Как собирают кислород способом вытеснения

Получение кислорода

История открытия кислорода

Открытие кислорода ознаменовало новый период в развитии химии. С глубокой древности было известно, что для горения необходим воздух. Процесс горения веществ долгое время оставался непонятным. В эпоху алхимии широкое распространение получила теория флогистона, согласно которой вещества горят благодаря их взаимодействию с огненной материей, то есть с флогистоном, который содержится в пламени. Кислород был получен английским химиком Джозефом Пристли в 70-х годах XVIII века. Химик нагревал красный порошок оксида ртути (II), в итоге вещество разлагалось, с образованием металлической ртути и бесцветного газа:

Оксиды – бинарные соединения, в состав которых входит кислород При внесении тлеющей лучины в сосуд с газом она ярко вспыхивала. Ученый считал, что тлеющая лучина вносит в газ флогистон, и он загорается. Д. Пристли пробовал дышать полученным газом, и был восхищен тем, как легко и свободно им дышится. Тогда ученый и не предполагал, что удовольствие дышать этим газом предоставлено каждому. Результатами своих опытов Д. Пристли поделился с французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье.

Имея хорошо оснащенную на то время лабораторию, А. Лавуазье повторил и усовершенствовал опыты Д. Пристли. А. Лавуазье измерил количество газа, выделяющееся при разложении определенной массы оксида ртути. Затем химик нагрел в герметичном сосуде металлическую ртуть до тех пор, пока она не превратилась в оксид ртути (II). Он обнаружил, что количество выделившегося газа в первом опыте равно газу, поглотившемуся во втором опыте. Следовательно, ртуть реагирует с каким-то веществом, содержащимся в воздухе. И это же вещество выделяется при разложении оксида. Лавуазье первым сделал вывод, что флогистон здесь совершенно ни при чем, и горение тлеющей лучины вызывает именно неизвестный газ, который в последствии был назван кислородом. Открытие кислорода ознаменовало крах теории флогистона!

Способы получения и собирания кислорода в лаборатории

Лабораторные способы получения кислорода весьма разнообразны. Существует много веществ, из которых можно получить кислород. Рассмотрим наиболее распространенные способы.

1) Разложение оксида ртути (II)

Одним из способов получения кислорода в лаборатории, является его получение по описанной выше реакции разложения оксида ртути (II). Ввиду высокой токсичности соединений ртути и паров самой ртути, данный способ используется крайне редко.

2) Разложение перманганата калия

Перманганат калия (в быту мы называем его марганцовкой) – кристаллическое вещество темно-фиолетового цвета. При нагревании перманганата калия выделяется кислород. В пробирку насыплем немного порошка перманганата калия и закрепим ее горизонтально в лапке штатива. Недалеко от отверстия пробирки поместим кусочек ваты. Закроем пробирку пробкой, в которую вставлена газоотводная трубка, конец которой опустим в сосуд- приемник. Газоотводная трубка должна доходить до дна сосуда-приемника. Ватка, находящаяся около отверстия пробирки нужна, чтобы предотвратить попадание частиц перманганата калия в сосуд-приемник (при разложении выделяющийся кислород увлекает за собой частички перманганата). Когда прибор собран, начинаем нагревание пробирки. Начинается выделение кислорода.

Уравнение реакции разложения перманганата калия:

2KMnO4 t° → K2MnO4 + MnO2 + O2↑

Как обнаружить присутствие кислорода? Воспользуемся способом Пристли. Подожжем деревянную лучину, дадим ей немного погореть, затем погасим, так, чтобы она едва тлела. Опустим тлеющую лучину в сосуд с кислородом. Лучина ярко вспыхивает! Газоотводная трубка была не случайно опущена до дна сосуда-приемника. Кислород тяжелее воздуха, следовательно, он будет собираться в нижней части приемника, вытесняя из него воздух. Кислород можно собрать и методом вытеснения воды. Для этого газоотводную трубку необходимо опустить в пробирку, заполненную водой, и опущенную в кристаллизатор с водой вниз отверстием. При поступлении кислорода газ вытесняет воду из пробирки.

Разложение пероксида водорода

Пероксид водорода – вещество всем известное. В аптеке оно продается под названием «перекись водорода». Данное название является устаревшим, более правильно использовать термин «пероксид». Химическая формула пероксида водорода Н2О2 Пероксид водорода при хранении медленно разлагается на воду и кислород. Чтобы ускорить процесс разложения можно произвести нагрев или применить катализатор.

