【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。??

第二章、氧和氫?

§2-5氧氣的制法

? ? ? ? 在空氣里雖然含有相當(dāng)多的氧氣，但工業(yè)上或者實驗室里，往往都需用純粹的氧氣。因此，我們有必要研究制取純氧的方法。

? ? ? ??自然界里的哪些物質(zhì)可以用做制造氧氣的原料呢？前面講過，氧在自然界里，既有以游離態(tài)存在的（單質(zhì)的氧氣，主要存在在空氣里），也有以化合態(tài)存在在各種含氧化合物里的。這些含有氧元素（游離態(tài)或化合態(tài)）的物質(zhì)，都有可能用做制造氧氣的原料。

? ? ? ??由于所用原料的不同，制取氧氣就有兩類不同的方法。

? ? ? ? 第一類方法是以空氣為原料，通過物理的方法，把氧氣從空氣里分離出來。第二類方法是以含氧化合物為原料，通過分解反應(yīng)，使其中所含的氧分解出來，成為單質(zhì)的氧氣。

? ? ? ??第一類方法需用的裝置比較復(fù)雜，但原料（空氣）可以隨處取得，成本少，適宜于工業(yè)上大量生產(chǎn)氧氣；第二類方法的操作比較方便，適宜于實驗室里制取少量氧氣。下面我們分別來介紹。

氧氣的實驗室制法

? ? ? ??實驗室里制取氧氣是用含氧化合物為原料的.這些含氧化合物，必須具備下面兩個條件：

? ? ? ??第一，這種含氧化合物是較不穩(wěn)定的，在加熱時容易分解放出氧氣；

? ? ? ??第二，這種含氧化合物里含氧的百分比是比較高的，能分解放出較多的氧氣。

? ? ? ??在實驗室里最常用的、符合于這兩個條件的含氧化合物是氯酸鉀（分子式是KClO?），它含氧的百分比比較高（達(dá)40%左右），而且在不太高的溫度下就能分解放出氧氣。

? ? ? ? 用氯酸鉀制取氧氣的方法是：先把固體氯酸鉀放在試管里，加熱（圖2·7），不久，氯酸鉀固體開始熔化（氯酸鉀的熔點是357℃），但這時還不分解放出氧氣，繼續(xù)加熱到大約400℃時，就有氧氣氣泡從熔化的氯酸鉀里緩慢地放出。這時如果用一根帶有余燼的木條放在管口，木條就會燃燒起來。這一反應(yīng)可以用下面的式子表示：

? ? ? ? 這是一個分解反應(yīng)，反應(yīng)時由一種物質(zhì)變成兩種新物質(zhì)（氯化鉀和氧氣）。氯酸鉀里的氧是化合態(tài)的，當(dāng)它分解出來后，就轉(zhuǎn)變成游離態(tài)的氧氣了。

? ? ? ??如果我們在熔化的氯酸鉀里加入少量黑色的二氧化錳（MnO?）粉末，氯酸鉀會迅速分解，有多量的氧氣放出（圖2·7）。

? ? ? ??在實驗室里實際制取氧氣時，我們就預(yù)先在氯酸鉀的粉末里混入適量的二氧化錳，這樣，就不需加熱到氯化鉀熔化的溫度，在200℃左右時，就能得到多量的氧氣。

? ? ? ??在反應(yīng)結(jié)束后，實驗證明，二氧化錳的重量并沒有減少，也就是說，二氧化錳在反應(yīng)過程里沒有任何的消耗。由此可知，所得的氧氣并不是從二氧化錳里分解出來的，而仍然是從氯酸鉀里分解出來的。由此可以看出，在氯酸鉀分解的化學(xué)反應(yīng)里，二氧化錳只是起了加快氯酸鉀分解速度的作用，使氯酸鉀在不太高的溫度下就能迅速分解。

? ? ? ??在化學(xué)反應(yīng)里，一種物質(zhì)只是改變了其他物質(zhì)反應(yīng)的速度，而它本身的重量在反應(yīng)后并不改變，這種物質(zhì)對這個反應(yīng)來說，叫做催化劑。催化劑的這種作用，叫做催化作用。二氧化錳在氯酸鉀分解反應(yīng)里所起的作用就是一種催化作用。【山注：此處定義強調(diào)“改變”，是因為不是所有催化劑都是用來加快反應(yīng)速度的；有些催化劑就是用來減緩反應(yīng)速度的，例如防腐劑就可以視為一種減緩反應(yīng)速度的催化劑；所以不能望文生義，認(rèn)為催化劑就一定是催化；因為這個原因，我更喜歡催化劑的別名——觸媒，但可惜這個名稱不常用，我使用時，對方經(jīng)常反應(yīng)不過來，因此一般情況下，我還是使用“催化劑”這個稱呼?！?/span>

? ? ? ??氯酸鉀分解放出的氧氣常用“排水集氣法”（裝置如圖2·8所示）收集在集氣瓶里，以供試驗氧氣性質(zhì)之用?！居谩芭潘瘹夥ā笔占瘹怏w的具體操作方法，參看本書附錄?！?strong>【山注：化1-6-01第46~52段，傳送門CV20878407】【山語：常用的集氣法有排水法（適合于不溶于水、不與水反應(yīng)的氣體）、向上排空氣法（適合于密度比空氣重的氣體）、向下排空氣法（適合于密度比空氣輕的氣體），其中向上是指的集氣瓶口向上，反之亦然?！?/span>

