# 大气中的气体

> 化学 · Edexcel IGCSE
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-chemistry-s2-gases-in-the-atmosphere/

本指南涵盖Edexcel IGCSE化学考纲中2.9–2.14关于大气气体的知识点，包括空气组成、氧气体积分数实操、燃烧反应、碳酸盐的热分解以及二氧化碳与气候的关联。

**先修:** [带状态符号的化学方程式配平](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-chemistry-s1-balancing-equations/); [基础化学反应类型](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-chemistry-s1-reaction-types/)

## 学习目标

- 牢记干燥空气中四种含量最高的气体的近似体积分数
- 描述并利用金属/非金属反应实验计算空气中氧气的体积分数
- 写出镁、氢气和硫在氧气中燃烧的配平状态符号方程式
- 通过金属碳酸盐（包括碳酸铜(II)）的热分解，解释二氧化碳的生成过程
- 描述大气二氧化碳含量与气候变化之间的定性关联
- 开展实操探究，测定空气中氧气的近似体积分数

## 干燥空气的组成

干燥空气是一种混合气体，在整个低层大气中各组分的近似体积分数保持稳定。你需要在考试中牢记这四种含量最高的气体。

**干燥空气的组成** — 按体积计算，干燥空气中四种主要气体为：约78%氮气（N₂）、约21%氧气（O₂）、约1%氩气（Ar）、约0.04%二氧化碳（CO₂）

> **tip**
>
> 记忆口诀：氮气约占空气的4/5，氧气约占1/5，氩气占比接近1%，二氧化碳仅占极小的约0.04%。

**例题:** 收集到一份500 cm³的干燥空气样本，计算该样本中氮气和氧气的近似体积。

1. 已知氮气占干燥空气的78%：氮气体积 = (78/100) × 500 cm³ = 390 cm³
2. 已知氧气占干燥空气的21%：氧气体积 = (21/100) × 500 cm³ = 105 cm³

## 测定空气中氧气的体积分数

你可以通过仅与氧气发生反应且生成非气态产物的物质来计算空气中氧气的体积分数。气体体积的减少量等于被消耗的氧气体积。

**氧气体积分数计算** — 空气中氧气的体积分数 = （空气体积减少量 ÷ 空气初始体积）× 100，预期结果约为21%（约占空气的1/5）

常用的实验方法包括铁生锈（金属氧化）或磷燃烧（非金属氧化）。这两个反应都只消耗氧气，且生成固体产物，因此不会向体系中引入额外气体。

**例题:** 一名学生用注射器收集了120 cm³的空气，加入过量铁绒并加热。反应结束后冷却至室温，最终气体体积为95 cm³。计算该空气样本中氧气的体积分数。

1. 计算体积减少量 = 初始体积 - 最终体积 = 120 cm³ - 95 cm³ = 25 cm³
2. 代入公式：氧气体积分数 = (25 / 120) × 100 = 20.8%，与预期的约21%数值相符

> **考试提示**
>
> 读取最终气体体积读数前，务必等实验装置冷却至室温——热气体发生膨胀会导致测得的体积（以及计算得到的氧气体积分数）出现误差。

*计算器:* allowed

## 单质在氧气中的燃烧

当元素在过量氧气中燃烧时，会生成氧化物。你需要熟记镁、氢气和硫这三种元素对应的燃烧产物，并写出带状态符号的配平化学方程式。

**燃烧反应** — 一种放热反应，指物质与氧气发生反应生成一种或多种氧化物产物。

**例题:** 写出镁在氧气中燃烧的完整配平符号方程式，包含状态符号。

1. 确定反应物和产物：Mg(s) + O₂(g) → MgO(s)
2. 配平该方程式：2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s)

氢气燃烧的产物是液态水：2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)。硫燃烧的产物是气态二氧化硫：S(s) + O₂(g) → SO₂(g)。考试中你需要熟记这三个方程式。