Катализатор – вещество, ускоряющее скорость протекания химической реакции

Нальем в колбу пероксид водорода, внесем в жидкость катализатор. Катализатором может служить порошок черного цвета – оксид марганца MnO2. Тотчас смесь начнет вспениваться вследствие выделения большого количества кислорода. Внесем в колбу тлеющую лучину – она ярко вспыхивает. Уравнение реакции разложения пероксида водорода:

2H2O2 MnO2 → 2H2O + O2↑

Обратите внимание: катализатор, ускоряющий протекание реакции, записывается над стрелкой, или знаком «=», потому что он не расходуется в ходе реакции, а только ускоряет ее.

Разложение хлората калия

Хлорат калия – кристаллическое вещество белого цвета. Используется в производстве фейерверков и других различных пиротехнических изделий. Встречается тривиальное название этого вещества – «бертолетова соль». Такое название вещество получило в честь французского химика, впервые синтезировавшего его, – Клода Луи Бертолле. Химическая формула хлората калия KСlO3. При нагревании хлората калия в присутствии катализатора – оксида марганца MnO2, бертолетова соль разлагается по следующей схеме:

2KClO3 t°, MnO2 → 2KCl + 3O2↑.

Разложение нитратов

Нитраты – вещества, содержащие в своем составе ионы NO3⎺. Соединения данного класса используются в качестве минеральных удобрений, входят в состав пиротехнических изделий.

Нитраты – соединения термически нестойкие, и при нагревании разлагаются с выделением кислорода:

Обратите внимание, что все рассмотренные способы получения кислорода схожи. Во всех случаях кислород выделяется при разложении более сложных веществ.

Реакция разложения – реакция, в результате которой сложные вещества разлагаются на более простые В общем виде реакцию разложения можно описать буквенной схемой:

Реакции разложения могут протекать при действии различных факторов. Это может быть нагревание, действие электрического тока, применение катализатора. Существуют реакции, в которых вещества разлагаются самопроизвольно.

Получение кислорода в промышленности

В промышленности кислород получают путем выделения его из воздуха.

Воздух – смесь газов, основные компоненты которой представлены в таблице.

Сущность этого способа заключается в глубоком охлаждении воздуха с превращением его в жидкость, что при нормальном атмосферном давлении может быть достигнуто при температуре около -192°С. Разделение жидкости на кислород и азот осуществляется путем использования разности температур их кипения, а именно: Ткип.

N2 = -196°С (при нормальном атмосферном давлении).

При постепенном испарении жидкости в газообразную фазу в первую очередь будет переходить азот, имеющий более низкую температуру кипения, и, по мере его выделения, жидкость будет обогащаться кислородом. Многократное повторение этого процесса позволяет получить кислород и азот требуемой чистоты. Такой способ разделения жидкостей на составные части называется ректификацией жидкого воздуха.

• В лаборатории кислород получают реакциями разложения
• Реакция разложения – реакция, в результате которой сложные вещества разлагаются на более простые
• Кислород можно собрать методом вытеснения воздуха или методом вытеснения воды
• Для обнаружения кислорода используют тлеющую лучину, она ярко вспыхивает в нем
• Катализатор – вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не расходующееся в ней

Источник

§ 17. Получение и хранение кислорода

Разложение оксидов

Методы получения кислорода можно разделить на промышленные и лабораторные. В лаборатории кислород удобнее получать из тех его соединений, которые при нагревании легко разлагаются с выделением кислорода. Чаще всего для этого используют калий перманганат KMnO₄, калий хлорат KClO₃ (бертолетову соль), калий нитрат KNO₃ (индийскую селитру), гидроген пероксид Н₂O₂.

Впервые кислород был получен нагреванием меркурий(II) оксида HgO сфокусированными солнечными лучами. При этом образуется жидкая ртуть и газообразный кислород (рис. 90):

Рис. 90. При прокаливании красного меркурий(II) оксида образуется жидкая серебристая ртуть и газообразный кислород

Таким же образом могут разлагаться соединения и других неактивных металлических элементов с Оксигеном.

Но обычно такие реакции происходят при очень высоких температурах, поэтому использовать их для получения кислорода в лаборатории не очень удобно.

Разложение бертолетовой соли. Катализаторы

Поместим в чистую сухую пробирку несколько кристаллов бертолетовой соли и нагреем ее в пламени спиртовки. Сначала соль начинает плавиться (357 °С), а потом расплав закипает (400 °С) — начинается разложение с выделением бесцветного газа в соответствии с уравнением:

Чтобы доказать, что выделяющийся газ является кислородом, в пробирку внесем тлеющую лучину (рис. 91). Лучина ярко вспыхивает. Это означает, что полученный газ — кислород, так как он поддерживает горение.

Чтобы ускорить реакцию, к бертолетовой соли можно добавить небольшое количество порошка манган(ІV) оксида MnO₂. В его присутствии кислород начинает выделяться при более низкой температуре (200 °С), даже ниже, чем температура плавления. Сам по себе манган(ІV) оксид в этой реакции не расходуется, он только ускоряет ее. Такие вещества называют катализаторами, а увеличение скорости реакции под действием катализатора — катализом.