【山語——本實驗注意事項】

（1）試管口向下傾斜，防止冷凝水倒流至加熱處，使底部冷熱不均，炸裂導(dǎo)管。

（2）插入試管的導(dǎo)管不易過長，否則生成的氧氣不易排出。

（3）產(chǎn)生氣體時，不要立刻收集，因為先排出的是試管中的空氣，要等氣泡連續(xù)均勻冒出后再收集氣體。

（4）實驗結(jié)束時，要先讓導(dǎo)管移除水面，再撤酒精燈，防止試管冷后，壓強變低，水通過導(dǎo)管被大氣壓入試管，造成炸裂。

（5）集氣瓶滿后，可將帶火星木條放到瓶口，若復(fù)燃，這證明集氣已滿足實驗要求。

山箋：三種常用的氧氣實驗室制法

? ? ? ? 在實驗室里，常采用加熱高錳酸鉀、分解過氧化氫或加熱氯酸鉀的方法制取氧氣。此處教材只介紹了加熱氯酸鉀制取氧氣的實驗室制法，因此我再簡單整理補充一下。

（1）高錳酸鉀制取氧氣

? ? ? ? 用高錳酸鉀制取氧氣時，需要在試管口塞上棉花，防止粉末隨氧氣流進(jìn)入導(dǎo)管，造成堵塞。

（2）過氧化氫制取氧氣

? ? ? ? 理論上過氧化氫自己就可以分解，但在常溫下其速度很慢，因此需要二氧化錳作為催化劑以加快反應(yīng)速度。【山注：催化劑可以視為反應(yīng)條件，因此可寫在箭頭反應(yīng)條件的位置上?！?span id="s0sssss00s" class="color-green-03 font-size-16">另外，硫酸銅溶液也可以作為過氧化氫分解的催化劑。

? ? ? ? 過氧化氫反應(yīng)的儀器是不加熱型，但需注意，如果有隨時添加液體的普通漏斗，漏斗的導(dǎo)管底端要伸入液面以下，以防止生成的氧氣從漏斗溢出，造成無法加液。若是分液漏斗，則不必考慮這一點。

（3）氯酸鉀制取氧氣

氧氣的工業(yè)制法

? ? ? ??前面講過，工業(yè)上制取氧氣是以空氣為原料的。【山注：上述實驗室制法雖然反應(yīng)快、操作簡單、便于收集，但是成本高，不可能大量生成，因此工業(yè)制法不能采用?！?span id="s0sssss00s" class="color-purple-03 font-size-12">【山語：工業(yè)制法要考慮的是原材料易得與否、成本、規(guī)模、環(huán)境影響等?！?/span>

? ? ? ??從空氣制取氧氣的過程是：先把空氣增加壓強和降低溫度，使它轉(zhuǎn)變成液態(tài)空氣（§2-1）?？諝獾囊夯且粋€物理變化，在變化的過程里并沒有新物質(zhì)生成，因此液態(tài)空氣主要是由“液態(tài)氧氣”和“液態(tài)氮氣”所組成。在1大氣壓下，液態(tài)氧的沸點是一183℃，而液態(tài)氮的沸點是-196℃，比液態(tài)氧更低。我們知道，當(dāng)蒸發(fā)兩種不同沸點的液體混和物時，沸點比較低的那種液體將首先蒸發(fā)，沸點比較高的則殘留下來。當(dāng)液態(tài)空氣蒸發(fā)時，首先蒸發(fā)出來的是氮氣，殘留下來的是液態(tài)氧，這樣，就把氮氣和氧氣分離開來。把殘留下來液態(tài)氧蒸發(fā)就能得到純凈的氧氣。這樣得到的氧氣再用很大的壓力（一般用150大氣壓）壓入鋼筒（圖2·9）貯存起來。這種鋼筒我們在有些工廠和醫(yī)院里常能看到。【山語：簡單說就是先對空氣降溫加壓為液態(tài)，然后升到-196°C（標(biāo)態(tài)），氮蒸發(fā)后剩下的就是液態(tài)氧?！?span id="s0sssss00s" class="color-purple-03 font-size-12">【山語：如今還有較為方便的膜分離技術(shù)，即在一定壓力下使用有富集氧功能的薄膜將空氣中的氧氣富集后貯存?！?/span>

習(xí)題2-5

1、什么叫做催化劑？什么叫做催化作用？把少量二氧化錳和氯酸鉀混和后加熱能分解放出氧氣，二氧化錳和氯酸鉀哪一個是催化劑？為什么？

【山答】

①在化學(xué)反應(yīng)里，一種物質(zhì)只是改變了其他物質(zhì)反應(yīng)的速度，而它本身的重量在反應(yīng)后并不改變，這種物質(zhì)對這個反應(yīng)來說，叫做催化劑。

②催化劑的這種作用，叫做催化作用。

③二氧化錳是催化劑，因為二氧化錳的質(zhì)量在反應(yīng)前后并沒有發(fā)生改變。

2、實驗室和工業(yè)上怎樣制備氧氣？

【山答】實驗室用加熱氯酸鉀的方式制備氧氣；工業(yè)上蒸發(fā)液態(tài)空氣的方式制備氧氣。

3、為什么說實驗室里從含氧化合物制氧氣是一個化學(xué)變化，而工業(yè)上從空氣制氧氣則是一個物理變化？

【山答】實驗室用氯酸鉀制備生成了氯化鉀以及氧氣兩種新物質(zhì)，是化學(xué)變化。而工業(yè)制氧是提取空氣中的氧氣，并沒有新物質(zhì)產(chǎn)生，因此時物理便化。

4、氧化汞（HgO）和氯酸鉀（）里哪一個含氧百分率比較高？為什么？[提示：根據(jù)分子式算出]

【山答】氧化汞的含氧百分率是7.41%；氯酸鉀的含氧百分率是39.2%；因此氯酸鉀含氧百分率高。