> **warning**
>
> 二氧化硫是气体，因此硫的燃烧反应不能用于测定空气中氧气占比的实验，因为它会替代被消耗的氧气，不会产生可测量的体积下降。

## 通过热分解反应生成二氧化碳

金属碳酸盐发生热分解时会生成二氧化碳：加热会使碳酸盐分解为金属氧化物和二氧化碳气体，该反应不需要其他反应物参与。

**例题:** 写出碳酸铜(II)热分解的带状态符号的配平符号方程式。

1. 确定反应物和产物：CuCO₃(s) → CuO(s) + CO₂(g)
2. 检查配平情况：两侧均含有1个Cu原子、1个C原子和3个O原子，因此无需进一步配平。

碳酸铜(II)是绿色固体，加热时会变为黑色，因为生成的氧化铜(II)为黑色。反应生成的二氧化碳可以用石灰水检验，石灰水遇二氧化碳会变浑浊（该检验方法将在单独的气体检验子主题中讲解）。

## 作为温室气体的二氧化碳

二氧化碳是一种温室气体：它会吸收从地球表面反射的红外辐射，将热量截留在低层大气中，使行星保持足够的温度以支持生命存活。

> **warning**
>
> 本主题仅要求你掌握二氧化碳浓度上升与气候变化之间的定性关联，详细的辐射强迫机制或碳循环计算不属于考察范围。

自工业革命以来，包括化石燃料燃烧和毁林在内的人类活动提升了大气中的二氧化碳浓度，这导致了全球变暖以及海平面上升、极端天气事件等相关气候变化效应。

## 常见错误

- **错误做法:** Swapping nitrogen and oxygen percentages, stating air is 21% nitrogen and 78% oxygen
  - 原因: Students often mix up the order of the two most abundant gases
  - 正确做法: Remember nitrogen makes up ~4/5 of air (78%), oxygen ~1/5 (21%)
- **错误做法:** Using sulfur combustion for the oxygen percentage experiment and expecting a volume decrease
  - 原因: Sulfur dioxide is a gas that replaces the oxygen used up, so no volume change occurs
  - 正确做法: Only use reactions that produce solid/liquid products (e.g. iron rusting, phosphorus combustion) for this experiment
- **错误做法:** Taking the final volume reading in the oxygen experiment before the apparatus cools to room temperature
  - 原因: Heated gases expand, leading to an artificially high final volume and underestimation of oxygen percentage
  - 正确做法: Leave the apparatus to cool fully before recording the final gas volume
- **错误做法:** Writing the product of hydrogen combustion as H₂O(g) instead of H₂O(l)
  - 原因: Reactions are written at standard room temperature and pressure, so water is a liquid
  - 正确做法: Include the (l) state symbol for water in the hydrogen combustion equation
- **错误做法:** Adding oxygen as a reactant to the thermal decomposition of copper(II) carbonate equation
  - 原因: Thermal decomposition only requires heat, no other reactants are present
  - 正确做法: The only reactant is the metal carbonate: CuCO₃(s) → CuO(s) + CO₂(g)

## 速查表

| Concept | Key Recall Information |
| --- | --- |
| Dry air composition | N₂ ~78%, O₂ ~21%, Ar ~1%, CO₂ ~0.04% |
| % O₂ calculation | (Volume decrease ÷ initial air volume) × 100 = ~21% |
| Mg combustion | 2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s) |
| H₂ combustion | 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l) |
| S combustion | S(s) + O₂(g) → SO₂(g) |
| CuCO₃ decomposition | CuCO₃(s) → CuO(s) + CO₂(g) |
| CO₂ climate link | Increasing CO₂ levels contribute to climate change via the greenhouse effect |

## 下一步

Now that you have mastered the core content on gases in the atmosphere, you can move on to related topics that build on this foundational knowledge. Next, you will learn about tests for common gases including oxygen and carbon dioxide, which are used to identify products of the reactions covered in this guide. You will also study atmospheric pollution from the combustion of hydrocarbon fuels, including the formation of carbon monoxide, sulfur dioxide and oxides of nitrogen, and their impacts on human health and the environment. This topic also forms the basis for understanding the carbon cycle, which you will encounter in later units of the Edexcel IGCSE Chemistry specification. Practice the oxygen percentage practical and past paper questions on this sub-topic to consolidate your learning before moving on.

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