На сегодня вопрос экологии выходит на первый план. Но здоровая экология невозможна без кислорода. Именно он является основным кирпичиком поддержания жизни на планете . Кроме этого, кислород часто участвует во многих химических реакциях. Давайте рассмотрим, как получить кислород в условиях химической лаборатории.
Чтобы получить кислород укрепим пробирку из тугоплавкого стекла на штативе и внесем в нее 5 г порошкообразной (нитрата калия KNO 3 или нитрата натрия NaNO 3). Поставим под пробирку чашку из огнеупорного материала, наполненную песком, так как при этом опыте 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 KNO 2 . Бросим затем тигельными щипцами или пинцетом кусок черенковой 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).
Процесс протекает следующим образом (нагревание):
2KNO 3 → 2KNO 2 + О 2
Получить кислород можно и другими методами. Перманганат калия КМnО 4 отдает при нагревании кислород и превращается при этом в оксид марганца (4):
2КМnO 4 → МnO 2 + К 2 МnО 4 + O 2 .
Из 10 г перманганата калия можно получить примерно литр кислорода, значит двух граммов достаточно, чтобы наполнить кислородом пять пробирок нормальной величины.
Некоторое количество перманганата калия нагреем в тугоплавкой пробирке и уловим в пробирки выделяющийся кислород 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 .
В больших количествах получить кислород можно также из пероксида (перекиси) водорода Н 2 О 2 . Пероксид водорода мало устойчив. Уже при стоянии на воздухе он разлагается на кислород и :
2Н 2 O 2 → 2H 2 O + О 2
Получить кислород можно существенно быстрее, если добавить к пероксиду немного диоксида марганца МnО 2 , 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.
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 или ингибиторами . Например, фосфорная кислота препятствует разложению пероксида водорода. Поэтому продажный раствор пероксида водорода обычно стабилизирован фосфорной или мочевой кислотой. В живой природе во многих процессах участвуют так называемые биокатализаторы (энзимы, гормоны).
В атмосферном воздухе кислород занимает 21%. Большая часть его находится в земной коре, пресной воде и живых микроорганизмах. Он применяется во многих сферах промышленности и задействуется для хозяйственных и медицинских потребностей. Востребованность вещества обусловлена химическими и физическими особенностями.
Как добывают кислород в промышленности. 3 метода
Производство кислорода в промышленности осуществляется за счет деления атмосферного воздуха. Для этого задействуются следующие методы:
Производство кислорода в промышленных масштабах несет в себе высокую значимость. К выбору технологии и соответствующего оборудования нужно уделить повышенное вынимание. Допущенные ошибки могут негативно отразиться на технологичном процессе и повлечь за забой увеличение затрат.
Технические особенности оборудования для получения кислорода в промышленности
Наладить процесс получения кислорода в газообразном состоянии помогают генераторы промышленного типа «ОКСИМАТ». Их технические характеристики и конструктивные особенности направлены на получение данного вещества в промышленности необходимой чистоты и требуемом количестве на протяжении суток (без перерыва). Следует учесть, что работать оборудование может в любом режиме как с остановками, так и без них. Агрегат функционирует под давлением. На входе должен быть осушенный воздух в сжатом состоянии очищенный от влаги. Предусматриваются модели малой, средней и большой производительности.
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.
Цель урока:
- способствовать формированию знаний учащихся о способах получения кислорода в природе, промышленности и лаборатории, доказательства наличия и способах его собирания;
- способствовать формированию умений выделять общие и существенные признаки; умений видеть проблему и найти пути ее решения; умений применять полученные знания на практике и оценивать результаты выполненных действий;
- продолжить развивать память, внимание, творческую активность;
- продолжить развитие самостоятельности, умения работать в группах;
- продолжить формирование коллектива.
Организационный момент.
Вводная часть
– Какую главу изучаем? (Простые вещества.)
– Какие вещества называются простыми? (Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида.)
– На какие группы делятся простые вещества? (На металлы и неметаллы.)
Изучение нового материала.
Мы продолжаем знакомиться с простыми веществами. Сегодня узнаем больше о веществе, о котором Берцелиус сказал, что вокруг него вращается земная химия. Что это за вещество вы узнаете, выполнив следующее задание. Вместо … вставьте слово, которое соответствует элементу вещества, и запишите слово в тетради. (Приложение 2.)
1. … – самый распространенный элемент земной коры.
2. Молекула простого вещества озона образована элементом …
3. В воздухе содержится 21% …
4. Оксиды – сложные вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является …
5. В состав воды входят два атома водорода и один атом …
– Вы записали одно слово?
– Кто записал несколько слов?
