【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。  

第二章、氧和氢 

§2-5氧气的制法

        在空气里虽然含有相当多的氧气，但工业上或者实验室里，往往都需用纯粹的氧气。因此，我们有必要研究制取纯氧的方法。

        自然界里的哪些物质可以用做制造氧气的原料呢？前面讲过，氧在自然界里，既有以游离态存在的（单质的氧气，主要存在在空气里），也有以化合态存在在各种含氧化合物里的。这些含有氧元素（游离态或化合态）的物质，都有可能用做制造氧气的原料。

        由于所用原料的不同，制取氧气就有两类不同的方法。

        第一类方法是以空气为原料，通过物理的方法，把氧气从空气里分离出来。第二类方法是以含氧化合物为原料，通过分解反应，使其中所含的氧分解出来，成为单质的氧气。

        第一类方法需用的装置比较复杂，但原料（空气）可以随处取得，成本少，适宜于工业上大量生产氧气；第二类方法的操作比较方便，适宜于实验室里制取少量氧气。下面我们分别来介绍。

氧气的实验室制法

        实验室里制取氧气是用含氧化合物为原料的.这些含氧化合物，必须具备下面两个条件：

        第一，这种含氧化合物是较不稳定的，在加热时容易分解放出氧气；

        第二，这种含氧化合物里含氧的百分比是比较高的，能分解放出较多的氧气。

        在实验室里最常用的、符合于这两个条件的含氧化合物是氯酸钾（分子式是KClO₃），它含氧的百分比比较高（达40%左右），而且在不太高的温度下就能分解放出氧气。

        用氯酸钾制取氧气的方法是：先把固体氯酸钾放在试管里，加热（图2·7），不久，氯酸钾固体开始熔化（氯酸钾的熔点是357℃），但这时还不分解放出氧气，继续加热到大约400℃时，就有氧气气泡从熔化的氯酸钾里缓慢地放出。这时如果用一根带有余烬的木条放在管口，木条就会燃烧起来。这一反应可以用下面的式子表示：

        这是一个分解反应，反应时由一种物质变成两种新物质（氯化钾和氧气）。氯酸钾里的氧是化合态的，当它分解出来后，就转变成游离态的氧气了。

        如果我们在熔化的氯酸钾里加入少量黑色的二氧化锰（MnO₂）粉末，氯酸钾会迅速分解，有多量的氧气放出（图2·7）。

        在实验室里实际制取氧气时，我们就预先在氯酸钾的粉末里混入适量的二氧化锰，这样，就不需加热到氯化钾熔化的温度，在200℃左右时，就能得到多量的氧气。

        在反应结束后，实验证明，二氧化锰的重量并没有减少，也就是说，二氧化锰在反应过程里没有任何的消耗。由此可知，所得的氧气并不是从二氧化锰里分解出来的，而仍然是从氯酸钾里分解出来的。由此可以看出，在氯酸钾分解的化学反应里，二氧化锰只是起了加快氯酸钾分解速度的作用，使氯酸钾在不太高的温度下就能迅速分解。

        在化学反应里，一种物质只是改变了其他物质反应的速度，而它本身的重量在反应后并不改变，这种物质对这个反应来说，叫做催化剂。催化剂的这种作用，叫做催化作用。二氧化锰在氯酸钾分解反应里所起的作用就是一种催化作用。【山注：此处定义强调“改变”，是因为不是所有催化剂都是用来加快反应速度的；有些催化剂就是用来减缓反应速度的，例如防腐剂就可以视为一种减缓反应速度的催化剂；所以不能望文生义，认为催化剂就一定是催化；因为这个原因，我更喜欢催化剂的别名——触媒，但可惜这个名称不常用，我使用时，对方经常反应不过来，因此一般情况下，我还是使用“催化剂”这个称呼。】

        氯酸钾分解放出的氧气常用“排水集气法”（装置如图2·8所示）收集在集气瓶里，以供试验氧气性质之用。【用“排水集气法”收集气体的具体操作方法，参看本书附录。】【山注：化1-6-01第46~52段，传送门CV20878407】【山语：常用的集气法有排水法（适合于不溶于水、不与水反应的气体）、向上排空气法（适合于密度比空气重的气体）、向下排空气法（适合于密度比空气轻的气体），其中向上是指的集气瓶口向上，反之亦然。】

