北京版9年级化学上册高清教材_4-教培资料-26年最新资料-同步更新_初中高中教资_03科三专项（进去保存报考的学科即可）_02科三专项（笔记真题思维导图教学设计版本二）

亲爱的同学们： 欢迎你进入奇妙的化学世界！ 烟花在夜空中绽放，耀眼夺目，绚丽多彩；打开一瓶汽水，会听到“嘶嘶” 的声音；春天漫步在公园，总能闻到阵阵花香；切开一个苹果，不久后切面就开 始出现褐色；用洗手液洗手，发现手上的油污很容易被清洗干净……你是否对这 些神奇现象背后的科学原理感到好奇？化学，正是解读这些奥秘的语言。 化学是研究物质的组成、结构、性质、转化及应用的一门基础学科。它与 我们的生活息息相关。无论是衣食住行，还是科技创新，都离不开化学的支撑与 推动。 在本册教科书中，我们首先将一起概览化学发展的历史，走进化学实验室并 进行探究。我们将一起探索燃烧的奥秘，通过实验方法进一步认识空气的组成和 保护、氧气的性质与制取。我们将从化学角度重新认识水资源、水的净化和水的 变化，通过“电解水”实验开启进入微观世界的大门，从分子、原子角度认识物 质的组成和变化。我们将认识元素，它们就像搭建世界的积木，通过不同的组合 和排列，创造出千变万化的物质世界。我们将从能量和质量的角度认识化学变化， 用化学方程式表示化学变化。基于对以上化学概念和原理的学习，我们一起走进 现代社会，认识低碳行动的意义、科学原理和基本方案，宣传低碳理念，落实低 碳行动，为实现可持续发展贡献力量。 从现在开始，我们将一起通过丰富多彩的实验探究活动、生动鲜活的图片 展示和引人深思的科学故事，由浅入深、循序渐进地逐步建立起化学知识体系， 发展实践能力和科学思维能力。我们还将关注化学前沿动态，一起了解化学科学 的最新成果和发展趋势，感受化学在促进人类可持续发展中的价值和力量，点燃 我们的探索热情。 你准备好了吗？让我们一起踏上这场精彩的化学冒险之旅，探索更多未知 的领域，感受化学的无穷魅力吧！ 前 言 第一章 启航化学之旅 第一节 化学让世界更美好 2 第二节 来到化学实验天地 12 第三节 体验化学科学探究 23 第二章 揭示燃烧奥秘 第一节 初步认识燃烧 34 第二节 空气的组成与应用 41 第三节 探究氧气性质 49 第四节 依据特定需求制取氧气 56 第三章 探究水的奥秘 第一节 水的净化与水质检测 66 第二节 探究水的化学变化 76 第三节 认识原子和分子 81 第四节 搭建原子结构模型 90 目 录 第四章 认识化学元素 第一节 化学元素 100 第二节 化学式 110 第三节 元素的化合价 116 第四节 探究物质的组成 120 第五章 再识化学变化 第一节 化学变化中的能量变化 128 第二节 化学变化中的质量关系 138 第三节 化学方程式 144 第四节 调控化学变化 152 第六章 开展低碳行动 第一节 二氧化碳对环境的影响 162 第二节 二氧化碳的排放 169 第三节 二氧化碳的吸收 176 第四节 我们的低碳行动 184 附录一 193 附录二 194 元素周期表   1 欢迎来到化学的世界，让我们一起开启 “化学”这段奇妙的旅程。 通过本章学习，我们将穿梭历史的长河， 认识化学是怎样的一门学科，感受化学对促进 人类进步和社会发展的重要作用，体验基于化 学实验的科学探究过程。 启航化学之旅 第一章 2023 年6 月6 日，我国首艘国产大 型邮轮“爱达·魔都号”正式离开船坞。 2 第一章 启航化学之旅 第一节 化学让世界更美好 我们生活在五彩缤纷的物质世界，人们 从还没有出现“物质”概念的远古时代开始， 就一直在思索与探究：物质是由什么组成的？ 物质是如何变化的？怎样利用物质或创造新物 质？⋯⋯随着人类对自然的思索与探究不断深 入，出现了物理、化学、生物学、地球科学、 天文学等基于物质观察和实践的自然科学。与 其他学科相比，化学有哪些特点呢？ 一、化学的起源与发展 化学成为一门学科的历史其实并不长，然而发展过程却极其漫长，从起源 之初就一直伴随着人类社会的发展。 课前查阅一些有关化学史的资料，初步了解化学的起源与主要发展时期， 在课上与同学分享你对化学的认识和理解。 以下是某位同学列出的化学发展时期时间轴，请你结合资料整理每个时 期的主要成就（包括大致时间、代表人物、事件、研究内容及成果等）。 化学发展史的5 个时期 交流·分享 远古的工艺 化学时期 1 炼丹和医药 化学时期 2 燃素化学 时期 3 定量化学时 期，即近代 化学时期 4 科学相互渗透 时期，即现代 化学时期 5 第一节 化学让世界更美好 3 当远古时期的人类使用火来取暖、加热食 物时，就开始关注物质的变化。人们用火制陶 器、冶炼矿石得到铜和铁等金属，可以说这是 人类利用物质变化的化学技术的开始。一般将 17 世纪以前称为古代化学时期。 我国是世界上发明烧制陶瓷、冶金、酿造、 染色、造纸和火药等制造工艺较早的国家。例 如，我国明代医药学家李时珍（1518—1593） 的《本草纲目》和明代科学家宋应星（1587—？） 的《天工开物》等著作中，都蕴含着丰富的化 学知识和经验。 17 世纪中叶到19 世纪末，是化学作为一门系统的科学的形成和发展时期， 也称近代化学时期。这个阶段，化学走上以实验为基础的发展道路。19 世纪初， 英国化学家道尔顿提出近代原子学说，之后意大利科学家阿伏加德罗提出分子概 念，从分子、原子的角度来认识物质，对物质组成的解释趋于系统化，化学进入 迅猛发展的时期。随后，门捷列夫等科学家发现元素周期律并编制了元素周期表， 为化学学科贡献了更系统的知识体系。 图1-1 中国人发明火药并 用于军事 图1-3 《天工开物》中关于冶炼金属的记载 图1-2 明宣德年间（1426—1435） 青花海水云龙纹扁瓷瓶 4 第一章 启航化学之旅 作为一门基础学科，化学是材料科学、生命科学、环境科学、能源科学、 信息科学和航空航天工程等现代科学技术的重要基础。化学目前已经发展出无机 化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学、环境化学等分支学科。 二、化学——研究物质的自然科学 通过化学的起源和发展可以看出，化学的研究对象是物质，包括存在于太空、 大气、地壳、江河湖海、生命体中的各种物质。可以说，物质世界里的一切都在 化学研究之列。 物质是不断变化的，物质变化又是多种多样的。而化学就是研究物质变化 的学科。 图1-4 列出的是我们在生活和以往科学课的学习中见过的物质变化，请 你分析每种变化的特点并尝试分类，说明分类的依据或角度。 冰变成水及水蒸气，虽然物质状态发生了改变（物理上称为“物态变 化”），但变化前后物质都是水；铜锭和铜丝的形状不同，但物质都是铜，这 样的变化没有新物质生成，只是物质的外形或状态发生了变化，属于物理变化。 而木炭燃烧（将在第二章通过化学实验证明有二氧化碳生成）、铁生锈（将在第 七章探究铁生锈条件和产物）、葡萄酿酒（葡萄糖变成了酒精）都有新物质生成， 这样的变化属于化学变化，也叫化学反应。参加化学反应的物质称为反应物， 交流·分享 图1-4 一些物质变化 木炭燃烧 冰融化成水 铜锭拉成铜丝 铁剑生锈 葡萄酿酒 第一节 化学让世界更美好 5 探究·实践 化学反应生成的新物质称为生成物。 物质能发生什么样的变化，是由物质具有的性质决定的。例如，铜锭可以 拉成铜丝是因为铜具有延展性；木炭可以燃烧是因为木炭具有可燃性。有些性质 不需要发生化学变化就能表现出来，如可直接观察到的物质的颜色、直接嗅到的 物质的气味等，可通过仪器测量的物质的熔点、沸点、硬度、密度等，这类性质 叫作物理性质。物质在发生化学变化时表现出来的性质叫作化学性质，如可燃性、 酸碱性（将在第九章学习）等都是化学性质。 探究目的 探究镁条的变化及性质。 进行实验 操作步骤 实验现象 解释与结论 （判断是物理变化还是化 学变化；表现什么性质） 1. 取一段镁条，观察颜色；用剪刀截 取两段，都用砂纸打磨，观察颜色。 2. 用坩埚钳夹住 一段镁条，在酒 精灯火焰上点燃 后，迅速移到陶 土网的上方，观 察现象。 3. 取另一小段镁 条，放入试管中， 倒入1 ~ 2 mL 稀 盐酸，观察现象。 安全提示 本实验须佩戴护目 镜和手套完成。 6 第一章 启航化学之旅 反思交流 1. 以上哪个实验中的镁条发生了化学变化？哪些实验现象表明反应后有 新物质生成？ 2. 有同学对操作步骤3 提出以下不同看法：虽然实验时观察到有气体产 生，但可能是盐酸中存在的空气受热冒出，并不一定是有新物质生成。你是 否同意他的观点？如何进一步证明生成的气体是新物质？ 以上现象说明，物质发生化学变化时伴随反应物减少或消失，同时可能会有 发光、放热、变色、产生沉淀或气体等现象。这是由于反应物转化成生成物时， 物质性质发生了变化。例如，镁是银白色的金属，燃烧生成的氧化镁是白色粉末 状固体；镁与稀盐酸反应生成的氢气难溶于水而逸出，通过其可燃性证明氢气与 空气不同。 化学不仅研究物质的变化与性质，还探索其中存在的规律和本质。近代化学 时期的科学家在大量实验基础上，揭示了物质性质与物质组成、结构的密切关系； 建构了元素的概念及元素周期表、分子- 原子论等理论模型，用来解释现象和 预测性质，通过化学元素搭建起宏观物质与分子、原子等微观粒子之间的联系 （将在第三章、第四章学习）。 为更全面、准确、便捷地表示物质的组成和变 化，科学家创造了一套化学符号（将在第四章、第 五章学习）。例如，描述水的组成和结构时，用H 表示水中含有的氢元素，用O 表示水中含有的氧元 素，用数字表示水分子中两种元素原子的个数。 宏观物质水 水中的“水分子” 一个“水分子” 图1-5 物质、分子、原子和元素 氢元素 氧元素 氢原子 氧原子 O H O H H 第一节 化学让世界更美好 7 学科融合 物质的组成、结构、性质、用途几方面密切相关，组成和结构决定性质， 性质决定用途。例如，镁条燃烧可发出耀眼的白光，这一性质使得金属镁可 被用于制作烟花和照明弹。 概括而言，化学是研究物质的组成、结构、性质、转化及应用的一门基 础学科，其特征是从分子层次认识物质，通过化学变化创造物质。 相关学科的研究对象 生物学 研究生命现象和生命活动规律的科学，其研究对象是具有高度 复杂性、多样性和统一性的生物界。 地理 研究地理环境以及人类活动与地理环境关系的科学，具有综合性、 区域性等特点。 物理 研究物质的基本结构、相互作用和运动规律的基础学科。 同样都是以物质作为研究对象的学科，你认为物理和化学各有什么特点？ 三、化学——为了可持续发展 化学作为一门历史悠久而又富有 活力的基础学科，在创造新物质方面 起着核心作用，是开启物质世界的钥 匙。化学的发展与人类社会的发展同 行，为科学与社会的不断进步和人类 物质生活质量的不断改善发挥着不可 替代的作用。 图1-6 化学与我们的生活 化学 8 第一章 启航化学之旅 资料检索 中国人首次合成结晶牛胰岛素 胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素，同时促进糖原、脂肪、蛋白质的 合成。外源性胰岛素主要用来治疗糖尿病。 1958 年12 月底，我国启动人工合成胰岛素课题，开始探索用化学方法 合成胰岛素。在可借鉴的参考资料和经验都很稀缺的情况下，研究人员不畏 困难，终于在1965 年9 月首次成功合成具有完整生物活性的结晶牛胰岛素， 这也是我国最早的人工合成蛋白质的突破性成就。这种世界上第一次人工合 成的蛋白质，不仅为糖尿病患者带来了延续生命的希望，更让人类向着认识 生命本质、揭示生命奥秘的目标迈出了一大步。 在人类文明发展历程中，人类从未停止对未知世界的探索。化学促进了人 类文明的进步，未来的科技发展更离不开化学。中国人“可上九天揽月”“大鹏 一日同风起，扶摇直上九万里”“鲲鲸喷荡，扬涛起雷”的梦想，通过“神舟” 系列载人飞船、C919 国产大飞机、“蛟龙号”载人潜水器逐一实现，这些了不 起的成就背后都有化学的贡献。 图1-8 “蛟龙号”载人潜水器 在西太平洋海域，“蛟 龙号”载人潜水器离开“向 阳红09”科学考察船准备 进入水中，进行中国大洋 38 航次最后一潜（2017 年 6 月13 日摄）。 图1-7 1965 年中国人工合成结晶牛胰岛素 科研人员 将人工合成物 注入小白鼠体 内，测试它的 生物活力。 高倍显微 镜下的人工合 成蛋白质—— 胰岛素结晶。 交流·分享 正如火能够给人类带来温暖和光明，也可能由于不当使用而导致火灾一样， 化学能够为人类创造更美好的生活，也可能由于使用不当或认识不足，对社会生 活和自然环境造成负面影响。 从以下话题中任选1 个开展辩论，查找资料论证其利与弊，谈谈化学在 实现可持续发展中可起到哪些作用。 话题 1：燃料燃烧是否是空气质量变差的元凶。 话题 2：垃圾是否只能给人类带来危害。 话题 3：喝饮料一定会影响人体健康吗？ 话题 4：化肥、农药的使用为人类带来的只是土壤资源的破坏吗？ 随着社会的发展，人类越来越重视人与自然的和谐相处。人们开始认识到 应该合理利用化学，大力发展绿色化学，强调从源头上减少和消除工业生产对环 境的污染，提高资源和能源的利用率，让化学成为帮助人类改善环境、实现人类 与环境和谐共处的“利器”，让化学创造更美好的世界。 图1-9 化学辩论会 观点： “现在的环境污染 都是化学造成的。” 观点： “化学推动人类 社会的发展。” 第一节 化学让世界更美好 9 10 第一章 启航化学之旅 练习与应用 1. 化学在人类发展过程中起着重要作用，中国科学家也做出了巨大贡献。查阅相 关资料，了解以下科学家的主要事迹及贡献并填写表格。 中国科学家 主要事迹及贡献 张青莲 侯德榜 屠呦呦 徐光宪 2. 中国古代的发明创造推动了人类的文明与进步。下列古代发明或工艺中，是 否涉及化学变化？写出判断依据。 序号 是否涉及化学变化 判断依据 （1） （2） （3） （4） （1）陶瓷烧制 （2）玉石刻印 （3）粮食酿酒 （4）火药的使用 图1-10 中国古代的发明创造 第一节 化学让世界更美好 11 3. 社会大课堂：走进中国科学技术馆或国家博物馆、地质博物馆等其他科技馆和 博物馆。 实地或通过网络参观中国科学技术馆或国家博物馆、地质博物馆等其他科 技馆和博物馆，重点参观四个常设展览厅，完成调查报告，将调查结果填写在 下表中。 常设展厅 主要展品 涉及的化学变化 主要应用 华夏之光 汉代冶铁技术 铁矿石生成铁 金属冶炼 探索与发现 科技与生活 挑战与未来 图1-11 中国科学技术馆 12 第一章 启航化学之旅 化学是一门以实验为基础的学科。实验既是 化学学习的重要内容，也是学习化学、解决实际 问题的重要方式。化学实验有哪些特点？进行化 学实验一般需要用到哪些仪器？如何安全、顺利 地完成实验？ 一、化学实验室 化学实验室是专门进行化学实验的场所。初次走进化学实验室时，要熟悉 实验室的布局，阅读并严格遵守实验室安全规则，听从教师安排。 第二节 来到化学实验天地 图1-12 化学实验室 橱柜：存放常用的实 验仪器和少量药品。 需要保持干燥、常温。 实验桌：进行实验操作的 平台，一般配有自来水龙 头和水池、排风设备、学 生电源等。桌面由特殊的 防腐蚀材料制成。 消防设备：配 有灭火器、沙 土箱等。 第二节 来到化学实验天地 13 资料检索 化学实验室的安全规则（部分） 危险药品的存放：危险药品要存放于指定地点。危险药品的容器外应有 相应的警示标志。使用这些药品前须看清药品上的警示标志，采取相应的防 护措施。 药品的取用：不能用手直接接触药品；不能把鼻孔凑到容器口去闻药 品的气味；不得品尝任何药品的味道；要节约药品，没有说明用量应取少量 （液体1 ~ 2 mL；固体盖满试管底部即可）。 用剩药品的处理：不能放回原瓶，不要随便丢弃，不要拿出实验室，要 放入指定的容器内。 阅读以上内容后，请思考并回答以下问题： 1. 如何闻化学药品的气味？ 2. 剩余的药品为什么不能放回原试剂瓶？ 3. 若不慎将具有腐蚀性的液体药品遗洒到实验桌上，应如何处理？ 有毒 易燃 易爆 有腐蚀性 图1-13 常见的危险警示标志 图1-14 实验要求 实验前 预习实验内容，理 解实验目的，明确实验 原理、步骤和注意事项。 做好安全防护，如实 记录观察到的现象和测得 的数据。 将废液倒入指定的容 器中，整理实验桌面，清 洗仪器，把仪器药品放回 原处。 实验中 实验后 14 第一章 启航化学之旅 二、常用实验仪器 1. 反应容器 反应容器是指用来完成化学反应的容器。常见的反应容器有直接加热型、 间接加热型（必须垫上陶土网才能加热）和不能被加热型3 种类型。 试管 坩埚 蒸发皿 燃烧匙 图1-16 直接加热型反应容器 烧杯 烧瓶 锥形瓶 图1-17 间接加热型反应容器 图1-18 不能被加热型反应容器 集气瓶 图1-15 常见的实验防护用品 实验服：保护衣物和皮肤 护目镜：保护眼睛 乳胶手套：保护双手 在实验室进行实验时应时刻注意安全，需要佩戴一些防护用品保护自己。 第二节 来到化学实验天地 15 2. 存放仪器 存放仪器是指能够储存或保存固体、液体和气体药品的仪器，一般为玻璃 材质。如：存放固体药品的广口瓶，存放液体药品的细口瓶和滴瓶，存放气体的 集气瓶。 3. 加热仪器 加热仪器是指用于加热的热源，如酒精灯。 酒精灯是中学化学实验中最常用的加热仪器，它由灯帽、灯芯、灯芯管、灯 壶等部分组成，灯壶的材质为玻璃。酒精灯的灯焰分为三层：最外层火焰温度最 高，称为外焰；中间层火焰温度较低，称为内焰；最里层火焰温度最低，称为焰心。 给物质加热时，应该使用酒精灯的外焰。 思考以下问题： 1. 怎样点燃和熄灭酒精灯？ 2. 能否用简单的方法证明外焰的温度最高？ 图1-19 常用的存放仪器 广口瓶 细口瓶 集气瓶 滴瓶 图1-20 酒精灯的使用 外焰 内焰 焰心 观察·思考 16 第一章 启航化学之旅 3. 为什么以下操作都很危险，必须绝对禁止？ （1）向燃着的酒精灯添加酒精。 （2）用一个燃着的酒精灯去点燃另一个酒精灯。 （3）用嘴吹灭酒精灯。 4. 烧杯加热时为什么需要垫陶土网？ 4. 分离仪器 漏斗是用于分离操作的主要仪器，漏斗的种类很多，常用的有普通漏斗、 长颈漏斗和分液漏斗。 5. 计量仪器 称量质量或称取一定质量的固体常用到托盘天平。托盘天平用于粗略地称 量药品的质量，一般能称准到0.1 g。 图1-21 常用的漏斗 普通漏斗 长颈漏斗 分液漏斗 随着科技的进步，目前实验室 中使用的多为电子天平，其优点是 称量准确可靠，显示快速清晰。 图1-23 电子天平 图1-22 托盘天平 指针 游码 平衡螺母 托盘 分度盘 砝码 第二节 来到化学实验天地 17 测量体积或量取一定体积的液体，常使用量筒。 6. 取用仪器 取用块状固体药品时用镊子夹取，取用粉 末状固体药品时一般使用药匙或纸槽，吸取少 量液体药品时需要用胶头滴管。 图1-25 常用的取用仪器 镊子 药匙 胶头滴管 图1-26 用胶头滴管取用少量液体药品的 正确操作与错误操作 思考以下问题： 1. 使用胶头滴管时为什么 要保持滴管胶头在上，不能平 放，更不能倒置？ 2. 胶头滴管为什么不能触 及容器内壁，也不能随意放在 实验台上？ 图1-24 量筒的使用 （1）选用合适规格的量 筒 ，用左手握持 （2）右手握试剂瓶， 缓缓倾倒液体 （3）平视凹液面最低点， 读出液体的体积数 如果读取量筒内液体体积数时，视线偏高（俯视），读数会偏高还是偏低？ 交流·分享 观察·思考 Ex 20℃ 50 mL 50 40 30 20 10 20 18 第一章 启航化学之旅 探究·实践 7. 夹持仪器 8. 其他仪器 三、基本实验操作 实验目的 加热碱式碳酸铜并检验生成气体。 实验步骤 1. 按照图1-29 检查装置的气密性。当观察到烧杯内的导管口有气泡冒 出，且松开手后，烧杯中的水倒流入导管中形成一段水柱，则说明装置的 气密性良好。 图1-28 其他仪器 图1-27 常用夹持仪器 试管夹 铁架台 坩埚钳 陶土网 玻璃棒 水槽 试管刷 图1-29 检查装置的气密性 第二节 来到化学实验天地 19 探究·实践 2. 从试剂瓶中取少量碱式碳酸铜，任选图1-30 中的操作将碱式碳酸铜 加入试管中。 3. 向烧杯中倾倒约10 mL 澄清石灰水。 4. 按照图1-31 连接仪器。加热碱式碳酸铜并检验生成的气体。加热时， 试管口要稍向下倾斜，以免加热时产生的液珠倒流到灼热的试管底部使试管 破裂。 反思交流 1. 为什么手握试管时，烧杯中会有气泡冒出？松手时，为什么水会倒流 形成一段水柱？ 2. 应按怎样的顺序组装仪器？ 3. 加热熔点较低的固体药品时，试管口也略向下倾斜吗？为什么？ 实验目的 将1 g 食盐溶解于5 mL 水中。 实验步骤 1. 用托盘天平称量1 g 食盐，放入试管中。 2. 用量筒量取5 mL 的水，加入以上试管。 图1-31 加热碱式碳酸铜并检验生成的气体 （1） （2） 图1-30 向试管中加入粉末状固体的两种方式 澄清石灰水 碱式碳酸铜 20 第一章 启航化学之旅 3. 振荡试管。 如图 1-32 所示，用右手拇指、食指和中指握持试管上端，无名指和小 指弯向手心，运用适当的腕力，以手腕为轴来回甩动试管（手臂不摇动）， 使试管内的液体剧烈翻动，但不溅出。 4. 按照图1-33 对试管中的物质进行加热，加速食盐的溶解。 反思交流 1. 细口瓶的塞子为什么要倒放在桌子上？ 2. 细口瓶的标签为什么要朝向手心？ 3.为什么倒完液体后，要及时盖好瓶塞，并把试剂瓶标签朝外放回原处？ 4. 为什么加热液体时试管口不能对着自己和别人？ 5. 为什么加热时试管内液体的量不要超过试管容积的1/3 ？ 图1-33 加热试管中的液体 安全提示 加热时试管内盛装液体的 量不能超过试管容积的1/3；倾 斜试管使之与桌面成45°左右倾 角，并在火焰上来回移动试管 进行预热；为防止液体喷出， 应稍振荡试管或间歇加热；切 不可让试管口对着自己或别人。 图1-32 试管的振荡 安全提示 试管内盛装的液体量不得 超过试管容积的1/2；不能使 试管上下运动；也不能用拇指 堵住试管口进行振荡。 第二节 来到化学实验天地 21 四、数字化实验 数字化实验作为一种新型实验方 式，引领实验仪器向现代化、数字化 方向发展。数字化实验装置由“传感 器+ 数据采集器+ 计算机（含配套 使用的通用和专用软件）”构成，能 够在实验过程中持续采集数据，并以 图表曲线的形式呈现实验结果，具有 准确、实时、便携等特点。 在中学化学实验中常用的传感器有温度传感器、电导率传感器、pH 传感器、 气体压强传感器、二氧化碳传感器等。 现代化学已经成为实验与理论并重的科学。一方面，各种分析和测试物质 结构、跟踪化学反应过程的技术如波谱、色谱、X 射线衍射、飞秒化学、原子 示踪等，成为现代化学研究的重要手段；另一方面，理论计算辅以计算机模拟 来研究物质的结构、预测物质的反应活性、研究反应的微观过程等，成为化学 研究的热点。 质谱仪 核磁共振仪 X 射线衍射仪 图1-35 几种分析测试仪器 图1-34 数字化实验示意图 传感器 数据采集器 数据分析软件 22 第一章 启航化学之旅 练习与应用 1.以下是某同学整理实验室时的一些做法，请你判断他的做法是否正确，为什么？ （1）实验后的废液直接倒入下水道。 （2）洗涤后的试管倒放在试管架上晾干。 （3）实验剩余药品放入指定容器。 （4）归类整理试剂瓶并使标签朝外。 （5）在实验室里吃零食。 2. 请判断以下实验操作是否正确，如有错误将错误操作改正。 实验 操作 评价与改错 取用药品 量取药品 加热物质 碱式碳酸 铜粉末 镊子 锌粒 第三节 体验化学科学探究 23 第三节 体验化学科学探究 提起科学探究，我们并不陌生。在以往的 科学课上，我们参与了大量探究活动。例如， 探究某些常见材料的导电性和导热性，探究 温度对固体溶解快慢的影响，证明空气的存 在⋯⋯针对物质变化复杂、影响因素多样、涉 及原理深入的化学学科问题，如何更有效地开 展探究呢？ 回顾你印象深刻的一个科学探究活动（例如，物理课上探究水沸腾时温 度变化的特点），以此为例，谈谈科学探究主要有哪些环节，应用了哪些方法， 如何撰写探究报告。 一、科学探究的基本过程和方法 与科学探究的一般方法类似，化学科学探究通常包括以下环节： 图1-36 化学科学探究的一般环节 交流·分享 提出 问题 形成 假设 获取 证据 反思评 价及表 达交流 设计并实 施实验或 调查方案 形成结 论及建 构模型 分析 解释 24 第一章 启航化学之旅 化学科学探究用到的方法以实验方法为主，辅以文献检索、调查研究等方法。 因此，化学科学探究报告多以呈现化学实验过程为主，以下示例供参考（可根据 实验内容调整报告中的各环节）。 实验人： 日期： 探究目的 参考资料 猜想与假设 仪器、药品 实验装置图 步骤及现象 分析与解释 探究结论 反思评价 探究目的源于提出的问题，而化学学科的探究问题主要与物质的性质及变 化有关，包括以下类型： （1）探究：陌生物质的变化或性质；物质发生化学变化的条件或规律；陌 生物质的组成或结构。 （2）验证：已经从生活经验、以往学习、相关资料中了解或推测物质的性 质及变化，需进一步证明。 （3）制取：物质的分离或提纯；通过化学变化获得新物质。 猜想与假设是将探究目的转化为具体研究内容的关键，一方面假设要有依 据，另一方面假设的表述要尽量具体。 实验方案包括实验原理（猜想或查找相关化学知识）、实验装置（由仪器 和药品组成）、实验步骤，要考虑全面、具体，可操作。 进行实验是实施方案，注重实验现象和数据的观察和记录。初中化学课 上的实验现象多“稍纵即逝”且复杂多变，需要非常专注、细致地观察并及 时记录。 第三节 体验化学科学探究 25 方法导航 燃烧 有沉淀生成 有气体生成 溶解 变色 图1-37 化学实验现象 观察与记录 化学实验中的观察是有准备和有计划的主动观察。 1. 明确观察对象和要点，以物质变化为核心，不仅要关注“变化中”， 同时也要关注“变化前”与“变化后”两个阶段；还要注意变化的条件及物 质状态的变化等。 2. 定性实验的观察主要利用感官，即眼睛看、鼻子闻、耳朵听、肢体触 摸等，捕捉实验中的所有信息。 3. 在实验进行过程中及时记录，用准确、规范的语言描述观察到的现象， 要实事求是。 分析与解释得出结论分析实验现象和数据，通过对比相同点归纳出规律， 对比不同点发现特性。分析证据与假设的关系，得出一致或其他的结论。 反思评价及表达交流既要对探究全过程进行梳理，也要考虑是否存在错误、 不足或漏洞。例如，实验方案中是否考虑到排除干扰因素？实验过程中的现象是 否观察到位？证据是否收集完整？得出的结论是否合理？ 进行科学探究时，除了应用以上过程和方法外，还应秉持严谨求实、敢于 质疑、持之以恒的科学态度。 查阅书籍或网上文章，了解我国科学家开展科学探究的事迹，并与同学 交流和分享。 1. 选择一个专题，简要介绍其探究目的、方案、过程及结论。 课外实践 26 第一章 启航化学之旅 探究·实践 2. 分析以上科学探究中应用了哪些方法，对你开展探究活动有哪些启示。 3. 你感受到科学家们具有哪些值得学习的精神？ 二、探究“大象牙膏”中的化学变化 你见过或听说过“大象牙膏”实验吗？这其中蕴含着奇妙的化学变化。我 们将应用以上科学探究的过程和方法来探究其中的奥秘。 模拟实验 如图1-38 所示，在锥形瓶底部放了 一些黑色的固体粉末——二氧化锰 ①， 两只小烧杯中分别盛有过氧化氢溶液和 洗涤灵，将它们同时倒入锥形瓶中。 实验现象 锥形瓶中瞬间产生大量气体，形成 白色的泡沫（其中夹杂着黑色粉末），同时 放出大量热。 提出问题 1. 产生的气体是什么物质？ 2. 发生了怎样的变化？如果是化学变化，反应物和生成物分别是什么？ 黑色粉末起到什么作用？ 参考资料 1. 过氧化氢（H2O2）溶液，俗称双氧水，可用于清洁、消毒。贮存时会 缓慢分解为水和氧气，光照、受热或加入某些物质会加快其分解。 2. 洗涤灵是一种家用清洁剂，主要成分是表面活性剂，易形成泡沫。 3. 二氧化锰（MnO2）是一种黑色粉末状物质。 ① 可用食用酵母、硫酸铜、氯化铁、氧化铅等替代，起到类似的效果。 安全提示 过氧化氢具有腐蚀性， 使用时应佩戴手套和护目镜。 图1-38 模拟“大象牙膏”实验图 第三节 体验化学科学探究 27 猜想与假设 1. 生成的气体可能是 ，依据是 。 2. 发生了化学变化，反应物可能是 ，依据是 。 实验方案与现象记录 某同学依据猜想和假设，设计了以下实验，你认为是否合理？还有哪些 补充？ 序号 实验操作 实验现象 1 2 3 实验结论 。 反思交流 二氧化锰起到什么作用？它是反应物 吗？请继续设计实验进行探究。 该方案设计较难，可求助 教师。提示：重点探究二氧化 锰在化学变化前后的质量和化 学性质是否改变，可参考以下 实验装置： 过氧化 氢溶液 粘有二氧化 锰的玻璃棒 ① ② 28 第一章 启航化学之旅 资料检索 通过以上过程，我们较完整地体验了科学探究的全过程，并初步认识了“大 象牙膏”实验中的化学变化。其中，二氧化锰起到了特殊的作用，在化学反应中 改变了过氧化氢的反应速率，而自身的质量和化学性质在反应前后均未发生变 化。起到这种作用的物质叫作催化剂，在化学反应中起到的作用叫作催化作用。 以上化学反应具有广泛的实际应用。例如，可用于实验室制取少量氧气（将 在第二章继续学习），可用以下方式表示这个化学反应： 过氧化氢 氧气 + 水 （H2O2） （O2）（H2O） 二氧化锰 （MnO2） 催化剂 催化剂在现代化学工业中有极其重要的作用。