– Какое это слово? (Кислород.)
Итак, начинаем изучать простое вещество кислород!
– Почему изучаем эту тему? Чем важен кислород? (Кислород необходимое вещество для дыхания, самый распространенный элемент земной коры, входит в состав воды.)
– В разделе простые вещества стоит жизненная задача, которая связана с кислородом. Прочитайте ее.
Жизненная задача.
Для путешествия по пещере необходим запас кислорода. Как его можно добыть в походных условиях?
– На основе жизненной задачи скажите, что должны изучать сегодня? (Как получают кислород?)
Тема урока: “Получение кислорода”.
При изучении этой темы:
- вы узнаете
Для решения той жизненной задачи, которая перед нами стоит, поработайте в группах.
Класс разбит на пять групп по 4 человека. Каждая группа имеет свое задание. (Приложение 1.)
– Внимательно изучите информацию, ответьте на вопросы, запишите уравнения реакций.
Работа в группах.
Затем представление выполненного задания. Один представитель от группы отвечает устно на вопросы задания, а второй записывает уравнения реакций на доске.
– Будьте внимательны, слушая друг друга. По ходу ваших выступлений будем оформлять схему – получение кислорода.
Используя кислород воздуха для дыхания, уменьшаем его количество. Но содержание в воздухе остается постоянным – 21%. Как же поддерживается необходимое нам постоянное содержание кислорода? Как получается кислород в природе?
Выступление 1 группы о получении кислорода в природе.
Уравнение реакции
Общий вывод: кислород в природе получается благодаря процессу фотосинтеза в растениях на свету.
Оформляется часть схемы
– Подходит ли данный способ для решения жизненной задачи? (Нет, для фотосинтеза необходим свет.)
Кислород необходим не только в природе. В промышленности его используют для получения металлов и других необходимых веществ. Для этого кислород необходим в больших количествах. Способы получения, которые используются при этом, так и называются – промышленные.
Выступление 2 группы о получении кислорода в промышленности.
Уравнение реакции
Общий вывод: кислород в промышленности получают из воздуха и воды.
– Почему для получения больших количеств кислорода используют воздух и воду? (наиболее распространенные вещества в природе, содержащие кислород)
Оформляется часть следующая часть схемы “Получение кислорода”
– Подходит ли данный способ для решения жизненной задачи? (нет, дорогостоящее оборудование, такие процессы занимают много времени)
В Англии на одной из площадей г. Лидса стоит памятник ученому. В правой руке он держит линзу, чтобы собрать пучок солнечных лучей, а в левой – тигель с оксидом ртути. Молодой человек сосредоточен и внимателен, ожидает результаты опыта. Это Джозеф Пристли, англ. ученый, запечатленный в момент получения кислорода в своей лаборатории.
Рассматриваем лабораторные способы получения кислорода.
Выступление 3 группы о некоторых способах получения кислорода в лаборатории.
Уравнения реакций
Вывод: данные способы не подходят для решения жизненной задачи, т.к. соединения ртути ядовито, а калийной селитры может и не оказаться в походных условиях.
– Этими лабораторными способами не ограничивается получение кислорода. Есть еще несколько способов получения кислорода в лаборатории.
Выступление 4 группы о наиболее распространенный способах получения кислорода в лаборатории.
Уравнения реакций
MnO 2 – катализатор, ускоряет химическую реакцию, но сам при этом не расходуется.
Все химические реакции разложения.
Общий вывод: в лаборатории кислород получают реакциями разложения кислородсодержащих веществ при нагревании или действии катализатора.
Оформляется оставшаяся часть схемы.
Учащиеся высказывают предположения.
Например, для получения кислорода в походных условиях можно использовать реакцию разложения перманганат калия, который всегда есть в аптечке. Можно использовать также разложение пероксида водорода, для данной реакции применить в качестве катализатора можно кровь, слюну, которые содержат природные катализаторы.
– Получив кислород, необходимо также определенным образом его собрать и доказать наличие.
Выступление 5 группы о способах собирания кислорода и доказательстве его присутствия.
Общий вывод: кислород собирают методом вытеснения воздуха и воды, наличие кислорода доказывают с помощью тлеющей лучинки.
Выполнение лабораторной работы “Получение кислорода разложением перманганата калия и доказательство его наличия” в парах.
Перед работой повторяются правила по технике безопасности при работе со спиртовкой и при нагревании.
Заключение.
– Достигли ли целей урока?
– Как получают кислород?
Вывод по уроку: кислород можно получить в природе, промышленности и лаборатории. Для получения кислорода используют реакции разложения кислородсодержащих веществ. Реакции протекают при нагревании или в присутствии катализатора.
