Укрепим пробирку из тугоплавкого стекла на штативе и внесем в нее 5 г порошкообразной селитры (нитрата калия КNО 3 или нитрата натрия NaNO 3). Поставим под пробирку чашку из огнеупорного материала, наполненную песком, так как при этом опыте стекло часто плавится и вытекает горячая масса. Поэтому и горелку при нагревании будем держать сбоку. Когда мы сильно нагреем селитру, она расплавится и из нее выделится кислород (обнаружим это с помощью тлеющей лучины - она воспламенится в пробирке). При этом нитрат калия перейдет в нитрит KNO2. Бросим затем тигельными щипцами или пинцетом кусок черенковой серы в расплав (никогда не держать лицо над пробиркой).
Сера воспламенится и сгорит с выделением большого количества тепла. Опыт следует проводить при открытых окнах (из-за получающихся окислов серы). Полученный нитрит натрия сохраним для последующих опытов.
Процесс протекает следующим образом (через нагревание):
2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2
Можно получить кислород и другими методами.
Перманганат калия КMnO 4 (калийная соль марганцевой кислоты) отдает при нагревании кислород и превращается при этом в оксид марганца (IV):
4KMnO 4 → 4Mn 2 + 2K 2 O + 3O 2
или 4KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 + O 2
Из 10 г перманганата калия можно получить примерно литр кислорода, значит двух граммов достаточно, чтобы наполнить кислородом пять пробирок нормальной величины. Перманганат калия можно приобрести в любой аптеке, если он отсутствует в домашней аптечке.
Некоторое количество перманганата калия нагреем в тугоплавкой пробирке и уловим в пробирки выделяющийся лислород с помощью пневматической ванны. Кристаллы, растрескиваясь, разрушаются, и, зачастую, некоторое количество пылеобразного перманганата увлекается вместе с газом. Вода в пневматической ванне и отводной трубке в этом случае окрасится в красный цвет. После окончания опыта очистим ванну и трубку раствором тиосульфата (гипосульфита) натрия - фотофиксажа, который немного подкислим разбавленной соляной кислотой.
В больших количествах кислород можно также получить из пероксида (перекиси) водорода Н 2 О 2 . Купим в аптеке трехпроцентный раствор - дезинфицирующее средство или препарат для обработки ран. Пероксид водорода мало устойчив. Уже при стоянии на воздухе он разлагается на кислород и воду:
2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2
Разложение можно существенно ускорить, если добавить к пероксиду немного диоксида марганца МnО 2 (пиролюзита), активного угля, металлического порошка, крови (свернувшейся или свежей), слюны. Эти вещества действуют как катализаторы.
Мы можем в этом убедиться, если в маленькую пробирку поместим примерно 1 мл пероксида водорода с одним из названных веществ, а наличие выделяющегося кислорода установим с помощью пробы лучинкой. Если в химическом стакане к 5 мл трехпроцентного раствора пероксида водорода добавить равное количество крови животного, то смесь сильно вспенится, пена застынет и вздуется в результате выделения пузырьков кислорода.
Затем испытаем каталитическое действие 10 %-ного раствора сульфата меди (II) с добавкой гидроксида калия (едкого кали), раствора сульфата железа (П), раствора хлорида железа (III) (с добавкой железного порошка и без него), карбоната натрия, хлорида натрия и органических веществ (молока, сахара, размельченных листьев зеленых растений и т. д.). Теперь мы на опыте убедились, что различные вещества каталитически ускоряют разложение пероксида водорода.
Катализаторы повышают скорость реакции химического процесса и при этом сами не расходуются. В конечном итоге они снижают энергию активации, необходимую для возбуждения реакции. Но существуют и вещества, действующие противоположным образом. Их называют отрицательными катализаторами, антикатализаторами, стабилизаторами или ингибиторами. Например, фосфорная кислота препятствует разложению пероксида водорода. Поэтому продажный раствор пероксида водорода обычно стабилизирован фосфорной или мочевой кислотой.
Катализаторы необходимы для многих химико-технологических процессов. Но и в живой природе во многих процессах участвуют так называемые биокатализаторы (энзимы, ферменты, гормоны). Так как катализаторы не потребляются в реакциях, то они могут действовать уже в малых количествах. Одного грамма сычужного фермента достаточно, чтобы обеспечить свертывание 400-800 кг молочного белка.
