Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович (2025)

§ 9. Кисень: фізичні властивості та одержання

Фізичні властивості кисню

Формула й модель молекули кисню

Кисень:

• за кімнатної температури газ без кольору, смаку, запаху;

рідкий кисень — рухома блідо-блакитна рідина, твердий кисень — сині кристали;

• розчинність у воді: за 0 °С в 1 л води розчиняється 10,2 мл кисню, за 20 °С — 6,7 мл;

• густина за 0 °С та нормального атмосферного тиску — 1,43 г/л (густина повітря за цих умов — 1,29 г/л);

• t_кип. = -183 °С, t_пл. = -219 °С;

• парамагнітний (рідкий і твердий кисень притягується магнітом).

Рідкий кисень має блакитне забарвлення

Перше знайомство з киснем

Кисень був відкритий 1774 року Джозефом Прістлі. Науковець досліджував гази, що утворюються внаслідок розжарювання різних речовин сонячними променями, сфокусованими за допомогою лінзи.

Джозеф Прістлі

(1733-1804)

Англійський хімік, першим відкрив кисень, амоніак тощо

Карл Вільгельм Шеєле

(1742-1786)

Шведський хімік-самоук, відкрив кисень незалежно від Джозефа Прістлі

Для одержання кисню Прістлі прожарював меркурій(2+) оксид HgO в пробірці, наповненій ртуттю, унаслідок чого виділявся кисень:

2HgO =^t 2Hg + О₂↑

Розкладання бертолетової солі

Зручним способом одержання кисню для дослідження його в лабораторії наприкінці XVIII століття став процес розкладання бертолетової солі (калій хлорату) КСlО₃, відкритої Клодом Луї Бертолле.

За нагрівання бертолетова сіль спочатку плавиться (357 °С), а за температури близько 400 °С починає виділятися безбарвний газ (мал. 9.1):

2КСlО₃ =^t 2КСl + 3О₂↑

Для прискорення цього процесу до бертолетової солі можна додати невелику кількість порошку манган(ІV) оксиду МnО₂: кисень починає виділятися за значно нижчої температури (≈ 200 °С). Манган(ІV) оксид у цій реакції не витрачається, він лише прискорює її.

Мал. 9.1. Одержання кисню розкладанням бертолетової солі

Такі речовини називають каталізаторами, а явище пришвидшення реакції — каталізом.

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

Аби підкреслити, що каталізатор потрібний лише для пришвидшення реакції, у хімічних рівняннях формули каталізаторів записують як умову здійснення над знаком «дорівнює»:

2КСlО₃ =^t^{, М}^nО2 2КСl + 3О₂↑

Розкладання калій перманганату

Кисень у лабораторії також зручно одержувати з калій перманганату КМnО₄ (мал. 9.2).

За нагрівання до 230 °С фіолетово-чорні блискучі кристали калій перманганату розкладаються:

2КМnО₄ =^t К₂МnО₄ + МnО₂ + О₂↑

Під час розкладання калій перманганат дуже розтріскується, тому в пробірку слід помістити ватяний тампон для запобігання потраплянню часточок твердих речовин у газовідвідну трубку.

Мал. 9.2. Калій перманганат використовують для одержання кисню в лабораторії

Розкладання гідроген пероксиду

У шкільних лабораторіях кисень одержують переважно розкладанням гідроген пероксиду Н₂О₂, який у побуті відомий як перекис водню.

Гідроген пероксид — нестійка речовина, він розкладається навіть за кімнатної температури (але дуже повільно). За нагрівання розкладання дещо пришвидшується. Але якщо до розчину гідроген пероксиду додати дрібку манган(ІV) оксиду, то реакція відбувається так швидко, що рідина ніби «закипає» — це виділяється кисень:

2Н₂О₂ =^М^nО2 2Н₂О + О₂↑

Після реакції в пробірці залишається суміш води та манган(ІV) оксиду. Цю суміш легко розділити фільтруванням. У цій реакції манган(ІV) оксид є каталізатором, тож не витрачається під час її перебігу. У цьому легко впевнитися, якщо відфільтрований манган(ІV) оксид знову додати до гідроген пероксиду для розкладання його нової порції.