Домашнее задание.
Выберете то задание, которое вам больше нравится.
Задание № 1.
Расскажите своему другу, который отсутствовал на уроке изучения темы “Получение кислорода”, используя знания о стилях речи, полученные на уроках русского языка.
Задание № 2.
Подготовить выступление для школьной конференции – Ломоносовские чтения на тему “История открытия кислорода”, используя знания о стилях речи, полученные на уроках русского языка.
Сегодня я узнал(а) …
Было трудно …
Теперь я могу …
Я понял, что …
У меня получилось..
Было интересно …
Меня удивило …
Мне захотелось …
Кислород О имеет атомный номер 8, расположен в главной подгруппе (подгруппе а) VI группе, во втором периоде. В атомах кислорода валентные электроны размещаются на 2-м энергетическом уровне, имеющем только s — и p -орбитали. Это исключает возможность перехода атомов О в возбуждённое состояние, поэтому кислород во всех соединениях проявляет постоянную валентность, равную II. Имея высокую электроотрицательность, атомы кислорода всегда в соединениях заряжены отрицательно (с.о. = -2 или -1). Исключение – фториды OF 2 и O 2 F 2 .
Для кислорода известны степени окисления -2, -1, +1, +2
Общая характеристика элемента
Кислород – самый распространенный элемент на Земле, на его долю приходится чуть меньше половины, 49 % от общей массы земной коры. Природный кислород состоит из 3 стабильных изотопов 16 О, 17 О и 18 О (преобладает 16 О). Кислород входит в состав атмосферы (20,9 % по объему, 23,2 по массе), в состав воды и более 1400 минералов: кремнезема, силикатов и алюмосиликатов, мраморов, базальтов, гематита и других минералов и горных пород. Кислород составляет 50-85% массы тканей растений и животных, т.к содержится в белках, жирах и углеводах, из которых состоят живые организмы. Общеизвестна роль кислорода для дыхания, для процессов окисления.
Кислород сравнительно мало растворим в воде – 5 объемов в 100 объемах воды. Однако, если бы весь растворенный в воде кислород перешел в атмосферу, то он занял бы огромный объем – 10 млн км 3 (н.у). Это равно примерно 1% всего кислорода в атмосфере. Образование на земле кислородной атмосферы обусловлено процессами фотосинтеза.
Открыт шведом К. Шееле (1771 – 1772 г.г) и англичанином Дж. Пристли (1774г.). Первый использовал нагревание селитры, второй – оксида ртути (+2). Название дал А.Лавуазье («оксигениум» - «рождающий кислоты»).
В свободном виде существует в двух аллотропных модификациях – «обыкновенного» кислорода О 2 и озона О 3 .
Строение молекулы озона
3О 2 = 2О 3 – 285 кДж
Озон в стратосфере образует тонкий слой, который поглощает большую часть биологически вредного ультрафиолетового излучения.
При хранении озон самопроизвольно превращается в кислород. Химически кислород О 2 менее активен, чем озон. Электроотрицательность кислорода 3,5.
Физические свойства кислорода
O 2 – газ без цвета, запаха и вкуса, т.пл. –218,7 °С, т.кип. –182,96 °С, парамагнитен.
Жидкий O 2 голубого, твердый – синего цвета. O 2 растворим в воде (лучше, чем азот и водород).
Получение кислорода
1. Промышленный способ — перегонка жидкого воздуха и электролиз воды:
2Н 2 О → 2Н 2 + О 2 
2. В лаборатории кислород получают:
1.Электролизом щелочных водных растворов или водных растворов кислородосодержащих солей (Na 2 SO 4 и др.)
2. Термическим разложением перманганата калия KMnO 4:
2KMnO 4 = K 2 MnO4 + MnO 2 + O 2 ,
Бертолетовой соли KClO 3:
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (катализатор MnO 2)
Оксида марганца (+4) MnO 2:
4MnO 2 = 2Mn 2 O 3 + O 2 (700 o C),
3MnO 2 = 2Mn 3 O 4 + O 2 (1000 o C),
Пероксид бария BaO 2:
2BaO 2 = 2BaO + O 2
3. Разложением пероксида водорода:
2H 2 O 2 = H 2 O + O 2 (катализатор MnO 2)
4. Разложение нитратов:
2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2
На космических кораблях и подводных лодках кислород получают из смеси K 2 O 2 и K 2 O 4:
2K 2 O 4 + 2H 2 O = 4KOH +3O 2
4KOH + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 2H 2 O
Суммарно:
2K 2 O 4 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 3О 2
Когда используют K 2 O 2 , то суммарная реакция выглядит так:
2K 2 O 2 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + O 2
Если смешать K 2 O 2 и K 2 O 4 в равномолярных (т.е. эквимолярных) количествах, то на 1 моль поглощенного СО 2 выделится один моль О 2.
