Хімія. 7 клас. Лашевська

§ 20. Добування кисню у промисловості та лабораторії. Реакція розкладу. Поняття про каталізатор

Подібно до того як з води і повітря можна добути кисень, так само з багатьох сполук, які містять Оксиген, досить просто отримати чистий кисень.

За Д.І. Менделєєвим. «Основи хімії»

Опрацювавши матеріал параграфа, ви зможете:

• наводити приклади реакцій розкладу і пояснювати їхню суть;
• складати рівняння реакції добування кисню з гідроген пероксиду;
• визначати кисень дослідним шляхом;
• оцінювати значення каталізаторів.

Добування кисню у промисловості. Сировиною для промислового добування кисню є повітря - невичерпний природний ресурс. Спосіб добування ґрунтується на розділенні за низької температури однорідної суміші газів з різними температурами кипіння. За допомогою спеціальної апаратури повітря зріджують, а потім переганяють (дистилюють). Температура кипіння кисню вища за температуру кипіння азоту. Тому з рідини першим випаровується азот, а в залишку накопичується кисень. Зріджений кисень зберігають у термоізольованих металевих посудинах (пригадайте, ім’ям якого науковця їх названо) - кисневих танках.

Також кисень можна виокремити з повітря в інший спосіб. Потік стисненого повітря спрямовують на шар мікропористого матеріалу. Розмір пор у ньому порівняний з розміром молекул газів повітря. Матеріал поглинає азот та інші гази й не вбирає кисень. Його потік виходить з установки для розділення повітря і використовується для виробничих потреб.

У лабораторних умовах кисень добувають розкладанням деяких оксигеновмісних речовин, наприклад, гідроген пероксиду. Ця речовина добре відома вам з повсякденного життя: її 3 %-й водний розчин має бути в кожній аптечці першої допомоги.

Гідроген пероксид малостійкий, під час зберігання повільно розкладається на воду і кисень:

Н₂О₂ → Н₂О + O₂↑

Перетворіть схему реакції розкладання гідроген пероксиду на хімічне рівняння.

Нагрівання (рис. 20.1) й освітлення пришвидшують цей процес.

Реакцією розкладу називають хімічну реакцію за участю одного реагенту з утворенням кількох продуктів реакції.

Рис. 20.1. Добування кисню термічним розкладанням гідроген пероксиду (1) і схема збирання газу витісненням повітря (2)

Пригадайте фізичні властивості кисню (див. § 17) і порівняйте його густину з густиною повітря. Поясніть, чому кисень збирають до посудини, розташованої отвором догори. Для чого її частково накрили скельцем? Чому газовідвідну трубку потрібно занурити в посудину до дна?

Кисень можна зібрати не лише витісненням повітря, а й витісненням води (рис. 20.2). Для збирання газу потрібен кристалізатор, на третину заповнений водою. Посудину-приймач наповнюють доверху водою, закривають отвір і опускають у кристалізатор. Коли отвір посудини опиниться під водою, його відкривають і вводять у посудину газовідвідну трубку. Після того як усю воду буде витіснено з посудини газом, отвір закривають під водою і виймають посудину з кристалізатора.

Рис. 20.2. Збирання кисню витісненням води (схематичне зображення)

Яка фізична властивість кисню робить можливим його збирання витісненням води?

Як виявити кисень? Тліюча скіпка яскраво спалахує біля отвору газовідвідної трубки приладу або внаслідок унесення в посудину з киснем (рис. 20.3).

Вам доводилося спостерігати, що, потрапивши на подряпину або ранку, гідроген пероксид розкладається набагато інтенсивніше (сильно пузириться, «сичить»). Це відбувається тому, що кров містить речовини, які пришвидшують розкладання гідроген пероксиду, - ферменти, або біологічні каталізатори.

Рис. 20.3. Про що свідчить спалахування тліючої скіпки в посудині з нагрітим гідроген пероксидом?

Каталізатори — речовини, які пришвидшують хімічні реакції, але не входять до складу їхніх продуктів.

Ферменти — біологічні каталізатори — пришвидшують хімічні реакції в живих організмах.

Розкладання гідроген пероксиду може пришвидшувати чимало речовин. Поміж них - манган(ІV) оксид, хімічна формула якого MnO₂. Щіпка цієї сполуки пришвидшує розкладання все нових і нових порцій гідроген пероксиду (рис. 20.4). Сам манган(ІV) оксид бере участь у реакції, однак унаслідок її перебігу не витрачається і не входить до складу її продуктів.

Рис. 20.4. Манган(IV) оксид - каталізатор розкладання гідроген пероксиду

Каталізатори відіграють важливу роль у житті людини. Ферменти беруть участь у регуляції біохімічних процесів. З давніх-давен і дотепер ферментативні процеси застосовують у хлібопеченні, сироварінні (рис. 20.5), виноробстві, пивоварінні, чинбарстві тощо.

І нині ферменти застосовують у промисловості для переробки цукру, одержання синтетичних антибіотиків і білків. У мийні засоби добавляють ферменти, які пришвидшують розщеплення забруднень білкової природи.