Особое значение для работы катализаторов имеет величина их поверхности. Для увеличения поверхности применяют пористые, испещренные трещинами вещества с развитой внутренней поверхностью, напыляют компактные вещества или металлы на так называемые носители. Например, 100 г платинового катализатора на носителе содержит только около 200 мг платины; 1 г компактного никеля имеет поверхность 0,8 см 2 , а 1 г порошка никеля - 10 мг. Это соответствует отношению 1: 100000; 1 г активного глинозема обладает поверхностью от 200 до 300 м 2 , для 1 г активного угля эта величина составляет даже 1000 м2. В некоторых установках катализатора - на несколько миллионов марок. Так, бензиновая контактная печь в Белене высотой 18 м содержит 9-10 тонн катализатора.
Неисчерпаемым источником кислорода являтся воздух. Чтобы получить из него кислород, следует отделить этот газ от азота и других газов. На такой идее основан промышленный метод получения кислорода. Его реализуют, используя специальную, достаточно громоздкую аппаратуру. Сначала воздух сильно охлаждают до превращения его в жидкость. Затем температуру сжиженного воздуха постепенно повышают. Первым из него начинает выделяться газ азот (температура кипения жидкого азота составляет -196 °С), а жидкость обогащается кислородом.
Получение кислорода в лаборатории . Лабораторные методы получения кислорода основаны на химических реакциях.
Дж. Пристли получал этот газ из соединения, название которого - меркурий(II) оксид. Ученый использовал стеклянную линзу, с помощью которой фокусировал на веществе солнечный свет.
В современном исполнении этот опыт изображен на рисунке 54. При нагревании меркурий(||) оксид (порошок желтого цвета) превращается в ртуть и кислород. Ртуть выделяется в газообразном состоянии и конденсируется на стенках пробирки в виде серебристых капель. Кислород собирается над водой во второй пробирке.
Сейчас метод Пристли не используют, поскольку пары ртути токсичны. Кислород получают с помощью других реакций, подобных рассмотренной. Они, как правило, происходят при нагревании.
Реакции, при которых из одного вещества образуются несколько других, называют реакциями разложения.
Для получения кислорода в лаборатории используют такие оксигенсодержащие соединения:
Калий перманганат KMnO4 (бытовое название марганцовка; вещество является распространенным дезинфицирующим средством)
Калий хлорат KClO3 (тривиальное название - бертолетова соль, в честь французского химика конца XVIII - начала XIX в. К.-Л. Бертолле)
Небольшое количество катализатора - манган (IV) оксида MnO2 - добавляют к калий хлорату для того, чтобы разложение соединения происходило с выделением кислорода1.
Строение молекул гидридов халькогенов Н2Э можно проанализировать с помощью метода молекулярных орбиталей (МО). В качестве примера рассмотрим схему молекулярных орбиталей молекулы воды (рис.3)
Для построения (Подробнее см. Г. Грей "Электроны и химическая связь",М., изд-во "Мир", 1967, с.155-62 и G. L.Miessier, D. A.Tarr, "Inorganic Chemistry", Prantice Hall Int. Inc., 1991, p.153-57) схемы МО молекулы Н2О совместим начало координат с атомом кислорода, а атомы водорода расположим в плоскости xz (рис.3). Перекрывание 2s- и 2p-АО кислорода с 1s-АО водорода показано на рис.4. В формировании МО принимают участие АО водорода и кислорода, обладающие одинаковой симметрией и близкими энергиями. Однако вклад АО в образование МО разный, что отражается в разных величинах коэффициентов в соответствующих линейных комбинациях АО. Взаимодействие (перекрывание) 1s-АО водорода, 2s - и 2рz-АО кислорода приводит к образованию 2a1-связывающей и 4a1-разрыхляющей МО.
Для получения кислорода , потребуются вещества, которые им богаты. Это пероксиды, селитры, хлораты. Мы будем использовать те, что можно достать без особого труда.
Для получения кислорода в домашних условиях есть несколько способов, разберём их по-порядку.
Самый простой и доступный способ получения кислорода – использовать марганцовку (или более правильное название – перманганат калия). Всем известно, что марганцовка – прекрасный антисептик, используется в качестве обеззараживающего вещества. Если её нет, то можно приобрести в аптеке.
Поступим так. В пробирку насыпаем немного марганцовки, закроем пробиркой с отверстием, в отверстие установим газоотводную трубку (по ней будет идти кислород). Другой конец трубки поместим в другую пробирку (она должна располагаться вверх дном, так как выделяющийся кислород легче воздуха и будет подниматься вверх. Такой же пробкой закром вторую пробирку.