据统计，约有90% 以上 的石化、生化、环保等工业生产过程中使用催化剂。例如，合成氨，生产硫 酸，制造橡胶、塑料、合成纤维等，在反应过程中都需要不同的催化剂来提 高反应速率。 催化剂最早由瑞典化学家贝采利乌斯发现。1836 年，他在《物理学与 化学年鉴》杂志上发表了一篇论文，首次提出了化学反应中使用的“催化” 与“催化剂”概念。 与我们生活密切相关 的催化剂使用案例有很多， 比如汽车中的三元催化器 能将尾气中有害的一氧化 碳、碳氢化合物、氮氧化 物等气体转化为无害的二 氧化碳、水和氮气再排放， 从而降低对大气的污染。 氧传感器螺母 有害气体 进入 无害气 体排出 催化剂载体壳体 衬垫 图1-39 三元催化器示意图 第三节 体验化学科学探究 29 中国科学家在催化剂研究领域取得丰硕成果，请查找并阅读相关资料。 例如，我国炼油催化应用科学的奠基人，石油化工催化剂专家闵恩泽院士的 生平和主要成就。 人民网曾于2014 年8 月22 日发表文章 《三坊七巷——滴水穿石的历史印迹》，文 中描述：“穿梭在三坊七巷之间，残陋的砖 墙和如今美好的姿态缠绕重叠，粉墙黛瓦石 板路仿佛把我扯进岁月的沉淀里，屋檐下的 石阶被滴水石穿的坑洞……”某同学在阅读 中注意到成语“水滴石穿”。水滴石穿出自 宋代罗大经的《鹤林玉露》：“绳锯木断， 水滴石穿。”常用于比喻只要有恒心，不断 努力，事情一定成功。 同学们，若从化学的视角，你会不会想到“水滴”会“石穿”的原因？ 这其中是否会发生化学变化？ 带着这样的疑问，请你参考上述探究过程开展探究。 至此，我们已经正式启程化学科学探究之旅，在后面的学习中我们将一起 开展更多的科学探究。我们将会像科学家一样发现问题、解决问题，深化对化学 的认识，提升探究能力，感受化学的魅力。 交流·分享 图1-40 福州市三坊七巷历史文化 街屋檐下的石阶 30 第一章 启航化学之旅 练习与应用 1. 将一根细铁丝放置在空气中一段时间后，观察到铁丝表面形成了锈渍。某学习 小组的同学对锈渍产生的原因进行探究，探究过程中小明同学认为：锈渍产生 的原因可能是铁与空气中的氧气发生了化学反应。就这一行为而言，属于科学 探究环节中的（ ） A. 提出问题 B. 形成假设 C. 设计实验 D. 交流评价 2. 小明同学在化学课上提出，可以用澄清的石灰水来检验人呼出的气体是否是二 氧化碳气体。就这一行为而言，属于科学探究环节中的（ ） A. 形成假设 B. 提出问题 C. 设计实验 D. 做出结论 学习盘点 ● 知道化学是研究物质的组成、结构、性质、转化及应用的一门基础学 科，其特征是从分子层次认识物质，通过化学变化创造物质。 ● 能举例说明化学对促进社会发展的重要作用；能列举化学家创造的对 日常生活有价值的物质。 ● 能判断常见的物理变化和化学变化；能举例说明常见物质的物理性质 和化学性质。 ● 能严格遵守实验室安全规则；能识别实验室安全警示标志和常用危险 化学品标志，具有预防化学实验安全事故的意识。 ● 学会药品的取用、简单仪器的使用及连接、加热等基本实验操作；能 结合具体探究活动说明科学探究的环节及各环节之间的关系；能撰写简单的 探究报告，评价并与他人交流探究过程及结果。 综合与实践 31 综合与实践 基本理解 1. 化学变化的主要特征是（　　） A. 有颜色变化 B. 有新物质生成 C. 有发光、放热现象 D. 有固、液、气三态变化 2. 下列性质属于化学性质的是（　　） A. 汽油具有挥发性 B. 冰受热融化成水 C. 煤具有可燃性 D. 蔗糖易溶于水 3. 不能 4 4 用酒精灯进行加热的仪器是（　　） A. 量筒 B. 蒸发皿 C. 试管 D. 烧杯 4. 下列实验操作不正确 4 4 4 的是（　　） A. 点燃酒精灯 B. 倾倒液体 C. 滴加液体 D. 检查气密性 5. 绿色化学又称环境友好化学，以下描述不是 4 4 它的主要特点的是（　　） A. 充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料 B. 在无毒、无害的条件下进行反应，但可以将实验废弃物向环境中排放 C. 生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好产品 D. 提高原料的利用率，力争所有原料都被产品消耗，实现零排放 本章学习接近尾声，请结合“学习盘点”中列举的核心内容， 归纳用实验探究的方法研究物质的性质和变化的思路，探索有效的 化学学习方法。 32 第一章 启航化学之旅 简单应用 6. 用图1-41 装置进行实验（夹持仪器已略去）。观察 到蜡片熔化，说明铁具有的性质是______________。 7. 通过光催化可将水、二氧化碳转化为氢气、甲醇等燃 料，图1-42 为这个过程的示意图。 该过程属于______（填“物理”或“化学”）变化。 综合问题解决 8. 超市中出售一种专门用来漂洗带颜色衣物的产品。该产品可以除掉污垢，但不 损伤衣物的原有颜色，能使白色织物更洁白，彩色衣物更鲜艳。 提出问题 这种产品的主要化学成分是什么？ 查阅资料 （1）市场上常见的洗衣漂白剂有三种：氯系漂白水、氧系漂白水和氧系 彩漂粉。 （2）常用作洗衣漂白剂的物质有：次氯酸钠（NaClO）、过氧化氢（H2O2） 和过碳酸钠（2Na2CO3·3H2O2）。 （3）过碳酸钠是一种白色结晶状颗粒；溶于水时，分解生成碳酸钠和过 氧化氢。 猜想与假设 该产品的主要化学成分可能是 （填序号）。 A . 碳酸钠 B. 过氧化氢 C. 过碳酸钠 设计实验 证明该产品的水溶液中有过氧化氢： 图1-41 图1-42 蜡片 铁片 H2O、CO2 燃料 光子晶体 第三节 体验化学科学探究 33 燃烧是对人类发展具有特殊意义的化学变 化，人类对燃烧的认识与化学的形成和发展息 息相关。 本章我们将沿着科学家的足迹探索燃烧； 了解空气组成、氧气性质及其与燃烧的关系； 依据特定的需求制取氧气。 揭示燃烧奥秘 第二章 位于北京市房山区周口店遗址博物馆展 出的“北京人”用火塑像。在周口店遗址里 的考古发现，表明“北京人”已经具备管理 火和保存火种的能力。 34 第二章 揭示燃烧奥秘 燃烧在我们的日常生活中随处可见，你对 燃烧有哪些认识？燃烧过程中有哪些物质变 化？燃烧的发生需要哪些条件？你可能耳闻 目睹过消防员灭火的场景，那么你知道灭火的 原理吗？ 一、燃烧——促进人类文明发展的化学变化 图2-1 燃烧的应用 1. 我们在第一章第 一节初步了解了化学发展 史，其中有很多史实与燃 烧相关，请举例说明。 2. 观察、调查生活中 应用燃烧的实例，谈谈燃 烧的重要应用。 第一节 初步认识燃烧 现代社会离不开燃烧 近代工业革命的蒸汽 机利用燃烧提供能量 古代人用火烧制陶器 原始人用火烧烤食物 火箭发射 钢厂炼钢 燃烧天然气做饭 交流·分享 第一节 初步认识燃烧 35 史实在线 燃烧对人类文明发展具有特殊意义。从刀耕火种到机械化生产，从四大发 明之一的黑火药到“神舟”系列载人飞船的升空，火的使用一次又一次地推动了 人类文明的发展。 阅读以上科学家探索燃烧的历史，思考以下问题： 1. 波义耳的实验能得出什么结论？ 2.“燃素说”与后来科学家所发现的金属煅烧后质量增加的现象之间存 在怎样的矛盾？ 3. 依据生活经验或实验事实，证明燃烧与氧气有关。 英国化学家波义耳（1627— 1691）发表了他所做的燃烧实验研究。 他利用空气泵抽掉玻璃钟罩内的空 气，并在其中加热硫等物质，发现硫 不能燃烧。 德国化学家施塔尔（1660— 1734）提出了“燃素说”。他认为 燃素是“火质或火素而非火本身”， 它从燃烧的物质中快速逸出，它包 含在一切可燃性物质中，也包含在 能烧成渣的金属里。 多位化学家发现燃烧消耗掉了 一部分空气，这部分空气与呼吸有 关。科学家普遍发现金属煅烧后质 量增加。 法国化学家拉瓦锡 （1743— 1794）经过大量金属煅烧实验发现， 燃烧只与可呼吸空气有关，并将可 呼吸空气命名为“oxygène”，也就 是我们现在说的氧气。 1673 年 1703 年 1774—1779 年 图2-2 科学家探索燃烧的历史 36 第二章 揭示燃烧奥秘 探究·实践 方法导航 燃烧是人类关注和应用较早的物质变化，科学家很早就开始通过实验探索 燃烧的本质。18 世纪末，科学家确定了空气中含有可支持燃烧的氧气，从而驳 斥了流行百年的“燃素说”，建立了新的燃烧理论，即燃烧是可燃物与氧气发生 的一种发光、放热的剧烈化学变化。 证实与证伪 在科学研究中，证实和证伪是相互补充的。证实是找到支撑命题的事实 证据，以明其真；证伪是指找到命题的反例，以明其假。一个命题一旦被证 伪，另一个新的命题就会被提出，进而进入证实和证伪的过程，科学的发展 就是这样渐进的。 二、物质燃烧条件的探究 探究目的 探究可燃物燃烧的必要条件。 猜想与假设 。 设计实验 结合以下实验材料设计： 酒精灯、 集气瓶、陶土网、三脚架、坩埚钳、水、蜡烛、 火柴、棉花、剪刀。 进行实验 在小组充分论证实验的可行性后进行实验。 实验步骤 实验现象 分析与结论 得出结论 综合上述实验，得出可燃物燃烧的必要条件是 。 学生必做 实验 安全提示 本实验须佩戴护目 镜和手套完成。 第一节 初步认识燃烧 37 通过以上实验我们可以知道，可燃物燃烧必须同时具备两个条件： （1）与空气（氧气）接触； （2）使可燃物达到一定的温度（着火点）。 物质在空气中开始并持续燃烧的最低温 度，叫作着火点（或燃点）。可燃物在一定条 件下的着火点有确定的数值，且不同种可燃物 的着火点不同，体现了物质特定的性质。着火 点可以通过图2-3 所示的全自动燃点测定仪测 得。表2-1 列举了一些物质在通常状况下的着 火点。 表2-1 一些物质的着火点（通常状况下） 物质 白磷 红磷 硫黄 铁粉 木炭 蔗糖 着火点/ ℃ 40 260 190 315 ～320 320 ～400 350 请根据以下实验，预测实验现象，分析 实验过程。 实验步骤 1. 如图2-4，在250 mL 的烧杯中注入 200 mL 热水（80 ℃），并投入一小块白磷。 在烧杯上盖一片薄铜片，铜片的一端放一小 堆干燥的红磷，另一端放一小块已用滤纸吸 去表面水分的白磷。 2. 如图2-5，取下铜片，向热水中的白磷 通入少量氧气。 实验现象 1. 。 2. 。 观察·思考 图2-3 全自动燃点测定仪 图2-4 图2-5 白磷 白磷 红磷 安全提示 白磷有毒，易燃，需 保存在冷水中，不能用手 直接接触。 本实验须在通风橱或 其他抽风设备下进行。 指温度为25 ℃，大气压强为 1 标准大气压。 38 第二章 揭示燃烧奥秘 方法导航 实验过程中影响因素分析： 可燃物 影响因素 因素1 因素2 ①铜片上的红磷 √ × ②铜片上的白磷 ③水中的白磷（图2-4） ④水中的白磷（图2-5） 实验结论 1. 证明可燃物燃烧需要与氧气接触，依据的对比组为 。 2. 证明可燃物燃烧温度需要达到着火点，依据的对比组为 。 控制变量法 实验科学（如化学、物理、生物学等）中对于多影响因素（即多变量）问 题的研究，常采用控制变量的方法。即把多因素问题分解成多个单因素的问题， 再进行逐个研究。每一次实验只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素 不变，研究被改变的这个因素对事物的影响，最后再进行综合分析，得出结论。 控制变量法是科学研究中的重要方法，广泛运用在各种科学探索和实验 研究中。 在燃烧这个化学变化中，氧气又被叫作助燃物 ①。燃烧不仅需要可燃物、助燃 物，还要达到一定的温度才能发生，并且都会以光和热的形式释放能量。因此， 燃烧可以表示为： 可燃物+ 助燃物（如氧气） 生成物+ 能量 温度达到可燃物着火点 三、灭火 由于燃烧的过程中伴有发光、放热的现象，因此燃烧常被人赋予“光明”“温 ① 可燃物在空气中的燃烧通常是氧气做助燃物。但能做助燃物的物质不是只有氧气，氯气、氟 气等也能做助燃物。 第一节 初步认识燃烧 39 暖”的意义，但用火不当也可能会造成财产 损失，甚至人员伤亡。如何有效地控制燃烧 甚至阻断燃烧过程？ 如图2-6 所示的燃烧的条件，破坏任何 一个条件都可以达到灭火的目的，可采取的 措施有： （1）移走可燃物； （2）隔绝空气（氧气）； （3）降低可燃物的温度到着火点以下。 明确了灭火原理，实际灭火时还要依据具体情况，采取适当的灭火方法。 1. 查阅资料，思考：预防下列火灾最有效的措施是什么？出现下列火灾 时最适宜的灭火方法是什么？有哪些注意事项？ 2. 在校园内找到图2-10 和图2-11 所 示的消防设施，并了解它们的使用方法。 3. 了解图2-12 中以及更多消防安全 标识的含义，并在相关场所按照标识提 示约束自己的行为。 交流·分享 图2-6 燃烧的条件 图2-7 油锅起火 图2-8 电器着火 图2-9 林场着火 图2-10 灭火器 图2-11 消火栓 图2-12 几种消防安全标识 40 第二章 揭示燃烧奥秘 练习与应用 1. 用图2-13 所示实验验证可燃物燃烧的条件。     （1）设计B、D 的目的是 。 （2）能验证可燃物燃烧需要氧气的现象是 。 （3）A ～D 中，可不做的实验是 （填序号）。 2. 中华文化凝聚着中华民族深厚的哲学智慧和几千年的实践经验。例如，“蒙冲 斗舰数十艘，实以薪草，膏油灌其中，……盖放诸船，同时发火。时风盛猛， 悉延烧岸上营落。”（晋·陈寿《三国志》） 下列认知有误 4 4 的是（ ） A.“薪草”“膏油”是可燃物 B.“同时发火”降低了“诸船”的着火点 C.“时风盛猛”提供充足的氧气 D.“膏油”着火不宜用水灭火 3. 预测图2-14 所示实验的现象，说出你预测的理由，并在教师（或家长）陪同 下验证你的想法。 现象： 。 理由： 。 4. 课外实践：走进社区的消防站，体验消防员的 工作，学习一些消防设备的使用，解释灭火原理和方法。 A B C D 图2-13 图2-14 第二节 空气的组成与应用 41 科学家对燃烧的认识离不开对空气组成的研 究。我们已经知道空气中含有氧气、氮气等物质， 如何通过化学方法测定各成分的含量呢？如何理 解空气是一种宝贵的资源？如何保护空气呢？ 一、空气是一种混合物 通常状况下，空气无色、无味，不容易察觉。 直到17 世纪末，科学家通过对燃烧现象和呼吸 作用的深入研究，才认识到空气组成的复杂性。 据测定：按体积计，干燥洁净的空气中大 约含有氮气78%、氧气21%、稀有气体0.94%、 二氧化碳 0.03%、其他气体和杂质0.03%（图 2-15）。 空气的组成并非固定不变，而是与环境密切相关。工业发达、人口众多的 大型城市与森林覆盖率较高的山区，空气的组成差异很大。在相对封闭的教室里， 室内空气中的氧气、二氧化碳等气体的含量也会随着我们的呼吸发生变化。 这里的分数均为体积分数， 是混合物中某成分的体积除以混 合物总体积所得的分数，常用百 分数表示。 第二节 空气的组成与应用 1. 请回顾并梳理一下 你在科学、生物学和地理 课上学习过的有关空气的 内容。 2. 哪些生活经验或实 验事实能证明空气的存在 及空气由多种物质组成？ 交流·分享 氮气78% 氧气21% 其他1% 图2-15 空气的组成示意图 42 第二章 揭示燃烧奥秘 史实在线 像空气这种由两种或两种以上物质混合组 成的物质叫作混合物。混合物中各组分之间不 发生化学反应，仍保持各自原来的化学性质。 由于混合物的各组成成分的多少可以变化，组 成不同，性质会有所不同，因此，混合物没有 固定的组成，也没有确定的性质。 空气中的氧气、氮气等物质是纯净物。纯净物 ①是由一种物质组成的，有着 固定的组成和确定的性质。纯净物可以用专门的化学符号来表示，如氮气可以用 N2 来表示，氧气可以用O2 来表示。 二、空气中氧气含量的测定 历史上，对空气组成的研究与燃烧的认识相伴而行，确定空气中存在氧气 并测定其含量是研究的关键。 表2-2 历史上关于燃烧及空气组成研究的实验 实验者和时间 实验装置示意图 主要实验现象 主要实验结论 梅猷 （1674年前后） 一段时间后蜡烛熄灭，玻璃球 中水面上升；进入水的体积约 占玻璃球空气体积的1/30。 空气由“火- 气 粒子”和“另一 种粒子”组成。 舍勒 （1773年前后） 氢气在空气中燃烧，水立 刻开始上升，直到占据烧 瓶体积的1/4 时，火焰熄灭。 空气由“ 火空 气”和“浊空气” 组成。 普里斯特利 （1774年前后） 置于架子上的锡失去金属 光泽，水进入试管约1/4 的 位置。 空气由“脱燃素 空气”和“燃素 化空气” 组成。 图2-16 物质可分为纯净 物和混合物 物质 纯净物 混合物 ① 化学的一个基本任务是研究和确定物质的化学性质。在这里，“物质”一词被限定为“纯净物”。 实际上，绝对纯净的物质是很难得到的。通常说的“纯净物”是指那些杂质含量很低的物质。 第二节 空气的组成与应用 43 史实在线 阅读以上史实材料，并对比三个实验，思考以下问题： 1. 所利用的化学反应有哪些相同点和不同点？ 2. 实验装置有哪些相同点和不同点？ 3. 为什么会出现有水进入反应装置（玻璃球、烧瓶或试管）中的现象？ 为什么水进入的体积不同？ 几位科学家都发现空气中的一种或几种成分与燃烧有关。后来经过大量的实 验和反复论证，科学家们最终确认了“火空气”“脱燃素空气”等就是现在我们所说 的“氧气”。其中，拉瓦锡的实验设计更严谨，测量结果更接近现代的测量数据。 拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验 拉瓦锡将银白色的液态汞放在 一个密闭容器内加热（图2-17）， 第二天发现液态汞的表面出现红色 的小颗粒。接下来的几天红色固体 不断增加，一直到第12 天，虽仍 有一部分银白色的汞，但红色颗粒 的数量不再变化。于是他熄灭炉火， 发现玻璃钟罩内的汞面上升。经过测量得出容器里空气体积减少了约1/5。 拉瓦锡研究了剩余的那部分气体，发现它既不能供动物呼吸，也不支持 燃烧。这部分气体后来被证实为氮气。 拉瓦锡把汞表面生成的红色颗粒（后来证实是氧化汞）收集起来，放在 另外一个容器里加强热，又重新得到了汞和氧气，而且氧气的体积恰好等于 密闭容器里减少的气体体积。他把得到的氧气加到之前剩下的约4/5 体积的 气体里，结果得到的混合气体与空气性质完全一样。 通过一系列严谨的实验和合乎逻辑的推理，拉瓦锡断定：空气是由1/5 体积的氧气和4/5 体积的氮气组成的。这是有关空气组成最早的科学结论。 图2-17 拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验装置 曲颈甑 玻璃钟罩 汞槽 火炉 44 第二章 揭示燃烧奥秘 探究·实践 阅读以上材料，分别从原理、装置和操作三个方面思考以下问题： 1. 为什么选择汞，而不是前面三位科学家所用的蜡烛、氢气和金属锡作 为消耗空气中氧气的物质？ 2. 汞槽里的汞的作用是什么？与前面三个实验中水的作用是否类似？ 3. 拉瓦锡为什么要加热12 天？ 4. 后续实验中加热收集到的氧化汞，为得出最终结论提供了哪些证据？ 科学家的工作为我们提供了思路和方法，尝试利用初中化学实验室的仪器 和药品设计实验测定空气中氧气的含量。 探究目的 测定空气中氧气的含量。 实验步骤 1. 按图2-18 连接仪器并检查气密性； 2. 向集气瓶中加入少量的水，并将水位上 面的空间五等分，用弹簧夹夹紧胶皮管； 3. 将装有足量红磷的燃烧匙放在酒精灯火焰上加热，当红磷燃烧后迅速 伸入瓶中，塞紧橡皮塞； 4. 待红磷熄灭，冷却至室温后，打开弹簧夹。观察并记录实验现象。 实验现象 分析与解释 得出结论 依据实验现象，得出的结论是 。 反思交流 1. 实验操作中“夹紧”“足量”“迅速”“塞紧”“冷却至室温”等操 作的原因是什么？ 2. 实验结束后，最终进入集气瓶中的水的体积代表了什么？ 3. 水在该实验中起什么作用？ 图2-18 测定空气中氧气含量 弹簧夹 4 3 2 1 第二节 空气的组成与应用 45 上述实验过程中，红磷与空气中的氧气发生了化学反应，生成一种被称作 五氧化二磷的新物质。这个反应可以用如下文字表示： 磷 + 氧气 五氧化二磷 （P） （O2） （P2O5） 点燃 红磷燃烧消耗掉了氧气，集气瓶内气体减少；当冷却到室温后，集气瓶内 气压减小，所以打开弹簧夹时水被倒吸入集气瓶中，而水进入的体积与消耗掉的 氧气体积相等。 三、空气资源的利用与保护 凡从自然界直接获得的可用于生产和生活的物质和能源，都属于自然资源。 空气由氮气、氧气、二氧化碳、稀有气体等物质组成，每种物质都有广泛应用， 因此空气是地球上最宝贵的自然资源之一。 本节重点介绍氮气和稀有气体。（氧气和 二氧化碳将分别在下一节和第六章中学习） 1. 氮气 氮是组成蛋白质所必需的，蛋白质是组成 人体细胞、组织的重要成分。大规模农业生产 需要化肥，而氮气是生产化肥的基本原料之一。 由于氮气的化学性质不活泼，常用它作为金属 焊接或白炽灯灯泡中的保护气；将氮气充入冷 库有利于保存粮食、蔬菜等；食品包装时充氮 气有利于保鲜；液氮还是一种深度冷冻剂，可 用于超低温实验和医疗手术等。 2. 稀有气体 空气中的稀有气体含量虽少，却有着重要 的用途。稀有气体一般不跟其他物质发生反应， 曾称为“惰性气体”，因此常用作保护气，如 结合氧气含量测定实 验和氮气的用途，归纳氮 气的主要性质。 交流·分享 图2-19 氮气的主要用途 稀有气体共有7 种，它们是 氦气（He）、氖气（Ne）、氩气（Ar）、 氪气（Kr）、氙气（Xe）、氡气（Rn， 放射性）、（）（Og，放射性， 人造元素）。 46 第二章 揭示燃烧奥秘 资料检索 焊接金属时用稀有气体来隔绝空气。但随着科技的发展，科学家发现稀有气体在 一定条件下也能发生化学反应。不同的稀有气体因在通电时会发出不同颜色的光， 可以用来制成多种用途的电光源；此外，氦气可用于填充飞艇、潜水服等，液氦 用于超导研究中。 3. 空气的污染与保护 随着工业发展，大气环境受到了一定程度 的污染。空气中的污染物是怎么产生的呢？ 污染物可来源于自然环境和人为活动。如 火山喷发会释放出二氧化硫等物质，而燃放烟 花同样会释放出二氧化硫，二氧化硫是常见的 空气污染物之一。 人类在生产和生活中大量使用化石燃料， 以及金属冶炼、化肥生产、硫酸生产等工业生 产过程，都会产生对空气污染比较严重的二氧 化硫（SO2）、 一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）和可吸入颗粒物（PM10）等 物质，人类也因此面临着酸雨、臭氧层破坏及温室效应等气候变化和环境问题。 酸雨及其危害 酸雨是指pH（溶液酸度计量方法）小于5.6 的雨雪或其他形式的降水。 人类生产、生活中化石燃料的燃烧，产生大量氮和 硫的氧化物排放到空气中，雨、雪等在形成和降落 过程中，吸收并溶解了空气中的二氧化硫、氮氧 1. 连续关注一周（或 一个月）当地电视台的空 气质量播报，记录空气中 通常有哪些污染物以及它 们的变化情况。 2. 人类的哪些活动会 影响空气质量？ 交流·分享 氖气试电笔 汽车氙灯 氦氖激光器 霓虹灯 图2-20 稀有气体的主要用途 是氧元素与另一种 元素组成的化合物（将 在第四章学习）。 第二节 空气的组成与应用 47 化合物等物质，其形成过程如图2-21 所示。 酸雨除具有较强的腐蚀性，对建筑 物、植物等造成直接影响外，还会严重 影响土壤及水体环境，从而影响生物的 生存环境，对农作物生长及生物多样性 造成影响。 为保护环境、防治空气污染，中华人民共和国环境保护部批准发布《环境 空气质量标准（GB 3095-2012）》，对环境空气质量给予不同等级的界定，并要 求按《环境空气质量监测（试行）》在全国各地设置空气质量实时监测点。 各地都设有空气质量监测站，通过专门的仪器对空气中的常见污染物和 气象数据进行24 小时连续在线监测。 1. 查阅资料，了解空气质量监测站的主要结构、功能和使用方法。 2. 监测教室中的氧气及二氧化碳浓度的变化，并提出改善教室空气质量 的建议。 3. 查阅《环境空气质量标准（GB 3095-2012）》，了解大气主要污染物 及其限定标准。 表2-3 《环境空气质量标准（GB 3095-2012）》中有关污染物部分数据 污染物项目 平均时间 浓度限值 单位 一级 二级 二氧化硫（SO2） 年平均 20 60 μg/m 3 24 小时平均 50 150 1 小时平均 150 500 二氧化氮（NO2） 年平均 40 40 24 小时平均 80 80 1 小时平均 200 200 一氧化碳（CO） 24 小时平均 4 4 mg/m 3 1 小时平均 10 10 课外实践 图2-21 酸雨的形成过程 48 第二章 揭示燃烧奥秘 练习与应用 1. 判断下列生活中的常见物质是混合物还是纯净物，并连线。 牛奶 面粉 钻石 鲜榨橙汁 大理石 蒸馏水 纯净物 混合物 2. 用图2-22 所示的装置进行实验（两支玻璃管内径相同）。 实验前K1、K2、K3 均已关闭。左管燃烧匙中盛有足量白磷， 右管盛有水。 （1）光照引燃白磷； （2）待白磷熄灭，冷却后打开K2，至液面不再变化，读出 右管中液体的高度为h1。 打开K2，右管中液面下降，原因是 ；计算空 气中氧气体积分数的表达式为 （用h0、h1表示）。 3. 阅读以下科普文章，并回答问题。 臭氧 臭氧（O3）是一种具有特殊刺激性气味的不稳定气体，在水中的溶解度不 大，化学性质极不稳定，在空气和水中都会慢慢分解成氧气。臭氧主要分布在 距离地面 10~50 km 的大气层中，形成臭氧层。臭氧的作用非常重要，它能吸 收太阳光中绝大部分的紫外线，使地球上的生物免受紫外线的伤害。臭氧具有 很强的杀菌能力，可用于净水等工艺。人类向空气中排放的有害物质（如氟氯 代烷等）会破坏臭氧层，形成臭氧空洞，这将直接威胁人类的生存环境。 （1）文中提到的关于臭氧的性质中，哪些属于物理性质？哪些属于化学性质？ （2）臭氧有哪些应用？这些应用都分别与臭氧的哪些性质相关？ （3）空气中的臭氧含量减少影响紫外线的吸收，臭氧含量增加会不会有不利 影响？请查阅相关资料具体了解。 图2-22 第三节 探究氧气性质 49 氧气是空气的重要组成成分，属于纯净物。 通过实验来探究物质的性质是化学的一个基本 任务。研究纯净物性质的基本思路是怎样的 呢？氧气有哪些性质呢？ 一、氧气的用途 动物和植物的呼吸都要消耗氧气。人在氧气含量过低的环境中，就会出现 呼吸急促、乏力等不适感，严重缺氧会窒息死亡。因此，医疗抢救、登山、潜水、 宇宙航行等特殊条件下作业时需要额外提供氧气。 燃料的燃烧是人类获取能源的重要途径，而燃料的燃烧离不开氧气。氧气 在工业上也有重要用途，冶炼钢铁需要使用富氧空气，焊接或切割金属需要使 用较纯净的氧气，火箭发射时需要使用液氧做助燃剂。 第三节 探究氧气性质 交流·分享 图2-23 纯净物研究模型 组成与结构 存在与制备 性质与 变化 应用与 转化 物质 1. 化学可以从哪些角度对一种纯净物进行 研究呢？某小组同学提出如图2-23 所示的研究 模型，你赞同吗？说说你的想法。 2. 在上述研究模型的各个角度中，你可能 更了解的是氧气的应用，请举例说明。 50 第二章 揭示燃烧奥秘 探究·实践 二、氧气的性质 1. 氧气的物理性质 探究目的 探究氧气在水中的溶解性。 猜想与依据 1. 氧气能溶于水，因为 。 2. 氧气不能溶于水，因为 。 进行实验 实验操作 实验现象 分析与结论 1. 向100 mL 的小烧杯中倒入约50 mL 蒸馏 水，并用溶解氧传感器测试水中的氧含量。 2. 向蒸馏水内通入一段时间氧气。 3. 再次用溶解氧传感器进行测定。 反思交流 你还能用什么方法证明水中可以溶解少量氧气？ 在通常状况下，氧气是一种无色、无味的气体。在1 标准大气压条件下， 如果把氧气降温到-183 ℃，它会变为淡蓝色液体，继续降温到-218 ℃，会变 为淡蓝色雪花状固体。在标准状况下，氧气的密度是 1.429 g/L，比空气的密度（1.293 g/L）略大。氧气不 易溶于水，在通常状况下，1 L 水中最多只能溶解约 30 mL 氧气。 指大气压强为1 标准 大气压，温度为0 ℃。 图2-24 氧气的用途 富氧炼钢 宇航员“太空漫步” 2008 年9 月27 日，“神 舟七号”航天员翟志刚走出 轨道舱舱门，迈开了中国人 走向太空的第一步！ 第三节 探究氧气性质 51 方法导航 探究物质性质的一般思路和方法 回顾探究氧气溶解性的过程，我们可以初步概括出以下思路和方法： 已有知识经验包括生活中相关物质的应用经验、小学科学等其他课程学 习的知识、实验现象等，是形成物质性质猜想的依据。其他过程和方法与第 一章第三节介绍的科学探究基本一致。应用以上思路和方法，我们可继续探 究氧气的密度等其他性质。 2. 氧气的化学性质 通过探究燃烧的条件，我们已经知道氧气能支持燃烧，下面我们应用科学 探究的过程和方法，更严谨地探究氧气的化学性质。 我们选择常见的木炭和铁丝作为代表物，分别探究其与氧气的反应，进而 归纳出氧气的化学性质。 图2-25 探究物质性质的一般思路和方法 52 第二章 揭示燃烧奥秘 探究·实践 学生必做 实验 探究目的 探究氧气与木炭的化学反应。 实验步骤 1. 用坩埚钳夹一小块木炭（主要成分是碳）， 用酒精灯加热至木炭燃烧； 2. 