Підручник з Хімії. 7 клас. Григорович - Нова програма

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 17. Добування і зберігання кисню

Розкладання оксидів

Методи добування кисню можна поділити на промислові та лабораторні. У лабораторії кисень зручніше добувати з тих його сполук, які при нагріванні легко розкладаються з виділенням кисню. Найчастіше для цього використовують калій перманганат КМnO4, калій хлорат КСlO3 (бертолетову сіль), калій нітрат KNO3 (індійську селітру), гідроген пероксид Н2O2.

Уперше кисень був добутий нагріванням меркурій(ІІ) оксиду HgO сфокусованими сонячними променями. При цьому утворюється рідка ртуть і газуватий кисень (мал. 90):

2HgO = 2Hg + O2

Мал. 90. При прожарюванні червоного меркурій(ІІ) оксиду утворюється рідка сріблиста ртуть і газуватий кисень

У такий спосіб можуть розкладатися сполуки й інших неактивних металічних елементів з Оксигеном.

Але зазвичай такі реакції відбуваються при дуже високих температурах, тому їх використовувати для добування кисню в лабораторії не дуже зручно.

Розкладання бертолетової солі. Каталізатори

Покладемо в чисту суху пробірку декілька кристалів бертолетової солі та нагріватимемо її в полум’ї спиртівки. Спочатку сіль починає плавитися (357 °С), а потім розплав закипає (400 °С) — починається розкладання з виділенням безбарвного газу за рівнянням:

2КСlO3 = 2КСl + 3O2

Щоб довести, що газ, який виділяється, є киснем, у пробірку вносимо тліючу скіпку (мал. 91). Скіпка яскраво спалахує. Це означає, що добутий газ — кисень, оскільки він підтримує горіння.

Мал. 91. Підтвердження наявності кисню в пробірці: тліюча скіпка, внесена в пробірку з киснем, спалахує

Щоб прискорити реакцію, до бертолетової солі можна додати невелику кількість порошку манган(ІV) оксиду МnO2. За його наявності кисень починає виділятися при значно нижчій температурі (200 °С), навіть нижчій за температуру плавлення. Манган(ІV) оксид у цій реакції не витрачається, він тільки прискорює її. Такі речовини називають каталізаторами, а пришвидшення реакції під дією каталізатора — каталізом.

Каталізатори — це речовини, які змінюють швидкість хімічної реакції, проте самі в ній не витрачаються.

Здатність певних речовин прискорювати хімічні реакції відома вже понад 200 років, але перші класичні пояснення цього явища, а також наведене визначення каталізаторів було введено видатним хіміком В. Оствальдом.

Вільгельм-Фрідріх Оствальд (1853-1932)

Видатний німецький фізико-хімік, лауреат Нобелівської премії 1909 року. Народився в Ризі, де навчався та в 28 років почав працювати професором. У віці 35 років переїхав до Лейпцига, де очолив Фізико-хімічний інститут. Вільгельм Оствальд вивчав закони хімічної рівноваги, електричні властивості розчинів, відкрив закон розбавлення, що був названий його ім'ям, розробив основи теорії кислотно-основного каталізу, багато займався історією хімії.

Заснував першу в світі кафедру фізичної хімії і перший фізико-хімічний журнал. Свого часу активно підтримав теорію Арреніуса, чим сприяв її визнанню іншими хіміками.

Розкладання калій перманганату

Кисень у лабораторії зручно добувати з калій перманганату КМnO4. Калій перманганат являє собою чорно-фіолетові кристали зі специфічним блиском (мал. 92). Невелику кількість порошку калій перманганату помістимо в пробірку. Щоб уникнути розкидання порошку, в пробірку слід помістити ватний тампон (мал. 93).

Мал. 92. Калій перманганат використовують для добування кисню в лабораторії

Мал. 93. Пристрій для добування кисню розкладанням калій перманганату

Для того щоб почалася реакція, пробірку необхідно нагріти приблизно до 230 °С. Порошок поступово нагрівається і починає розтріскуватися — відбувається реакція:

2КМnO4 = К2МnO4 + МnO2 + O2

Якщо до пробірки приєднати газовідвідну трубку, то кисень, що виділяється, можна зібрати в яку-небудь посудину.