В итоге у нас должно получиться две пробирки, соединённые между собой газоотводной трубкой через пробки. В одной (неперевёрнутой) пробирке - марганцовка.
Будем нагревать пробирку с марганцовкой. Тёмно-фиолетово-вишнёвый цвет кристалликов марганцовки исчезнет и превратится в тёмно-зелёные кристаллы манганата калия.
Реакция протекает так:
2KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 +O 2
Так из 10 грамм марганцовки можно получить почти 1 литр кислорода. Через пару минут можно извлечь колбу с марганцовкой из пламени. Мы получили кислород в перевёрнутой пробирке. Можем его проверить. Для этого аккуратно отсоединим вторую трубку (с кислородом) от газоотводной трубки, прикрыв отверстие пальцем. Теперь, если внести слабо горящую спичку в колбу с кислородом, то она ярко вспыхнет!
Получение кислорода
возможно также с помощью натриевой или калиевой селитры (соответствующие соли натрия и калия азотной кислоты).
(Нитраты калия и натрия – они же – селитры, продаются на магазинах для удобрений).
Итак, для получения кислорода из селитры возьмём пробирку из тугоплавкого стекла на штативе, поместим туда селитровый порошок (5 грамм будет достаточно).Потребуется под пробирку поставить керамическую чашечку с песком, та как стекло может расплавиться от температуры и потечь. Следовательно, горелку надо будет держать немного сбоку, а пробирку с селитрой – под наклоном.
При сильном нагреве селитры она начинает плавиться, при этом выделяется кислород. Реакция проходит так:
2KNO 3 → 2KNO 2 +O 2
Образующееся вещество – нитрит калия (или натрия, смотря, какая селитра использована) – соль азотистой кислоты.
Ещё один способ получения кислорода – использовать перекись водорода. Пероксид, гидроперит – всё одно и то же вещество. Перекись водорода продаётся в таблетках и в виде растворов (3%, 5%, 10%), которое можно приобрести в аптеке.
В отличии от предыдущих веществ, селитр или марганцовки, перекись водорода – неустойчивое вещество. Уже при наличии света она начинает распадаться на кислород и воду. Поэтому в аптеках перекись продаётся в пузырьках из тёмного стекла.
Кроме того, быстрому разложению перекиси водорода на воду и кислород способствуют катализаторы, например, оксид марганца, активированный уголь, стальной порошок (мелкая стружка) и даже слюна. Поэтому, перекись водорода нагревать не нужно, достаточно катализатора!
В уроке 17 «Получение кислорода » из курса «Химия для чайников » выясним, как получают кислород в лабораторных условиях; узнаем, что такое катализатор, и как растения влияют на производство кислорода на нашей планете.
Наиболее важным для человека и других живых организмов веществом, входящим в состав воздуха, является кислород. Большие количества кислорода используются в промышленности, поэтому важно знать, как можно его получать.
В химической лаборатории кислород можно получать нагреванием некоторых сложных веществ, в состав которых входят атомы кислорода. К числу таких веществ относится вещество KMnO 4 , которое имеется в вашей домашней аптечке под названием «марганцовка».
Вы знакомы с простейшими приборами для получения газов. Если в один из таких приборов поместить немного порошка KMnO 4 и нагреть, то будет выделяться кислород (рис. 76):
Кислород можно также получить разложением пероксида водорода H 2 O 2 . Для этого в пробирку с H 2 O 2 следует добавить очень небольшое количество особого вещества - катализатора - и закрыть пробирку пробкой с газоотводной трубкой (рис. 77).
Для данной реакции катализатором является вещество, формула которого MnO 2 . При этом протекает следующая химическая реакция:
Обратите внимание на то, что ни в левой, ни в правой частях уравнения формулы катализатора нет. Его формулу принято записывать в уравнении реакции над знаком равенства. Для чего же добавляется катализатор? Процесс разложения H 2 O 2 при комнатных условиях протекает очень медленно. Поэтому для получения заметных количеств кислорода необходимо много времени. Однако эту реакцию можно резко ускорить путем прибавления катализатора.
Катализатор - это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ней не расходуется.
Именно потому, что катализатор не расходуется в реакции, мы не записываем его формулу ни в одной из частей уравнения реакции.
Еще один способ получения кислорода - разложение воды под действием постоянного электрического тока. Этот процесс называется электролизом воды. Получить кислород можно в приборе, схематично изображенном на рисунке 78.