把燃着的木炭分别伸入装满空气和氧气的集气瓶中； 3. 分别向两只集气瓶中倒入等量且适量的澄清石灰水。 实验操作 实验现象 分析与结论 木炭在空气 中燃烧。 木炭在氧气 中燃烧。 反思交流 1. 木炭在氧气中的燃烧比在空气中的燃烧更剧烈，说明什么？ 2. 向集气瓶内倒入澄清石灰水的目的是什么？ 木炭在空气中燃烧产生红热现象，而在氧气中剧烈燃烧，发出白光。但燃烧 的产物（二氧化碳）都能使澄清石灰水变浑浊。上述燃烧反应可用文字表示如下： 碳 + 氧气 二氧化碳 （C） （O2） （CO2） 点燃 安全提示 本实验须佩戴 护目镜和手套完成。 第三节 探究氧气性质 53 探究·实践 学生必做 实验 探究目的 探究氧气与铁丝的化学反应。 实验步骤 1. 将两根打磨后的细铁丝绕成螺旋状； 2. 取其中一根铁丝用坩埚钳夹住，用酒精灯 加热至红热，然后离开酒精灯火焰； 3. 取一个集满氧气的集气瓶，向其中加入少量水（或在瓶底铺一层细沙）； 4. 在另一根细铁丝的螺旋内放一根火柴，用坩埚钳夹住并点燃火柴，待 火柴快烧完时，将细铁丝插入上述操作准备好的集气瓶中。 实验操作 实验现象 分析与结论 加热细铁丝至 红热。 铁丝在氧气中 燃烧。 反思交流 1. 实验中的哪个现象表明发生了化学变化？ 2. 为什么待火柴临近烧完时，才将细铁丝插入装满氧气的集气瓶中？ 3. 为什么要预先在集气瓶里装少量水或在瓶底铺一层细沙？ 4. 为什么铁丝在空气中只是红热而没有燃烧（提示：铁丝的着火点约 1 500 ℃）？ 安全提示 本实验须佩戴 护目镜和手套完成。 54 第二章 揭示燃烧奥秘 铁丝在空气中受热，只出现红热现象，没有燃烧；而铁丝在氧气中却能够 剧烈燃烧，火星四射，反应生成黑色固体四氧化三铁（Fe3O4）。铁丝在氧气中 燃烧的反应可用文字表示如下： 铁 + 氧气 四氧化三铁 （Fe）（O2） （Fe3O4） 点燃 1. 总结以上两个探究活动，你能得到什么结论？ 2. 结合前面学习内容（氧气与镁条、汞、磷的化学反应），写出所有文字或 符号表达式，你发现有哪些共同点？ 3. 通过比较物质在空气和氧气中的燃烧现象，发现并总结规律，你对如何提 高化学反应的剧烈程度有什么想法？ 通过以上探究，我们验证了木炭和铁丝均能与氧气发生化学反应。除此之外， 氧气还能够与许多物质在一定条件下发生化学反应，这说明氧气是一种化学性质 比较活泼的气体。我们还发现，物质在氧气中燃烧比在空气中燃烧得更剧烈，这 与氧气的浓度有关。 我们发现氧气与木炭、铁等物质的反应都是由两种物质发生反应，生成另 一种物质。我们把由两种或两种以上物质生成另一种物质的反应，叫作化合反应。 练习与应用 1. 下列化学反应，不属于化合反应的是（ ） A. 铁 + 氧气 点燃 四氧化三铁 B. 石蜡 + 氧气 点燃 二氧化碳 + 水 C. 氢气+ 氧气 点燃 水 D. 磷+ 氧气 点燃 五氧化二磷 交流·分享 第三节 探究氧气性质 55 2. 根据图2-26 所示的A、B 两个实验，回答问题。 A B （1）实验A 中，生成的黑色物质是______。 （2）实验B 中，加入澄清石灰水的目的是__________________________。 3. 用图2-27 所示装置探究木炭在空气中的燃烧，得到的数据如图2-28 所示。 （1）写出发生反应的文字表达式： 。 （2）结合图2-28 分析，能证明木炭燃烧时氧气参与反应的现象是__________ ____________________。 4. 某小组同学在用图2-29 所示实验探究氧气性质时，观 察到集气瓶内壁出现大量水雾，从而得出以下结论： 铁+ 氧气 点燃四氧化三铁+ 水。请你用多种方法说明 他们的结论是错误的。 图2-27 图2-28 氧气 传感器 木炭 图2-26 图2-29 56 第二章 揭示燃烧奥秘 方法导航 我们已经知道氧气具有广泛的应用，空气 中氧气可支持正常的生命呼吸及物质燃烧。但 在生产和生活中经常需要更高浓度的氧气，我 们该如何制取呢？制取氧气的方法有很多，在 不同的场所和为满足不同需求时，如何选择适 宜的方法呢？ 依据特定需求设计产品 在产品设计、制作过程中应考虑特定环境和特定使用人群的实际需求。 例如，实验室制取少量氧气与大规模工业生产氧气就是不同的需求。以氧气 的制取为例，应基于特定需求，综合考虑原理、装置、材料等因素。 第四节 依据特定需求制取氧气 图2-30 基于特定需求制取氧气的一般设计思路 决定具体技术和手段 给出目标和限定条件 满足使用环境和使用对象的需求 提供技术和手段支持 特定需求 氧气的制取 技术与工程 材质 使用环境 原理 装置 密封性 使用对象 装置尺寸 发生装置 分离空气 压强控制 收集装置 电解法 物理法 化学法 气体流速 净化装置 化学试剂 设计和制作简易供氧器 第四节 依据特定需求制取氧气 57 资料检索 为便于贮存、运输，一般在20 ℃时把氧 气加压到1.5×10 7 Pa 后储存在蓝色钢瓶中。 二、氧气的实验室制取 我们在化学课上研究物质性质和变化时， 需要用到比较纯净的氧气，一般在实验室“现 制现用”。在实验室制取气体也是化学实验的 一项重要技能。 图2-32 储存在蓝色钢瓶中的氧气 一、氧气的工业生产 制氧厂是大规模生产氧气的工厂。以空气为原料制取氧气，可以大幅降低 生产成本。分离液态空气法制取氧气是制氧厂最常用的方法。 工业上通过分离液态空气的方法制取氧气的主要流程如图2-31 所示： 原料空气通过空气压缩机压缩成液体，液态空气经过精馏塔时减压，由 于空气中各组分的沸点不同，随着温度升高，各成分汽化的顺序不同。所以 我们可以通过控制温度，达到氧气与氮气分离的效果。 在分离液态空气制取氧气的过程中，首先从液态空气中分离出来的是氮气 还是氧气？（在标准大气压下，液氮的沸点是-196 ℃，液氧的沸点是-183 ℃） 空气过滤器 水冷（或气冷） 分子筛 主换热器 氧气罐 氧气压缩机 压缩氧气 氧气 氮气罐 压缩氮气 氮气 氮气压缩机 膨胀机 空气 精 馏 塔 图2-31 工业分离液态空气法制取氧气流程图 58 第二章 揭示燃烧奥秘 1. 分析实验室制取氧气的需求有哪些特点？（可从物质需求量、时间、 仪器和试剂、操作等方面考虑） 2. 分析以下可得到氧气的方法或原理是否适用于实验室制取氧气。 （1）“大象牙膏”实验中过氧化氢（溶液）在催化剂作用下分解生成氧气。 （2）拉瓦锡测定空气中氧气含量实验中用氧化汞分解得到氧气。 （3）生物课上学习的二氧化碳和水通过绿色植物的光合作用生成糖类和氧气。 （4）小学科学课上学习的高锰酸钾加热分解生成锰酸钾、二氧化锰和氧气。 3. 以上制取氧气的原理有什么共同之处？ 1. 选择适宜的原理和药品 通过分析以上反应原理，我们发现都是以含有氧元素（元素概念将在第四 章学习）的物质作为反应物。 综合考虑反应条件、操作安全性、产物的种类（尽量不生成其他气体）等因素， 实验室一般用加热高锰酸钾和催化分解过氧化氢溶液的方法制取氧气。加热高锰 酸钾制取氧气的化学反应可表示如下： 高锰酸钾 锰酸钾 + 二氧化锰 + 氧气 （KMnO4） （K2MnO4） （MnO2） （O2） 加热 上述反应的反应物只有一种，而生成物却有不止一种。这种由一种物质生 成两种或两种以上其他物质的反应，叫作分解反应。 2. 设计气体发生和收集装置 实验室制取气体的装置一般分为两部分：通过化学反应生成气体的装置为 气体发生装置；用集气瓶收集气体的装置为气体收集装置。 （1）气体发生装置。 实验室制取气体的发生装置由反应原理 决定。加热固体制取气体的反应可以采用如 图 2-33 所示的装置；固体和液体反应且不需 加热的反应可以采用如图 2-34 所示的装置。 交流·分享 图2-34 固- 液不 加热型 图2-33 固体加热型 第四节 依据特定需求制取氧气 59 探究·实践 学生必做 实验 依据高锰酸钾加热分解的反应特点，选择适宜的实验仪器，组装成气体 发生装置。观察图2-33，思考并交流以下问题： 1. 大试管的作用是什么？ 2. 铁架台的作用是什么？是否能用试管夹替代？ 3. 酒精灯的作用是什么？ 4. 概括依据反应原理选择适宜仪器的主要思路，并设计利用过氧化氢 溶液与二氧化锰在常温下制取氧气的实验室发生装置，解释每种实验仪器 的作用。 （2）气体收集装置。 气体收集方法主要由气体的密度和气体在水中的溶解性决定。一般不易溶 于水的气体可用排水法收集（图 2-35）；密度比空气大的气体，用向上排空 气法收集（图 2-36），而密度比空气小的气体，用向下排空气法收集（图2-37）。 右侧图所示装置是气体收集的 常用装置。结合氧气的物理性质， 想一想哪些方法适用于收集氧气。 3. 设计并进行实验操作 探究目的 利用加热高锰酸钾的方法制取氧气。 实验步骤 按图2-38 连接仪器。 1. 检查装置的气密性，确定装置不漏气之后方可进行实验。 交流·分享 交流·分享 图2-35 图2-36 图2-37 60 第二章 揭示燃烧奥秘 2. 将适量高锰酸钾装入试管中，使其 平铺在试管底部。在试管口放一小团棉花， 用带导管的单孔塞塞紧试管口，并将试管 固定在铁架台上。 3. 将集气瓶盛满水并用玻璃片盖住瓶 口，然后把集气瓶连同玻璃片一起倒立在 水槽中。 4. 给试管加热。当导管口的气泡连续并比较均匀地冒出时，再把导管口 伸入盛满水的集气瓶里。待集气瓶口有大气泡冒出时，在水面下用玻璃片盖 住集气瓶口，小心地把集气瓶移出水槽，集气瓶口向上放在桌子上。 5. 把导管移出水面，然后熄灭酒精灯。 反思交流 1. 为什么试管口要略向下倾斜？ 2. 为什么要在试管口放一小团棉花？ 3. 给试管中的固体加热时要注意哪些操作细节? 4. 为什么刚开始加热时从导管口排出的气体不宜立即收集? 5. 步骤5 中的操作如果顺序颠倒会造成什么后果？ 6. 设计用二氧化锰催化分解过氧化氢溶液制取氧气的实验操作步骤。 三、家庭生活中的氧气制取 家庭生活中有时需要用到高纯度的氧气。例如，老年人和病人有时需要吸 氧保证正常的血氧浓度；生态鱼缸需要氧气供鱼类和水草生长。参考本节方法导 航和以上实验室制取氧气的过程和方法，分析家庭使用的需求特点，尝试设计并 制作简易家用制氧机。 图2-38 实验室制取氧气装置图 第四节 依据特定需求制取氧气 61 设计并制作简易家用制氧机。 查阅资料 市面上有很多种家用制氧机，某种利用化学方法的制氧机结构 如图2-39： 图2-39 某种家用制氧机的结构 原理 过碳酸钠 碳酸钠+ 过氧化氢；过氧化氢 水+ 氧气 装置设计与制作 选择家庭用品（塑料矿泉水瓶、一次性吸管、乳胶管、502 胶水等）；画出装置图，并注明每部分的作用；按设计图组装并进行实验。 展示、交流与评价 1. 记录制作过程中的操作及思考，并制作成研究报告或微视频。 2. 在课上展示自己的制作过程及作品，并做出自我评价。 3. 与同学讨论制定评价制氧机优劣的标准并开展互评。 练习与应用 1. 下列反应属于分解反应的是（ ） A. 碳+ 氧气 点燃 二氧化碳 B. 石蜡+ 氧气 点燃 二氧化碳+ 水 C. 过氧化氢 催化剂 水+ 氧气 D. 锌+ 硫酸 硫酸锌+ 氢气 课外实践 62 第二章 揭示燃烧奥秘 2. 实验制取气体所需装置如图2-40 所示： （1）写出过氧化氢催化分解（二氧化锰作催化剂）制氧气反应的文字表达式： __________________________________。 （2）用过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气，选择的发生装置是________（填 序号，下同）；原因是_______________________________________。 （3）收集的氧气需要验满，使用的收集装置是____________。 （4）用A、C 装置制取氧气的实验结束后，应进行的操作是____________， 原因是_____________________________________________________。 学习盘点 ● 认识化学反应（如燃烧）在自然界和生产生活中的广泛存在和重要应 用；认识化学反应造福人类的独特价值，学习化学家的创新精神。 ● 能运用控制变量思想设计燃烧条件的实验探究方案并完成学生实验。 ● 能依据物质的组成对物质进行分类，识别混合物与纯净物。 ● 能通过实验说明氧气的性质，并举例说明氧气的性质与用途之间的关 系；初步形成研究物质性质的一般思路和方法。 ● 能通过实验制取氧气，初步形成制取气体的一般思路和方法。 ● 认识到化学变化有不同的反应类型，能区分化合反应和分解反应。 ● 能基于氧气、氮气和稀有气体的性质和用途，从辩证的角度，初步分 析和评价物质的实际应用；对空气资源开发和保护展开讨论，积极参与相关 的综合实践活动。 图2-40 A B C D E 综合与实践 63 综合与实践 基本理解 1. 以下方法可区分空气和氧气的是（ ） A. 加水 B. 闻气味 C. 加石灰水 D. 伸入带火星的木条 2. 下列不属于 4 4 4 空气质量日报中监测的物质是（ ） A. 二氧化硫 B. 二氧化氮 C. 一氧化碳 D. 氮气 3. 用图2-41 装置可验证空气中氧气的含量。下列现象能表明氧气含量的是（ ） A. 集气瓶中产生大量白烟 B. 红磷燃烧一段时间后熄灭 C. 烧杯中的水倒吸进入集气瓶 D. 集气瓶中水面最终上升至1 处 简单应用 4．阅读以下科普短文，回答问题。 长期以来，空气中氧气含量能基本稳定，植物的光合作用功不可没。工业 上是以空气为原料，在低温条件下加压，使空气转化成液态，然后蒸发，对空 气进行有效分离。工业上还可以利用膜分离法制得含90% 以上氧气的富氧空 气。当空气通过膜分离装置时，构成氧气的氧分子能透过膜，而构成氮气的氮 分子不能透过膜。利用膜分离出的氮气能作为合成氨、化肥、农药等的重要原料。 实验室常用含氧化合物分解制取氧气。实验室用过氧化氢制氧气时，加入 二氧化锰能大大提高生成氧气的速率。 图2-41 弹簧夹 4 3 2 1 本章学习接近尾声，请你以燃烧为中心词，概括化学变化的特 征；再以氧气为例，归纳、总结纯净物研究的思路与方法。 64 第二章 揭示燃烧奥秘 （1）空气通过膜分离装置时发生的是____________（填“物理变化”或“化 学变化”）。 （2）富氧空气可用于医疗急救，其原因是 _________ 。 （3）过氧化氢制取氧气的反应属于____________（填“化合反应”或“分解 反应”）。 （4）分析文中提到的两种氧气制取方法，若想要在家庭中制取氧气用于日常 保健，你选择的方法是__________（填“分离空气”或“分解过氧化氢”）， 原因是______________。 综合问题解决 5. 2022 年10 月，“梦天实验舱”搭乘“长征 五号B”遥四运载火箭在中国文昌航天发 射场发射升空。“梦天实验舱”是中国空 间站第三个舱段，也是第二个科学实验舱， 搭载了8 个科学实验柜，能够在微重力基 础物理、空间材料科学、微重力流体物理 与燃烧科学等方向开展相关的科学实验和 应用研究。图2-42 是燃烧科学实验柜的外 观，查阅相关资料，完成以下任务： （1）了解燃烧科学实验柜的主要构造，分析其作用。 （2）从可燃物和助燃物种类、温度控制、燃烧产物的处理、燃烧现象等方面， 选择燃烧科学实验柜研究的内容。 （3）查阅微重力实验的相关资料，设计简单实验观察微重力条件下的燃烧 现象。 图2-42 “梦天实验舱”中的燃烧 科学实验柜 第四节 依据特定需求制取氧气 65 66 第二章 揭示燃烧奥秘 学科融合 与空气一样，水也是地球上的一种重要的 自然资源。在其他科学课程的学习中，我们已 经了解了水资源的分布、利用与保护，那么从 物质性质和变化的角度，又该怎么理解水及其 相关知识呢？如何依据物质性质净化水并检测 水质呢？ 水资源的利用与保护 通常把地球上的淡水资源称为水资源。地球上水的储量虽然巨大，但真 正能被生产和生活利用的只是江河湖泊和地下水中的很小一部分。随着人类 生产、生活的发展，天然存在的水资源愈发短缺。 我国水资源时空分布不均，兴建水利工程是解决水资源分布不均的有效 办法之一。例如，我国实施的“南水北调工程”。此外，颁布相关法律法规 是落实节约用水、保护水资源的重要途径。例如，《中华人民共和国水法》 中明确提出建设节水型社会，要求在生产和生活中节约用水，防治水污染。 第一节 水的净化与水质检测 图3-2 国家节水标志 图3-1 南阳陶岔渠首枢纽，南水北调中线工程的起点 第一节 水的净化与水质检测 67 1. 阅读以上资料或回顾科学、地理课上的相关学习内容，谈谈对水 资源利用、开发与保护的认识。 2. 从物质组成及性质角度分析并解释：“水资源”中的“水”是指混合 物，还是纯净物？为什么水容易被污染？ 一、常用净化水的方法 天然存在的水体都是组成复杂的混合物。由于水是一种最常见的溶剂（将 在第八章学习），可以溶解很多物质，且具有流动性，所以水中经常混有各 种物质。 观察图3-3，思考以下问题： 1. 在学校或社区周边水体中取样、观察， 分析我们身边的水体可能含有哪些物质？各 具有什么性质？ 2. 若除去不溶于水的物质（如泥沙）可 采用什么方法？若除去能溶于水的物质可采 用什么方法？ 水体中含有的物质种类繁多、性质迥异。从物质研究角度看，水的净化就 是依据组成物质的性质差异，使用适宜方法去除水中其他物质的过程，也是混合 物分离的过程。 1. 沉降 沉降是指水中的固体颗粒物质自然下降并 与液体分离的过程。水体中密度较大的固体可 以自然沉降到底部，而密度较小的固体一般悬 浮在水体中不易沉降。这时，可加入适量絮凝 剂（例如明矾），利用其遇到水后形成的胶状 物质吸附固体，从而促进其沉降达到净水目的。 交流·分享 图3-4 明矾净水 图3-3 美丽的母亲河——黄河 68 第二章 揭示燃烧奥秘 探究·实践 2. 过滤 探究目的 用过滤的方法对水进行净化。 进行实验 制作过滤装置，取少量泥水进行过滤。 1. 过滤装置的准备。 如图3-5 所示，将一张圆形滤纸对折两次， 打开使之呈圆锥形，放入漏斗中，用水润湿， 使滤纸紧贴漏斗内壁，二者之间不能存有气泡。 应注意滤纸的边缘一定要稍低于漏斗的边缘。 2. 过滤的操作方法。 如图3-6 所示，倾倒液体时，烧杯尖嘴要紧 靠引流的玻璃棒；玻璃棒的末端要轻轻斜靠在 有三层滤纸的一边；漏斗下端管口要紧靠烧杯 内壁；漏斗里液体的液面一定要稍低于滤纸的 边缘。如果滤液仍然浑浊，可将滤液再次进行 过滤，直至滤液完全澄清。 以上实验表明，用实验室过滤装置可以除去不溶于水的泥沙。通常我们理 解的过滤是指利用物质的溶解性差异，将液体和不溶于液体的固体分离的一种 方法。需依据不溶于液体的固体颗粒的直径大小，选择适宜孔径的过滤介质（如 不同孔径的滤纸），生活中有很多利用过滤原理的实例。 图3-6 过滤 图3-5 过滤装置的准备 （1） （3） （2） （4） 图3-7 常见的利用过滤原理物品 厨房用的漏勺 饮水杯中的茶网 熬制中药用的纱布 第一节 水的净化与水质检测 69 资料检索 膜分离技术 膜分离技术是在20 世纪初出现，20 世纪60 年代后迅速崛起的一门分离 新技术。膜分离技术是指在分子水平上，不同粒径分子的混合物在通过半透 膜时，实现选择性分离的技术，半透膜膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分 为微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等。 由于膜分离技术具有的优越性能，已经得到世界各国的普遍重视，被 视为21 世纪工业技术改造中的一项极为重要的新技术。 20 世纪80 年代以来，我国膜分离技术进入应用阶段，同时也是新型膜 技术的开发阶段。在这一时期，膜分离技术在食品加工、海水淡化、纯水和 超纯水制备，以及医药、生物、环保等领域得到了较大规模的应用和发展。 阅读资料，思考膜分离技术与过滤有什么联系，并调查了解一下家用净 水装置和家用制氧机中的“膜”。 图3-9 膜分离技术应用于家用净水器 图3-8 超滤膜的过滤原理示意图 超滤膜 透过液 原液 悬浮颗粒、胶 体、细菌、大 分子有机物等 水分子、离子、 小分子物质 70 第二章 揭示燃烧奥秘 3. 吸附 用活性炭可吸附水中的有色物质。活性炭 是具有微孔结构的粉末或颗粒状固体，是一种 优良的吸附剂，常用于除去有色、有味、能溶 于水的杂质，如家用冰箱活性炭除味产品、活 性炭呼吸面罩等。 4. 蒸馏 蒸馏与蒸发的原理类似，都是利用物质相 同条件下沸点的不同而分离。对水进行加热到 水的沸点（标准状况下为100 ℃），水以气体 状态离开水体，再经过冷却得到较纯净的水； 而其他沸点较高（难挥发）的物质（如氯化钠） 则仍留存在剩余物中。因此，蒸馏得到的水可 看成是纯净物。 1. 总结以上常用的净水方法，填写完成下表： 水中含有的杂质 主要性质 净化方法 实验室用仪器和药品 净化效果 泥沙 不溶于水 沉降、过滤 吸附 蒸馏 2. 回顾第二章对空气组成和氧气工业制法的探究，概括混合物分离的一般思 路和方法。 活性炭是一种经特殊处理的炭，表面的微孔直径 大多在2 ~ 50 nm 之间。即使是少量的活性炭，也有巨 大的表面积，每克活性炭的表面积为500 ~ 1 500 m 2， 活性炭因其特殊的结构而具有广泛用途。 图3-11 活性炭及其内部结构 图3-12 蒸馏法对溶有氯化钠的 水进行提纯 蒸馏水 溶有氯化钠 的水 冷水 交流·分享 图3-10 吸附法除去水中的 有色物质 溶有有色物 质的水 活性炭 第一节 水的净化与水质检测 71 二、自制简易净水装置 综合应用以上净水方法，我们一起利用家庭用品制作一套简易净水装置。 实践目标 1. 能应用过滤、吸附等净水方法自制简 易净水装置。 2. 能说出净水方法的原理。 3. 能选择适宜的材料和用品设计并组装 装置。 4. 能用文字、图片、视频等方式清晰表 达实践过程和结果。 具体要求 小组合作完成以下任务： 1. 复习课上学习内容，了解净化水的主要方法、原理及主要应用。 2. 小组合作设计自制净水装置，先绘制装置简图，注意材料的选择、各 部分材料的作用、放置顺序及用量。 可能的用品：塑料瓶、带导管的橡胶塞、棉花、小石子、沙子、活性炭等。 3. 按照设计的装置图组装并完成水的净化，拍摄成视频。 4. 反思以上制作过程及净水效果，提出改进想法。 5. 以上内容汇总后，在课上由小组代表汇报。 6. 设计净水装置的评价表及小组各成员学习情况的评价表，课上进行交 流和研讨。 课外实践 图3-13 自制简易净水器 纱布 小卵石 纱布 石英砂 纱布 活性炭 纱布 蓬松棉 72 第二章 揭示燃烧奥秘 资料检索 三、生产实际中水的净化与水质检测 海水淡化 海水资源极其丰富，但淡水资源严重匮乏。为解决淡水不足的问题，人 们把海洋中的盐分脱去后，变成可供人们利用的淡水，这个过程叫作海水淡 化。淡化海水的方法有多种。 冻结法 即冷冻海水使之结冰，在液态海水变成固态冰的同时，将溶有 盐分的水排走，从而将盐分分离出去， 剩下的冰就是我们所需要的淡水。 蒸馏法 太阳能海水淡化装置利用 的是蒸馏法。当太阳光透过玻璃顶棚射 入盛在黑色石槽中的海水时，海水温度 不断升高，水变成水蒸气，水蒸气在倾 斜的玻璃顶棚上凝结成水珠流入水槽， 并通过水管被收集。 反渗透法 又叫超过滤法，是一种利 用特殊膜将海水与淡水分离开，从而达 到淡化海水目的的方法。这种膜只允许 水通过，不允许溶解在水中的物质通过。 阅读资料，思考以下问题： 1. 海水淡化的方法与前面学习的水的净化方法有 哪些相似之处？利用了物质的哪些性质？ 2. 海水淡化主要是降低其中盐类物质的含量，可 用水质检测仪测试水样。查阅资料了解水质检测仪检 测的是水的哪些指标。 3. 从大规模生产的角度看，以上三种方案的优点 与存在的困难都有哪些？你的解决思路是什么？ 图3-14 蒸馏法太阳能海水淡化装置 图3-15 反渗透法原理 水汽 淡水 淡水 玻璃 阳光 浓海水 半透膜 高压海水 淡水 图3-16 水质检测仪 第一节 水的净化与水质检测 73 资料检索 饮用水对我们的生活极其重要。饮用水通常来自地表或地下的天然水源， 通过自来水厂处理后流进千家万户。以下资料介绍了自来水厂的生产过程，综合 利用了沉降、过滤等净水方法，还增加了消毒环节。 自来水生产 打开水龙头，自来水就会流出。但是自来水其实不“自来”，它的生 产需要比较复杂的过程和较高的生产成本。通常的生产流程如图3-17 所示， 首先向天然水中加入絮凝剂，使悬浮在水中 的微小颗粒状杂质被吸附凝聚，后在澄清池 中沉降分离。然后让澄清的水流经过膜处理 设备，再输送到千家万户。当然在出厂之前 这些水还要经过严格的检测，达到《生活饮 用水卫生标准》质量要求后，才能成为合格 的自来水。 净化后的水都须依据专门的需求达到一 定的质量标准。例如，污水处理厂一般得到 “中水”，主要用于灌溉、景观等，但不能 直接饮用；饮用水质量关系到人们的身体健 康和安全，因此其标准严格，包括物理指标、 化学指标和微生物指标。 图3-17 自来水厂及自来水的生产流程 隔网 搅拌室 澄清池 絮凝剂 河水 沉淀物 活性炭 吸附 清水池 经过膜处理设备，消 毒、检测后输送给用户 滤水池 残渣 图3-18 北京高碑店污水处理厂 74 第二章 揭示燃烧奥秘 资料检索 表3-1 生活饮用水水质部分指标及限值 检测指标 标准要求 色度 即水的颜色，饮用水的色度如大于15 度时多数人即可察觉。规定饮用 水的色度不应超过15 度。 浑浊度 用以表示水的清澈和浑浊的程度，是衡量水质良好程度的最重要指标 之一，也是考核水处理设备净化效率和评价水处理技术状态的重要依 据。饮用水的浑浊度不超过1 度。 臭和味 公共供水正常臭味的改变可能是原水水质改变或水处理不充分的信号。 饮用水不得有臭味、异味。 肉眼可见物 主要指水中存在的、能以肉眼观察到的颗粒或其他悬浮物质。饮用水 不得含有肉眼可见物。 游离氯 是指水经加氯消毒，接触一定时间后，余留在水中的氯量。游离氯在 水中具有持续的杀菌能力，可防止供水管道的自身污染，保证供水水质。 饮用水游离氯不低于0.3 mg/L。 细菌总数 水中含有的细菌，来源于空气、土壤、污水、垃圾和动植物的尸体， 其中包括病原菌。饮用水的标准为1 mL 水中的细菌总数不超过100 个。 总大肠菌群 是一个粪便污染的指标菌，可以表示水中是否有粪便污染及其污染程 度。在水的净化过程中，通过消毒处理后，总大肠菌群指数如能达到 饮用水标准的要求，说明其他病原体、病原菌也基本被杀灭。饮用水 标准是在检测中不应检出。 练习与应用 1. 下列措施不利于 4 4 4 水资源保护的是（ ） A. 工业废水经净化后重复利用 B. 向河流中直接排放生活污水 C. 园林种植改大水漫灌为滴灌 D. 农业生产中合理使用化肥 第一节 水的净化与水质检测 75 2. 图3-19 是污水处理厂生产流程图。 （1）下列净水方法中，在污水处理厂没有 4 4 使用到的是 （填序号）。 A. 沉淀 B. 过滤 C. 吸附 D. 蒸馏 （2）污水处理厂生产的水属于 （填“混合物”或“纯净物”）。 （3）加氯间中可能发生的是 （填“化学变化”或“物理变化”）。 3. 生物圈中有着多种多样的生态系统，湿地是其中一种，它是在多水和过湿条 件下形成的。湿地具有净化水质、蓄洪抗旱的作用，有“地球之肾”之称。 请查阅资料或实地考察，了解湿地中土壤基质和水生动物、植物净水的原理 和方法。 图3-19 总泵房 洗砂间 浓缩池 曝气池 加氯间 二次沉淀池 初次沉淀池 脱水机房 污泥消化池 回流泵房 曝气沉砂池 格 栅 间 污水 图3-20 汉石桥湿地 汉石桥湿地自然保护区位于 北京市东北部的平原地带，总面 积1 900 公顷，其中核心区面积约 163.5 公顷，是北京市平原地区唯 一的大型芦苇沼泽湿地。 76 第二章 揭示燃烧奥秘 学科融合 我们已经研究了存在于混合物体系中的水， 接下来将研究纯净物——水。我们在日常生活和 物理课上经常见到水的物态变化，那么水会发生 化学变化吗？水的化学变化有什么应用？ 水循环 在温度及压强改变时，水 的状态会发生三态变化。水的 三态变化促成了自然界中水的 循环，它不仅起着调节地表温 度的作用，还发挥了为地球生 物分配淡水资源的功能。 1. 说一说水在自然界的 循环经历了怎样的状态变化过 程。试想如果没有水的三态变 化，地球上的生物、环境将会受到怎样的影响？ 2. 水具有某些特殊的物理性质：和绝大多数物质凝固时体积缩小、密度 增大的情况不同，水结冰时体积变大，密度减小；在所有固态和液态物质中， 水的比热容最大。这些现象都与构成水的微观粒子有关，有兴趣的同学可以 查阅相关资料。 我们已经比较全面地认识了水的物理变化和物理性质，水的化学变化及其 反映出的化学性质，我们将在科学家的引领下进行探究。 第二节 探究水的化学变化 图3-21 自然界中的水循环 降水 降水 蒸腾作用 土壤蒸发 河流湖泊蒸发 降水蒸发 河流补给 海洋蒸发 地下水流 水汽输送 第二节 探究水的化学变化 77 史实在线 水的组成发现历史 资料1：18 世纪末，英国科学家普里斯特利（1733—1804）把 “易燃空气” （后证实是氢气）和空气混合后，用电火花点火时产生明显的爆鸣声， 容器壁上出现了“露珠”。