Як можна зібрати добутий кисень?

Кисень важчий за повітря і малорозчинний у воді, тому його можна збирати двома способами: витісненням повітря і витісненням води. У першому випадку (мал. 94а) кисень, який надходить у посудину скляною трубкою, поступово витісняє повітря. Щоб уникнути перемішування кисню з атмосферним повітрям, отвір посудини нещільно закривають шматком вати або аркушем фільтрувального паперу. Щоб переконатися, що посудина заповнилася киснем, до її отвору підносять тліючу скіпку. Якщо посудина заповнена, то скіпка спалахує біля отвору.

У разі збирання кисню над водою (мал. 94б) газ, що виділяється, поступово витісняє воду із циліндра, заздалегідь заповненого водою. Коли газ повністю витіснить воду із циліндра, його отвір закривають склом і тільки потім виймають із води та перевертають.

Мал. 94. Пристрій для збирання кисню: а — методом витіснення повітря; б — методом витіснення води

Добування кисню з гідроген пероксиду

Часто для добування кисню в лабораторії використовують гідроген пероксид Н2О2. Гідроген пероксид за звичайних умов розкладається, але дуже повільно, навіть якщо його підігріти на пальнику. Але якщо в розчин гідроген пероксиду внести дрібку манган(ІV) оксиду, то рідина дуже спінюється, майже «закипає» — це виділяється кисень:

Після закінчення реакції в пробірці залишається суміш води та манган(ІV) оксиду. Цю суміш легко розділити фільтруванням. У цій реакції манган(ІV) оксид бере участь як каталізатор, але не реагує з гідроген пероксидом. У цьому легко впевнитися, якщо відфільтрований манган(ІV) оксид знову додати до гідроген пероксиду для розкладу його нової порції.

Оскільки каталізатори в процесі хімічної реакції не витрачаються, то їх додають до реагентів у дуже малій кількості. Існує навіть вираз «додати реагент у каталітичній кількості», що означає «дуже мало».

Реакції розкладу

Якщо уважно проаналізувати наведені рівняння реакцій добування кисню, то можна помітити спільну ознаку: у лівій частині цих рівнянь написана формула однієї речовини, а в правій — декількох. Такі реакції називаються реакціями розкладу.

Реакції, у яких з однієї складної речовини утворюється декілька інших речовин, називаються реакціями розкладу.

У загальному вигляді рівняння реакції розкладу можна записати в такий спосіб:

А = В + С

Добування кисню в промисловості. Зберігання кисню

Наведені вище методи добування кисню можуть бути застосовані тільки в лабораторних умовах. Для промислового добування великих обсягів кисню вони не використовуються через високу вартість початкових речовин. Великі кількості кисню добувають із рідкого повітря розділенням (ректифікацією). Спочатку повітря охолоджують до -200 °С, а потім поступово нагрівають. При -196 °С азот випаровується, а рідкий кисень залишається. Цей метод не можна назвати хімічним, оскільки кисень просто відокремлюється із суміші газів — повітря.

Добутий рідкий кисень зберігають у спеціальних балонах — посудинах Дьюара (мал. 95), які за будовою нагадують звичайний термос. Посудина Дьюара має дві стінки, з простору між якими відкачане повітря. Завдяки цьому посудина майже не пропускає теплоту, і в ній тривалий час при низькій температурі може зберігатися зріджений газ.

Мал. 95. Посудина Дьюара для зберігання зріджених газів (а) та її будова (б)

Часто в промисловості кисень добувають із води. Під дією електричного струму вода розкладається на дві прості речовини — кисень і водень. Цей процес називають електролізом (мал. 96).

Мал. 96. Прилад для добування кисню електролізом води

Електроліз води відбувається досить повільно і потребує значних витрат електрики, але добутий кисень є досить чистим, тому в деяких випадках цей метод є доцільним.