Катализаторы — это вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но сами в ней не расходуются.

Способность некоторых веществ ускорять химические реакции известна уже более 200 лет, но первые научные объяснения этого явления, а также приведенное определение катализаторов было введено выдающимся химиком В. Оствальдом.

Рис. 91. Доказательство наличия кислорода в пробирке: тлеющая лучина при внесении в кислород вспыхивает

Вильгельм-Фридрих Оствальд (1853-1932)

Выдающийся немецкий физико-химик, лауреат Нобелевской премии 1909 г. Родился в Риге, где учился и в 28 лет начал работать профессором. В возрасте 35 лет переехал в Лейпциг, где возглавил Физикохимический институт. Вильгельм Оствальд изучал законы химического равновесия, электрические свойства растворов, открыл закон разбавления, названный его именем, разработал основы теории кислотно-основного катализа, занимался историей химии. Основал первую в мире кафедру физической химии и первый физико-химический журнал. В свое время активно поддержал теорию Аррениуса, чем способствовал ее признанию другими химиками.

Разложение калий перманганата

Кислород в лаборатории удобно получать из калий перманганата KMnO₄. Калий перманганат представляет собой черно-фиолетовые кристаллы со специфическим блеском (рис. 92). Небольшое количество порошка калий перманганата поместим в пробирку. Во избежание разбрасывания порошка, в пробирку необходимо поместить ватный тампон (рис. 93).

Для того чтобы началась реакция, пробирку необходимо нагреть приблизительно до 230 °С. Порошок постепенно нагревается и начинает растрескиваться — происходит реакция:

Если к пробирке присоединить газоотводную трубку, то выделяющийся кислород можно собрать в какую-нибудь емкость.

Рис. 92. Калий перманганат используют для получения кислорода в лаборатории

Рис. 93. Приспособление для получения кислорода разложением калий перманганата

Рис. 94. Приспособление для собирания кислорода: а — методом вытеснения воздуха; б — методом вытеснения воды

Как можно собрать полученный кислород?

Кислород тяжелее воздуха и малорастворим в воде, поэтому его можно собирать двумя способами: вытеснением воздуха и вытеснением воды. В первом случае (рис. 94а) кислород, который поступает в емкость по стеклянной трубке, постепенно вытесняет воздух. Во избежание смешивания кислорода с атмосферным воздухом, отверстие емкости неплотно закрывают куском ваты или листом фильтровальной бумаги. Чтобы убедиться, что емкость заполнилась кислородом, к ее отверстию подносят тлеющую лучину. Если емкость заполнена, то лучина вспыхивает у отверстия.

При собирании кислорода над водой (рис. 94б) выделяющийся газ постепенно вытесняет воду из пробирки, заранее заполненной водой. Когда газ полностью вытеснит воду из пробирки, ее отверстие закрывают стеклом и только потом вынимают из воды и переворачивают.

Получение кислорода из гидроген пероксида

Часто для получения кислорода в лаборатории используют гидроген пероксид Н₂O₂. Гидроген пероксид при обычных условиях разлагается, но очень медленно, даже если его подогреть на горелке. Но если в раствор гидроген пероксида добавить щепотку манган(ІV) оксида, то жидкость сильно вспенивается, почти «закипает» — это выделяется кислород:

По окончании реакции в пробирке остается смесь воды и манган(ІV) оксида. Эту смесь легко разделить фильтрованием. В данной реакции манган(ІV) оксид выступает в роли катализатора. В этом легко убедиться, если отфильтрованный манган(ІV) оксид снова добавить к гидроген пероксиду для разложения новой порции.

Поскольку катализаторы в процессе химической реакции не расходуются, то их добавляют к реагентам очень малыми дозами. Существует даже выражение «добавить реагент в каталитическом количестве», что означает «очень мало».

Реакции разложения

Если внимательно проанализировать приведенные уравнения реакций получения кислорода, то можно заметить общий признак: в левой части данных уравнений записана формула одного вещества, а в правой — нескольких. Такие реакции называются реакциями разложения.

Реакции, в которых из одного сложного вещества образуется несколько других веществ, называются реакциями разложения.

В общем виде уравнения реакции разложения можно записать следующим образом:

Получение кислорода в промышленности. Хранение кислорода

Приведенные выше методы получения кислорода могут быть использованы только в лабораторных условиях. Для промышленного получения больших объемов кислорода они не используются из-за высокой стоимости исходных веществ. Большие количества кислорода получают из жидкого воздуха разделением (ректификацией). Сначала воздух охлаждают до -200 °С, а затем постепенно нагревают. При -196 °С азот испаряется, а жидкий кислород остается. Этот метод нельзя назвать химическим, поскольку в данном случае кислород просто выделяется из смеси газов — воздуха.