另一位英国科学家卡文迪许（1731—1810）用 纯氧代替空气进行实验，发现大约2 份体积的“易燃空气”与1 份体积的氧 气恰好完全化合，并确认所得“露珠”是水。 资料2：法国科学家拉瓦锡进行了一个以水为反应物的实验：他让水蒸 气通过一根烧红的铁管，发现有“易燃气体”产生。由此，他认为水是“易 燃空气”和氧的化合物，并把“易燃空气”命名为Hydrogène（法语），意 思是“来自于水”，这种气体就是氢气。 资料3：1800 年，英国科学家尼科尔森（1753—1815）和卡里斯尔 （1768—1840）用伏打电池电解水获得成功，进一步证明了拉瓦锡的结论。 阅读资料，思考以下问题： 1. 通过以上实验可推测出水能发生哪些化学变化？ 2. 资料3中用伏打电池电解水，可能产生什么物质？你推测的依据是什么？ 通过以上史实资料，我们又认识了一种新物质——氢气。在标准状况下， 氢气无色、无味，难溶于水，密度比空气小。氢气具有可燃性，能在空气或氧气 中燃烧生成水，可表示为： 氢气 + 氧气 点燃 水 （H2）（O2） （H2O） 演示实验 1. 混有一定量空气或氧气的氢气遇到明火会爆炸。因此，做氢气性质实 验前一定要检验其纯度：用试管收集满氢气，用拇指堵住试管口，接近火焰， 移开拇指。若听到尖锐的爆鸣声，则证明氢气不纯，若声音很小，则证明氢 观察·思考 78 第二章 揭示燃烧奥秘 探究·实践 气较纯。 2. 待确定氢气较纯后，继续 实验：在导气管尖嘴处直接点燃 氢气，观察火焰的颜色，然后在 火焰上方罩一个干冷的小烧杯。 思考问题 1. 哪些实验现象可以证明 氢气燃烧生成水？ 2.氢气在空气中燃烧是否可能生成二氧化碳？请设计实验验证你的猜想。 氢气的发现为研究水的变化提供了思路。水的化学性质比较稳定，在2 000 ℃ 以上才有少量可以分解。下面我们一起用电解的方法探究水的化学变化。 探究目的 探究水在通直流电条件下发生的化学变化。 猜想与假设 依据以上“史实在线”中的资料， 分析水通直流电后可能生成的物质及其可能具有 什么性质，该如何检验。 实验装置 学生必做 实验 图3-24 霍夫曼水电解器 图3-25 微型水电解器 安全提示 本实验须佩戴 护目镜和手套完成。 图3-23 点燃氢气 Ⅰ. 用拇指堵住集 满氢气的试管口 Ⅱ. 靠近火焰， 移开拇指点火 图3-22 氢气验纯 第二节 探究水的化学变化 79 进行实验 操作步骤 （以霍夫曼水电解器为例） 实验现象 分析与解释 1. 给注满水的装置接通直流电源， 观察现象。 2. 分别打开两极玻璃管上的活塞， 用燃着的木条检验两极产生的气体。 正极端玻璃管： 负极端玻璃管： 3. 分别打开两极玻璃管上的活塞，用 带火星的木条检验两极产生的气体。 正极端玻璃管： 负极端玻璃管： 4. 通电一段时间后，观察两极玻璃 管中的液面。 得出结论 。 反思交流 1. 两极玻璃管的液面都下降，证明氢气和氧气的什么性质？ 2. 水在通电条件下可以发生化学变化，其变化类型是化合反应还是分解 反应？ 3. 有的同学提出质疑：水通电是否只生成了氢气和氧气两种物质？是否 可能有其他物质生成且溶解在水中？如何验证这个猜想？ 4. 基于实验得出的结论，你还能推测出其他结论吗？（例如，水的组成 与结构、水的其他应用等） 以上实验探究验证了水在直流电的作用下可发生化学变化，生成氢气和氧 气，该反应可表示为： 水 直流电 氢气 + 氧气 （H2O） （H2） （O2） 从18 世纪到19 世纪初，人们一直认为水是由一种元素——水元素组成。科 学家通过对水化学变化的探究，发现水可以分解成组成更简单的物质——氢气和 氧气，水由氢、氧两种元素组成，打破了以往人们对水的组成的认知。 80 第二章 揭示燃烧奥秘 方法导航 探究物质组成的一般思路如下所示： 反应物 可知 合成法 未知 分解法 未知 可知 生成物 一定条件 借助化学反应探究某物质的组成，可以利用已知组成的物质发生化合反 应来确定生成物的组成，也可以让某物质发生分解反应，生成已知组成的物 质来逆向推断反应物的组成。 基于水的化学变化，我们又发现了水的更多应用。例如，可通过电解水制 取氢气和氧气；制作氢氧燃料电池（将在高中化学继续学习）等。 练习与应用 1. 从变化的分类来看，水的三态变化属于_______ 变化（填“物理”或“化学”， 下同），电解水产生氢气和氧气属于 _______ 变化。 2. 小刚利用实验探究水的组成，装置如图 3-26 所示。 （1）通电一段时间后，试管a 中所收集的气体为 _______，试管b 中所收集的气体为_______， 可推测水由________ 组成。 （2）该化学反应的文字表达式为 ________________ _____________________________，反应类型是 _____________。 3. 从探究物质变化、体现物质性质、推测物质组成和实际应用等方面，整理电解 水反应的应用与价值。 图3-26 第三节 认识原子和分子 81 史实在线 探索物质的构成是个永恒的课题。科学家 通过研究金属、磷、氧气和氢气等组成较简单 的物质，提出原子构成物质的理论。随后，发 现水通电后能分解生成氢气和氧气，又补充了 物质由分子构成且原子构成分子的论断⋯⋯人 们从思辨、实证到实现对原子的观察，经历了 漫长岁月。一代又一代的科学家经过不懈努力， 逐步揭开了物质构成的神秘面纱。 一、原子的提出与相对原子质量 随着人类对自然的观察和认识逐步加深，人们开始思考：世间万物都是由 什么构成的呢？古代先贤早在千年之前就给我们留下了富有启示性的思考。 原子的提出 人类对于“物质是由粒子构成”的认识由来已久。早在公元前5 世纪， 古希腊的学者德谟克利特（公元前约460—公元前370）就认为：万物都是 由大量的不可分割的粒子构成的，并把这种粒子叫作原子（希腊文原意是“不 可分割”）。 我国古代学者墨子提出了物质的“端”的概念，认为它是物质不能再分 的最小单位。例如，对于1 根铜丝，它的“端”就相当于1 个铜原子。 完成以下活动，并思考问题： 1. 把0.1 g 镁条连续对半剪，直至你认为不能再分为止，你有什么感受？ 2. 把你想象中的构成镁条能保持镁的性质的“最小单元”画出来。 第三节 认识原子和分子 82 第二章 揭示燃烧奥秘 史实在线 这些古代的原子观念是人们根据对自然现象的观察而想象出来的，并没有 确凿的证据能证明原子的存在。直到18 世纪，科学技术和实验手段的进步为探 究物质的构成提供了更丰富、充分的基础。 原子学说的发展 英国科学家道尔顿（1766—1844）是近代原子 学说的奠基人。他在实验的基础上，于1803 年提 出“物质是由不可分割的原子所组成”。他认为原 子是不可分割的实心球体，同种原子的性质和质量 相同。 道尔顿的原子学说使化学元素成为可以证实的 科学概念，并且以质量（即相对原子质量）相区别。 完成以下活动，并思考问题： 1. 已知1 个镁原子的质量为3.99×10 -23 g ， 请计算0.1 g 镁条大约由多 少个镁原子构成？ 2. 依据道尔顿的原子学说，画出原子构成物质的示意图： 原子非常小，肉眼无法观测。现代科学可以借助扫描隧道显微镜（缩写为 STM）“观察”到原子在物质表面排列的状态，并可以改变原子的“队形”（称 为“原子操纵”技术，如图 3-28 和图 3-29），进一步证明原子真实存在。 图3-27 道尔顿 氢气 氧气 水 第三节 认识原子和分子 83 图3-28 铁原子STM 图 图3-29 硅原子 STM 图 此图是扫描隧道显微镜显示 在铜表面排列的铁原子。这是迄 今为止“最小的汉字”。 此外，科学家还可以通过X 射线衍射技术 ① 测定物质中原子的相对位置。例如，证实了金 刚石中的碳正四面体结构的猜想。随着仪器分 析技术的发展，科学家对原子的认识越来越清 晰和准确。 原子的质量非常小，单个原子的质量大致 处于10 -27 ～10 -25 kg 之间。不同原子的大小不 同，质量也不同（见表3-2）。科学家多年来 一直致力于原子质量的测定，随着实验技术的发展，原子质量数值的精度也不断 提高。 表3-2 几种原子的半径和质量 原子种类 原子半径/m 1 个原子的质量/kg 氢 0.037×10 -9 1.67×10 -27 碳 0.077×10 -9 1.993×10 -26 氧 0.074×10 -9 2.657×10 -26 像原子质量如此小的数值，如果用“千克”为单位来表示，书写和使用起来 就像用“t”（吨）为单位来表示一粒米的质量一样很不方便。如何解决这个问 题呢？科学家想到用“比值”来表示原子质量。经过多次选择，当前国际上以碳-12 图3-30 金刚石中碳原子的排列 ① X 射线衍射技术通常用来研究物质的晶体结构。因为晶体中原子的空间排布呈周期性重复， 通常只需测量一个周期内原子的排布，就可以确定原子的空间坐标和原子间的距离，从而获 得该晶体的结构图像。 84 第二章 揭示燃烧奥秘 资料检索 张青莲与相对原子质量 中国科学院院士张青莲（1908—2006）教授为相对原 子质量的测定做出过卓越贡献。 张青莲长期从事无机化学的教学与科研工作，特别是 同位素化学及重水的研究。他于1983 年当选为国际原子量 委员会委员。20 世纪90 年代以来系统地进行了原子量的 精确测定工作，所测定铟、铱、锑等几种元素的原子量已 被国际纯粹与应用化学联合会确定为新的国际标准数据。 1. 请用表3-2 中的数据，计算几种原子的相对原子质量。 2. 试分析原子质量、相对原子质量、物质质量之间的区别与联系。 二、分子是构成物质的主要微观粒子 人们借助仪器分析技术“看”到了原子，也证实了像铁、铜这些金属都是 由相应的原子聚集在一起构成的。水中含氢原子和氧原子，那么这些氢原子、氧 原子又是怎样构成水的呢？ 图3-31 张青莲 原子质量的1/12 作为标准 ①，将其他原子的质量与其相比所得的值，作为这种原 子的相对原子质量（符号Ar）。相对原子质量是为原子“量身定做”的一个物理量， 是进行化学计算的基础。 ① 道尔顿在 1803 年曾建议，氢原子的质量为标准，使用“相对原子质量”表示原子的质量。 1959—1960年，国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）和国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC） 取得一致协议后，决定采用碳-12 原子质量的1/12 作为标准。它的质量为1.993×10 -26 kg， 其1/12 约为1.66×10 -27 kg。 交流·分享 第三节 认识原子和分子 85 史实在线 分子的提出 当道尔顿的原子学说公布并被广大科学家接受时，1808 年，法国化学 家盖- 吕萨克根据实验事实，提出了著名的气体反应体积简比定律，发现了 用原子学说不能完全解释的现象和规律。意 大利科学家阿伏加德罗（1776—1856）接受 了盖- 吕萨克的“气体化合时体积是简单整 数比”这一实验事实，提出一种新的微观粒 子——分子，还把分子和原子的概念做了区 别和联系。他提出：分子是组成具有一定特 性物质的最小单位，是一种比原子复杂的微观 粒子，分子由原子构成。 完成以下活动，并思考问题： 1. 依据道尔顿的理论，氢气、氧气、水分别由氢原子、氧原子、水原子 构成。请你尝试用该理论解释电解水的化学变化。 2. 盖- 吕萨克的实验结果是：2 体积氢气与1 体积氧气反应，得到2 体 积的水蒸气。同时发现了同温同压下，气体体积比等于微观粒子个数比的规 律。请你尝试用道尔顿的理论解释以上实验事实。 你发现了什么问题？有什么启发？阿伏加德罗提出的分子假说，是否可 以解决这个问题？ 19 世纪的科学家在原子论基础上，基于新的实验现象提出了分子假说，但 一直没有被科学界广泛接受。直到20 世纪，伴随着对扩散、布朗运动等现象的 研究，科学家提出了分子运动论，为分子存在提供了更充分的证据。 图3-32 阿伏加德罗 86 第二章 揭示燃烧奥秘 探究·实践 探究目的 探究烧杯中溶液变红的原因。 进行实验 向烧杯A中加入20 mL蒸馏水， 滴入2 ~ 3 滴酚酞溶液，溶液仍是无色的。 向烧杯B 中加入20 mL 浓氨水。用一只 大烧杯把烧杯A、B 罩在一起（图3-33）。 几分钟后观察现象。 观察记录 烧杯A：溶液由无色逐渐变红色。 烧杯B： 。 猜想假设 。 操作步骤 实验操作 实验现象 分析解释 获得结论 。 分子总是在不停地运动 ①。我们在日常生活中经常遇到的湿衣服变干、闻到 远处的花香、物质在水中溶解等现象，都与分子运动有关。在外界因素影响下（如 温度等），分子的运动速率也会改变。 分子非常小，其半径大约在10 -10 m 量级。分子的质量很小，1 个水分子的 质量大约是3×10 -26 kg。 图3-33 分子运动实验装置 B A 蒸馏水 和酚酞 浓氨水 ① 分子运动有多种方式， 既有分子的平动（机械运动），也有分子本身的振动。这里主要指 分子的平动。 第三节 认识原子和分子 87 水分子是紧密排列的吗？水分子之间是否 存在空隙？在压强和温度保持不变的条件下， 液态水完全蒸发成水蒸气后，体积远远扩大了。 这个现象可以解释为分子间存在空隙，当温度 升高时，分子间空隙变大。大多数情况下，相 同质量的物质，处于气态时其分子间空隙较大， 处于液态时其分子间空隙较小，处于固态时其 分子间空隙最小。 现代科学证实，至今已经发现或人工合成 的大多数物质由分子构成。根据分子结构的测 定结果，可以认为分子是由一个或多个原子通 过强烈的相互作用结合而成的一种显电中性的微观粒子。 物质不同，构成物质的分子也不同：如空气中的氮气、氧气、二氧化碳等 都由不同种分子构成。分子不同，构成分子的原子种类可能不同：如氮气分子 由氮原子构成，氧气分子由氧原子构成，二氧化碳分子由氧原子和碳原子构成。 即使构成分子的原子种类相同，也可能由于原子个数不同而使分子不同：如 1 个 氧气分子由 2 个氧原子构成，而 1 个臭氧分子由 3 个氧原子构成。 图3-35 氮气、氧气、二氧化碳、臭氧的分子模型 图3-34 用一氧化碳分子排成的 人形图 这张照片上有28 个一氧化碳 分子，这些分子巧妙地按照“人” 的形状排列。两万多个这样的“人 形”紧密地堆叠成圆柱体时，其 直径只有一根头发丝那样细。 88 第二章 揭示燃烧奥秘 水在直流电作用下分解为氢气和氧气，从 分子、原子的角度可以用图3-36 表示。在这个 化学反应过程中，一个水分子在通电的条件下 分裂成两个氢原子和一个氧原子，每两个氢原 子重新结合构成一个氢气分子，大量氢气分子 聚集成氢气；每两个氧原子重新结合构成一个 氧气分子，大量氧气分子聚集成氧气。 科学家从微观角度这样解释化学变化：化学变化可看作是分子分裂成原子， 原子再重新结合成新分子的过程。反应物与生成物的分子不同，化学性质也不相 同。因此，可以说分子是保持物质化学性质的最小粒子。在化学变化中，原子的 种类和数量并没有改变，可以认为原子是化学变化中的最小粒子。 练习与应用 1. 下列对日常生活中现象的微观解释，合理的是（　　） 选项 生活中的现象 解释 A 一滴水中大约有1.67×10 21 个水分子 分子的数目很大 B 夏天汽车轮胎容易爆炸 温度升高，分子体积增大 C 油漆需要密闭保存 分子质量很小 D 春天漫步在公园里可以闻到阵阵花香 分子在不断运动 1. 试着画出水蒸发变化 的微观示意图，并总结绘 制物质组成及变化微观示 意图的一般思路和方法。 2. 从分子、原子角度解 释物理变化与化学变化的区 别与联系。 观察·思考 图3-36 电解水反应微观示意图 氢原子 通电 反应前 反应后 氧原子 第三节 认识原子和分子 89 2. 载人航天器工作舱中的空气组成要与地球上的空气组成基本一致。 资料：在同温同压下，气体的体积之比等于分子个数之比。 用微观示意图表示工作舱中空气的主要成分，图3-37中最合理的是_____（填 序号）。未选择示意图的不合理之处各是什么？ 3. 如图3-38 所示，电子秤上的量筒中盛有蒸馏水，放置一段时间，电子秤的示 数变小。在下图中分别画出“刚放置的水”和“一段时间后的水”的微观示意图。 从微观的角度解释示数变小的原因：_______________________________。 4. 画出汞与氧气在加热的条件下生成氧化汞的化 学反应的微观示意图（相关微观粒子示意图如 图3-39）。 5. 在两支针筒中分别吸入3 mL 的空气和3 mL 的 水，将针头一段插入橡胶塞密封，用手推动针 筒的活塞。 （1）说一说你的感受。 （2）从分子的角度解释产生以上现象的原因， 并尝试用示意图表示。 刚放置时的水 一段时间后的水 图3-38 氧原子 氮原子 A B C D 图3-37 图3-39 汞原子氧原子 氧化汞分子 图3-40 90 第二章 揭示燃烧奥秘 z 史实在线 原子真的不可再分了吗？从18 世纪到19 世纪末的100 多年的时间里，人们在解密原子内 部结构的道路上艰难地行进。对于这些肉眼无 法看到的微小粒子，科学家是怎么开展研究的？ 19 世纪初，道尔顿提出了原子学说，他认为原子是构成物质的“最终质点” 和“不可破质点”。人们对原子是否可继续再分，提出了新的疑问。但是，即 使应用扫描隧道显微镜我们仍然“看”不到原子的内部结构。 原子模型发展历史 第四节 搭建原子结构模型 英国科学家道尔顿认 为，同种元素是由相同的 原子组成的，不同元素的 原子具有不同的质量。道 尔顿把原子想象成微小的 实心球体。 道尔顿观点 英国科学家汤姆生发 现了电子。他提出了新的 原子模型，认为原子是一 个带正电的球体，上面嵌 着带负电的电子。他的模 型看上去就像嵌有葡萄干 的小蛋糕。 日本物理学家长冈半 太郎提出，原子的中央是 一个带电的大球，电子绕 着这个大球运动，就像行 星绕太阳运行一样。 1808 汤姆生模型 1897 长冈模型 1904 1800 1900 第四节 搭建原子结构模型 91 方法导航 科学家在实验和理论的基础上，对“原子内部”进行合理的想象和推测， 形成了原子结构模型。 假说与模型 假说是科学研究中对客观事物的假定的说明。道尔顿提出的近代原子论、 门捷列夫提出的元素周期律、魏格纳提出的大陆漂移说，最初都是假说；后 来经过反复的验证和修正，才成为科学的理论。假说是科学发展过程中的重 要阶段。 模型是通过构建模型来揭示客观事物原型的形态、特征和本质的方法。 模型一般可分为物体模型（如地球仪）和思维模型。思维模型除用文字描述 外，还可借助示意图、符号来表达。模型在研究微观世界，揭示物质微观粒 子的内部结构、运动规律等方面经常被使用。 英国物理学家欧内 斯特·卢瑟福认为，原子 内的大部分空间是空的， 电子沿轨道围绕体积很 小的、带正电的原子核 做随机运动。 丹麦物理学家玻尔提 出了核外电子分层排布的 原子结构模型，否定了随 机运动一说。他认为，当 电子从一个轨道跃迁到另 一个轨道时，会吸收或辐 射能量。 现代模型的诞生要归 功于20 世纪20 年代至今 的研究成果。这一模型指 出，电子在原子核周围形成 了一团带负电的“云”，我们 不能确定在某一特定的时 刻电子处在什么位置。 卢瑟福模型 玻尔模型 现代模型 1911 1913 1925 2000 92 第二章 揭示燃烧奥秘 一、原子的结构 科学家研究发现，原子由位于原子中心带正电荷的原子核和原子核外带负 电荷的电子构成。原子核由质子和中子构成，一个原子核内的质子数与原子核 外电子数相等。质子、中子和电子的电性和质量见表3-3。原子核体积很小（半 径约为10 -14m），如果把原子比作一个庞大的运动场，那么原子核只相当于一 只蚂蚁。因此，原子里有很大的空间，电子就在核外空间运动。 表3-3 构成原子的几种粒子的电性和质量 粒子种类及数量 电性 质量/ kg 1 个质子 1 个单位正电荷 1.672 6×10 -27 1 个中子 不带电 1.674 9×10 -27 1 个电子 1 个单位负电荷 9.109 1×10 -31 不同种类的原子，其原子核内含有不同数 目的质子和中子，核外电子数也不相同。表3-4 列出了几种常见原子的构成。 表3-4 几种常见原子的构成 原子种类 质子数 中子数 核外电子数 氢 1 0 1 碳 6 6 6 氮 7 7 7 氧 8 8 8 硅 14 14 14 铜 29 35 29 请根据以上内容思考 下列问题： 1. 原子不显电性的原 因是什么？ 2. 原子核带的正电荷 数称为核电荷数，核电荷 数为什么等于质子数？ 3. 分析表3-2、3-3， 为什么说原子的质量主要 集中在原子核上？ 4. 计算氢、碳、氮、 氧、硅、铜原子的相对原 子质量，与表3-4 对比观 察，你有什么发现？ 5. 请总结一下原子结 构中存在哪些等量关系。 交流·分享 中子 质子 原子核 电子 电子 原子 （不显电性） 原子核 （带正电） 质子（带正电） 中子（不带电） 核外电子 （带负电） 图3-41 原子模型 第四节 搭建原子结构模型 93 资料检索 二、原子核外电子的排布 电子非常小，在原子核外的空间（直径约 10 -10 m）做高速运动。科学家把 电子所处的特定运行区域称为电子层。 核外电子的分层排布 由于各电子层中可容纳的电子数目是限 定的，所以当原子中含有多个电子时，电子 将按照能量由低至高的顺序分布于各电子层 中。能量低的电子通常在离核较近的电子层 内运动，能量较高的电子通常在离核较远的 电子层内运动。这种结构模型称为核外电子 的分层排布。 以下是核电荷数1~18 的18 种原子的原子结构示意图。 1. 观察图 3-43 中各原子的电子层数、最外层电子数及原子位置的排列，你 有哪些发现？ 2. 图中用三种不同颜色示意的原子，其核外电子的排布（尤其是最外层电 子数）各有什么特点？ 图3-42 钠原子结构示意图 2 8 1 电子层 最外层电子数 核电荷数 原子核 +11 观察·思考 图3-43 核电荷数为1~18 的原子结构示意图 2 8 1 +11 钠（Na） 2 1 +3 2 2 +4 2 3 +5 2 4 +6 2 5 +7 2 6 +8 2 8 +10 锂（Li） 1 +1 2 +2 氢（H） 2 8 2 +12 镁（Mg） 铍（Be） 2 8 3 +13 铝（Al） 硼（B） 2 8 4 +14 硅（Si） 碳（C） 2 8 5 +15 磷（P） 氮（N） 2 8 6 +16 硫（S） 氧（O） 2 8 +17 氯（Cl） 氟（F） 2 8 8 +18 氩（Ar） 氖（Ne） 氦（He） 2 7 +9 7 94 第二章 揭示燃烧奥秘 不同原子的核外电子排布情况不同，但遵守着共同的规律。例如，最外层 电子数不超过 8 个（只有 1 层的不超过 2 个）。稀有气体中的氖、氩等最外层电 子数都是 8 个（氦只有 1 层电子，电子数为 2）。稀有气体在一般条件下不易与 其他物质发生反应，与它们的最外层电子数都是 8（只有 1 层的是 2）的稳定结 构有关。其他原子最外层电子数都少于 8 个，在化学变化中将通过得到或失去一 定数目的电子而达到稳定结构（见表 3-5）。 表 3-5 各类原子的最外层电子数及在化学变化中的表现 原子种类 最外层电子数 化学变化中的表现 稀有气体（氦、氖、氩等） 8 个（氦是2 个） 既不易失，也不易得电子 非金属（碳、氮、氧、氯等） 一般等于或多于4 个 易得电子 金属（钠、镁、铝等） 一般少于4 个 易失电子 三、原子在化学变化中的变化 将黄豆粒大小的一块金属钠放在铺有细沙的陶 土网上，用酒精灯加热至钠熔成光亮的小球时，将 一个装满氯气的大试管倒扣在钠上，移去酒精灯。 可观察到钠在氯气中剧烈燃烧，大试管里充满白烟， 管壁及细沙上有白色粉末。此白色粉末就是氯化钠 （它是食盐的主要成分）。 试从原子最外层电子数变化的角度分析以上化学变 化，钠原子和氯原子在化学变化中分别有什么表现？ 图3-44 钠在氯气里燃烧 以上这个化学变化可表示为： 钠 + 氯气 点燃 氯化钠 （Na） （Cl2） （NaCl） 金属钠中有钠原子，氯气中有氯原子。从原子的核外电子排布情况看，钠 原子的最外电子层有 1 个电子，容易失去；氯原子的最外电子层有7 个电子， 观察·思考 第四节 搭建原子结构模型 95 容易得到 1 个电子，从而使双方最外电子层都 达到 8 个电子的稳定结构。如图 3-45 所示，在 这个化学变化中，钠原子和氯原子的原子核都 没有发生变化，而是钠原子把最外层的 1 个电 子转移到氯原子的最外电子层上，钠原子因失 去 1 个电子而带上了 1 个单位的正电荷，氯原 子因得到 1 个电子而带上了 1 个单位的负电荷。 这种带电的原子叫作离子。带正电荷的离子叫 作阳离子，如钠离子（Na +）；带负电荷的离 子叫作阴离子，如氯离子（Cl -）。带有相反电 荷的钠离子和氯离子通过静电作用形成氯化钠，氯化钠呈电中性。 离子是构成物质的微观粒子中的一种。由离子构成的物质中同时含有阳离子 和阴离子，而且两种离子所带电荷的总量相等，因此物质呈电中性。除了单个原 子带电形成离子外，带电的原子团 ①也叫离子，如硫酸根离子（SO4 2-）、碳酸 根离子（CO3 2-）、氢氧根离子（OH -）等。 结合本章第三节和第四节的学习内容，参考以下某同学的想法，绘制 出微观粒子构成物质的关系图。 图3-45 钠原子和氯原子形成 的氯化钠的示意图 Na Na + Na + Cl - Cl - +11 +11 +17 +17 2 7 8 2 8 8 8 8 1 2 2 Cl 交流·分享 ① 原子团：2 个或 2 个以上原子结合在一起形成的一个整体。在很多化学反应中，这个整体不 发生变化。 96 第二章 揭示燃烧奥秘 练习与应用 1. 氧原子中构成其原子核的微观粒子为（　　） A. 电子、质子 B. 质子、中子 C. 电子、中子 D. 质子、中子、电子 2.“嫦娥五号”探测器采集的月壤样品中含有丰富的氦-3 资源，其原子的原子 核内有2 个质子和1 个中子，则氦-3 原子的核外电子数为（　　） A. 4 B. 3 C. 2 D. 1 3. 卢瑟福将α 粒子通过黄金薄片后发现大部分α 粒子直线穿过金箔，少部分 α 粒子有偏转，极少数α 粒子有较大偏转，乃至被弹回。这就是著名的α 粒子散射实验（如图3-46 所示），分析这个实验，你有什么发现？ 图3-46 α 粒子散射实验 学习盘点 ● 了解吸附、沉降、过滤和蒸馏是净化水的常用方法；认识水是宝贵的 自然资源，形成保护和节约水资源的可持续发展意识与社会责任。 ● 完成探究水的组成与性质实验。 ● 能说明分子、原子、离子的区别和联系；能用分子的观点解释生活中 的某些变化或现象；能根据原子的核电荷数判断核内质子数和核外电子数。 ● 能基于真实情境，从原子、分子的视角分析有关物质及其变化的简单 问题，并做出合理的解释和判断。 ● 通过科学史实体会科学家探索物质的组成与结构的历程，初步学会通 过实验、想象、推理、假说、模型等方法探索物质的结构。 探测板 金箔 α- 粒子源 铅罩 α 粒子束 α 粒子束 α 粒子束 未发生偏转 α 粒子轰击金箔实验 综合与实践 97 综合与实践 基本理解 1.2023 年3 月1 日《北京市节水条例》正式实施。下列做法不利于 4 4 4 节水的是（ ） A. 用淘米水浇花 B. 水管跑冒滴漏及时维修 C. 选用节水龙头 D. 洗手涂抹香皂时不关水龙头 2. 电解水实验如图3-47。下列说法不正确 4 4 4 的是（ ） A. 试管1 中得到H2 B. 水由H2、O2 构成 C. 水发生了分解反应 D. 水由氢、氧元素组成 3. 洋葱被誉为“蔬菜皇后”。切洋葱时可闻到刺激性气味， 这说明（ ） A. 分子在不停地运动 B. 分子体积很小 C. 分子间有间隔 D. 分子质量很小 4. 张青莲院士主持测定的锑、铈等元素的相对原子质量新值，被采用为新的国际 标准。铈的原子核内有58 个质子，则其原子核外电子数为 ，核电荷 数为 。 5. 请根据以下四种物质的微观示意图，回答下列问题（ 表示不同种原子）： 以上四种物质中，属于混合物的是 （填序号），你的理由是 。 图3-47 本章学习接近尾声，请结合“学习盘点”中列举的核心内容， 整理“水”的存在与净化、性质与变化、组成与结构，归纳从分子、 原子角度认识物质组成和变化的思路和方法。 图3-48 甲 乙 丙 丁 98 第二章 揭示燃烧奥秘 简单应用 6. 医用口罩对微小带病毒气溶胶或有害微尘的阻隔效果显著。与口罩防护原 理相似的净化水方法是__________ ；写出这种方法在生活中的其他应用 __________ 。 7. 甲酸（HCOOH）具有清洁制氢的巨大潜力，其分解前后分子种类变化的微观 示意图如图3-49： 下列说法不正确 4 4 4 的是（ ） A. 以上反应属于分解反应 B. 甲物质是氢气，乙物质是水 C. 乙酸分子由氢、氧、碳原子构成 D. 以上反应前后的原子种类和个数都不变 综合问题解决 8. 结合本章所学内容，查阅与本章内容相关的其他学习资料（如阴极射线实验、 α 粒子散射实验、中子和质子的发现；相对原子质量标准的建立与发展等）， 梳理科学家认识原子、原子结构及分子构成物质的主要历程，制作成手抄报。 手抄报可按年代顺序呈现，要注明主要理论或模型的代表科学家、主要理论或 模型特点、可解释的物质构成及现象、理论的局限性等。 图3-49 第四节 搭建原子结构模型 99 人类认识物质的组成和变化有多个角度， 一方面，通过不断“拆分”物质发现了分子和 原子；另一方面，在探索不同种物质的相同组 成时提出了化学元素的概念。