Добутий газуватий кисень зберігають у спеціальних сталевих балонах під високим тиском, щоб він займав менше місця. Балони з киснем фарбують у синій колір, щоб не сплутати їх з балонами, наповненими іншими газами (мал. 97). Вентилі таких балонів у жодному разі не можна змащувати машинними мастилами, оскільки навіть залишки мастила в потоці чистого кисню спричинять сильний вибух.

Мал. 97. Балони для зберігання чистого кисню під високим тиском

Для зберігання кисню і зручного користування ним у лабораторії використовують інший пристрій — газометр (мал. 98). Це великий скляний балон із великою лійкою, заповненою водою. Спочатку газометр заповнюють киснем методом витіснення води (мал. 98а). Коли газометр заповнений, відкривають кран 2 і вода з лійки витісняє зібраний газ через кран 1 (мал. 98б).

Мал. 98. Газометр для зберігання і використання газів у лабораторії: а — наповнення газометру киснем методом витіснення води (крани 1 і 2 закриті, кран 3 відкритий); б — використання зібраного кисню (крани 1 і 2 відкриті, кран 3 закритий)

Висновки:

1. У лабораторії кисень добувають розкладанням складних речовин: бертолетової солі, калій перманганату або гідроген пероксиду. Добутий кисень можна виявити, використовуючи тліючу скіпку, а збирають його методом витіснення води або повітря.

2. Реакції добування кисню є реакціями розкладу, у яких з однієї речовини утворюється декілька. Часто вони відбуваються за участю каталізаторів — речовин, що прискорюють хімічні реакції, але самі при цьому не витрачаються.

3. У промисловості кисень добувають або розділенням (ректифікацією) повітря, або реакцією розкладу води електролізом.

Контрольні запитання

1. Які умови перебігу реакцій є загальними для описаних лабораторних методів добування кисню?

2. Виберіть речовини, розкладанням яких можна добути кисень: а) калій перманганат КМnO4; б) вуглекислий газ СO2; в) вода Н2O; г) манган(ІV) оксид МnO2.

3. Які реакції називають реакціями розкладу?

4. Як кисень добувають у промисловості?

5. Які речовини називаються каталізаторами? Чому каталізатори додають у невеликих кількостях?

6. Чим принципово відрізняються лабораторні та промислові способи добування кисню?

7. У який спосіб можна довести наявність чистого кисню в посудині? На якій властивості кисню він ґрунтується?

8. Наведіть способи збирання кисню. На яких властивостях кисню вони ґрунтуються?

9. У яких посудинах зберігають газуватий і рідкий кисень?

10. Як відрізнити балон, у якому зберігається кисень? Чому не можна змащувати вентилі кисневих балонів мастилом?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Назвіть лабораторні методи добування кисню. Напишіть відповідні рівняння реакцій.

2. Складіть формули сполук Оксигену з Гідрогеном, Калієм, Магнієм, Алюмінієм, Карбоном(ІV), Фосфором(V) і Сульфуром(VІ).

3. У якій сполуці вміст Оксигену більший (за масовою часткою) — у калій перманганаті чи бертолетовій солі?

4. Як зміниться стан терезів, якщо в порожню склянку, яка врівноважена на терезах, через трубочку додати кисень?

5. У хімічну склянку налили розчин гідроген пероксиду масою 400 г і додали дрібку манган(ІV) оксиду. Після завершення виділення бульбашок газу в склянці залишилася вода масою 375 г. Обчисліть масу виділеного кисню.

6. Для добування кисню у пробірку помістили калій перманганат масою 20 г. Після прожарювання у пробірці залишився твердий залишок масою 18 г. Обчисліть масу добутого кисню. Який об'єм займає цей кисень? (Для обчислення використовуйте дані з попереднього параграфа).

7*. Як ви вважаєте, на чому ґрунтується дія каталізаторів? Чому каталізатори не витрачаються в реакціях?

8. Поясніть, чому посудину Дьюара, заповнену зрідженим газом, не можна щільно закривати накривкою.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.


Підтримати сайт і наші Збройні Сили можна за посиланням на Buy Me a Coffee.