При этом протекает следующая химическая реакция:
Кислород в природе
Огромное количество газообразного кислорода содержится в атмосфере, растворено в водах морей и океанов. Кислород необходим всем живым организмам для дыхания. Без кислорода невозможно было бы получать энергию за счет сжигания различных видов топлива. На эти нужды ежегодно расходуется примерно 2% атмосферного кислорода.
Откуда берется кислород на Земле и почему его количество остается примерно постоянным, несмотря на такой расход? Единственным источником кислорода на нашей планете являются зеленые растения, производящие его под действием солнечного света в процессе фотосинтеза. Это очень сложный процесс, включающий много стадий. В результате фотосинтеза в зеленых частях растений углекислый газ и вода превращаются в глюкозу C 6 H 12 O 6 и кислород. Суммарное
уравнение реакций, протекающих в процессе фотосинтеза, можно представить следующим образом:
Установлено, что примерно одну десятую часть (11%) производимого зелеными растениями кислорода дают наземные растения, а остальные девять десятых (89%) - водные растения.
Получение кислорода и азота из воздуха
Огромные запасы кислорода в атмосфере позволяют получать и использовать его в различных производствах. В промышленных условиях кислород, азот и некоторые другие газы (аргон, неон) получают из воздуха.
Для этого воздух сначала превращают в жидкость (рис. 79) путем охлаждения до такой низкой температуры, при которой все его компоненты переходят в жидкое агрегатное состояние.
Затем эту жидкость медленно нагревают, в результате чего при разных температурах происходит последовательное выкипание (т. е. переход в газообразное состояние) веществ, которые содержатся в воздухе. Собирая выкипающие при разных температурах газы, по отдельности получают азот, кислород и другие вещества.
Краткие выводы урока:
- В лабораторных условиях кислород получают разложением некоторых сложных веществ, в состав которых входят атомы кислорода.
- Катализатор - вещество, которое ускоряет протекание химической реакции, но само при этом не расходуется.
- Источником кислорода на нашей планете являются зеленые растения, в которых протекает процесс фотосинтеза.
- В промышленности кислород получают из воздуха.
Надеюсь урок 17 «Получение кислорода » был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
Данный урок посвящен изучению современных способов получения кислорода. Вы узнаете, с помощью каких методов и из каких веществ получают кислород в лаборатории и промышленности.
Тема: Вещества и их превращения
Урок: Получение кислорода
В промышленных целях кислород необходимо получать в больших объёмах и максимально дешёвым способом. Такой способ получения кислорода был предложен лауреатом Нобелевской премии Петром Леонидовичем Капицей. Он изобрёл установку для сжижения воздуха. Как известно, в воздухе находится около 21% по объему кислорода. Кислород можно выделить из жидкого воздуха методом перегонки, т.к. все вещества, входящие в состав воздуха имеют разные температуры кипения. Температура кипения кислорода - -183°С, а азота - -196°С. Значит, при перегонке сжиженного воздуха первым закипит и испарится азот, а затем – кислород.
В лаборатории кислород требуется не в таких больших количествах, как в промышленности. Обычно его привозят в голубых стальных баллонах, в которых он находится под давлением. В некоторых случаях всё же требуется получить кислород химическим путём. Для этого используют реакции разложения.
ОПЫТ 1. Нальем в чашку Петри раствор пероксида водорода. При комнатной температуре пероксид водорода разлагается медленно (признаков протекания реакции мы не видим), но этот процесс можно ускорить, если добавить в раствор несколько крупинок оксида марганца(IV). Вокруг крупинок черного оксида сразу начинают выделяться пузырьки газа. Это кислород. Как бы долго ни протекала реакция, крупинки оксида марганца(IV) в растворе не растворяются. То есть, оксид марганца(IV) участвует в реакции, ее ускоряет, но сам в ней не расходуется.
Вещества, которые ускоряют реакцию, но не расходуются в реакции, называют катализаторами .
Реакции, ускоряемые катализаторами, называют каталитическими .
Ускорение реакции катализатором называют катализом .
Таким образом, оксид марганца (IV) в реакции разложения пероксида водорода служит катализатором. В уравнении реакции формула катализатора записывается сверху над знаком равенства. Запишем уравнение проведенной реакции. При разложении пероксида водорода выделяется кислород и образуется вода. Выделение кислорода из раствора показывают стрелкой, направленной вверх:
2. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
3. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().
Домашнее задание
с. 66-67 №№ 2 – 5 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.