本章将更全面地 认识化学元素；学会用符号表示物质的组成； 综合运用第三章内容探究物质的组成和结构。 认识化学元素 第四章 植物青蒿与青蒿素的分子结构。 100 第四章 认识化学元素 史实在线 第一节 化学元素 我们都知道，数量庞大的英文单词仅由26 个 英文字母组成，各式各样的乐谱仅由7 个音符组 成。多种多样的物质的组成是否有类似的规律？ 人们很早就提出物质是由元素组成的。那么，究 竟什么是元素？元素又是如何组成物质的呢？ 一、化学元素和元素符号 人类对元素的认识经历了漫长而曲折的过程。随着人们对原子结构认识的 逐步清晰，科学家对化学元素（简称元素）赋予了新的定义。 元素概念的提出与发展 化学兴趣小组的同学阅读了化学史相关书籍，概括出元素概念的发展过程。 图4-1 元素的提出与发展 元素的提出 元素是最简 单的物质 元素是一定 质量的一类 原子 元素是核电 荷数相同的 一类原子 ● 战国末年《尚书》的“五行学说” ● 古希腊哲学家的“四元素说” ● 17 世纪，波义耳《怀疑派的化学家》 ● 18 世纪，拉瓦锡《化学基础论说》，列出33 种化学元素 ● 19 世纪初，道尔顿创立原子学说，并将化学元素概念与“原 子量”联系起来 ● 19 世纪后半叶，门捷列夫建立元素周期表时，明确指出元素 的基本属性是原子量 ● 1914 年，英国物理学家莫塞莱 （1887—1915）系统地研究 了由各种元素制成的阴极所得的X 射线的波长，指出元素 的特征是这个元素的原子的核电荷数 ● 1923 年，国际原子量委员会确定了现代元素的定义 第一节 化学元素 101 阅读资料，思考下列问题： 1. 古希腊人提出“四元素说”，认为火、气、水、土组成世间万物。主 要观点有：元素是组成物质最简单、最基本的部分；复杂物质由简单元素组成； 元素具有一定的性质。你可以用“四元素说”解释燃烧吗？ 2. 波义耳和拉瓦锡用“化学方法不能分的最简单物质”定义元素。依据 他们的理论，如何解释电解水及水的组成？ 3. 道尔顿和门捷列夫用“相同种类的原子”定义元素，他们分类原子的 标准是“相同质量”。你是否认同他们的观点？ 4. 20 世纪初，随着对原子结构研究的深入，科学家提出元素的新定义。 基于质子数（核电荷数）分类与基于原子质量分类相比，有什么优势？ 氧气、水、二氧化碳是由 不同种分子构成的。但氧气分子 （O2）、水分子（H2O）、二氧化 碳分子（CO2）中均含有氧原子。 上述物质中含有的氧原子可以统 称为氧元素。 化学元素是原子中质子数（核 电荷数）相同的一类原子的总称。例如，质子数（核电荷数）为 8 的原子，统 称为氧元素；质子数（核电荷数）为 6 的原子，统称为碳元素。元素可进行简 单分类（如图4-3 所示）。 图4-2 氧气、水、二氧化碳分子中都含有氧原子 水（H2O） 二氧化碳 （CO2） 氧气（O2） 氧气、水、二氧化碳分子中都含有氧原子 图4-3 元素的简单分类 102 第四章 认识化学元素 资料一：自然界中的氢原子有氢-1（氕piē）、氢-2（氘dāo）和氢-3（氚 chuān）三种。它们的原子核中都有1 个质子，但分别有0 个中子、1 个中 子和2 个中子。 资料二：自然界中的碳原子有碳-12、碳-13 和碳-14 三种。它们的原 子核中都有6 个质子，但中子数分别为6、7、8 个。 结合以上资料，填写下表： 原子名称 质子数 核电荷数 中子数 核外电子数 相对原子质量 元素名称 氢-1（氕） 1 氢 氢-2（氘） 2 氢-3（氚） 3 碳-12 12 碳 碳-13 13 碳-14 14 根据所学知识，填写下表： 粒子名称 质子数 核电荷数 中子数 核外电子数 元素名称 钠原子（Na） 12 钠 钠离子（Na +） 12 氯原子（Cl） 18 氯 氯离子（Cl -） 18 思考：通过上述资料分析，你对元素定义有了什么更深入的认识? 元素的提出，丰富了人们认识物 质的视角：从分子、原子角度认识物 质的构成，从元素角度认识物质的组 成。如氧气由氧分子构成，由氧元 素组成；二氧化碳由二氧化碳分子构 成，由碳元素和氧元素组成。 以“物质”“元素”“原子”“分 子”“离子”为核心词，用图示的 方式表示核心词之间的关系，并举 例说明物质的微观构成和元素组成。 交流·分享 观察·思考 第一节 化学元素 103 资料检索 为方便区分和交流，国际上规定每种元素都采用统一的符号来表示，即元 素符号。例如，用“H”表示氢元素，“O”表示氧元素。元素符号能表示一种 元素，还能表示这种元素的一个原子。例如，“C” 既表示碳元素，又表示一 个碳原子。 元素符号和元素的中文名称 国际上统一采用元素拉丁名称的第一个字母（大写）作为元素符号来表 示该元素，如氢元素拉丁文名称为Hydrogenium，元素符号就写为H；如果 几种元素拉丁文名称的第一个字母相同，就附加一个小写字母来区别。如铜 元素（Cu）、氯元素（Cl）、钙元素（Ca）。 元素的中文名称是我国近代化学的启蒙者 徐寿创造的。他把元素进行了分类：对于金、银、 铜、铁、锡、铅、硫等国人早已定名的元素，继 续沿用旧名；对于一些有特定性质的元素，则采 用意译的方式，如轻气、养气、淡气等（后来分 别演变为氢、氧、氮，但仍保持原字的读音）； 对于其他元素，将元素的英文名称的首音节或次 音节译为发音类似的汉字，再加以汉字部首大致区分元素的类别。 图4-4 徐寿（1818—1884） 表4-1　常见元素的名称、符号和相对原子质量（近似值 ①） 元素名称 元素符号 相对原子质量 元素名称 元素符号 相对原子质量 氢 H 1 铝 Al 27 氦 He 4 钾 K 39 氮 N 14 钙 Ca 40 氧 O 16 钛 Ti 48 ① 精确的相对原子质量都含有若干位小数。当对计算结果的精度要求不高时，可以取相对原子 质量的近似值。 104 第四章 认识化学元素 史实在线 续表 图4-5 门捷列夫 元素名称 元素符号 相对原子质量 元素名称 元素符号 相对原子质量 氟 F 19 锰 Mn 55 氖 Ne 20 铁 Fe 56 氯 Cl 35.5 铜 Cu 64 氩 Ar 40 锌 Zn 65 碳 C 12 银 Ag 108 硅 Si 28 钡 Ba 137 磷 P 31 铂 Pt 195 硫 S 32 金 Au 197 钠 Na 23 汞 Hg 201 镁 Mg 24 铅 Pb 207 二、元素周期表 我们周围的物质数以千万计，但归根结底这些物质是由100 多种元素组成的。 各元素之间是否存在关联？如何体现元素之间的关系呢？ 门捷列夫与元素周期表 19 世纪20 年代末，化学家已经发现了50 多种元素，积累了大量的关 于元素及其化合物的事实经验。面对庞杂凌乱、千头万绪的化学事实，化学 家陆续开展了关于元素分类问题的研究，以期寻找元 素之间的联系。 1869 年，俄国化学家门捷列夫（1834—1907）在 前人研究的基础上，对当时已知的63 种元素进行了 系统的分析和研究。当按照“原子量”大小对元素进 行排列时，他发现元素的性质呈现出周期性的变化。 他把63 种元素按照“原子量”递增的顺序排成几行， 再把各行中性质相似的元素排入同一列内，这样一 第一节 化学元素 105 来，元素性质与原子量的内在联系便跃然纸上。这就是门捷列夫编制的第 一张元素周期表。 根据门捷列夫的元素周期表，人们不仅修正了某些已知元素的“原子量”， 而且预测了一些当时尚未被发现的元素的存在及其性质。 我们现在常用的元素周期表，是在门捷列夫元素周期表的基础上增补而 形成的，并用核电荷数替代“原子量”排列元素。 观察教材附录元素周期表，思考回答以下问题： 1. 元素周期表被划分为哪些区域？各个区域的特点是什么？ 2. 元素的中文名称偏旁与元素分类的关系是什么？ 3. 与第三章的“图3-43 核电荷数为1～18 的原子结构示意图”对比， 你有什么发现？ 元素周期表是学习和研究化学的重要工具。 在元素周期表中，横行叫作周期，纵列叫作族。 原子序数是元素在元素周期表中的序号，其数 值等于该元素原子核内质子数。元素周期表中 的元素按原子序数从左到右、从上到下递增的 顺序排列，并对金属元素、非金属元素、稀有 气体元素用不同的颜色进行区分。 通过元素周期表，我们可以了解某种元素的名称、元素符号、相对原子质量、 原子序数等信息。 元素周期表呈现出众多元素各自的特征及它们之间的规律，使看似彼此无 关的元素构成一个既有区别又相互关联的体系，是我们学习和研究化学时的重要 工具。 交流·分享 图4-6 氧元素 元素名称 相对原子质量 元素符号 原子序数 氧 8 16.00 O 106 第四章 认识化学元素 方法导航 三、元素与物质 物质由元素组成，元素存在于物质中，根据元素组成对物质进行分类是化学研 究的一项重要工作。 填写下表，试着从元素组成的角度对物质进行分类。 物质名称 组成元素 元素种类 氢气（H2） 氧气（O2） 铁（Fe） 磷（P） 水 （H2O） 五氧化二磷（P2O5） 高锰酸钾（KMnO4） 按组成元素种类的不同，纯净物可分为单质和化合物。由同一种元素组成的纯 净物叫作单质，如氧气（O2）、氢气（H2）、铁（Fe）等；由不同种元素组成的纯 净物叫作化合物，如水（H2O）、五氧化二磷（P2O5）、高锰酸钾（KMnO4）等。 单质按性质可以继续划分，一般可分为金属单质、非金属单质、稀有气体单质。化 合物也可按组成元素的种类不同继续划分。在由两种元素组成的化合物中，如果其 中一种元素是氧元素，这种化合物叫作氧化物，如水（H2O）、五氧化二磷（P2O5）等。 分类 我们在日常生活、工作和学习中经常用到 分类的方法。例如，超市商品的陈列，图书馆 里书籍的摆放，生物学中将动物、植物分成门、 纲、目、科、属、种等类别…… 分类是根据研究对象的共同点和差异点， 将它们分为不同种类的科学方法。分类有一定 交流·分享 图4-7 物质的分类 氧化物 其他 化合物 混合物 纯净物 单质 物质 第一节 化学元素 107 学科融合 的标准，根据不同的标准，人们对研究对象进行不同的分类。在初中的化学 学习中，我们主要是从物质的组成和性质的视角对物质及其变化进行分类。 科学的分类能够反映事物的本质特性，有利于人们分门别类地进行深入 研究。 元素在自然界的存在状态可分成 两类：游离态和化合态。以单质的形 式存在的元素叫作游离态，以化合物 的形式存在的元素叫作化合态。 元素在自然界中的分布并不均匀。 按质量计算， 地壳中含量最高的是氧 元素，其他元素含量由高到低依次是 硅、铝、铁、钙等（图4-8）。 元素与人体健康 食物中含有糖类、油脂、蛋白质、水、无机盐和维生素六类营养物质。 其中，无机盐（一类化合物）的作用多种多样，例如，含钙的无机盐是骨骼 和牙齿的主要成分。以下是几种无机盐缺乏时的症状。 表4-2 无机盐及其缺乏时的症状 无机盐的种类 缺乏时的症状 含钙的无机盐 儿童缺钙易患佝偻病；中老年人缺钙易患骨质疏松症 含磷的无机盐 厌食、贫血、肌无力、骨痛等 含铁的无机盐 缺铁性贫血（乏力、头晕、抵抗力下降等） 含碘的无机盐（微量） 地方性甲状腺肿，儿童的智力和体格发育出现障碍 含锌的无机盐（微量） 生长发育不良，味觉发生障碍 图4-8 地壳中主要元素的含量（质量分数） 108 第四章 认识化学元素 完成以下任务或回答问题： 1. 上表中的钙、磷、铁、碘、锌是指原子、单质还是元素？ 2. 查阅相关资料，了解人体中各种元素的含量（质量分数），并以钙为 例，列出钙元素在自然界主要存在的物质名称。 四、从元素的角度认识化学变化 上一章我们从分子、原子角度解释了化学变化。本章我们从元素角度认识 化学变化。 依据有关知识，小组合作完成： 1. 列举出你知道的含有氧元素的物质。 2. 建立以上物质间的关系： （1）用“ ”表示一种物质经历化学反应生成另一种物质。 （2）用“ ”连接两种物质表示两种物质可发生化学反应，并注 明反应条件。 3. 绘制以上物质及其关系的网络图。 思考以下问题： 1. 在化学变化中，元素的种类和组合方式是否变化？ 2. 元素在不同种类的物质转化过程中（如从单质到化合物），一般通过 什么途径（化学反应类型）？ 3. 从元素的角度，与分子和原子的角度分别分析电解水反应。 在化学变化中，元素的种类不会改变，改变的只是元素的组合方式，即通 过物质组成的变化，实现物质间的转化。 交流·分享 第一节 化学元素 109 练习与应用 1. 请写出下列元素的中文名称或元素符号，并回答问题。 元素符号 C H O N 元素名称 镁 铝 硅 氯 （1）氯属于 （填“金属”或“非金属”）元素； （2）二氧化氯（ClO2）是一种常用消毒剂的主要成分，它属于 （填序号）。 A. 纯净物 B. 化合物 C. 单质 D. 氧化物 2. 制作景泰蓝的釉料中常含钴元素。图4-9 为景泰蓝制作中的点蓝工艺与钴元素 在元素周期表中的信息。下列有关钴元素的说法不正确 4 4 4 的是 （填序 号，下同），不正确的原因是 。 A. 原子序数是27 B. 属于非金属元素 C. 元素符号是Co D. 相对原子质量为58.93 3. 氯碱工业的反应原理是电解饱和的食盐水（主要成分为NaCl 和H2O），下列 物质不可能 4 4 4 是氯碱工业产品的是 （填序号），其理由是 。 A. H2 B. Cl2 C. Na2CO3 D. NaOH 4. 课外实践：制作创意元素周期表。 　用品：身边的杂物，如彩色卡纸、碎布、饮料瓶、贴画…… 　 要求：（1）至少包括1~20 号元素名称、符号及其主要信息； （2）发挥想象力，呈现不同特点。 图4-9 钴 27 58.93 Co 110 第四章 认识化学元素 史实在线 第二节 化学式 经过前面的学习，我们已经认识到物质由 元素组成，我们还发现每种纯净物名称后都可 以用化学符号表示，如水用“H2O”表示。“H2O” 为什么能表示水的组成呢？它的含义是什么？ 一、化学式的含义 定组成定律与倍比定律 18 世纪末，随着化学的不断发展，天平在化学实验中普遍使用，化学 家在研究工作中开始关注物质的质量，进行定量研究。 图4-10 定组成定律的提出过程 对铁的矿石进行了定量分 析，所测量的结果：铁和氧可以 按几种不同的比数化合。 不论水的来源如何， 除去这些水中所含的少 量杂质，所得的纯水（除 重水）的组成都是含氧 88.9% 和含氢11.1%（质 量分数）。 1799 年测定碱式 碳酸铜分解后生成氧 化铜、二氧化碳和水 的质量分数，发现质 量分数的比值是固 定值。 得出结论：一个化合物是没有 固定的组成的。每一种物质可以按 照任意比同另一种物质化合。 经过7年实验发现： 任何纯净物都具有固定 的组成——不管这种化 合物是从什么地方得到 的，也不管这种化合物 是用什么方法制取的。 在争论中继续 研究发现：铁的氧 化物有多种。 物质的组成是 否是固定的？ 18 世纪末 贝索勒 18 世纪末 普鲁斯特 定组成 定律 第二节 化学式 111 贝索勒和普鲁斯特的争论，说明了一个事实——两种元素能够以不同 的配比组成不同的化合物。在不同化合物之间，元素配比是不是存在着一 定的关系呢？ 道尔顿经过研究得出了一个新的规律：如果甲、乙两种元素能够组成几 种化合物，那么，在这几种化合物里，与一定质量的甲元素化合的乙元素的 质量必互成简单的整数比。这就是倍比定律。 思考以下问题： 1. 普鲁斯特将各地水样净化后，用电解法研究其元素组成。他发现电解 水生成的氢气和氧气的体积比都约为2：1，再换算成质量分数，发现组成是 固定的：所有的水都是含氧88.9%，含氢11.1%。你能重复他的计算和推理 过程吗？如何通过氢、氧元素质量比，推出水分子中氢、氧原子个数比呢？ （提示：查氢气和氧气的密度以及氢元素和氧元素的相对原子质量） 2. 普鲁斯特在研究时发现，无论是从天然矿物中提取的碱式碳酸铜还是 通过实验得到的人造碱式碳酸铜，加热分解后得到的氧化铜、二氧化碳、水 的质量比都是定值。为什么由此可以推断碱式碳酸铜有固定的组成？ 3. 为什么贝索勒认为铁和氧可以按不同的比数化合？他的研究中存在什 么问题？ 纯净物有固定的组成，包括组成元素固定和元素的质量比固定。从微观角 度看，这里的“固定”是指什么呢？ 化学家通过实验发现，任何纯净物都有固定的组成，从微观角度看，就是 原子（或离子）的个数比固定。用化学符号可以表示纯净物的固定组成，如水可 以用“H2O”表示。我们把用元素符号和数字表示纯净物组成的式子叫作化学式。 我们已经知道，大部分物质由分子构成。对这些物质而言，化学式又被称 为分子式。例如，水由水分子构成，它的化学式H2O 既表示水这种物质，又表 示水的元素组成，还可表示水分子及水分子中原子的构成情况。 112 第四章 认识化学元素 方法导航 宏观、微观、符号 从宏观与微观的视角认识同 一种物质是最能体现化学学科特 征的思维方式，化学符号就是联 系宏观与微观联系的桥梁。从宏 观、微观、符号三个角度认识和 理解化学知识，并建立三者之间 的内在联系，从而形成化学学科 特有的思维方式，称为三重表征 的思维方式，如图4-12 所示。 分析以下化学符号的含义： 符号 宏观含义 微观含义 微观示意图 2O — O2 2O2 — 图4-11 H2O 的含义 H2O 1 个水分子由2 个 氢原子和1 个氧 原子构成 大量水分子 聚集成水 微观 构成 1 个分子 宏观物质 水这种物质 元素组成 水由氢、氧元素组成 1 H 氢 1.008 8 O 氧 16.00 图4-12 三重表征 O2 氧气 金刚石 微观结构 微观结构 化学式 化学式 NaCl 氯化钠 微观结构 化学式 C 交流·分享 第二节 化学式 113 二、化学式的书写 通过实验，可以测定物质的元素组成及分子中的原子构成。用化学式表示 物质组成时，一般可参照以下约定。 表4-3　初中常见物质化学式书写的一般约定 物质类别 书写规则 实例 单质 金属和大部分固态非 金属 用元素符号表示 Fe、Si、C 稀有气体 用元素符号表示 He、Ne 非金属气体 在元素符号右下角写上表示分子中所含 原子数的数字 O2、H2、O3 化合物 金属元素与非金属元 素组成的物质 一般把金属的元素符号写在左，非金属 的元素符号写在右；在元素符号右下角 写上表示金属（或原子团）原子与非金 属（或原子团）原子的个数比的数字（如 果是1∶1 时，1 可以省略） NaCl、MgCl2 非金属元素与氧元素 组成的物质 一般把氧的元素符号写在右，另一种元 素的符号写在左；在元素符号右下角写 上表示这种化合物中1 个分子里所包含 的各原子个数的数字（1 时可以省略） CO2、H2O、 H2O2 由两种元素组成的化合物的名称，一般读作“某化某”。读的顺序与化学式 书写顺序相反，如氧化镁（MgO）；有些还要读出化学式里各种原子的原子个数， 如四氧化三铁（Fe3O4）。 硫 化学式 S 二氧化硅 化学式 SiO2 氯化钙 化学式 CaCl2 四氟化氙 化学式 XeF4 图4-13 几种化合物及其化学式 114 第四章 认识化学元素 三、物质组成的简单计算 人们还可以利用化学式及其组成元素原子的相对原子质量进行简单计算， 获取更多、更准确的有关物质组成的信息。 化学式中各原子的相对原子质量的总和，叫作相对分子质量（符号Mr）。 化合物中某元素的质量占组成该化合物各元素质量之和的百分比，叫作该 元素的质量分数。 此外，根据化学式还可以计算组成物质各元素的质量比。 计算相对分子质量 Mr（H2O）= 1×2 + 16 = 18 计算物质中某元素的质量分数 H2O 中氢元素的质量分数： 计算物质组成元素的质量比 H2O 中氢元素和氧元素的质量比： （1×2）：16 = 1：8 1. 查阅氢、氧的相对原子质量，计算一个水分子的相对质量。 2. 一个水分子中氢原子与氧原子的质量比与一杯水中氢元素与氧元素的 质量比是否相等？ 3. 一个水分子中氢原子的质量分数与一杯水中氢元素的质量分数是否相等？ 交流·分享 H 的相对原子质量×H 的原子个数 H2O 的相对分子质量 ×100% 1×2 1×2 + 16 ×100% = ≈ 11.1% 第二节 化学式 115 1. 尿素[CO(NH2)2] 是使用量较大的一种氮肥。计算： （1）CO(NH2)2 的相对分子质量； （2）CO(NH2)2 中氮元素的质量分数； （3）根据图4-14 的信息，计算这袋化肥中氮元素的 质量。 2. 寻找家庭中的物品成分标签，找出标签中的主要物 质，将物质进行分类，并编写一道关于物质组成的计算题。 练习与应用 1. 下列符号能表示2 个氯分子的是（ ） A. Cl2 B. 2Cl2 C. 2Cl D. 2Cl - 2. 请补全下表。 化学式 读作 化学式 读作 Fe 二氧化碳 氮气 NaCl 3.“绿色办奥运”是2022 年北京冬奥会的核心理念之一。北京冬奥会使用的可 降解餐具的材料是聚乳酸，而聚乳酸是以玉米、秸秆等原料经过发酵提取得到 乳酸（C3H6O3），再聚合而成的可降解材料，具有低碳、绿色、环保的特点。 聚乳酸制品在使用后可完全降解，在降解过程中没有微塑料和有毒有害气体产 生，是环境友好型材料的典型代表。 （1）乳酸中碳、氢、氧元素的质量比为 。 （2）乳酸中碳元素的质量分数为 。 图4-14 化肥的外包装 观察·思考 116 第四章 认识化学元素 化合物有固定的组成，即形成化合物的元 素有固定的原子个数比。同一元素的原子与其 他元素的原子相结合时，有什么规律？这些规 律与元素性质有什么关系？ 填写并观察下表，与小组同学交流你的发现： 物质名称 化学式 氢原子与其他原子的个数比 氯化氢 HCl 水 H2O 氨 NH3 甲烷 CH4 一、化合价 从上表可以看出，氢元素与其他元素组成化合物时，原子个数比并不都是 1∶1。这与每种元素的原子在结合时具有的特殊性质有关。化学家把各种元素的 性质用化合价表示。化合价简称价，是为了方便表示各种元素的原子相互化合 时的数目而设置的。 表4-4　常见元素和原子团的化合价 元素 名称 元素 符号 常见化合价 元素 名称 元素 符号 常见化合价 原子团 名称 原子团 符号 常见化合价 钾 K +1 铝 Al +3 氢氧根 OH - -1 钠 Na +1 锰 Mn +2，+4， +6，+7 碳酸根 CO 2- 3 -2 第三节 元素的化合价 观察·思考 第三节 元素的化合价 117 续表 ① 原子团常带电，也称为离子、根。 元素 名称 元素 符号 常见化合价 元素 名称 元素 符号 常见化合价 原子团 名称 原子团 符号 常见化合价 银 Ag +1 氢 H +1 硝酸根 NO - 3 -1 钙 Ca +2 氯 Cl -1，+1， +5，+7 硫酸根 SO 2- 4 -2 镁 Mg +2 氧 O -2 铵根 NH + 4 +1 钡 Ba +2 硫 S -2，+4，+6 锌 Zn +2 碳 C +2，+4 铜 Cu +1，+2 硅 Si +4 铁 Fe +2，+3 氮 N -3，+1， +2，+4， +5 在确定元素的化合价时，需要注意以下几点： 1. 化合价有正价和负价：氧元素通常为 -2 价；氢元素通常为 +1 价；金属 元素跟非金属元素化合时，金属元素呈正价，非金属元素呈负价。 2. 一些元素在不同物质中具有不同的化合价。 3. 在一种化合物里，正负化合价的代数和为0。 4. 单质中元素的化合价为 0。 原子团 ①也有化合价，通常其数值等于所带电荷数，其正负价与电性一致。 例如，碳酸根是带2 个单位负电荷的阴离子，其化合价为-2。原子团的化合价是 组成元素化合价的代数和，碳酸根中碳为+4 价，氧为-2 价，计算式为（+4）+ （-2）×3 = -2。同理，可以计算硫酸根、氢氧根等原子团的化合价。 二、化合价的应用 化合价广泛应用于推断化合物中元素的化合价、分析化学反应中元素化合 价的变化情况、依据化合价书写化学式等方面。 118 第四章 认识化学元素 例题4-1 高锰酸钾是实验室制取氧气的原料，请计算高锰酸钾中锰元素的 化合价。 解 高锰酸钾化学式：KMnO4 。 设其中Mn 的化合价为x，依据化合物中化合价代数和为零，列方程： （+1）+x+（-2×4） = 0 x = +7 答：高锰酸钾中锰元素的化合价为+7。 例题4-2 氧化铁是一种红棕色粉末 ，俗 称铁红，常用作油漆、涂料、油墨和橡胶的红 色颜料。已知其中铁为+3 价，氧为-2 价，写 出氧化铁的化学式。 解 （1）确定化合物的元素组成及排列顺序：通常正价在左，负价在右； Fe O （2）标出元素（或原子团）的化合价：化合价标在元素符号（或原子团） 的正上方； Fe 　 O +3 　 -2 （3）交叉后，再约简确定原子（或原子团）个数，或找元素正负化合价的 最小公倍数。计算化学式中各元素原子（或原子团）的个数，并标在该元素符号（或 原子团）的右下角； 交叉后得： （或） 最小公倍数为 6： Fe2　 O3 +3 　 -2 铁原子个数= 6 3 = 2 氧原子个数= 6 2 = 3 （4）写出化学式 Fe2O3； （5）检验：（+3）×2+（-2）×3= 0 正、负化合价代数和应为零。 答：氧化铁的化学式是Fe2O3。 应该注意的是，物质的组成是通过实验测得的，因此化学式的书写必须依 据客观事实。 图4-15 故宫红墙 第三节 元素的化合价 119 参考例题4-2 及表4-4，按照以上步骤写出以下物质的化学式： 氯化镁　　氧化铝　　氢氧化钙　　碳酸钠　　硫酸铁 练习与应用 1. 计算下列物质中相应元素的化合价。 （1）陶瓷餐盘的主要成分之一是硅酸钙（CaSiO3）， 其中硅元素的化合价为 ______。 （2）补碘剂碘酸钙[Ca(IO3)2] 中碘元素的化合价为 。 2. 图4-16 是氮及其化合物所对应的化合价与物质类别的关系图，请回答下列 问题： （1）图中A 点物质的化学式为______，该物质也是常见的大气污染物。 （2）结合图像分析X 代表的物质类别是______，B 点物质的化学式为 ______。 交流·分享 图4-16 120 第四章 认识化学元素 第四节 探究物质的组成 物质的组成和结构决定物质的性质。研究 物质的组成能够帮助我们更好地认识和利用物 质。如何研究物质的组成呢？结合第三章和本 章前三节的知识，我们来系统地梳理一下有关 物质组成的探究思路和方法。 一、探究石蜡的组成 探究物质的组成，首先要知道该物质是由什么元素和按怎样的百分比组成 的，这就需要进行元素的定性和定量分析。下面，我们以生活中常见的蜡烛（主 要成分为石蜡）为研究对象，初步探究其元素的组成。 石蜡是组成比较复杂的混合物，我们在初中阶段主要通过对其燃烧产物的 研究推测石蜡的部分组成元素。若要进一步确定其他元素，需要采用精确的定量 方法。 在第三章和第四章学习中，我们探究了水的组成。某同学回顾相关内容后， 概括出以下主要过程： 请你以水为例，说明每个环节的具体研究内容和方法。 交流分享 分离混合 物得到纯 净物 确定元素 （原子） 种类 测定分子 中原子的 个数比 分析原子 排列方式 第四节 探究物质的组成 121 资料检索 探究·实践 实验目的　探究石蜡的元素组成。 设计思路　利用化学变化（如燃烧），将石蜡转化成已知组成的熟悉物质； 再依据化学变化中元素种类不变的原理，推测石蜡中可能存在的元素。 猜想与依据　石蜡中存在 元素，依据是 。 实验方案 实验原理 点燃 石蜡 + O2 CO2 + H2O 仪器和药品 实验装置及操作步骤 预测实验现象 得出结论 　 。 反思交流 1. 通过定性实验，能得出石蜡中一定存在哪种元素？依据是什么？ 2. 化学兴趣小组做了定量实验，实验结果如下：31 g 石蜡在氧气中完全 燃烧，生成 96.8 g 二氧化碳和 41.4 g 水。请推求石蜡的元素组成。 3. 除通过燃烧反应研究石蜡的元素组成外，是否可以通过类似电解水的 方法研究（可查阅资料）？ 二、认识青蒿素 青蒿素是一种比石蜡更为复杂的化合物，它是如何被发现的？组成又是怎 样的呢？ 屠呦呦与青蒿素 屠呦呦于1930 年12 月30 日出生于浙江宁波。其父根据《诗经》中一 句话“呦呦鹿鸣，食野之蒿”为其取名，屠呦呦一生就此与青蒿结下了不解 之缘。 122 第四章 认识化学元素 1969 年，屠呦呦临危受命，接受了国家 疟疾防治项目“523”研究任务。屠呦呦带领 科研团队整理典籍、走访名医，从 2 000 多种 中草药中筛选最有希望治疗疟疾的药材。最终 在东晋葛洪的《肘后备急方》中找到了青蒿治 疗方法的描述：“青蒿一握，以水二升渍，绞 取汁，尽服之。”屠呦呦受到了启发，全力研 究以青蒿治疗疟疾的方法。 历经上百次的失败，屠呦呦团队利用现代医学方法进行分析研究，不断 改进提取方法，终于在1972 年成功从青蒿中提取出抗疟药物——青蒿素。 据世卫组织不完全统计，青蒿素作为一线抗疟药物，在全世界已挽救数 百万人生命，治疗患者上亿人。 2015 年10 月，屠呦呦以“发现青蒿素，开创疟疾治疗新方法”荣获诺 贝尔生理学或医学奖。 2017 年1 月，国务院授予屠呦呦国家最高科学技术奖。2019 年9 月， 屠呦呦被授予“共和国勋章”。 阅读资料，思考以下问题： 1. 从研究物质组成的一般过程来看，屠呦呦和她的团队主要工作是哪个 环节？ 2. 研究发现，青蒿素的确对治疗疟疾具有特殊疗效。但是，如果仅通过 从天然的青蒿叶提取青蒿素，需要大量的原料和复杂的工艺。因此，实现人 工合成青蒿素是必由之路。