱而炸裂的重要步驟。5.收：收集氣體。操作方法：待導氣管口有連續、均勻的氣泡冒出時，將導管伸入盛滿水的集氣瓶口，開始收集。當瓶口有大氣泡冒出時，表明已滿，在水下用玻璃片蓋住瓶口，取出正放于桌面。【易錯點】必須等氣泡連續均勻冒出才能收集，否則收集的氧氣混有空氣而不純。集滿氧氣的集氣瓶必須正放。6.離：撤離導管。操作方法：收集完畢后，先將導氣管從水槽中移出。【易錯點】此步是防止水倒吸的【關鍵操作】。7.熄：熄滅酒精燈。操作方法：用燈帽蓋滅酒精燈。【易錯點】若先熄滅酒精燈，試管內溫度降低，壓強減小，水槽中的水會沿導管倒吸入熱的試管，導致試管炸裂。因此，“離”和“熄”的順序絕對不能顛倒。七、考點、考向與解題策略整合（一）核心考點分析本課時內容在各類考試中均為【重中之重】，主要考查以下幾個方面：1.反應原理的書寫：熟練、準確書寫三個實驗室制氧氣的化學方程式，尤其注意配平、反應條件（△、催化劑）及氣體符號“↑”的正確標注。2.實驗裝置的選擇與辨析：根據給定的藥品和反應條件，判斷應選擇何種發生裝置和收集裝置，并能分析裝置圖的優缺點或錯誤之處。3.實驗操作的規范性與順序：特別是加熱高錳酸鉀制氧氣的“查、裝、定、點、收、離、熄”七步順序及每一步的注意事項，是實驗探究題的考查熱點。4.催化劑概念的理解與應用：圍繞催化劑的“一變兩不變”進行辨析，考查對概念內涵和外延的掌握程度。5.氣體的檢驗與驗滿：區分“檢驗”與“驗滿”的操作方法差異，并能正確描述現象和得出結論。6.綜合實驗探究：將氧氣的制取、性質實驗（如木炭、鐵絲在氧氣中燃燒）相結合，考查知識的綜合運用能力。（二）常見題型與解題步驟1.裝置連接與排序題考向：給出多個分散的儀器，要求組裝一套完整的氣體制取裝置。解題步驟：第一步：根據反應原理確定發生裝置類型（固固加熱型/固液不加熱型）。第二步：根據氣體性質確定收集裝置類型（排水法/向上排空氣法）。第三步：按照“發生裝置→收集裝置”的順序，將儀器正確連接（導管口字母的連接順序）。第四步：檢查是否符合操作規范（如長頸漏斗是否液封，導管伸入位置是否合適等）。2.實驗現象與結論分析題考向：給出某個實驗操作后的現象，要求推斷原因或得出結論。解題步驟：第一步：鎖定實驗現象發生的具體環節。第二步：聯系該環節的操作規范和化學原理進行歸因。例如，“水槽中的水變紅”歸因于試管口未塞棉花。“收集的氧氣不純”可能歸因于導管一有氣泡就立即收集，或裝置氣密性不好。3.催化劑探究實驗題考向：設計對比實驗探究某物質是否為催化劑，或比較不同催化劑的催化效果。解題步驟：第一步：明確催化劑的核心驗證點：能否改變速率？反應前后質量和化學性質是否改變？第二步：設計對照實驗。通常需要設置一組不加該物質的空白實驗作為對照，以證明其確實改變了反應速率。第三步：對于質量的驗證，需要進行反應前后的稱量操作；對于化學性質的驗證，往往需要通過重復實驗（如再次加入反應物看是否能繼續催化）來間接證明。（三）【易錯點】與【難點】突破1.【易錯點】氣體發生裝置和收集裝置中導氣管的長短問題。在發生裝置中，導氣管（導出氣體）只要略伸入膠塞即可。在排空氣法收集裝置中，導氣管（導入氣體）必須伸入集氣瓶底部。在排水法收集裝置中，導氣管只需伸入集氣瓶口少許。切記不可混淆。2.【難點】對催化劑概念中“改變”的理解。題目中常出現“二氧化錳是催化劑，它能增加氧氣的產量”這一說法，這是錯誤的。催化劑只能改變化學反應速率，不能改變生成物的質量。3.【易錯點】實驗結束時的操作順序。必須牢記“先離后熄”，這是防止液體倒吸的【關鍵】，也是實驗安全的重要保障。無論采用何種加熱制氣的方法，只要涉及排水法收集，都必須遵循此順序。4.【難點】固液不加熱裝置的氣密性檢查方法。與加熱法不同，該類裝置通常采用“液封法”。即關閉導管（或關閉分液漏斗活塞），向長頸漏斗中加水，使漏斗下端形成一段水柱，靜置一段時間，若水柱液面不下降，則證明氣密性良好。這與加熱法的原理（熱脹冷縮）是不同的，需要區分。八、典型例題與深度解析【例題1】（基礎概念題）下列關于催化劑的說法正確的是（）A.催化劑在化學反應前后其質量和性質都不變B.二氧化錳是一切化學反應的催化劑C.催化劑只能加快化學反應的速率D.某個化學反應可能有多種催化劑【解析】選項A：錯誤。催化劑是“化學性質”不變，物理性質可能改變。