Дізнайтеся більше

• Оскільки каталізатори в хімічних реакціях не витрачаються, то їх зазвичай додають до реактантів у дуже малій кількості. Існує навіть вираз «додати в каталітичній кількості», що означає «дуже мало».

• Калій перманганат КМnО₄ поширений у медицині під назвою «марганцівка». Його використовують у вигляді дуже розбавленого розчину для промивання шлунка в разі отруєння.

• Гідроген пероксид у побуті називають перекисом водню. Зазвичай використовують його 3-6 %-й водний розчин для дезінфекції або гігієни. Потрапивши на рану, гідроген пероксид під дією наявних у крові каталізаторів (ферментів, або ензимів), починає виділяти кисень, який знищує бактерії й зупиняє кровотечу.

Концентровані розчини гідроген пероксиду (30-98 %) називають «пергідроль», їх зазвичай використовують у техніці та промисловості.

Розкладання води

Під дією постійного електричного струму вода розкладається на дві прості речовини — кисень і водень. Цей процес називають електролізом (мал. 9.3). У хімічних рівняннях дію електрики позначають символом «висока напруга» (блискавка):

Електроліз води відбувається повільно й потребує значних витрат електрики, але одержаний кисень є досить чистим, тому подеколи цей метод є доцільним.

Мал. 9.3. Одержання кисню електролізом води

Розглянуті способи одержання кисню називають лабораторними, оскільки їх використовують лише в лабораторіях. А от електролізом води можна одержувати кисень у промислових масштабах, що було реалізовано наприкінці XIX століття.

Робота з інформацією

73. Знайдіть і презентуйте в класі інформацію про дослідження, які дали змогу відкрити кисень.

74. Підготуйте доповідь про відкриття й дослідження бертолетової солі, зокрема про внесок Клода Луї Бертолле.

75. У додаткових джерелах дізнайтеся більше про каталізатори: чому вони впливають на перебіг реакції, але не витрачаються.

76. Обчисліть, у скільки разів густина кисню більша за густину повітря. (Для обчислень використайте дані з параграфа).

77. 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: а) масу утвореного кисню; б) масову частку гідроген пероксиду в початковому розчині.

78. Порівняйте масові частки Оксигену в калій перманганаті та бертолетовій солі.

79. Обчисліть масу кисню, який можна одержати з: а) бертолетової солі масою 1 кг; б) калій перманганату масою 1 кг. Яку із цих двох речовин вигідніше використовувати для одержання кисню (якщо припустити, що в них однакова вартість)? Обчисліть об’єми одержаного кисню в кожному разі (за температури 0 °С й нормального атмосферного тиску). Для обчислень використайте дані з параграфа.

80. Як ви вважаєте, що означають терміни «лабораторний спосіб одержання» та «промисловий спосіб одержання»? Яким критеріям мають відповідати лабораторні способи одержання речовин, а яким — промислові? Порівняйте їх, склавши діаграму Венна.

Розуміння явищ природи (робота в групах)

81. З якою метою працівники рибних господарств роблять узимку ополонки на річках і озерах?

82. Як ви вважаєте, чи можна виділити чистий кисень із повітря дією магніту, якщо інші складники повітря магнітом не притягуються?

83. Уявіть, що перед вами дві однакові закриті колби, наповнені за однакових умов повітрям і киснем. Як можна визначити, у якій колбі міститься кисень, не відкриваючи колби?

84. Із підвищенням температури розчинність газів у воді зменшується. Чи можна наповнювати акваріум із рибами кип’яченою охолодженою водою? Поясніть свою думку.

85. Як ви вважаєте, чи впливає кількість доданого каталізатора на швидкість реакції? Чому каталізатори можна додавати в невеликих кількостях?