如果要人工合成青蒿素，还需要知道青蒿素的哪 些信息？ 3. 阅读有关屠呦呦和青蒿素的相关资料，了解更多的细节，请你谈谈对 于科学家精神的认识和感受。 图4-17 屠呦呦 第四节 探究物质的组成 123 1. 分离提纯青蒿素 青蒿素分离提纯的步骤如下： 2. 确定青蒿素的元素组成和分子结构 一般的化学方法很难确定青蒿素的组成和 结构，需要借助先进的分析仪器。例如，通过 元素分析仪确定青蒿素的元素组成和原子个数 比；通过质谱仪确定青蒿素的分子式；通过红 外光谱仪和核磁共振氢谱仪确定青蒿素的部分 结构；通过X 射线衍射仪得到更细致的数据， 最终确定出青蒿素的原子排列结构（具体方法和内容将在高中化学课继续学习）。 青蒿素结构的确定耗费了近７年时间，由多个大学和科研院所共同合作完 成，每一步的测试都需要大量的分析讨论，最终确认了青蒿素的结构。 确定了青蒿素的组成和结构，就可通过化学合成的方法大批量生产，不需 要再从青蒿类植物中提取，且人工合成的青蒿素纯度更高、性质更稳定，也为后 续的药物改进打下基础。这正是研究物质组成和结构的意义所在。 以下是某同学查阅的青蒿素的简介，请你阅读材料并总结青蒿素的元素 组成、分子构成、物质类别及物理和化学性质。 青蒿素也称黄花蒿素，是一种有机化合物，化学式为C15H22O5，相对分 子质量282.34。青蒿素为无色针状结晶，易溶于氯仿、丙酮、乙酸乙酯和苯， 可溶于乙醇、乙醚，几乎不溶于水。因其具有特殊的结构，它对热不稳定， 易受水、热和还原性物质的影响而分解。 图4-18 青蒿素分离提纯的步骤 青蒿叶 青蒿素 纯品 青蒿素 粗品 青蒿素的 乙醚溶液 悬浊液 碎叶 剪碎 乙醚 过滤 蒸馏 色谱法 1. 为什么要将青蒿叶 剪碎? 2. 青蒿素的提取利用 了物质的哪些性质？ 观察·思考 图4-19　青蒿素的分子结构模型 氧原子 碳原子 氢原子 交流·分享 124 第四章 认识化学元素 练习与应用 气体 X 可能是氢气、甲烷（CH4）中的一种或两种。用图4-20 装置进行 实验，实验中观察到无水硫酸铜变蓝、澄清石灰水变浑浊。 已知：无水硫酸铜为白色粉末，遇水变蓝。 （1）石灰水变浑浊，证明反应生成物有 。 （2）X 中一定含有的气体是 ，理由是 。 图4-20 气体X 无水硫酸铜 澄清石灰水 抽气 学习盘点 ● 认识物质是由元素组成的，知道元素与原子的关系。 ● 知道常见元素的化合价，能用化学式表示常见物质的组成并进行相关 计算。 ● 了解探究物质组成的基本思路和方法。 ● 了解研究物质的组成和结构的意义。 综合与实践 125 综合与实践 基本理解 1. 化学为航空航天领域的发展提供强有力的支撑。回答（1）~（3）题： （1）火箭推进剂涉及的下列元素中，属于金属元素的是（ ） A.H B.N C.O D.Al （2）下列火箭推进剂中，属于氧化物的是（ ） A.O2 B.N2O4 C.N2H4 D.NH4ClO4 （3）我国“北斗”导航卫星系统使用了星载氢原子钟。氢在 元素周期表中的信息如图4-21，下列有关氢元素的说法 不正确 4 4 4 的是（ ） A. 元素符号为H B. 原子序数为1 C. 相对原子质量为1.008 g D. 原子中核外电子数为1 2. 高纯一氧化碳（CO）可用于半导体领域某些芯片的刻蚀。可利用甲酸（HCOOH） 制取高纯一氧化碳。计算甲酸的相对分子质量及碳与氧元素的质量比。（相 对原子质量：H-1、C-12、O-16） 简单应用 3. 硅是制造芯片的基体材料，工业上用石英砂（主要成分是SiO2）制取硅的主 要过程如下： 本章学习接近尾声，请结合“学习盘点”中列举的核心内容， 聚焦化学元素和物质的组成，用你喜欢的方式将本章的主要知识、 基本思路和方法进行归纳，使你的学习收获更加系统化。 图4-21 1 H 氢 1.008 图4-22 已知： 反应Ⅰ为SiO2 与C 在高温条件下生成CO 和Si。 （1）反应Ⅰ中，化合价发生变化的元素为 。 （2）反应Ⅱ中，参与反应的单质是 。 （3）反应Ⅲ中还生成了HCl，氯元素来源于原料中的 。 4. 真空热还原法生产钙的主要转化过程如下： （1）石灰石的主要成分是碳酸钙（CaCO3）。碳酸钙中碳元素的化合价是 。 （2）反应Ⅱ中有两种产物，固体X 一定含有氧元素和铝元素，从元素守恒角 度说明理由： 。 综合问题解决 5. 用图4-24 实验装置探究汽油的元素组成（夹持仪器已略去）。 （1）实验中，要使汽油燃烧生成的气体 能通过漏斗被吸入试管中，需要进 行的操作是 。 （2）观察到漏斗内壁出现无色水滴，试管 中澄清石灰水变浑浊，由此可推测汽 油的元素组成： 。 图4-23 126 第四章 认识化学元素 图4-24 第四节 探究物质的组成 127 剑指苍穹，飞向星辰大海！2021年4月29日， “天和”核心舱由“长征五号”B 遥二运载火箭 搭载发射，在中国文昌航天发射场点火升空。 前面的学习中，我们已经从物质转化、反 应发生条件、反应的微观本质、反应物与生成 物等视角初步认识了化学变化，本章我们将通 过能量转化、质量关系、符号表征等视角，形 成对化学变化的系统认识，并以设计运载火箭 推进剂为例，深入地体会化学变化造福人类的 独特价值。 再识化学变化 第五章 128 第五章 再识化学变化 通过前面的学习，我们已经知道物质变化 伴随着能量转化。例如，人类通过燃烧这种化 学变化获取热能用于生活和生产。如何从化学 变化的视角认识能量变化？如何充分利用化学 变化中的能量？ 一、常见的燃料 燃料是指燃烧时能产生热能或动力和光能 的可燃物。燃料广泛应用于工农业生产和人民 生活。 查阅资料，完成以下任务并在课上进 行交流： 1. 整理人类使用燃料的发展历史，谈 谈燃料对人类发展的意义和价值。 2. 了解燃料的分类，并联系化学课上 涉及的可燃物（如木炭、红磷等），写出 相关化学反应的文字或符号表达式。 3. 走访社区，了解本地区家庭做饭用 燃料或汽车燃料的使用情况。 课外实践 第一节 化学变化中的能量变化 交流·分享 回顾、整理我们在小 学科学、生物学、物理和 本册第二章学习到的相关 内容，思考以下问题： 1. 什么是能量？能量 是如何转化的？主要有哪 些能量转化形式？（可举 例说明） 2. 什么是能量守恒定 律？（举例解释） 3. 物质发生化学变化 时是否伴随能量变化？ 第一节 化学变化中的能量变化 129 1. 化石燃料 在人们的日常生活和生产中，以天然气、石油和煤为代表的化石燃料是“主 角”。化石燃料由古代生物的遗骸经过一系列复杂变化而形成，属于不可再生 能源。 煤是古代植物在地下经过漫长而复杂的变化所形成的固体可燃矿物，它是 由多种物质组成的复杂混合物。煤的主要组成元素是C，还含有少量的H、N、S、 O、Si、Al、Ca、Fe 等元素。 石油是远古海洋或湖泊中的动植物遗体在地下经过漫长而复杂的变化后形 成的一种组成极为复杂的液态混合物。石油主要含有C 和H 两种元素，同时还 含有少量的O、N、S 等元素。 天然气是蕴藏在地下深处的可燃性气体，主要成分是甲烷。在天然气中， 甲烷的体积分数约占80% ～97%。 图5-1 中国能源消费结构图（2021 年） 党的十八大以来，我国深入 推动能源消费革命，加快转变用能 方式。2021 年，煤炭占能源消费 总量的比重较2012 年下降12.5 个 百分点；天然气、水电、核电、 新能源发电等清洁能源占比大幅 提高；一次电力及其他能源占比 较2012 年提高6.9 个百分点。 一次电力及其他能源17% 天然气9% 石油18% 煤56% 图5-3 大庆油田 图5-2 位于内蒙古自治区的露天煤矿 大庆油田位 于中国黑龙江省 大庆市，是世界 上为数不多的特 大型陆相砂岩油 田之一。 130 第五章 再识化学变化 探究·实践 探究目的 探究甲烷的性质与组成。 进行实验 操作步骤 实验现象 分析与解释 1. 观察甲烷的颜色和状态。 2. 验纯后，点燃甲烷，观察 火焰颜色。 3. 在火焰上方罩一只干燥的 烧杯。 4. 用玻璃片盖住烧杯正放在 实验台上，向其中倒入澄清 石灰水，振荡。 得出结论 1. 甲烷的化学性质： 。 2. 甲烷的组成元素有 。 反思交流 1. 回顾前面学过的研究物质组成的一般思路与方法，完善探究甲烷组成 的实验方案。 2. 观察家用天然气使用中火焰的颜色，如何解释有时会看到黄色的 火焰？ 甲烷是一种有机化合物 ①，其化学式为CH4。通常状况下，甲烷是无色、无 气味的气体，极难溶于水，密度比空气小。纯净的甲烷在足量的空气中能够安静 ① 简称有机物。“有机”原本的含义是“有生命的”，一切生命体都是由有机物组成的。有机 物都含有碳元素，其组成特点是：碳原子搭建了分子的“骨架”，氢原子、氧原子和其他元 素的原子在这个基础上构造出整个分子。 第一节 化学变化中的能量变化 131 地燃烧，火焰呈淡蓝色，生成二氧化碳和水，同时放出大量的热，该化学反应可 表示为： 甲烷 + 氧气 二氧化碳 + 水 （CH4） （O2） （CO2） （H2O） 点燃 化石燃料的燃烧不可避免地会产生一些废气，从而造成空气污染：煤和石 油燃烧产生的二氧化硫和氮氧化物是酸雨的来源（详见第二章）；化石燃料燃烧 排放的二氧化碳使大气中二氧化碳含量增加而导致气候危机（将在第六章学习）。 为缓解化石燃料短缺以及解决大气污染问题，人们越来越关注开发和利用可再生 的、清洁的新型燃料。 2. 新型燃料 常见的新型燃料主要有乙醇和氢气。乙醇俗称酒精，其化学式为C2H5OH， 是一种有机化合物，被认为是未来非常有前景的一种清洁燃料。因为可以通过糖 类发酵得到，所以乙醇属于可再生能源，是化石燃料的替代品之一。其燃烧的化 学反应可表示为： 乙醇 + 氧气 二氧化碳 + 水 （C2H5OH） （O2） （CO2） （H2O） 点燃 课外实践 1. 查阅资料，绘制手抄报“酒精小百科”。以“酒精”为核心物质，从 组成与结构、性质与应用等方面收集材料，绘制成图文并茂的手抄报。 2. 设计实验方案验证酒精由C、H、O 元素组成（可参考第四章“探究 石蜡的组成”的实验方案）。 3. 在教师指导下自制固体酒精。 用品：无水乙醇、饱和醋酸钙溶液、烧杯、玻璃棒。 操作： 第一步：在小烧杯中加入一定量的饱和醋酸钙溶液； 第二步：将无水乙醇加入到饱和醋酸钙溶液中，搅拌，形成胶状固体。 132 第五章 再识化学变化 氢气本身无毒，完全燃烧放出的热量比同质量的甲烷燃烧放出的热量多， 且燃烧后的产物是水，不污染空气，因此被认为是最理想的清洁能源。氢气被广 泛用于运载火箭发射和汽车燃料等领域。 2022 年4 月，国家发展和改革委员会与国家能源局联合印发《氢能产 业发展中长期规划（2021—2035 年）》，这是我国首个氢能产业中长期规划。 氢能与电能类似，是常见的二次能源，需要通过一次能源转化获得；氢 能的能量密度高、储存方式简单，是大规模、长周期储能的理想选择，为可 再生能源规模化消费提供了解决方案。 氢能的开发与应用涉及多个关键技术，请结合已学的化学知识及查找相 关资料，填写下表并与同学交流。 图5-4 北京冬奥会延庆赛区火炬塔 图5-5 北京冬奥会氢燃料电池汽车 2022 年2 月4 日，北京冬奥会在国家体育 场“鸟巢”盛大开幕，火炬“飞扬”成为本届 冬奥会的主火炬，首次采用氢能作为火炬燃料。 北京冬奥组委确定了“北京赛区内， 主要使用纯电动、天然气车辆；延庆赛区和 张家口赛区内，主要使用氢燃料车辆”的配 置原则。 交流·分享 第一节 化学变化中的能量变化 133 探究·实践 氢气的制取 氢气的储存和运输 氢气的应用 当前方法或技术 存在的问题 发展方向 二、化学反应中的能量变化 我们已经知道，燃料燃烧时放热，有能量的变化。其他化学反应是否也有 能量的变化呢？ 探究目的 观察化学变化中的热现象。 进行实验 1. 镁条与稀硫酸反应。 在一支试管中加入5 mL 稀硫酸，插入温度计测量其温度；然后取一根 约5 cm 长的镁条，折成团放入稀硫酸中，观察镁条的变化，并用手触摸试 管外壁，充分反应后再次测量其温度。 放入镁条前 放入镁条后 测量的温度/℃ 实验现象 2. 氢氧化钡晶体与氯化铵晶体的反应。 在一个小烧杯里加入约30 g 的氢氧化钡 晶体[Ba(OH)2·8H2O]，将小烧杯放在事先已 滴有3 ~ 4 滴水的玻璃片上，然后再加入约15 g 氯化铵晶体（NH4Cl），并立即用玻璃棒迅速 图5-6 氢氧化钡晶体与氯化铵 晶体的反应 134 第五章 再识化学变化 搅拌，使氢氧化钡晶体与氯化铵晶体充分反应。观察晶体变化，烧杯和玻璃 片是否能够分开？ 实验现象 。 探究结论 。 化学反应伴随着能量的变化，通常表现为热量的释放或吸收。有一些化学 反应，因为能量变化不大，或者因为反应速率较慢，仅凭手触摸或使用一般的测 量方法，不易观察到明显的吸热或放热现象，这时需要选用精密仪器进行测量。 为什么化学反应伴随着能量变化呢？化学变化中必然有旧物质的消耗和新 物质的生成，由此可以想到，能量是蕴藏在物质中的，而且不同物质在不同状态 下所蕴藏的能量不同。发生化学反应时，当生成物所蕴藏的能量和反应物所蕴藏 的能量不同时，就会出现放热或吸热现象。 能量 生成物的总能量 反应物的总能量 化学反应吸收热量 反应物 生成物 能量 生成物的总能量 反应物的总能量 化学反应放出热量 反应物 生成物 图5-7 化学反应中的能量变化示意图 观察·思考 自热米饭因携带、食用方便，逐渐成 为消费者喜爱的新型方便食品。自热米饭 食用时不用开水，不用火或电，撕开外包 装，将里面自带的纯净水包倒在装有白色 粉末的“发热包”上，水和发热包自动混 合升温，将米饭和菜肴蒸熟，8 ～15 分 钟即可食用。 图5-8 发热包使用前后 使用前 使用后 第一节 化学变化中的能量变化 135 发热包中的白色粉末含有氧化钙（CaO，俗称生石灰），它能与水发生 化合反应生成氢氧化钙[Ca(OH)2，俗称熟石灰]，并产生大量的热。请写出 这个反应的文字表达式。 化学反应中释放的热量不仅可以为寒冷的冬天带来温暖，还可以转化成机 械能，如发动机通过燃烧汽油使汽车获得行驶的动力；机械能还可以进一步转化 成电能，图5-9 描绘了现代热力发电厂的生产流程。 一些化学反应产生的能量还可以电能的形式呈现。化学电池就是将化学反 应的能量转化为电能的装置。 图5-10 铜锌原电池 铜锌原电池，利 用锌与稀硫酸的化学 反应转化成电能。 锌板稀硫酸 铜板 图5-9 热力发电厂生产流程示意图 蒸汽流 涡轮机 发电机 输电线支架 热水 冷水 水体 泵 泵 冷凝水 燃烧器 沸腾器 冷凝器 图5-11 铅酸电池 铅酸电池是一种电极主 要由铅及其氧化物制成，电 解液是硫酸溶液的蓄电池。 136 第五章 再识化学变化 学习本节后，你对化学变化有哪些新的认识？以下是某同学的想法，你 是否认同？有什么修改建议或补充？ 图5-13 锂电池电动自行车 锂电池是一类由金属锂或锂合金为 正、负极材料，使用非水电解质溶液的 电池。随着科学技术的发展，锂电池已 经成为主流。 交流·分享 化学变化 有新物质（分子）生成 伴随能量变化 转化成热能 转化成电能 放热反应 （如镁与稀硫酸、氧化钙与水） 吸热反应 （如氢氧化钡与氯化铵反应） 燃料的燃烧 （甲烷、酒精、氢气） 酸性锌锰干电池，于1860 年发明，优 点是放电时间短，但因酸性溶液腐蚀外壳 且废电池污染比较严重而逐渐被淘汰。 图5-12 酸性锌锰干电池 金属帽 锌板（负极） 电解质 碳棒（正极） 糊状物（含氯化铵、二氧 化锰、氯化锌、碳粉） 第一节 化学变化中的能量变化 137 练习与应用 1. 下列变化中，吸收热量的是（ ） A. 木炭燃烧 B. 冰雪融化 C. 氢气燃烧 D. 镁和稀硫酸反应 2. 下列能量的获得，通过化学反应提供的是（ ） A. 摩擦生热 B. 火力发电 C. 太阳能供电 D. 水车汲水灌溉 3. “西气东输”是西部大开发的一项重大工程。2022 年9 月28 日，国家“十四五” 石油天然气发展规划重点项目——“西气东输”四线天然气管道工程正式开工， 输送的是一种气态化石燃料。 （1）化石燃料包括煤、 、天然气等。 （2）气态化石燃料的主要成分的化学式是 ，该气体的主要成分充分燃 烧的文字表达式为 。 4. 2022 年北京冬奥会向全世界展示了绿色奥运理念。 （1）冬奥火炬“飞扬”采用氢气作为燃料。氢气燃烧的文字表达式为 。 （2）将下列氢气燃烧的微观示意图补充完整： （3）冬奥场馆大多采用绿色能源供电。下列属于绿色能源的是 （填 序号）。 A. 太阳能 B. 风能 C. 化石燃料 —氢原子 —氧原子 点燃 + 图5-14 138 第五章 再识化学变化 方法导航 我们已经知道物质发生化学变化时有新物质 生成，同时伴随能量的变化。如果从物质质量变化 的角度研究化学反应，会发现哪些特点和规律呢？ 我国古代科学家在观察自然界中的物质变化时，就萌发了化学反应中反应 物和生成物的总质量保持不变的思想。18 世纪下半叶天平出现之后，化学家开 始较精确地研究化学反应中的质量问题。 一、质量守恒定律 定性研究与定量研究 定性研究和定量研究都是化学研究的重要方法，但二者的研究思路 不同。 定性研究的要点是要先设定一个参照系。如氢气在氧气中能燃烧，而氮 气在氧气中不能燃烧，从而可找出氢气与氮气的性质差异。 定量研究的要点是要确定基准物。如以H 为1 或O 为16 成为化学计算 的基础，所有测定结果均为确定值。定量研究所得到确定值的精度由所用计 量工具的精确度决定。相对原子质量标准值的不断修正就是一个实例。 观察·思考 已知下列化学反应： （1）红磷在空气中燃烧生成五氧化二磷； （2）高锰酸钾分解生成锰酸钾、二氧化锰和氧气； 第二节 化学变化中的质量关系 第二节 化学变化中的质量关系 139 探究·实践 （3）过氧化氢（溶液）分解生成水和氧气； （4）铁丝在氧气中燃烧生成四氧化三铁； （5）水在通电时可以生成氢气和氧气； （6）氢氧化钠（溶液）和硫酸铜（溶液）反应生成氢氧化铜（沉淀）和硫 酸钠（溶液）； （7）铁和硫酸铜（溶液）反应生成铜和硫酸亚铁（溶液）； （8）碳酸钠粉末与盐酸（溶液）反应生成二氧化碳气体。 要探究化学反应的物质质量关系，你会选择上述哪些反应，为什么？ 在上述反应的选择中，我们可从反应类型、反应物及生成物状态、反应条 件等多个方面综合考虑。 探究目的 探究化学反应前后物质质量总和的变化。 猜想与假设 你提出的假设是 ； 你的依据是 。 实验原理 确定一个化学反应作为研究对象： 仪器和药品 天平、锥形瓶、小试管、硫酸铜溶液、铁钉。 进行实验 实验步骤 实验现象及数据 铁 + 硫酸铜 铜 + 硫酸亚铁 （Fe）（CuSO4） （Cu） （FeSO4） 图5-15 测定化学反应前后物质 质量总和的变化 140 第五章 再识化学变化 史实在线 得出结论 反应前体系的总质量包括 反应后体系的总质量包括 反思交流 1. 以上实验可以采用敞口的烧杯作为反应装置吗？为什么？ 2. 如果选用碳酸钠与盐酸反应，实验装置应如何设计？ 3. 除了直接称量反应前后物质的总质量，还可以设计哪些方法测量反应 前后物质的质量？ 质量守恒定律的发现与发展 发现 质量守恒 建立质量 守恒定律 验证及 解释定律 提出 质能守恒 俄国科学家罗蒙 诺索夫（1711 － 1765）通过在密 闭容器中煅烧金 属的实验提出： 假若在某个地方 减少了一定质量 的物 质，在另一 地方就会增加同 等质量的物质。 拉瓦锡通过大量 定量实验，发现 了化学反应前后， 参加反应的各物 质的质量等于生 成物的质量，也 称物质不灭定律。 19 世纪初，道尔 顿提出的原子论 从原子角度解释 了质量守恒定律。 直到20 世纪末， 称量精确度已达 到10 -9 g 时，仍 未发现与质量守 恒定律相违背的 实验事实。 20 世纪初，爱因 斯坦为解决核反 应中所产生的质 量亏损，提出了 质能方程，同时 留下了新问题： 即化学反应中的 能量变化是否会 改变体系的质量。 第二节 化学变化中的质量关系 141 阅读资料，思考以下问题： 1. 依据罗蒙诺索夫和拉瓦锡的观点，解释铁生锈（铁锈的主要成分是氧 化铁Fe2O3）后为什么质量增加。 2. 以电解水反应为例，参考道尔顿的原子论及第三章第三节的相关内容， 从分子、原子角度解释化学变化中质量守恒的原因。 3. 设计实验方案验证电解水反应前后物质的总质量不变。 随着称量仪器的不断改进，科学家们经过大量更精确的实验，揭示了这样 一条自然规律：参加化学反应的各物质质量总和，等于反应后生成的各物质质量 总和，并将这个规律叫作质量守恒定律。 用道尔顿的原子理论可以解释质量守恒定律，即物质发生化学反应的过程， 就是参加反应的各物质（反应物）的原子，重新组合生成其他物质（生成物）的 过程。在化学反应前后，原子的种类、数目及原子的质量都没有发生改变，所以 反应物的总质量与生成物的总质量相等。 二、化学变化中各物质的质量比 在实际生活中，不仅需要知道化学 变化生成什么物质，还要了解生成多少 物质。如汽车安全气囊内装入的固体叠 氮化钠在碰撞时，必须在极短时间内产 生足够量的氮气以起到保护司机的作用， 这对产生气体的时间和量都有精确要求。 工程师需要借助化学变化中的定量信息， 精准计算出装入安全气囊中的叠氮化钠的质量，使其刚好产生所需氮气的量。 化学变化中还存在哪些质量关系？ 图5-16 汽车安全气囊 142 第五章 再识化学变化 史实在线 1774 年，拉瓦锡用精确的定量实验研究了氧化汞分解反应中各物质的 质量关系。 氧化汞 汞 + 氧气 （HgO） （Hg） （O2） 45 份 41.5 份 3.5 份 加热 1. 观察上述化学变化中的数据，并结合用天平测量出的各物质的质量， 思考参加反应的物质与生成物之间存在哪些定量关系？ 实验序号 参加反应HgO 的质量/g Hg 的质量/g O2 的质量/g ① 2.16 2 0.16 ② 6.48 6 0.48 ③ 32.4 30 2.4 2. 从宏观和微观结合的角度，对氢气燃烧反应中参与反应的氢气、氧气 和反应生成的水的质量比为1∶8∶9 进行解释。 3. 解释化学变化中各物质存在比例关系的原因，寻找其他分析各物质间 质量关系的方法。（H 的相对原子质量为1，O 的相对原子质量为16） 科学家通过称量化学反应中的各反应物和生成物的质量发现：参与反应的 各物质的质量比是恒定的。因此，利用各物质固定的质量比关系，可以由一种物 质的质量求出反应中其他各物质的质量。 图5-17 氢气和氧气反应生成水的微观示意图 氢原子 点燃 反应前 反应后 氧原子 第二节 化学变化中的质量关系 143 练习与应用 1. 化学反应前后肯定没有 4 4 变化的是（ ） ① 物质种类 　　　② 元素种类 　　　 ③ 分子种类　　　 ④ 原子种类 ⑤ 分子数目 　　　 ⑥ 原子数目 　　　 ⑦ 物质的总质量 A. ①②⑤⑥⑦　　　　　　 B. ②③④⑤⑥ C. ②④⑥⑦　　　　　　　 D. ①②④⑤⑥⑦ 2. 已知16 g A 与一定量B 恰好完全反应，生成44 g C 和36 g D，则参加反应的 A 与B 的质量比是（ ） A. 1∶1 B. 1∶2 C. 1∶3 D. 1∶4 3. 用图5-18 所示实验研究质量守恒定律。 图5-18 实验1 实验2 实验3 （1）实验1，反应后天平指针_____（填“偏左”、“偏右”或“不偏转”）。 （2） 实验2，参加反应的铁的质量_____（填“大于”、“等于”或“小于”） 生成铜的质量。（已知Fe 的相对原子质量为56，Cu 的相对原子质量为64） （3）下列说法正确的是_____（填序号）。 A. 实验3 中观察到气球先变鼓后变瘪 B. 实验1 生成的CO2 中的碳元素与参加反应的Na2CO3 中碳元素的质量 相等 C. 三组实验均可用于验证质量守恒定律 144 第五章 再识化学变化 探究·实践 我们已经学会用化学式表示物质的组成， 那么用什么方式表示物质的化学变化呢？我们 曾经用文字表达式、微观示意图表示化学变化， 还有其他方式吗？这些方式各有什么特点？ 一、化学方程式的含义 通过前面的学习，我们已经接触到一些化学变化，可从实验现象、变化条件、 质量关系等多个角度认识。 任务目的 用多种方式表示电解水的化学变化。 任务要求 1. 比较化学反应的几种表示方式所能表达的信息，并在相应的表格栏中 画“√”或“×”。（参考表示方式①） 2. 从多个角度对化学变化中的信息进行分类。 表达信息 表示方式 ①文字表达式： 水在通电条件 下生成氢气和 氧气 ②微观表达式： ③化学方程式： 2H2O 2H2↑ + O2↑ 通电 物质种类 √ 反应条件 √ 反应现象 × 第三节 化学方程式 第三节 化学方程式 145 表达信息 表示方式 ①文字表达式： 水在通电条件 下生成氢气和 氧气 ②微观表达式： ③化学方程式： 2H2O 2H2↑ + O2↑ 通电 元素种类 不变 × 原子种类 不变 分子种类 改变 VH2∶VO2=2∶1 物质的总 质量不变 元素的质量 不变 原子的质量 不变 原子数目 不变 反思交流 上面这几种表示方式，各有什么特点？哪种方式能更直观、全面、简洁 地表示化学变化？ 用数字和化学式表示化学反应的式子叫作化学方程式。借助化学方程式不 仅可以了解化学变化蕴含的丰富信息，建构不同层次的认识视角，还可以指导认 识其他反应。 续表 146 第五章 再识化学变化 史实在线 拉瓦锡与化学方程式 1789 年，拉瓦锡出版了《化学概论》。在这本著作中，拉瓦锡以大量 的实验为依据，用更精确的科学语言，阐述了物质不灭定律（即质量守恒定 律）。他还说：“如果我把硫酸和一种盐一起加热，可得到硝酸和硫酸钾， 那么我完全可以确信这所用的盐是硝石（即硝酸钾）。因为根据物质不灭定 律，我可以把这个化学反应写成下列方程式：（x + y）+ 硫酸 硝酸 + 硫 酸钾，则x 为硝酸根、y 为钾。” 数学中“方程”的定义为“带未知数的等式”，拉瓦锡创造的化学方程 式借用了数学中方程的概念。化学中的方程式具有多种形式，如离子方程式： Zn + 2H + Zn 2+ + H2 ↑；热化学方程式：2H2（g）+O2（g） 2H2O（l） ΔH=-571.6 kJ/mol 等。 阅读资料，思考以下问题： 从元素符号、化学式到化学方程式，这些化学用语各有什么特点？它们 之间有什么联系？ 化学方程式可以表达化学反应中“质”和“量”两方面的含义，如： 2H2O 2H2↑ + O2↑ 通电 分子个数比 2 ∶ 2 ∶ 1 相对质量比 2×（1×2+16） ∶ 2×（1×2） ∶ 1×（16×2） 物质质量比 36 ∶ 4 ∶ 32 “质”的含义：水在通电条件下发生化学反应生成氢气和氧气。 “量”的含义：每36 份质量的水生成4 份质量的氢气与32 份质量的氧气； 每2 个水分子反应生成2 个氢分子与1 个氧分子。 化学方程式能提供很多有关化学反应的信息。化学方程式不仅表明了反应 第三节 化学方程式 147 物、生成物和反应条件，通过相对分子质量（或相对原子质量）还可以表示该反 应中各物质的质量关系。 二、化学方程式的书写 分析某同学书写化学方程式的过程，归纳书写化学方程式的基本步骤。 反应信息：海水中蕴藏着丰富的资源。电解海水（主要成分氯化钠和水）， 生成氢氧化钠、氢气和可以制备消毒剂的氯气（Cl2）。 下面的表达式是某同学书写的该反应的化学方程式。他将书写步骤概括 为以下两步，你赞同吗？其中黑色字迹是他书写的第一步，红色字迹是他书 写的第二步。 2NaCl + 2H2O 2NaOH + Cl2↑ + H2↑ 通电 用化学方程式表示化学反应时，必须以化学反应事实为依据，并遵守质量 守恒定律（即原子种类和数目不变）。书写化学方程式的一般步骤如下： 第一步：表示反应事实。把反应物的化学式写在左边，生成物的化学式写在 右边，中间用短线相连，在短线上方注明反应条件 ①，若反应物不止一种，则用“+” 连接。 第二步：配平。当式子两边各原子个数不相等时，需要在相应的化学式前配 上适当的数字（称为化学计量数），使反应前后各种元素的原子数目相等，并将 短线改成等号。 交流·分享 ① 常见的反应条件有“点燃”、“加热”（常用“△”表示）、“催化剂”、“通电”等。对 于在常温条件下就可以发生的反应，“常温”一般不需要注明。 148 第五章 再识化学变化 学科融合 利用待定系数法进行化学方程式的配平 对化学方程式进行配平的方法有很多种，以双氧水分解产生水和氧气的 反应为例，我们借助数学课上学习的待定系数法进行配平。 ①用化学式表示化学反应中的反应物和生成物，并假设一种物质的计量 数为1，其他物质的计量数用不同的字母表示。 （1）H2O2 —— aH2O + bO2 ②写出反应式左右两边各物质原子的种类与数量，并根据“参加化学反 应的原子种类和数目不变”列出方程或方程组。 （1）H2O2 —— aH2O + bO2 分子数量关系 1 a b 氢原子数 2 2a 0 氧原子数 2 a 2b 列出方程组： 氢原子数量不变 2 = 2a 氧原子数量不变 2 = a + 2b ③解方程或方程组，得出待定的计量数。 解以上方程组得：a = 1，b = 1 2 带入以上反应式中： 1 H2O2 —— 1 H2O + 1 2 O2 ④利用方程的性质将计量数化成最简整数。 反应式两边的计量数同时乘以2： 2 H2O2 —— 2 H2O + 1 O2 ⑤检查并完成配平，将“——”改成“ ”，“1”可以省略。 