選項A中籠統地說“性質”不變，是不準確的。選項B：錯誤。催化劑具有選擇性，二氧化錳只對某些反應（如過氧化氫、氯酸鉀分解）有催化作用，并非一切反應。選項C：錯誤。催化劑是“改變”反應速率，既可以加快，也可以減慢。選項D：正確。同一個化學反應，可能有多種不同的物質可以作為它的催化劑。例如，除了二氧化錳，氧化銅、氧化鐵等對過氧化氫的分解也有催化作用。【答案】D【例題2】（實驗裝置與操作題）根據下圖所示裝置，結合所學知識回答下列問題。（此處本應有裝置圖，現用文字描述。A裝置：試管口略向下傾斜，導管伸出膠塞少許。B裝置：錐形瓶，長頸漏斗下端浸入液面以下，導管伸出膠塞少許。C裝置：集氣瓶，導管伸入底部。D裝置：集氣瓶，充滿水，導管伸入瓶口少許。）（1）寫出圖中標號儀器的名稱：①______（長頸漏斗），②______（水槽）。（2）實驗室用高錳酸鉀制取氧氣，應選用的發生裝置是______（填字母），該裝置尚存在一處不足之處，請指出并加以改進：。（3）用過氧化氫溶液和二氧化錳制取氧氣時，應選用（填字母）作為發生裝置，其反應的化學方程式為______。若選用C裝置收集氧氣，驗滿的方法是______。（4）若用D裝置收集氧氣，這是利用了氧氣______的性質。當觀察到______時，說明氧氣已收集滿。【解析與答案】（1）長頸漏斗；水槽。（2）A。不足之處是試管口沒有塞棉花。應在試管口放一團疏松的棉花，以防止加熱時高錳酸鉀粉末進入導管。（3）B。2H?O?MnO?2H?O+O?↑。驗滿方法：將帶火星的木條放在集氣瓶口，若木條復燃，則證明已滿。（4）不易溶于水（或難溶于水）。集氣瓶口有大氣泡向外冒出時。【例題3】（探究與拓展題）小明同學發現，將氯酸鉀與氧化銅混合加熱，也能較快產生氧氣。于是他對氧化銅能否作為氯酸鉀分解的催化劑產生了興趣，進行了如下探究。【提出問題】氧化銅是否也能作氯酸鉀分解的催化劑？它是否比二氧化錳的催化效果更好？【設計實驗】按下表進行實驗，并測定分解溫度（分解溫度越低，催化效果越好）。實驗編號實驗藥品分解溫度①1.5g氯酸鉀580℃②1.5g氯酸鉀和0.5g二氧化錳350℃③1.5g氯酸鉀和0.5g氧化銅370℃【分析數據】（1）由實驗①與實驗______對比，證明氧化銅能加快氯酸鉀的分解速率。（2）實驗③中發生反應的化學方程式為：2KClO?CuO△2KCl+3O?↑。【反思與評價】（3）若要證明氧化銅是氯酸鉀分解的催化劑，還需要通過實驗驗證氧化銅在反應前后______和______不變。（4）通過上述實驗數據，可以得出的結論是：______。【解析】（1）要證明氧化銅能加快反應速率，需要設置不加氧化銅的空白對照，即與實驗①對比。（3）證明某物質是催化劑，必須滿足“一變兩不變”，實驗已證明能改變速率，還需驗證其質量和化學性質在反應前后不變。（4）比較實驗②和③的分解溫度（350℃vs370℃），二者均遠低于580℃，說明兩者都有催化效果。但二氧化錳對應的分解溫度更低，說明二氧化錳的催化效果比氧化銅更好（在氯酸鉀分解反應中）。【答案】（1）①（2）氧化銅（或CuO）寫在了等號上方或“△”符號上下方均可。（3）質量；化學性質。（4）二氧化錳和氧化銅都能作氯酸鉀分解的催化劑，且二氧化錳的催化效果比氧化銅好（或答：在氯酸鉀分解反應中，二氧化錳的催化效果優于氧化銅）。九、思維導圖與知識結構化為了幫助同學們形成清晰的知識網絡，可以從以下維度構建本課時的思維導圖：中心主題：氧氣的實驗室制取（第1課時）第一分支：反應原理——工業制法：分離液態空氣（物理變化）——實驗室制法：————方法一：加熱高錳酸鉀(2KMnO?△K?MnO?+MnO?+O?↑)————方法二：加熱氯酸鉀和二氧化錳(2KClO?MnO?△2KCl+3O?↑)————方法三：分解過氧化氫(2H?O?MnO?2H?O+O?↑)第二分支：催化劑——定義：一變（改變反應速率）、二不變（質量、化學性質不變）——特性：選擇性、反應前后化學性質不變（物理性質可能變）——應用：探究實驗方法（對比實驗、稱量、重復實驗）第三分支：實驗裝置——發生裝置：————固固加熱型（適用方法一、二）：試管口略向下傾斜、棉花（方法一）————固液不加熱型（適用方法三）：長頸漏斗需液封、分液漏斗可控速——收集裝置：