大气中的气体
化学· 2.9–2.14（2017 4CH1考纲）· 12 分钟阅读
1. 干燥空气的组成★☆☆☆☆⏱ 2 min
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）
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。
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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
2. 测定空气中氧气的体积分数★★★☆☆⏱ 3 min
✓ 计算器
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。
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。
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计算体积减少量 = 初始体积 - 最终体积 = 120 cm³ - 95 cm³ = 25 cm³
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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
3. 单质在氧气中的燃烧★★☆☆☆⏱ 3 min
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。
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。
4. 通过热分解反应生成二氧化碳★★☆☆☆⏱ 2 min
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。
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)
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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）。
5. 作为温室气体的二氧化碳★☆☆☆☆⏱ 2 min
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。
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。
6. 常见陷阱
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)
7. 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 |
8. 常见问题
考试时我需要牢记干燥空气中各气体的精确占比吗？
是的，你必须熟记：约78%氮气，约21%氧气，约1%氩气，约0.04%二氧化碳。这些数值不会在试卷中给出。
在测定氧气体积分数的实验中，空气的体积为什么会减小？
氧气是燃烧/氧化反应的反应物，会被完全消耗，生成不产生气体体积的固体或液体产物。因此气体总体积的减少量等于原本参与反应的氧气体积。
本主题的燃烧反应方程式中我需要标注状态符号吗？
是的，根据4CH1考纲要求，Edexcel考试要求你写出镁、氢气、硫燃烧的完整配平方程式并标注状态符号。
深入阅读
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.