2H2O2 2H2O + O2 用以上方法配平酒精燃烧的化学方程式，并思考以下问题： 1. 化学方程式为什么要配平？ 第三节 化学方程式 149 2. 配平化学方程式，“配”的是什么？最终“平”的是什么？ 3. 如何判断一个化学方程式已经配平？ 4. 某同学在不改变其他物质化学计量数的前提下，认为在电解氯化钠和 水的化学变化中，将氯化钠化学式中钠和氯原子右下角的数字分别由 1 改成 2，也可将上述化学方程式配平，他的说法正确吗？为什么？ 第三步：标明某些生成物的状态符号。如果化学反应中有气体或固体物质生 成，可在化学方程式中表示出来。 人们约定如果生成物为气体，可在气体物质的化学式右边标上“↑”；但 是如果反应物中有气体，气体生成物就不需标“↑”。溶液中的反应，如果生成 物中有固体沉淀物，则在固体沉淀物的化学式右边标上“↓”；如果反应物和生 成物中都有固体，则生成的固体沉淀物不需标“↓”。 2NaOH + CuSO4 Na2SO4 + Cu(OH)2 ↓ Fe + CuSO4 FeSO4 +Cu　 三、基于化学方程式的简单计算 例题 液氢和液氧是火箭发射的常用推进剂。已知卫星要被送达预定轨道， 火箭至少要充分燃烧200 kg 的液氢才能产生足够的能量。请依据相关反应的化 学方程式计算，为满足这些液氢完全燃烧，至少应在火箭发动机的贮箱中装入多 少千克液氧？ 解 （1）设未知量：设至少应在火箭发动机的贮箱中装入的液氧质量为x。 （2）写出化学方程式： 2H2 + O2 点燃 2H2O （3）写出相关物质的化学计量数与 2×2 32 相对分子质量的乘积以及已知量、未知量：200 kg x 图5-19 氢氧化铜沉淀 图5-20 析出铜 150 第五章 再识化学变化 （4）列出比例式，求解： 4 32 = 200 kg x x = 32×200 kg 4 =1 600 kg （5）简明地写出答案。 答：至少应在火箭发动机的贮箱中装入1 600 kg 液氧。 小红同学认为由液氢的质量可以直接求出生成水的质量。你同意她的观 点和计算过程吗？为什么？ 步骤1 生成物水中氢元素的质量分数： （ 1×2 1×2 + 16）×100% ≈11% 步骤2 生成水的质量： 200 kg÷11% ≈1 800 kg 或 200 kg ÷ 1×2 1×2 + 16 ×100% ≈ 1 800 kg 化学变化中在质量方面存在三种关系：参加化学反应的各物质质量总和等 于反应后生成的各物质质量总和；反应前后元素的质量相等；各物质间存在固定 的质量比。 我们常依据化学反应中各物质的质量比是固定的，由一种物质的质量求出 该反应中其他物质的质量。 请参考上述解题过程，解决下列问题：汽车尾气系统中使用催化转化器， 可降低CO、NO 等有毒气体的排放，其反应化学方程式为： 催化剂 2CO + 2NO 2CO2 + N2 。 当有5.6 g CO 被转化时，计算同时被转化的NO 的质量。 交流·分享 交流·分享 第三节 化学方程式 151 练习与应用 1. 根据化学方程式2H2O2 MnO2 2H2O + O2 ↑，你能获得哪些信息？ 物质 元素 定性 定量 2.2022 年北京冬奥会火种灯中的燃料为丙烷（C3H8），其燃烧的化学方程式为 C3H8 + 5O2 点燃4H2O + 3CO2。下列说法不正确 4 4 4 的是（ ） A. 丙烷和氧气在点燃条件下反应生成水和二氧化碳 B. 反应前后分子的数目不变 C. 反应后的产物均属于氧化物 D. 丙烷燃烧放出热量 3. 写出以下化学反应的化学方程式。 （1）铁丝在氧气中燃烧： 。 （2）加热高锰酸钾制取氧气： 。 （3）硅是信息技术的关键材料，高温下氢气与四氯化硅（SiCl4）反应可制得 高纯度的硅，同时生成氯化氢： 。 4. 工业上，可以利用甲烷在一定条件下获得氢气，其反应的微观示意图如图5-21 所示。 （1）在图中空白处补全对应微观粒子示意图。 （2）写出该反应的化学方程式： 。 （3）若要获得6×10 4 t 氢气，计算至少需要甲烷的质量（写出计算过程及 结果）。 图5-21 152 第五章 再识化学变化 通过前面的学习，我们可以从多角度认识 化学变化，并感受到化学变化在人类社会发展 中的重要意义和价值。本节我们将化身运载火 箭（以下简称火箭）推进剂设计师，利用化学 变化的知识初步探讨火箭推进剂的选择和利用 问题。 查阅航天科技的有关资料，参观与航天科技有关的博物馆，完成以下任务， 并在课上汇报： 1. 了解并展示我国火箭发展的历史。 2. 若要设计火箭的推进剂，需要解决哪些方面的问题？ 课外实践 第四节 调控化学变化 2023 年2 月24 日，“逐梦寰宇问 苍穹——中国载人航天工程 30 年成就 展”在中国国家博物馆隆重开幕。 2022 年10 月31 日，空间站梦 天实验舱发射任务取得圆满成功。 图5-22 中国航天科技发展 第四节 调控化学变化 153 通过几代中国航天人的不懈努力，我国在载人、探月、探索火星、建立空 间站等多个领域取得重大成就。我国航天领域已独立掌握了多项先进技术，其中 运载火箭技术位于世界领先地位。 一、分析火箭升空原理 在一根紧绷的长细绳上提前穿入一根吸管，用 胶带把已吹鼓的气球（用夹子夹紧气球开口）粘在 吸管上，把气球拉到细绳的最下端时，松开夹子， 气球向上方“飞”且体积越来越小。 思考以下问题： 1. 应用物理课上学过的力的相关知识解释气球 升空的原因。 2. 对比火箭升空与气球向上“飞”的情况，有什么相同？有什么不同？ 3. 试着说明火箭升空的原理。 气球升空和火箭升空的相同点都是利用了反作用力；不同点在于，气球喷 出的气体是提前充满于其中的常温空气，而火箭喷出的气体是推进装置中燃料燃 烧产生的高温气体。 由此可见，化学反应在航天科技领域具有重要的应用价值。通过燃料与助 图5-24 气球向上“飞” 图5-23 我国古代对“飞天”的尝试 15 世纪，一位叫万户（也有 称是官职名称）的明朝官员手执 两个大风筝，将自己捆绑在座椅 上，座椅后加装47 枚“火箭”， 点燃“火箭”后升空，但万户最 终不幸殒命。这次尝试虽然没有 成功，却具有划时代的意义。 1970 年，在英国布莱顿召开的国 际天文学会议上，月球背面一座 环形山正式以“WanHoo”命名。 观察·思考 154 第五章 再识化学变化 资料检索 燃物（统称推进剂）发生的化学反应，一方面生成大量气体物质，另一方面释放 大量热能，这些具有较大内能（高温）的气体可以产生巨大的反作用力，将重达 几百吨的火箭送上太空。 回顾、梳理已学的化学反应的相关内容，画出结构图体现认识化学变化 的主要角度及其关系。以下是某同学的想法： 1. 完善以上结构图内容，应用于分析、解释火箭推进剂发生的化学反应 （例如，液氢与液氧反应）。 2. 若要提高火箭的推进效率，你可以从调控化学变化的哪些角度提出 思路？ 二、选择适宜的火箭推进剂 火箭推进剂发生的化学反应主要是燃烧。我们先从可燃物和助燃物入手， 选择适宜的推进剂满足火箭升空的动力需求。 甲烷- 液氧 甲烷来源广泛，而且甲烷燃烧的产物为二氧化碳和水，对环境的影响较 小。甲烷燃烧稳定，具有很好的传热性能。但“甲烷- 液氧”推进剂的使用 交流·分享 化学实验 反应条件 物质转化 新物质生成 总质量、质量比守恒 元素质量不变 分子个数比守恒 原子守恒 化合反应 分解反应 元素种类不变 新分子生成 化学能转化为热能 变化量（热值） 化学反应 反应类型 能量转化 化学方程式 微观示意图 宏观 表征 符号 表征 第四节 调控化学变化 155 安全性和经济性综合比较不如“煤油- 液氧”推进剂，所能提供的动力不如 “液氢- 液氧”推进剂，而且完全提纯甲烷也存在一些难度，因此甲烷目前 并未广泛应用于火箭燃料。 偏二甲肼（C2H8N2）- 四氧化二氮（N2O4） “偏二甲肼- 四氧化二氮”属于常温液体火箭推进剂，无须点火，直接 混合即可发生反应。因此，使用该推进剂的火箭不需要超低温贮箱和复杂的 点火系统，而且可以提前很久加注，技术难度和成本相对较低。 传统的“长征”家族火箭，包括“长征”二、三、四号火箭都使用了该 推进剂。事实上，偏二甲肼与四氧化二氮的组合作为推进剂，仍是目前国际 上的主流。 但是，偏二甲肼有剧毒，燃烧过程副产物较多，后续污染大。四氧化二 氮在高温下会转化为二氧化氮，二氧化氮有毒性，且由于其为一种红棕色气 体，因此使用该推进剂的火箭起飞瞬间会有大量的红棕色烟雾。此外，“偏 二甲肼- 四氧化二氮”组合能提供的动力也不如“液氢- 液氧”。 液氢- 液氧 氢是一种高效燃料，采用“液氢- 液氧”作为火箭推进剂时，会产生很 大的向上的动力。 “液氢- 液氧”推进剂最大的亮点是绿色环保，在生产和使用过程中不 会对环境造成污染，符合绿色航天发展理念。 写出以上三类推进剂发生反应的化学方程式，结合以上资料对不同的火 箭推进剂进行分析和评价： 热值大小 对环境影响 温度要求 原料来源 其他 甲烷- 液氧 偏二甲肼- 四氧化二氮 液氢- 液氧 156 第五章 再识化学变化 在对推进剂进行选择的过程中要考虑的因素，与燃烧这类化学反应的特征 基本一致，可参考以下结构图进行分析： 三、推进剂的使用 除了选择适宜的推进剂外，还可以通过调控化学反应来提高推动力。 家用燃气灶在燃烧很旺时，会看到蓝色的火焰（图5-26）。但调小空气 管的阀门时，马上会看到火焰变成黄色（图5-27）。如果这时把白瓷碗放到 火焰上方，过一会儿白瓷碗底部会附着一层黑色的固体粉末。为什么火焰颜 色会发生这样的变化? 白瓷碗底部黑色的固体又是什么物质? 可燃物完全燃烧的条件是：要有充足的助燃物；可燃物和助燃物充分接触。 物质完全燃烧与不完全燃烧时的现象不同，反应产物也可能不同。例如，含碳 交流·分享 图5-26 天然气燃烧发出蓝色火焰 图5-27 天然气燃烧发出黄色火焰 安全提示 请在教师 或家长指导下 进行实验，防 止烫伤。 图5-25 选择火箭推进剂的考虑因素 第四节 调控化学变化 157 元素的可燃物完全燃烧的产物是二氧化碳，不完全燃烧时可能会产生一氧化碳、 碳等物质。 为使燃料完全燃烧，工业上常把煤炭磨成粉状以增大与空气的接触面积，并 对锅炉进行鼓风以增加空气的供给。汽车发动机把汽油、柴油喷成雾状进行燃烧， 也是为了使燃料能够在有限的空间和时间内达到完全燃烧。 观察·思考 1. 酒精灯是以酒精为燃料的加热仪器，它的加热温度达到400 ～1 000 ℃。 思考以下问题： （1） 酒精灯的棉线灯芯有什么作用？ （2）为什么用酒精灯外焰加热？ 2.酒精喷灯加热温度可达1 000 ℃。 思考以下问题： （1）与酒精灯相比，二者结构上有 什么相同点？有什么不同点？ （2）为什么酒精喷灯加热温度比酒精灯高？ 通过增加可燃物或助燃物的浓度或质量，可提高火箭推进剂的燃烧反应程 度。例如，液态氢气和氧气的密度相对于气态时更大，因此相同体积时质量也更 大，燃烧可以产生更多的热量。 分析以下资料，从调控化学反应角度解释其做法的合理性： 1.“铝冰”是一种新型固体火箭推进剂，其成分是由纳米铝粉和结成冰 的水组成的混合物。在一定温度下，铝粉可以与水发生剧烈的化学反应从而 产生巨大的推力。分析将铝制成直径为纳米级的铝粉的重要性。 2. 有的同学提出：液氢与液氧的质量比为1∶8 时可以保证充分燃烧。 你同意他的想法吗？依据是什么？ 图5-28 酒精灯 图5-29 酒精喷灯 交流·分享 158 第五章 再识化学变化 我们以设计火箭推进剂为例，体会到通过化学反应实现物质和能量转化的 意义和价值，初步学会通过选择反应物种类，调整浓度或接触面积，精确计算物 料配比，控制温度，添加催化剂等方法调控化学反应，并感受到化学反应与技术、 工程的联系。 练习与应用 1. 孔明灯燃气的火焰温度可达300 ℃，但纸质灯罩却没被点燃的原因是（　　） A. 纸张不是可燃物，不能燃烧 B. 空气不充足，纸张不会燃烧 C. 风将热量吹散使灯罩处温度低于纸的着火点 D. 风将热量吹散后灯罩的着火点降低了 2. 诗人陆游的笔记中记载“书灯勿用铜盏，蜀中有夹瓷 盏……可省油之半”。 （1）油灯工作时，部分油会因受热蒸发而减少。从 微观角度解释油蒸发的原因：油受热后_______ ______________________________。 （2）夹瓷盏省油是因为其具有图5-30 所示的双层结 构——下层盛水，上层盛油。下列说法正确的是______（填序号）。 A. 参加燃烧的反应物只有油 B. 下层水吸热，减少了上层油的蒸发 C. 水会因蒸发而减少，需定期补充 D. 油的减少只是因为发生了化学变化 3. 查阅资料，了解爆炸、自燃的定义，分析其与燃烧的关系，解释面粉厂要注意 防止爆炸的原因。 图5-30 综合与实践 159 综合与实践 基本理解 1. 下列关于化学反应与能量变化的叙述中不正确 4 4 4 的是（　） A. 在化学反应中只有燃烧才能放出热量 B. 有的化学反应会吸收热量 C. 物质发生化学反应的同时伴随能量变化 D. 使用化石燃料是利用它燃烧产生的热量 2. 下列关于2NO + O2 = 2NO2 的说法不正确 4 4 4 的是（　） A. 表示一氧化氮与氧气在催化剂的条件下生成二氧化氮 B. 该反应属于化合反应 催化剂 学习盘点 ● 能从物质和能量转化视角认识燃料燃烧、化学能转化为热能及其实际 应用。 ● 能选取实验证据说明质量守恒定律，并阐释其微观本质。 ● 能根据实验事实用化学方程式表示化学变化；能根据化学方程式进行 简单计算，解决生产生活中的简单问题。 ● 能从物质变化、能量变化、反应条件、反应现象、反应类型和元素守 恒等角度认识化学反应。 ● 初步形成合理利用、调控化学变化的意识，认识调控在解决实际问题 中的重要性。 本章学习接近尾声，请结合“学习盘点”中列举的核心内容， 聚焦化学变化，将本章的主要知识和研究思路方法进行结构化的归 纳，使你的学习收获更加系统化。 160 第五章 再识化学变化 C. 该反应前后分子的个数不变 D. 参加反应的O2 和生成的NO2 的质量比为16∶46 3. 载人航天器中处理CO2 的一种方法为2Li2O2 + 2CO2 === 2X + O2，X 的化学式 为（　） A. Li B. Li2O C. Li2CO3 D. LiOH 简单应用 4. 锂及其化合物在新能源、航天航空等领域应用广泛。从盐湖中提取锂盐的化学 方程式为2LiCl + Na2CO3 = Li2CO3 ↓+ 2NaCl。若制得74 kg Li2CO3，计算 参加反应的LiCl 的质量（写出计算过程及结果）。 综合问题解决 5. 我国煤炭资源丰富，但液体燃料短缺。研究人员通过“煤液化”技术，用煤炭 和水制取甲醇（CH3OH），主要流程如图5-31 所示： （1）冷却器中发生的是　　　　（填“物理变化”或“化学变化”）。 （2）合成塔中发生的化学反应可用图5-32 表示。请在方框内补全相应微观粒 子的种类、数目的图示，化学方程式为　　 　　。 图5-31 图5-32 第四节 调控化学变化 161 工业革命以来，大气中以二氧化碳为主的 温室气体含量的增加，造成全球变暖。全球气 候变化已成为人类共同面临的最重大的环境与 发展挑战，低碳行动势在必行。 在本章的学习中，我们将从化学学科的视 角，基于二氧化碳的性质和转化，设计低碳行 动方案，应用于我们的社会和生活。 开展低碳行动 第六章 陕西省榆林市的太阳能和风力发电站。 162 第六章 开展低碳行动 二氧化碳是一种我们既熟悉又陌生的物质。 在生物学课上，二氧化碳是植物光合作用的反 应物，也是动植物呼吸作用的生成物；在地理 课上，二氧化碳是大气圈中的关键物质，产生 的温室效应是全球变暖的主要原因⋯⋯在化学 课上，对二氧化碳有哪些新认识呢？ 课前查阅一些有关“碳中和”“碳达峰”的资料，思考并在课上与同学 交流以下问题： 1. 解释名词：温室效应、碳中和、低碳行动。 2. 从可持续发展角度讨论低碳行动的意义。 3. 依据个人理解和经验，列出一些低碳行为。 一、认识二氧化碳 碳是组成物质种类最多的元素，是地球上能 够形成生命的核心要素。碳组成的各类物质达到上 千万种，常见的含碳元素的物质有：金刚石和石墨 等碳单质，二氧化碳和一氧化碳等氧化物，甲烷和 乙醇等有机化合物。 二氧化碳化学式为CO2，相对分子质量为 44。二氧化碳由二氧化碳分子构成，二氧化碳分子 第一节 二氧化碳对环境的影响 交流·分享 CO2 分子的填充模型 CO2 分子的球棍模型 图6-1 CO2 的分子模型 第一节 二氧化碳对环境的影响 163 探究·实践 学生必做 实验 是由两个氧原子夹着一个碳原子而形成的一种直线形状的分子，这种结构特点同 二氧化碳能使地球温度升高有很大关系。 探究目的 探究二氧化碳的性质。 猜想与假设 1.纯净二氧化碳在常温、常压下是 色、 态、 味，依据是 。 2. 二氧化碳密度比空气 ，依 据是 。 3. 通常情况下，二氧化碳不燃烧也不支持燃烧，依据是 。 进行实验 操作步骤 实验现象 得出结论 1. 观察一瓶二氧化碳气体。 2. 在烧杯内放置一高一低两支燃着的蜡 烛，将集气瓶中的二氧化碳倒入烧杯中。 CO2 反思交流 1. 依据燃烧发生条件解释操作步骤2 的现象。 2. 除可用以上实验方案探究二氧化碳密度外，还可设计哪些方案？请画 出简易装置图。 安全提示 本实验须佩戴 护目镜和手套完成。 164 第六章 开展低碳行动 史实在线 通常状况下，二氧化碳是无色、无味的 气体，密度比空气大。二氧化碳像水一样呈 现液体、固体和气体三种状态，处于哪一种 状态则由温度和气压所决定。在一个标准大 气压下，二氧化碳在-79 ℃以下变成固体， 这就是干冰。干冰受热可直接升华为二氧化 碳气体。 二氧化碳的发现 图6-2 实验室用干冰冷却样品 在生活实 践中感知到二 氧化碳的存 在，把它看成 是一种杀生而 不留痕迹的凶 神妖怪。 在烧白石（CaCO3）制造 白灰（CaO） 过程中产生的。 约瑟夫·布莱克 （1728—1799） 让- 巴蒂斯特· 安德 烈·杜马（1800—1884） 原始人类 张华（232—300）《博物志》 拉瓦锡 用泻盐（MgSO4）和碳酸钾 （K2CO3）制得碳酸镁（MgCO3）， 发现碳酸镁加热后质量减少是因为 有某种气体逸出。这种气体具有与 普通空气不同的性质，与煅烧石灰 石［主要成分碳酸钙（CaCO3）］ 得到的气体性质相同。这种气体被 命名为“固定空气”。固定空气的 发现推翻之前所有气体都是同一气 体（空气）的观点。 通过实验计算出“固定 空气”中氧和碳的质量比为 72.734∶27.266，结合原子 量得出氧和碳的原子个数整 数比是2 ∶1，又测出其相 对分子质量为44，从而得 出“固定空气”的化学式为 CO2，与此化学式相应的名 称便是二氧化碳。 将木炭放入氧气中燃烧后产生“固定空气”， 证明了“固定空气”由碳和氧组成，由于它是气 体而改称为“碳酸气”。同时，拉瓦锡还测定了 它含碳和氧的质量分数（碳占23.450 3%，氧占 76.549 7%），首次揭示了二氧化碳的组成。 原始时期 1840 年 1787 年 公元3 世纪 中国西晋时期 1756 年 第一节 二氧化碳对环境的影响 165 阅读相关材料，思考以下问题： 1. 为什么原始人认为二氧化碳是一种“杀生而不留痕迹”的物质？这表 明了二氧化碳的什么性质？ 2. 与空气相比，“固定空气”（二氧化碳）有哪些不同性质？ 3. 分析拉瓦锡和杜马研究二氧化碳组成的过程，与探究水的组成过程相 比，你有什么发现？ 二、二氧化碳与温室效应 19 世纪末，科学家通过计算指出，大气中二氧化碳浓度增加一倍，可使地 表温度上升5℃～6 ℃。二氧化碳为什么会产生温室效应呢？ 地球表面受到太阳光的照射，具有一定的温度，因而地表也发出红外线 ①。 如果地表发出的红外线全部逃逸出去散失到宇宙空间，那么地球的平均气温便会 只有约-18 ℃。 但实际情况是，由于地球被一层大气（即 空气）包裹着，地表发出的红外线会被大气“截 获”，二氧化碳起到重要作用。这种情况同温 室保温的原理类似，因此被称为温室效应。由 于存在着温室效应，地球的平均气温能够保持 在大约15 ℃。 二氧化碳产生温室效应的机制比较复杂。 除了二氧化碳，还有甲烷、氮氧化物等，也都 属于温室气体。 图6-3 农作物温室大棚 金星是距离地球最近的行星， 它的大气层几乎全是由二氧化碳 组成，这导致金星的表面温度高 达500 ℃以上。地球上大气中二 氧化碳含量约为0.03%，为我们 创造了得天独厚的生存条件。 ① 红外线具有热效应，能够与大多数分子发生共振现象，将光能转化为热能，太阳的热量主要 通过红外线传到地球上。 166 第六章 开展低碳行动 观察·思考 表6-1 大气中主要的温室气体 名称 化学式 对温室效应的“贡献”（1996 年） 二氧化碳 CO2 63.8% 甲烷 CH4 19.2% 一氧化二氮 N2O 5.7% 卤代烃 — 10.0% 观察表6-1，思考：除了二氧化碳，甲烷等也是温室气体，但为什么二 氧化碳对全球变暖影响最大? 三、大气中二氧化碳的含量及对环境的影响 近200 年来，人类活动造成大气中二氧化碳含量急剧增加。2009 年，大气 中二氧化碳的体积分数约为0.0387%。然而在工业革命以前，这个数值仅约为 0.028%。 观察·思考 观察图6-4 和图6-5，思考以下问题： 1. 对比两张图，你有什么发现？ 2. 如何设计实验来验证你的发现？ 年份 年份 CO2 量/10 -6 温度基准线/℃ 图6-4 1860—2000 年全球平均气温变化 图6-5 1960—2000 年大气CO2 体积分数 第一节 二氧化碳对环境的影响 167 大气中二氧化碳含量增加，导致温室效应加剧，使得地球的平均气温上升， 全球气候发生急剧变化，对自然界和人类生活都产生了影响。科学家预测，这 些可怕的后果很可能是我们人类在数十年后就要面临的危机，而不是1 000 年 以后。 课外实践 查阅相关资料或到社区、农业基地、环保部门等进行调研，分类列出温 室效应加剧产生的影响。 影响方面 危害举例 极端天气 永久冻土层融化 生态系统 经济发展 现在，我们已经初步认识了二氧化碳及其对环境的影响，接下来我们将按 照以下思路进一步认识二氧化碳的性质和转化，进而科学地制订低碳行动方案。 干旱 虫害 海平面上升 2023 年，泰国季风季 节降水量低于往年平均水 平，厄尔尼诺现象将进一步 减少降水，可能导致泰国面 临持续数年的干旱。 50 年来，南极已经损失 了接近90% 的冰川，而且大 部分都是近十几年消失的。 冰川消融导致海平面上升。 非洲索马里因为来势汹汹的沙 漠蝗虫大军，在2020 年2 月2 日 宣布了“全国紧急状态”。 图6-6 温室效应带来的危机 168 第六章 开展低碳行动 练习与应用 1. 阅读以下关于一氧化碳的介绍，与二氧化碳对比，填写下表。 通常状况下，一氧化碳（CO）是一种没有颜色、没有气味的气体；能够燃烧， 可作燃料；有毒，极易与血液中的血红蛋白结合，造成生物体缺氧而危及生命。 比较方面 相同点 不同点 元素组成、分子构 成和物质类别 性质 用途 其他 2. 用图6-8 所示实验验证CO2 的性质。 打开K，观察到的现象是 ，可证明二氧化 碳密度比空气大。该实验还可证明CO2 的性质是 。 3. 家庭小实验：模拟温室效应。 实验器材：两个纸杯、土壤（花盆里的土）、能罩住 纸杯的大玻璃瓶、温度计。 设计实验步骤，记录实验现象（主要测量温度），完 成实验报告。 K CO2 图6-8 低碳行动 （降低大气中二氧 化碳的含量） 减少二氧 化碳排放 二氧化碳作为化 学变化的生成物 二氧化碳作为化 学变化的反应物 增加二氧 化碳吸收 图6-7 制定低碳行动方案基本思路 图6-9 第二节 二氧化碳的排放 169 学科融合 第二节 二氧化碳的排放 从源头上实施低碳行动，就是要减少二氧 化碳向大气中的过量排放。二氧化碳排放有哪 些途径？这些途径又涉及二氧化碳哪些性质与 变化呢？ 一、自然界中二氧化碳的产生 生物学课上我们已经学习过：动植物和人 类的每次呼吸，都会产生二氧化碳。 呼吸作用 科学家根据大量的实验得出结论：细胞 呼吸可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。 对于绝大多数生物来说，有氧呼吸是细胞呼吸 的主要形式，这一过程必须有氧气的参与。有 氧呼吸最常利用的物质是葡萄糖，反应生成 二氧化碳并放出能量，这个过程可以表示为： C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 能量 （葡萄糖） 自然界除生命体呼吸作用产生二氧化碳外， 火山喷发产生的气体和岩石风化产生的气体中 也含有少量的二氧化碳。 交流·分享 结合以往学习，查阅 相关资料，与同学交流以 下内容： 1. 从自然界、工业生产 和日常生活等方面，列出产 生二氧化碳的主要途径。 2. 尝试从化学变化角 度对二氧化碳的排放途径 进行分类，并用化学方程 式表示。 图6-10 火山喷发出火山灰云 170 第六章 开展低碳行动 二、人类活动中二氧化碳的排放 人类活动中二氧化碳的排放主要分为能源相关排放和工业过程排放。能源相 关排放主要指煤、石油、天然气等含碳元素的化石燃料的燃烧产生的二氧化碳； 工业过程排放主要是水泥、石灰、钢铁等相关产业释放的二氧化碳。 观察图6-11，思考以下问题： 1. 我国二氧化碳排放的主要途径是什么？ 2. 哪些产业部门的二氧化碳排放量较大？ 当前，大部分城镇家庭主要用天然气作为日常燃料。我们已经知道天然 气的主要成分是甲烷（CH4），完全燃烧生成二氧化碳和水。请你估算，使 用1 m 3 天然气，大约排放多少二氧化碳？（已知：在标准状况下，天然气 的密度为0.7174 kg/m 3） 图6-11 1997—2020 年中国二氧化碳排放趋势 交流·分享 观察·思考 1997 CO2 排放量（亿吨） 工业 供热 电力 交通 民用 年均增速2.6% 年均增速9.6% 年均增速1.0% 2000 2005 2010 2015 2020 14 12 10 8 6 4 2 0 煤炭 4% 7% 7% 2% 12% 13% 18% 79% 76% 75% 2000 2010 2020 1%6% 石油制品 天然气 水泥生产过程 第二节 二氧化碳的排放 171 水泥是主要的建筑材料，水泥的生产是二氧化碳排放量较高的工业生产。 生产水泥的主要过程是：把石灰岩（主要成分碳酸钙CaCO3）和黏土等材料混 合加热，得到氧化钙（CaO）作为水泥的主要成分之一，同时释放出二氧化碳。 该过程可表示为： CaCO3 高温 CaO + CO2 ↑ 金属冶炼工业除了因使用化石燃料作为主要能量来源燃烧释放二氧化碳以 外，有些金属冶炼过程也会释放二氧化碳。例如，用木炭或一氧化碳与铁矿石中 铁的氧化物反应，生成铁的同时也生成二氧化碳，该主要过程可表示为： 3C + 2Fe2O3 高温4Fe + 3CO2 ↑ 3CO + Fe2O3 高温2Fe + 3CO2 除了工业生产排放大量二氧化碳外，人类日常生活也直接或间接地排放二 氧化碳。例如，饮食带来的碳排放问题也是全球关注的热点。 图6-12 明代《天工开物》 中有关石灰的制作工艺 图6-13 现代立式石灰窑 我国石灰竖窑的技术日趋成熟，该技术提高 了石灰产品的质量并降低了二氧化碳的排放。 早在明代，我国 已掌握烧石灰的 技术，并将石灰 用作建筑材料。 172 第六章 开展低碳行动 课外实践 参考以下各类食物的碳足迹数据表，估算自己日常一天饮食的碳排放量。 表6-2 2015 年不同食物种类的碳足迹数据 食物类型 碳足迹大小/ （kg CO2 当量/kg 食物） 消费现状/（g/d） 推荐摄入量/（g/d） 谷物 2.2 355 250～400 蔬菜 0.4 402 300～500 水果 0.6 244 200～350 食用油 8.6 52 25～30 肉类 13.5 123 40～75 水产品 5.2 47 40～75 蛋类 4.5 73 40～50 奶类 2.8 70 300 图 6-14 食品生产等环节中的二氧化碳排放 粮食作物的 种植过程 禽畜动物的 养殖过程 农机作业的能耗 化学肥料、农药、塑料薄膜等农业 耗资的生产 水稻中甲烷、农田中一氧化二氮的排放 饲料的生产 养殖过程的能源使用 动物肠胃的发酵和粪便的处理 农业生产 食品加工 食品运输 食品储存 厨余垃圾处理 谷物的磨制和精制 食用油的压榨和制作 禽畜动物的屠宰和后 期冷冻 加工食物经过货 运火车和冷链物 流等配送方式运 送到城镇地区 新鲜食物如蔬菜、 肉蛋奶等产品的 冷冻存储保鲜所 需要的能源消耗 厨余垃圾经过填 埋、焚烧处置额外 产生的温室气体 第二节 二氧化碳的排放 173 探究·实践 三、实验室制取二氧化碳 我们已经从自然界和人类活动两方面了解了一些二氧化碳的排放途径。我 们还可从物质的元素组成、分子和原子等化学学科角度进行解释、整理、预测新 的反应，并依据以上思路设计实验室制取二氧化碳的方案。 1. 回忆化学方法制取氧气的原理，从物质分类、元素组成、分子和原子 角度，分析、讨论、设计物质转化路径的一般思路。 2. 依据以上思路，梳理、设计生成二氧化碳的化学变化，写出相关化学 方程式。 探究目的 实验室制取二氧化碳。 设计方案 参考实验室制取氧气的思路和方法： 学生必做 实验 安全提示 本实验须佩 戴护目镜和手套 完成。 