Химические свойства кислорода
Кислород поддерживает горение. Горение — б
ыстрый процесс окисления вещества, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и света.
Чтобы доказать, что в склянке находится кислород, а не какой-то другой газ, надо в склянку опустить тлеющую лучинку. В кислороде тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Горение различных веществ на воздухе – это окислительно-восстановительный процесс, в котором окислителем является кислород. Окислители – это вещества, «отбирающие» электроны у веществ-восстановителей. Хорошие окислительные свойства кислорода можно легко объяснить строением его внешней электронной оболочки.
Валентная оболочка кислорода расположена на 2-м уровне – относительно близко к ядру. Поэтому ядро сильно притягивает к себе электроны. На валентной оболочке кислорода 2s 2 2p 4 находится 6 электронов. Следовательно, до октета недостает двух электронов, которые кислород стремится принять с электронных оболочек других элементов, вступая с ними в реакции в качестве окислителя.
Кислород имеет вторую (после фтора) электроотрицательность в шкале Полинга. Поэтому в подавляющем большинстве своих соединений с другими элементами кислород имеет отрицательную
степень окисления. Более сильным окислителем, чем кислород, является только его сосед по периоду – фтор. Поэтому соединения кислорода с фтором – единственные, где кислород имеет положительную степень окисления.
Итак, кислород – второй по силе окислитель среди всех элементов Периодической системы. С этим связано большинство его важнейших химических свойств.
С кислородом реагируют все элементы, кроме Au, Pt, He, Ne и Ar, во всех реакциях (кроме взаимодействия со фтором) кислород — окислитель.
Кислород легко реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами:
4Li + O 2 → 2Li 2 O,
2K + O 2 → K 2 O 2 ,
2Ca + O 2 → 2CaO,
2Na + O 2 → Na 2 O 2 ,
2K + 2O 2 → K 2 O 4
Мелкий порошок железа (так называемого пирофорного железа) самовоспламеняется на воздухе, образуя Fe 2 O 3 , а стальная проволока горит в кислороде, если ее заранее раскалить:
3 Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4
2Mg + O 2 → 2MgO
2Cu + O 2 → 2CuO
С неметаллами (серой, графитом, водородом, фосфором и др.) кислород реагирует при нагревании:
S + O 2 → SO 2 ,
C + O 2 → CO 2 ,
2H 2 + O 2 → H 2 O,
4P + 5O 2 → 2P 2 O 5 ,
Si + O 2 → SiO 2 , и т.д
Почти все реакции с участием кислорода O 2 экзотермичны, за редким исключением, например:
N 2 + O 2 → 2NO – Q
Эта реакция протекает при температуре выше 1200 o C или в электрическом разряде.
Кислород способен окислить сложные вещества, например:
2H 2 S + 3O 2 → 2SO 2 + 2H 2 O (избыток кислорода),
2H 2 S + O 2 → 2S + 2H 2 O (недостаток кислорода),
4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O (без катализатора),
4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O (в присутствии катализатора Pt),
CH 4 (метан) + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O,
4FeS 2 (пирит) + 11O 2 → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 .
Известны соединения, содержащие катион диоксигенила O 2 + , например, O 2 + — (успешный синтез этого соединения побудил Н. Бартлетта попытаться получить соединения инертных газов).
Озон
Озон химически более активен, чем кислород O 2 . Так, озон окисляет иодид - ионы I — в растворе Kl:
O 3 + 2Kl + H 2 O = I 2 + O 2 + 2KOH
Озон сильно ядовит, его ядовитые свойства сильнее, чем, например, у сероводорода. Однако в природе озон, содержащийся в высоких слоях атмосферы, выполняет роль защитника всего живого на Земле от губительного ультрафиолетового излучения солнца. Тонкий озоновый слой поглощает это излучение, и оно не достигает поверхности Земли. Наблюдаются значительные колебания в толщине и протяженности этого слоя с течением времени (так называемые озоновые дыры) причины таких колебаний пока не выяснены.
Применение кислорода O 2: для интенсификации процессов получения чугуна и стали, при выплавке цветных металлов, как окислитель в различных химических производствах, для жизнеобеспечения на подводных кораблях, как окислитель ракетного топлива (жидкий кислород), в медицине, при сварке и резке металлов.
Применение озона О 3:
для обеззараживания питьевой воды, сточных вод, воздуха, для отбеливания тканей.