Полученный жидкий кислород хранят в специальных емкостях — сосудах Дьюара (рис. 95), которые по строению напоминают обычный термос. Сосуд Дьюара имеет две стенки, из пространства между которыми откачан воздух. Благодаря этому сосуд почти не пропускает тепло, и в нем длительное время при низкой температуре может храниться сжиженный газ.

Рис. 95. Сосуд Дьюара для хранения сжиженных газов (а) и его строение (б)

Часто в промышленности кислород получают из воды. Под действием электрического тока вода разлагается на два простых вещества — кислород и водород. Этот процесс называют электролизом (рис. 96).

Электролиз воды происходит довольно медленно и требует значительных затрат электричества, но полученный кислород довольно чистый, поэтому в некоторых случаях этот метод является целесообразным.

Полученный газообразный кислород хранят в специальных стальных баллонах под высоким давлением, чтобы он занимал меньше места. Баллоны с кислородом окрашивают в синий цвет, чтобы не перепутать их с баллонами, наполненными другими газами (рис. 97, с. 127). Вентили таких баллонов ни в коем случае нельзя смазывать машинными маслами, поскольку даже остатки смазочного масла в потоке чистого кислорода могут вызвать сильный взрыв.

Рис. 96. Приспособление для получения кислорода электролизом воды

Рис. 97. Баллоны для хранения чистого кислорода под высоким давлением

Рис. 98. Газометр для хранения и использования газов в лаборатории: а — наполнение газометра кислородом методом вытеснения воды (краны 1 и 2 закрыты, кран 3 открыт); б — использование собранного кислорода (краны 1 и 2 открыты, кран 3 закрыт)

Для хранения и удобного пользования кислородом в лаборатории используют другое устройство — газометр (рис. 98). Это большой стеклянный баллон с большой воронкой, заполненной водой. Сначала газометр заполняют кислородом методом вытеснения воды (рис. 98а). Когда газометр заполнен, открывают кран 2 и вода из воронки вытесняет собранный газ через кран 1 (рис. 98б).

Выводы:

1. В лаборатории кислород получают разложением сложных веществ: бертолетовой соли, калий перманганата или гидроген пероксида. Полученный кислород можно выявить, используя тлеющую лучину, а собирают его методом вытеснения воды или воздуха.

2. Реакции получения кислорода являются реакциями разложения, в которых из одного вещества образуется несколько. Часто они происходят при участии катализаторов — веществ, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются.

3. В промышленности кислород получают либо разделением (ректификацией) воздуха, либо реакцией разложения воды электролизом.

Контрольные вопросы

1. Какие условия протекания реакций являются общими для описанных лабораторных методов получения кислорода?

2. Выберите вещества, разложением которых можно получить кислород: а) калий перманганат KMnO₄; б) углекислый газ СO₂; в) вода Н₂O; г) манган(IV) оксид MnO₂.

3. Какие реакции называют реакциями разложения?

4. Как получают кислород в промышленности?

5. Какие вещества называются катализаторами? Почему катализаторы добавляют в небольших количествах?

6. Чем принципиально отличаются лабораторные и промышленные способы получения кислорода?

7. Каким способом можно доказать наличие чистого кислорода в сосуде? На каком свойстве кислорода он основан?

8. Назовите способы собирания кислорода. На каких свойствах кислорода они основаны?

9. В каких сосудах хранят газообразный и жидкий кислород?

10. Как отличить баллон, в котором хранится кислород? Почему нельзя смазывать вентили кислородных баллонов машинным маслом?

Задания для усвоения материала

1. Назовите лабораторные методы получения кислорода. Запишите соответствующие уравнения реакций.

2. Составьте формулы соединений Оксигена с Гидрогеном, Калием, Магнием, Алюминием, Карбоном(IV), Фосфором(V) и Сульфуром(VI).

3. В каком соединении содержание Оксигена больше (по массовой доле) — в калий перманганате или бертолетовой соли?

4. Как изменится положение весов, если в пустой стакан, уравновешенный на весах, через трубочку добавить кислород?

5. В химический стакан налили раствор гидроген пероксида массой 400 г и добавили щепотку манган(IV) оксида. По завершении выделения пузырьков газа в стакане осталась вода массой 375 г. Вычислите массу выделенного кислорода.

6. Для получения кислорода в пробирку поместили калий перманганат массой 20 г. После прокаливания в пробирке остался твердый остаток массой 18 г. Вычислите массу полученного кислорода. Какой объем занимает этот кислород? (Для расчетов используйте данные из § 15 или Приложения 1.)

7*. Как вы считаете, на чем основано действие катализаторов? Почему катализаторы не расходуются в реакциях?

8*. Объясните, почему сосуд Дьюара, заполненный сжиженным газом, нельзя плотно закрывать крышкой.

Источник