【山语——本实验注意事项】

（1）试管口向下倾斜，防止冷凝水倒流至加热处，使底部冷热不均，炸裂导管。

（2）插入试管的导管不易过长，否则生成的氧气不易排出。

（3）产生气体时，不要立刻收集，因为先排出的是试管中的空气，要等气泡连续均匀冒出后再收集气体。

（4）实验结束时，要先让导管移除水面，再撤酒精灯，防止试管冷后，压强变低，水通过导管被大气压入试管，造成炸裂。

（5）集气瓶满后，可将带火星木条放到瓶口，若复燃，这证明集气已满足实验要求。

山笺：三种常用的氧气实验室制法

        在实验室里，常采用加热高锰酸钾、分解过氧化氢或加热氯酸钾的方法制取氧气。此处教材只介绍了加热氯酸钾制取氧气的实验室制法，因此我再简单整理补充一下。

（1）高锰酸钾制取氧气

        用高锰酸钾制取氧气时，需要在试管口塞上棉花，防止粉末随氧气流进入导管，造成堵塞。

（2）过氧化氢制取氧气

        理论上过氧化氢自己就可以分解，但在常温下其速度很慢，因此需要二氧化锰作为催化剂以加快反应速度。【山注：催化剂可以视为反应条件，因此可写在箭头反应条件的位置上。】另外，硫酸铜溶液也可以作为过氧化氢分解的催化剂。

        过氧化氢反应的仪器是不加热型，但需注意，如果有随时添加液体的普通漏斗，漏斗的导管底端要伸入液面以下，以防止生成的氧气从漏斗溢出，造成无法加液。若是分液漏斗，则不必考虑这一点。

（3）氯酸钾制取氧气

氧气的工业制法

        前面讲过，工业上制取氧气是以空气为原料的。【山注：上述实验室制法虽然反应快、操作简单、便于收集，但是成本高，不可能大量生成，因此工业制法不能采用。】【山语：工业制法要考虑的是原材料易得与否、成本、规模、环境影响等。】

        从空气制取氧气的过程是：先把空气增加压强和降低温度，使它转变成液态空气（§2-1）。空气的液化是一个物理变化，在变化的过程里并没有新物质生成，因此液态空气主要是由“液态氧气”和“液态氮气”所组成。在1大气压下，液态氧的沸点是一183℃，而液态氮的沸点是-196℃，比液态氧更低。我们知道，当蒸发两种不同沸点的液体混和物时，沸点比较低的那种液体将首先蒸发，沸点比较高的则残留下来。当液态空气蒸发时，首先蒸发出来的是氮气，残留下来的是液态氧，这样，就把氮气和氧气分离开来。把残留下来液态氧蒸发就能得到纯净的氧气。这样得到的氧气再用很大的压力（一般用150大气压）压入钢筒（图2·9）贮存起来。这种钢筒我们在有些工厂和医院里常能看到。【山语：简单说就是先对空气降温加压为液态，然后升到-196°C（标态），氮蒸发后剩下的就是液态氧。】【山语：如今还有较为方便的膜分离技术，即在一定压力下使用有富集氧功能的薄膜将空气中的氧气富集后贮存。】

习题2-5

1、什么叫做催化剂？什么叫做催化作用？把少量二氧化锰和氯酸钾混和后加热能分解放出氧气，二氧化锰和氯酸钾哪一个是催化剂？为什么？

【山答】

①在化学反应里，一种物质只是改变了其他物质反应的速度，而它本身的重量在反应后并不改变，这种物质对这个反应来说，叫做催化剂。

②催化剂的这种作用，叫做催化作用。

③二氧化锰是催化剂，因为二氧化锰的质量在反应前后并没有发生改变。

2、实验室和工业上怎样制备氧气？

【山答】实验室用加热氯酸钾的方式制备氧气；工业上蒸发液态空气的方式制备氧气。

3、为什么说实验室里从含氧化合物制氧气是一个化学变化，而工业上从空气制氧气则是一个物理变化？

【山答】实验室用氯酸钾制备生成了氯化钾以及氧气两种新物质，是化学变化。而工业制氧是提取空气中的氧气，并没有新物质产生，因此时物理便化。

4、氧化汞（HgO）和氯酸钾（）里哪一个含氧百分率比较高？为什么？[提示：根据分子式算出]

【山答】氧化汞的含氧百分率是7.41%；氯酸钾的含氧百分率是39.2%；因此氯酸钾含氧百分率高。