Рис. 20.5. Виробництво кисломолочних продуктів неможливе без застосування ферментів

Істотна риса сучасної практичної хімії - здійснення процесів з використанням каталізаторів, наприклад перетворення олії на маргарин.

Каталітичні методи очищення газуватих відходів промислових підприємств застосовують для видалення різноманітних токсичних сполук. Також каталізатори потрібні для очищення автомобільних вихлопних газів (рис. 20.6).

Рис. 20.6. Принцип дії автомобільної каталізаторної коробки

На які речовини перетворюються складники автомобільних вихлопних газів після каталітичного очищення?

Про хімічні реакції, на яких ґрунтуються ці перетворення, ви дізнаєтеся з наступного параграфа.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Сировиною для промислового добування кисню є повітря.
• У лабораторних умовах кисень добувають розкладанням деяких оксигеновмісних речовин, наприклад гідроген пероксиду:

2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂↑

• Реакцією розкладу називають хімічну реакцію за участю одного реагенту з утворенням кількох продуктів реакції.
• Кисень можна зібрати витісненням повітря в посудину, розташовану отвором догори, тому що його густина більша за густину повітря, і витісненням води, тому що він - малорозчинний у воді газ.
• Кисень виявляють за допомогою тліючої скіпки, що яскраво спалахує в ньому.
• Каталізатори - речовини, які пришвидшують хімічні реакції, але не входять до складу їхніх продуктів. Ферменти - біологічні каталізатори.
• Каталізатори відіграють важливу роль у житті людини.

Перевірте себе

• 1. Із чого добувають кисень у промисловості?
• 2. Як добувають кисень у лабораторних умовах?
• 3. Що таке реакція розкладу?
• 4. Якими способами можна зібрати кисень у посудину?
• 5. Як виявляють кисень?
• 6. Що таке каталізатор?

Застосуйте свої знання й уміння

• 7. Чому як сировину для промислового добування кисню використовують повітря?
• 8. Чому зріджений кисень зберігають у термоізольованих посудинах?
• 9. Чому розчин гідроген пероксиду потрібно зберігати у нещільно закоркованих флаконах з темного скла, у прохолодному місці?
• 10. Голландський природодослідник Ян Баптист ван Гельмонт (1579-1644) вивчав «летючі речовини» й увів у науку термін «гази». Він зауважував, що їх «не можна зібрати ні в яку посудину й зробити видимим тілом». Чи правильні його твердження?
• 11. Раніше на підводних човнах для добування кисню застосовували натрій пероксид: Na₂O₂ + CO₂ → Na₂CO₃ + O₂↑. Нині використовують реакцію розкладання води електричним струмом:

Перетворіть схеми цих реакцій на хімічні рівняння.

Яку істотну перевагу має спосіб очищення повітря з використанням натрій пероксиду?

• 12. Найвизначніша наукова праця Карла Вільгельма Шеєле - «Хімічний трактат про повітря й вогонь» (1777). У ній описано результати численних експериментів ученого з дослідження газів і процесів горіння (1768-1773). К. Шеєле незалежно від Дж. Прістлі й А. Лавуазьє за два роки до них добув кисень багатьма способами й докладно описав його властивості. Перетворіть схеми пророблених ним реакцій на хімічні рівняння. Визначте, чи всі ці реакції є реакціями розкладу. Класифікуйте реагенти та продукти за складом.

MnО₂ + H₂SO₄ → MnSO₄ + O₂↑ + Н₂О

• 13. Проаналізуйте відомості про способи добування кисню в промисловості й лабораторії, складіть узагальнювальну схему.
• 14. Датчанин Корнеліус ван Дреббель (1572-1633) у 1620 р. сконструював підводний човен. За свідченнями сучасників, винахідник використав для «відновлення» повітря в підводному човні газ, який одержував нагріванням селітри. Відтворіть хімічне рівняння розкладання селітри за наведеним фрагментом: 2KNO₃ = 2KNO₂ + ...
• 15. Англійський священик Джозеф Прістлі (1733-1804) не мав спеціальної хімічної освіти. Проте саме він удосконалив пневматичну ванну (рис. 20.2), використавши замість води ртуть. Це дозволило ефективно збирати й аналізувати речовини, які досі вважали невловимими - гази. 1 серпня 1774 р., нагріваючи за допомогою лінзи червоний меркурій(ІІ) оксид, він добув і зібрав газ. У ньому добре горіла свічка, а тліюча скіпка яскраво спалахувала. Відтворіть хімічне рівняння розкладання меркурій(ІІ) оксиду за наведеним фрагментом:

2HgO = ...Hg + ...

• 16. Оцініть значення каталізаторів у житті людини.

Домашній експеримент

Дія гідроген пероксиду на сирі та відварені овочі, м’ясо

Мета: порівняти дію гідроген пероксиду на сирі та відварені овочі, м’ясо.

Помістіть у прозорі пластикові стаканчики невеликі шматочки сирих і відварених м’яса та овочів (картоплі, капусти, моркви тощо). Прилийте до них по столовій ложці 3 %-го розчину гідроген пероксиду (він має бути в кожній домашній аптечці).

Опишіть спостереження, ілюструйте їх фото- або відеоматеріалами. У висновку поясніть свої спостереження.

Дізнайтеся більше про добування кисню (с. 180).