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

87. Карл Шеєле відкрив кисень раніше, ніж Джозеф Прістлі, але опублікував результати своїх досліджень пізніше. Тому першовідкривачем кисню вважають Прістлі. Чи згодні ви з таким принципом визначення першості? Наведіть свої аргументи (за або проти).

88. Назву кисню (oxygen) дав Антуан Лавуазьє після дослідження його властивостей. Першовідкривачі називали кисень інакше: Джозеф Прістлі — «поліпшеним повітрям», а Карл Шеєле — «вогненним повітрям». Як ви вважаєте, чим керувалися науковці, даючи такі назви відкритому газу?

89. За матеріалом параграфа висловіть припущення, що економічно вигідніше: одержувати кисень нагріванням бертолетової солі без каталізатора чи із витратами на каталізатор.

90. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про значення каталізаторів у промисловості, техніці та в живих організмах. Презентуйте результати свого дослідження в класі.

91. Одержання кисню електролізом потребує великих витрат на електрику. Кисень у промисловості одержують переважно ректифікацією¹. Проаналізуйте схему цього процесу.

¹ Про ректифікацію можете повторити за підручником хімії 7-го класу на с. 163

• За схемою схарактеризуйте цей спосіб розділення газів повітря.

• Одержання кисню ректифікацією скрапленого повітря ґрунтується на фізичних чи хімічних явищах?

• Назвіть два способи розділення сумішей, які використовують у цьому процесі

• Оцініть (приблизно) температуру скрапленого повітря.

• Температура кипіння якої речовини вища: азоту чи аргону? аргону чи кисню?

• Поясніть різницю прибутковості двох промислових способів одержання кисню: електролізом води та ректифікацією повітря.

92. За кількістю реактантів і продуктів реакції з-поміж відомих реакцій можна виділити, зокрема, такі:

реакції сполучення, які можна описати схемою А + В = С;
реакції розкладу за схемою А = В + С.

Проаналізуйте методи одержання кисню, описані в параграфі. До якого типу реакцій — сполучення чи розкладу — вони належать? Відповідь поясніть. Сформулюйте визначення для цього типу реакцій.

93. Поліна та Сергій досліджували залежність розчинності кисню у воді від температури. За результатами роботи створили графік. Проаналізуйте графік і дайте відповіді на запитання.

• Схарактеризуйте залежність розчинності кисню у воді від температури.

• У водах якого океану — Північного Льодовитого чи Індійського — уміст кисню більший? Аргументуйте свою думку.

• Визначте оптимальну температуру в акваріумі, якщо для життєдіяльності риб мінімальний уміст кисню — 8 мг на 1 л води.

• Як підвищення температури води в озері внаслідок глобального потепління клімату може вплинути на популяцію риб? Які наслідки глобального потепління на екологічний баланс у водоймах?

• Як температура може впливати на якість питної води, зокрема на наявність патогенних анаеробних мікроорганізмів?

• За результатами дослідження Сергій зробив висновок, що в Північному Льодовитому океані найбільше біорізноманіття з-поміж усіх океанів. Оцініть правильність цього твердження, наведіть аргументи для його підтвердження або спростування.

• Поліна стверджує, що навіть за покриття водойми льодом, узимку в озері риби зможуть вижити. Оцініть правильність цього твердження, наведіть аргументи «за» або «проти».

94. Одержаний у промисловості кисень (як газуватий, так і скраплений) треба правильно зберігати та доставляти до споживачів. Залежно від агрегатного стану кисню, його зберігають у різні способи, як зображено на малюнках.

• Як ви вважаєте, у яких посудинах зберігають газуватий кисень, а в яких — скраплений? Відповідь поясніть.

• За схемою влаштування посудини Дьюара поясніть, на чому ґрунтується зберігання кисню в необхідному агрегатному стані. Які є обмеження використання посудин Дьюара? За необхідності зверніться до додаткових джерел інформації.

• Які побутові аналоги посудини Дьюара ми використовуємо в щоденному житті?