图6-15 设计物质转化路径的一般思路 实验室制氧气的反应原理 依据元素守恒——寻找反应物 寻找的起点——已知的化学反应 回顾 启示 2HgO 2Hg + O2 ↑ △ 含氧化合物 氧气 目标物 反应物 KMnO4 H2O2 O2 只含有一种元素 一定条件 单质 O2 化合物 CO2 C、O 元素来源 于几种物质？ CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2↑ + H2O 大理石或石灰石稀盐酸 交流·分享 元素守恒 174 第六章 开展低碳行动 进行实验 按实验方案进行操作，记录实验过程和现象。 反思交流 1. 实验结束后如何操作？观察到什么现象，如何解释？ 2. 从以下实验仪器中选择，装配一个简易的、可控制反应随时开始和停 止的二氧化碳气体发生装置。 3. 参考第二章第四节学习的依据特定需求制取氧气的思路和方法，说明 实验室制取二氧化碳的特点，设计工业制取二氧化碳的方案。 图6-17 常用的收集装置 1. 为什么选择这个化 学反应？从元素组成角度 如何分析？ 2. 为什么不选择其他 含碳酸根的物质（如碳酸 钠）和其他含氢元素的物 质（如水、硫酸）？ 是否可采用排水法收 集二氧化碳？（将在下一 节进行探究） 依据实验目的 选择化学反应及药品 依据气体密度和溶解性 选择收集装置 依据药品状态和反应条件 选择发生装置 依据生成气体性质 设计检验和验满方法 图6-16 常用的发生装置 图6-18 实验仪器选择 铁架台 烧杯 带导管的单孔塞 试管 （底部有孔） 干燥管 酒精灯 漏斗 烧瓶 碎玻璃 第二节 二氧化碳的排放 175 练习与应用 1. 梳理本节涉及的生成二氧化碳的化学反应，可 用图6-19 所示的关系图表示，并填写下表： 序号 化学方程式 基本反应类型 碳元素化合价变化 应用场景 ① ② ③ ④ ⑤ 2. 根据图6-20 回答问题。 （1）实验室制取二氧化碳的药品是 ，发生装置为 （填序号）。 （2）可用装置C 收集的原因是 ，验满方法是 。 （3）组装好装置后，需要首先进行的操作及主要方法是 。 （4）若需要制取两瓶250 mL 二氧化碳（总质量约为1 g）用于探究其性质， 至少需要碳酸钙的质量是多少？ （5）实验室可用稀硫酸（H2SO4）和金属锌（Zn）作为原料在常温、常压条件 下制取氢气（H2）。通常状况下，氢气密度比空气小，难溶于水。依据 以上信息，可选择装置 （填序号，下同）作为发生装置，装置 作为收集装置。 图6-20 A B C D E a 图6-19 CO2 C6H12O6 CaCO3 CH4 C CO ① ② ③ ④ ⑤ 176 第六章 开展低碳行动 图6-21 光合作用 光能 二氧化碳 水 氧气 氢6% 其他1% 碳49% 氧44% 学科融合 第三节 二氧化碳的吸收 自然界吸收二氧化碳的主要途径是植物 的光合作用和水体吸收，其原理是什么？如 何通过人工方法将大气中过量的二氧化碳捕 集封存？如何将多余的二氧化碳转化成其他 资源呢？ 一、自然界中二氧化碳的吸收 我们已经学习过植物的光合 作用。大气中的二氧化碳，被植 物吸收后以淀粉等糖类的形式蓄 积起来。 植物的光合作用 光合作用是指植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存 着能量的淀粉等糖类，并且释放出氧气的过程。这一过程可以表示为： CO2 + H2O 光能 叶绿体(CH2O)n+ O2 糖类 近年来，科学家对森林中二氧化碳浓度和气温的关系进行了大量研究。 在全世界进行的调查表明：现在森林对二氧化碳的吸收（光合作用）和排放 （呼吸作用），两方面基本维持平衡。 但是，也有科学家通过多年的跟踪观测，提出了担忧：二氧化碳浓度上 第三节 二氧化碳的吸收 177 升，由于光合作用吸收的二氧化碳数量增大，树木生长会更加旺盛。如果二 氧化碳的浓度继续上升而导致气温进一步升高，树木和土壤中微生物呼吸释 放的二氧化碳数量的增加，就会超过光合作用量的增加。就森林整体而言， 释放的二氧化碳数量反而要比吸收的二氧化碳数量更多。 海洋吸收二氧化碳主要有两种机制：一种是海洋生物对二氧化碳的吸收，其 过程类似于陆地上绿色植物的光合作用；另一种是海洋中水对二氧化碳的吸收， 主要过程见图6-22。 大气中的CO2 暖海域 冷海域 在冰冷的深水中封存CO2 溶解于水中的CO2 图6-22 海洋中水对二氧化碳的吸收 观察·思考 观察图6-22，思考以下问题： 1. 海洋中水吸收二氧化碳反映了二氧化碳的哪些性质？ 2. 海洋中二氧化碳浓度增大，可导致海水酸化。依此资料，你有什么新 的推测？ 178 第六章 开展低碳行动 探究·实践 探究目的 探究二氧化碳进入水中发生的变化。 猜想及依据 1. 二氧化碳能溶解于水，依据是 。 2. 二氧化碳能与水发生化学反应生成酸性物质，依据是 。 进行实验 操作步骤 实验现象 分析解释 1. 如图所示，向充满二氧化 碳的塑料瓶里迅速倒入半瓶 蒸馏水，旋紧瓶盖（不能漏 气），充分振荡塑料瓶。 2. 取两支试管，向其中一支 试管中倒入塑料瓶中的液体 约10 mL，向试管中滴加几滴 石蕊溶液（石蕊溶液遇到酸 性物质变红，是一种指示剂）， 振荡；另一支试管中倒入 10 mL 蒸馏水，滴加等量的 石蕊溶液，振荡。 3. 第一支试管分出一半液体 倒入新试管中；对其中一支 试管稍稍进行加热。 反思交流 以上实验是否能得出二氧化碳与水发生化学反应生成酸性物质的结论？ 实验方案再设计 请再设计一种实验方案，验证上述实验得到的结论。 提示：蓝色石蕊试纸（石蕊试纸由石蕊溶液浸渍滤纸晾干得到，遇到酸 性溶液变成红色）。 二氧化碳+ 水密封瓶口倒转振荡后 二氧化碳+ 水 + 石蕊溶液 水+ 石蕊溶液 学生必做 实验 安全提示 本实验须佩戴护 目镜和手套完成。 第三节 二氧化碳的吸收 179 以上实验探究可知：二氧化碳不仅能溶于水，而且能与水发生化学反应生成 酸性物质——碳酸。碳酸不稳定，容易分解成二氧化碳和水。以上变化可表示为： CO2 + H2O H2CO3 H2CO3 CO2 ↑+ H2O 标准状况下，1 L 水能溶解1.45 g 二氧化碳，溶于水的二氧化碳大部分 以分子的形式存在，只有1% ~ 4% 的二氧化碳转化为碳酸。 画出微观示意图，从分子角度分析和解释二氧化碳溶于水，与水发生化 学反应的过程及实验现象。 二、人工捕集二氧化碳 人类活动所排放的二氧化碳中，有50% ～60% 不能被海洋和植物吸收而留 在大气中。因此，人工捕集成为增加二氧化碳吸收的必要途径和手段。 交流·分享 图6-23 碳捕集过程 烟气预处理：进入装置前，将烟气 中携带的杂质分离出去 吸收与解吸：利用化学吸收剂与二氧 化碳进行反应，将其与其他气体分离 液化与储存：采用高压液化或低温 液化，储存于相应储罐内 压缩与脱水：吸附剂吸附水分，通 过再生气加热及冷吹对吸附组解吸， 分离二氧化碳和水，达到露点要求 碳捕集 阅读图6-23 碳捕集过程，思 考以下问题： 1. 我们能用物理方法分离出 空气中的氧气和氮气，为什么不能 直接从空气中分离出二氧化碳？ 2. 化学吸收即利用化学试剂 与二氧化碳反应，如何选择适宜 的吸收剂？应考虑哪些因素？ 观察·思考 180 第六章 开展低碳行动 观察·思考 图6-24 CO2 与Ca（OH）2 溶液的反应 我们经常用新制的澄清石灰水（氢氧化钙溶液） 检验二氧化碳气体。将气体通入澄清石灰水，通过 观察是否有沉淀生成判断该气体是否为二氧化碳。 该化学变化也可用于吸收二氧化碳，将其转化为难 溶于水的碳酸钙，其过程可表示为： CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 ↓ + H2O 氢氧化钠（NaOH）是一种与氢氧化钙组成相似 的化合物，易溶于水形成氢氧化钠溶液。氢氧化钠溶 液具有与氢氧化钙溶液相似的化学性质，也能与二氧化碳发生化学反应（将在第 九章继续学习），可作为二氧化碳的化学吸收剂。 化学兴趣小组的同学用压强传感器，比较等体积水（曲线1）、石灰水（曲 线2）和40% 氢氧化钠溶液（曲线3）吸收二氧化碳的效果。实验装置及结 果如图6-25，思考以下问题： 图6-25 1. 分析图②的实验结果得出实验结论。 2. 查找相关资料，分析解释为什么三种液体吸收二氧化碳的效果不同。 3. 三条曲线在200 s 前都有压强变大的现象；在800 s 左右时压强都“突 然”变小，请解释原因。 活塞 压强 传感器 压强/kPa 曲线1 曲线2 曲线3 时间/s 250 mL 二氧化碳 85 mL液体 0 50 100 150 200 400 600 800 1 000 ① ② 第三节 二氧化碳的吸收 181 三、二氧化碳的应用及转化 目前，捕集的二氧化碳大部分储存于地下深处或专门的储存点，少部分直 接应用于各领域。二氧化碳是一种广泛应用的重要原料。 观察·思考 查阅相关资料，尝试用已经学过的二氧化碳性质对图6-26 中的一些应 用进行解释。 应用 反映的性质 涉及的化学方程式 备注 观察实验：将镁条在酒精灯上点燃后，立即伸入充 满二氧化碳的集气瓶中。回答以下问题： 1. 观察现象，分析写出该反应的化学方程式； 2. 二氧化碳灭火器适用于哪些场合？ 图6-28 镁条在二 氧化碳中燃烧 图6-27 北京冬奥会国家速滑馆 “冰丝带”采用二氧化碳制冰技术 中国国家速滑馆“冰丝带”，冰 面温差控制在0.5 ℃，低于奥组委提出 的1.5 ℃标准。北京大学团队借助二 氧化碳制冰技术，在人类冬奥会历史 上率先实现了替代氟利昂制冰，用绿 色冬奥的实践展现大国责任担当。 CO2 灭火 合成医药 制造化肥 生产碳酸 饮料 冷藏食品 光合作用 储存粮食 图6-26 二氧化碳的广泛应用 182 第六章 开展低碳行动 资料检索 除直接利用二氧化碳外，还可将其通过化学反应转化为有高应用价值的化 学品或燃料，进而实现二氧化碳资源化利用。 CO2 资源化利用技术 查找相关资料，分析图中 三条转化路线，完成以下任务： 1. 用化学方程式描述主要 的化学反应。 2. 从绿色化学、投入成本、 实现难度等角度评价以上技术 的可行性。 图6-30 二氧化碳加氢制甲醇（CH3OH）中试装置 CO2 路径a 耦合低碳能源CH4 干气重整 反应器 电解水 制氢气 光催化还原CO2 电催化还原CO2 FT/FTO 技术 CO2 加氢 技术 α- 烯烃 乳化剂 油品 甲醇 汽油烃馏分 甲酸 乙醇 一氧化碳 乙烯 路径b 耦合低碳能源H2 路径c 直接转化利用 图6-29 人工碳循环——二氧化碳转化利用技术 第三节 二氧化碳的吸收 183 练习与应用 1. 梳理本节涉及二氧化碳参与的化学反应，写出化学方程式，标出化合反应或分 解反应，分析碳元素的化合价变化，填在下表中： 化学反应 化学方程式 基本反应类型 碳元素化合价变化 植物光合作用 — — — 水体吸收 支持镁条燃烧 生产化肥 CO2 + NH3 + H2O NH4HCO3 （碳酸氢铵） 耦合氢气 CO2 + 3H2 CH3OH + H2O （甲醇） 2. 图6-31 所示实验中，①④为用紫色石蕊溶液润湿的棉球，②③为用石蕊溶 液染成紫色的干燥棉球。能说明CO2 密度大于空气且 能与水反应的现象是 ；用化学方程式解释 紫色棉球变成红色的原因： 。 3. 2022 年6 月10 日，在第十四届中国生物产业大会高层 论坛上，中国科学家揭秘了“二氧化碳人工合成淀粉” 背后的探索路径。该过程可用图6-32 表示： 图6-32 请查阅相关资料，了解具体内容，思考回答下列问题： （1）从元素角度分析解释以上物质转化的过程。 （2）谈谈这项研究成果的意义和价值。 （3）将以上成果推广应用为规模化生产的过程会面临哪些挑战？ 分离 转化 高浓度 CO2 电能或 氢能 化学 还原 生物 转化 一碳化合物 淀粉 热电厂、水泥厂每 年释放超过50 亿吨 高浓度二氧化碳 低密度的太阳能转 化为高密度的电能 或氢能 在生物体系 中具有高传 递效率 ① ② ③ ④ 缓慢 通入CO2 铜丝 图6-31 184 第六章 开展低碳行动 方法导航 第四节 我们的低碳行动 在未来相当长的时间内，低碳行动将成为 人类可持续发展的关键。我们已经从二氧化碳 组成、性质与应用、存在与转化等方面了解了 与低碳行动相关的原理，如何将其转化为有效 的低碳行动呢？ 碳中和的基本思路 我们可参考自然界中的碳循环，整理第二节和第三节的内容，形成以二 氧化碳为中心物质的转化关系。基于此关系，将“碳中和”思路具体化，提 出低碳行动的主要途径。 图6-33 碳中和思路示意图 设计思路 设计思路 具体行动 具体行动 科学原理 碳中和 排放CO2= 吸收CO2 保持大气中CO2 的适宜含量 控制生物 体数量 减少化石 燃料燃烧 减少碳酸 盐使用 加大绿色植物 数量，减少植 物性材料使用 增加吸收面积 提高吸收率 完善生产技术 和工程 生物 （C6H12O6） 呼吸作用 光合作用 燃烧 高温分解/H + 高压 低温 富集、储存 催化/H2 化石燃料 （CH4 等） 吸收/H2O Ca(OH)2 水圈、岩石圈 （CaCO3 等） 有用物质 （CH3OH 等） 绿色植物 ［（CH2O）n］ 碳酸盐 （CaCO3 等） CO2 第四节 我们的低碳行动 185 本节我们要完成低碳行动方案的设计，请提前做如下准备： 1. 梳理前三节内容，讨论低碳行动方案的提纲，体现科学原理与实践行 动之间的关联。 2. 整理已有的低碳行为，尝试用已学的化学知识进行解释。 3. 查找并整理有关低碳行动方案的资料。 我们的日常生活消费是碳排放的“终端”，“双碳”目标的实现离不开消 费端亿万消费者的共同努力，需要大家一起改变生活方式与高耗能消费。 1. 以下列出了一些同学制定的个人及家庭低碳行动方案，请从二氧化碳 转化的角度解释其原理，还可补充相关的低碳建议。 低碳行为 科学原理解释 补充 纸张双面打印 节约纸张相当于保护植物，加 强光合作用对二氧化碳的吸收 收集用过的草稿纸、旧作业 本，回收再利用 公交出行 节约食物 及时关闭电源 家里多种植花草 使用可降解材料 垃圾分类 2. 模拟辩论。 论题：当低碳行动与个人利益产生冲突或矛盾时，你如何选择？（例如， 私家车出行便利、舒适、快捷，但发展私家车会导致能源的大量使用而增加 二氧化碳的排放） 交流·分享 低碳是当代人为后代人的负责，是实现人类 可持续发展的必然之路，我们必须做出“牺牲”。 我们要“活在当下”，没必 要杞人忧天。 正方 反方 186 第六章 开展低碳行动 国家要从统筹管理和宏观规划角度推进低碳。 中国经济体各部门的深度脱碳转型是实现“双碳”目标的关键，其中极为 重要的驱动因素是低碳技术进步。例如，调整能源结构，打破经济社会运行中对 化石能源的过度依赖，实现从高碳能源向低碳能源的转型。 图6-36 国家低碳行动方案思路示意图 图6-34 中国首座“近零能耗”建筑 图6-35 共享单车 中国首座“近零能耗”建筑位于北京市大 兴区农村。有专家认为这是具有未来首都乡村 特色的绿色建筑。 自2016 年以来，我国共享单车开始 井喷式发展，完全融入城市交通系统。 共享单车实现了与公共交通工具的接驳， 带动公交出行比例的提升，控制私家车 的使用，有利于减少碳排放。 图6-37 从高碳能源向低碳能源转型 高碳 低碳 化石 能源 清洁 能源 能源电力 能源电力 第四节 我们的低碳行动 187 从化学角度看，能源革命的本质就是“减碳趋氢”的过程，即逐渐减少 高碳（煤炭）、中碳（石油）、低碳（天然气）能源的使用，大力发展零碳（氢 能等）能源，提高其在能源结构中的占比。 1. 结合第五章关于燃料的内容，解释为什么煤炭属于高碳能源、石油属 于中碳能源、天然气属于低碳能源。 2. 零碳能源除了氢能外，还有哪些能源？ 我们已经知道通过二氧化碳捕集、储存和转化可以降低大气中二氧化碳的 含量。为此，世界各国正在进行大量的研究以开发各种可利用的技术。目前，实 施的主要障碍是：捕集的成本高、能耗高，利用的成本高、规模小，以及封存的 选址和安全性要求高。 观察·思考 根据专家的推测，2060 年中国社会碳排放总量将达到约815.71 亿吨， 具体见表6-3： 表6-3 碳排放量预测 碳来源 2016 年碳排放 总量/ 亿吨 2016 年碳排放 占比/% 2060 年碳排放 总量/ 亿吨 建筑 19.60 19.81 161.61 交通 5.18 5.24 42.71 其他能源活动 58.73 59.36 484.25 思考以下问题： 1. 分析上表中数据，你有什么发现？ 2. 目前，利用现有技术捕集二氧化碳的成本在国际上为40～60 美元/ 吨； 国内为200～350元/吨。请计算若要捕集815.71亿吨二氧化碳，需要多少资金？ 3. 谈谈降低二氧化碳捕集经济成本的思路。 交流·分享 188 第六章 开展低碳行动 资料检索 《巴黎协定》的诞生 2015 年12 月，一份应对气候变暖的新协议《巴黎协定》被批准通过，缔 约方包括发达国家和发展中国家（共计196 个国家和地区）。所有缔约方共 同努力减少温室气体的排放量，明确提出“到21 世纪下半叶实现温室气体净 零排放”的目标。 我们理解了低碳行动的意义、科学原理和基本方案。展望未来，我们要肩 负起宣传低碳理念的任务，致力于将低碳行动落到实处，为构建可持续发展的美 好未来贡献力量。 图6-38 《巴黎协定》诞生大事记 2015 年 《巴黎协定》 1997 年 《京都议定书》 2007 年 《巴厘路线图》 1992 年 《联合国气候变化框架公约》 有史以来首个具有普遍 性和法律约束力的全球气候 变化协定。 确定了世界各国今后加 强落实《联合国气候变化框 架公约》 的具体领域。 确定自1995 年起，每年 召开联合国气候变化大会以 评估进展。 将温室气体控制或减排 设定为发达国家具有法律约 束力的义务。 第四节 我们的低碳行动 189 练习与应用 1. 组织学生小组合作完成“低碳行动公约”，利用班会或课后服务时间进行汇报， 共同制订评价标准，学生小组互评并提出修改建议。将修改完善后的“低碳行 动公约”张贴在班级板报或墙报上。 2. 在学习本章前后，你个人或家庭成员的日常行为发生了哪些变化？是否符合低 碳理念或取得哪些低碳成效？ 学习本章前的日常行为 学习本章后的日常行为 低碳行动的效果分析 3. 矿化固碳的工业实践已经起步。中国科研团队已经开发了低浓度尾气二氧化碳 直接矿化石膏（CaSO4）联产化肥与碳酸钙技术，分别于2013 年和2014 年完 成了2 个阶段的中试研究。其主要过程如图6-39，思考回答： 图6-39 （1）已知用氨气吸收二氧化碳的过程生成物只有一种，该化学反应的反应类 型是 （填“化合反应”或“分解反应”）。 （2）该过程中，通过物理变化实现混合物分离的步骤有 。 （3）试分析影响以上二氧化碳吸收和转化效率的因素有哪些。 NH3 石膏 含CO2 废气 CO2吸收 碳酸钙 碳酸化反应 碳酸钙分离、干燥 结晶、干燥 硫酸铵 （CaCO3） （CaSO4） ① ② ③ ⑤ ④ （NH4）2SO4 190 第六章 开展低碳行动 学习盘点 ● 能通过实验说明二氧化碳的主要性质，并能用化学方程式表示。 ● 能举例说明二氧化碳性质与用途的关系，并解释一些简单的现象和 事实。 ● 能在实验室制备并检验二氧化碳；能归纳实验室制取气体的一般思路 和方法。 ● 能基于二氧化碳的组成与性质，初步分析和解决低碳行动的综合问 题，积极参与低碳相关的综合实践活动。 综合与实践 基本理解 1. 下列关于CO2 实验室制法及性质实验的说法不正确 4 4 4 的是（ ） A. 制CO2 的药品 B. 发生装置 C. 收集装置 D. 比较CO2 与空气的密度 2. 下列关于CO2（干冰）的应用，主要利用了其物理性质的是（ ） A. 做灭火剂 B. 用于人工降雨 C. 生产碳酸饮料 D. 制造化肥 3. 下列做法不符合 4 4 4 “低碳环保”理念的是（ ） A. 乘坐公交出行 B. 提倡无纸化办公 C. 垃圾分类回收 D. 使用一次性筷子 本章学习接近尾声，请结合“学习盘点”中列举的核心内容， 回顾研究低碳方案的过程，整理二氧化碳的组成、性质与应用，使 你的学习收获更加系统化。 CO2 4. 实验室制取CO2 有以下几个步骤：①按要求装好仪器；②向长颈漏斗中注入 盐酸；③向反应器中加入块状石灰石；④检查装置气密性；⑤收集生成的气体。 以上操作，正确的排列顺序是（ ） A. ①②③④⑤ B. ②①④③⑤ C. ①④③②⑤ D. ①②④③⑤ 简单应用 5. 用图6-40 装置进行实验，向瓶中依次加入CaCO3 和稀盐酸，塞紧胶塞。 （1）瓶中发生反应的化学方程式为___________________________________。 （2）能证明CO2 与水发生化学反应的实验现象是______________________。 6. 捕集、利用和封存CO2 是实现碳中和的一种途径。矿物质碳化封存反应之一 是氧化镁与CO2 反应生成碳酸镁，该反应的化学方程式为 。 7. 北京冬奥会采用了CO2 跨临界直冷制冰技术（如图6-41）。 （1）液态CO2 蒸发吸热实现制冷，使水变成冰。 此过程中，CO2 发生了 （填“物理变化” 或“化学变化”）。 （2）超临界状态的CO2 通过冷却器实现循环， 并释放热量为场馆除湿、供热，此技术的 优点有 。 8. 我国科学家研发的“液态太阳燃料合成”项目的工艺流程如图6-42。 综合与实践 191 图6-40 图6-41 图6-42 192 第六章 开展低碳行动 回答下列问题： （1）电解水所用的电能是由 转化的。 （2）可循环利用的物质是 。 （3）据计算，每生产1 t 甲醇可以消耗1.375 t 的CO2，请写出计算过程。 综合问题解决 9. 阅读以下资料，并回答问题。 在2060 年实现“碳中和”前，煤炭作为主力能源可能还会存在很长一段 时间。在这段时间里煤炭要如何使用才能实现低碳呢？研制并广泛应用富氧 燃烧系统是解决路径之一，主要过程如图6-43 所示。 从物质和能量转化的角度分析富氧燃烧系统是如何实现低碳的。 图6-43 富集CO2 并存储 蒸气发电 锅炉本体设计 系统集成/ 过程设计 尾气（O2、CO2 与水蒸气）循环 空气分离，高浓度 O2，供给燃烧 冷却和脱硫 燃烧系统 底部灰尘 机械能 低温水 低温水 清除颗粒 冷凝器 氮气 成分设计 空气分离 能量 空气 氧气 燃料 飞灰 沸腾 电 冷却 浓缩 冷却 浓缩 冷凝水 附录一 193 注：1. 相对原子质量录自2021 年国际相对原子质量表，以碳-12 为基准。 2. 相对原子质量加方括号的为放射性元素的半衰期最长的同位素的质量数。 3. 相对原子质量末尾数的准确度加注在其后的括号内。 4. [a，b] 表示该元素的相对原子质量依据其同位素丰度变化而介于a 和b 之间。 相对原子质量表 （按照元素符号的字母次序排列） 元素 相对原子质量 元素 相对原子质量 元素 相对原子质量 符号 名称 符号 名称 符号 名称 Ac Ag Al Am Ar As At Au B Ba Be Bh Bi Bk Br C Ca Cd Ce Cf Cl Cm Cn Co Cr Cs Cu Db Ds Dy Er Es Eu F Fe Fl Fm Fr Ga Gd Ge H He Hf Hg Ho Hs I In Ir K Kr La Li Lr Lu Lv Mc Md Mg Mn Mo Mt N Na Nb Nd Ne Nh Ni No Np O Og Os P Pa Pb Pd Pm Po Pr Pt Pu Ra Rb Re Rf Rg Rh Rn Ru S Sb Sc Se Sg Si Sm Sn Sr Ta Tb Tc Te Th Ti Tl Tm Ts U V W Xe Y Yb Zn Zr [227] 107.868 2（2） 26.981 538 4（3） [243] [39.792，39.963] 74.921 595（6） [210] 196.966 570（4） [10.806，10.821] 137.327（7） 9.012 1831（5） [270] 208.980 40（1） [247] [79.901，79.907] [12.009 6，12.011 6] 40.078（4） 112.414（4） 140.116（1） [251] [35.446，35.457] [247] [285] 58.933 194（3） 51.996 1（6） 132.905 451 96（6） 63.546（3） [268] [281] 162.500（1） 167.259（3） [252] 151.964（1） 18.998 403 162（5） 55.845（2） [290] [257] [223] 69.723（1） 157.25（3） 72.630（8） [1.007 84，1.008 11] 4.002 602（2） 178.486（6） 200.592（3） 164.930 329（5） [269] 126.904 47（3） 114.818（1） 192.217（2） 39.098 3（1） 83.798（2） 138.905 47（7） [6.938，6.997] [262] 174.966 8（1） [293] [290] [258] [24.304，24.307] 54.938 043（2） 95.95（1） [277] [14.006 43，14.007 28] 22.989 769 28（2） 92.906 37（1） 144.242（3） 20.179 7（6） [286] 58.693 4（4） [259] [237] [15.999 03，15.999 77] [294] 190.23（3） 30.973 761 998（5） 231.035 88（1） [206.14，207.94] 106.42（1） [145] [209] 140.907 66（1） 195.084（9） [244] [226] 85.467 8（3） 186.207（1） [267] [282] 102.905 49（2） [222] 101.07（2） [32.059，32.076] 121.760（1） 44.955 907（4） 78.971（8） [269] [28.084，28.086] 150.36（2） 118.710（7） 87.62（1） 180.947 88（2） 158.925 354（7） [97] 127.60（3） 232.037 7（4） 47.867（1） [204.382，204.385] 168.934 219（5） [294] 238.028 91（3） 50.941 5（1） 183.84（1） 131.293（6） 88.905 838（2） 173.045（1） 65.38（2） 91.224（2） 附录一 锕 银 铝 镅 氩 砷 砹 金 硼 钡 铍 铋 锫 溴 碳 钙 镉 铈 锎 氯 锔 钴 铬 铯 铜 镝 铒 锿 铕 氟 铁 镄 钫 镓 钆 锗 氢 氦 铪 汞 钬 碘 铟 铱 钾 氪 镧 锂 铹 镥 镆 钔 镁 锰 钼 氮 钠 铌 钕 氖 镍 锘 镎 氧 锇 磷 镤 铅 钯 钷 钋 镨 铂 钚 镭 铷 铼 铑 氡 钌 硫 锑 钪 硒 硅 钐 锡 锶 钽 铽 锝 碲 钍 钛 铊 铥 铀 钒 钨 氙 钇 镱 锌 锆 194 附录二 部分酸、碱和盐的溶解性表（20 ℃） 附录二 说明：“溶”表示该物质可溶于水，“不”表示不溶于水，“微”表示微溶于水，“挥” 表示挥发性，“—”表示该物质不存在或遇到水就分解了。 阳离子 阴离子 OH - NO3 - Cl - SO4 2- CO3 2- H + 溶、挥 溶、挥 溶 溶、挥 NH4 + 溶、挥 溶 溶 溶 溶 K + 溶 溶 溶 溶 溶 Na + 溶 溶 溶 溶 溶 Ba 2+ 溶 溶 溶 不 不 Ca 2+ 微 溶 溶 微 不 Mg 2+ 不 溶 溶 溶 微 Al 3+ 不 溶 溶 溶 — Mn 2+ 不 溶 溶 溶 不 Zn 2+ 不 溶 溶 溶 不 Fe 2+ 不 溶 溶 溶 不 Fe 3+ 不 溶 溶 溶 — Cu 2+ 不 溶 溶 溶 不 Ag + — 溶 不 微 不 后 记 本套教科书依据《义务教育化学课程标准（2022 年版）》对原有的义务教 育化学教科书进行了修订。修订时，聚焦中国学生发展核心素养，广泛吸收化 学学科的先进教育理念及教学方法与经验，认真分析和研究各方面提出的建议， 致力促进学生的化学学习与全面发展。 在编写阶段，我们得到了学科专家的悉心指导和倾力帮助，他们为教材提出 了很多宝贵的意见。在试教试用过程中，我们得到了北京市及其他省市教研单位 及学校广大教师的大力支持，他们的意见与建议为教科书的进一步完善提供了保 障。王巨老师对本套教科书进行了审读并提出了宝贵建议。此外，对教材的编写、 出版提供过帮助的社会各界朋友还有很多，在此一并表示诚挚的谢意。 本册教材出版之前，我们通过多种渠道与教材选用作品（包括照片、画作等） 的作者进行了联系，得到了他们的大力支持。对此，我们表示衷心的感谢！但仍 有部分作者未能取得联系，恳请入选作品的作者与我们联系，以便支付稿酬。 本册教材投入使用后，真诚希望广大师生和家长提出宝贵意见，以便我们 进一步完善，提升教材质量。 联系方式 电话：010-58572314 电子邮箱：jiaocai@bphg.com.cn