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.
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.
Урок 17. Получение кислорода
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.
Получение кислорода в лабораторных условиях
В химической лаборатории кислород можно получать нагреванием некоторых сложных веществ, в состав которых входят атомы кислорода. К числу таких веществ относится вещество KMnO4, 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 KMnO4 и нагреть, то будет выделяться кислород (рис. 76):
Кислород можно также получить разложением пероксида водорода H2O2. Для этого в пробирку с H2O2 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 MnO2. 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 H2O2 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 C6H12O6 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:
Надеюсь урок 17 «Получение кислорода» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
Как можно собрать кислород
Из курса химии вам известно, что при получении газообразных веществ в лаборатории собирать получаемый газ можно двумя способами: вытеснением воды и вытеснением воздуха.
На рисунках 1–3 изображены приборы для получения и собирания различных газов.
Известно, что кислород — газ тяжелее воздуха и плохо растворим в воде. Какие из приведённых на рисунках методов можно использовать для собирания кислорода? Укажите, какое свойство кислорода учитывается при использовании каждого способа.
Ответ запишите в таблицу.
| Метод собирания кислорода | Номер рисунка | Свойство кислорода |
| Вытеснение воздуха | ||
| Вытеснение воды |
Установка, позволяющая собрать газ методом вытеснения воздуха, показана на рисунке № 1. Таким образом можно собрать кислород ввиду того, что он тяжелее воздуха.
Установка, позволяющая собрать газ методом вытеснения воды, показана на рисунке № 3. Таким образом можно собрать кислород ввиду того, что он плохо растворим в воде.
Ответ: Вытеснение воздуха — рисунок № 1 — тяжелее воздуха, вытеснение воды — рисунок № 3 — плохо растворим в воде.
Простой способ получения кислорода в домашних условиях
Способ получения кислорода №1
Самый хороший способ получения кислорода в домашней лаборатории: нам нужен будет перманганат калия и перекись водорода (низкопроцентный водный раствор перекиси водорода). В этом есть то преимущество, что процесс выделения кислорода протекает бурно при доведении ее до температуры около 70°С.
Способ получения кислорода №2
Кислород можно получать из перекиси водорода и без ее нагревания. Для этого воспользуемся катализатором, то есть веществом, ускоряющим химическую реакцию.
В качестве катализатора возьмем разведенный раствор хлорного железа. Мы уже применяли этот реактив при проявлении симпатических чернил. Напомню, что это соединение можно получить, растворив небольшое количество железных опилок в соляной кислоте и прокипятив раствор с небольшим количеством пер-гидрола, то есть 30-процентного раствора перекиси водорода.
В две пробирки или два аптечных пузырька, влей несколько миллилитров перекиси водорода, которую можно купить в аптеке. В одну из пробирок добавь 3 мл раствора хлорного железа. Сравни обе пробирки. Без труда можно заметить, что в той пробирке, где, кроме перекиси водорода есть еще хлорное железо, происходит бурное выделение пузырьков газа. С помощью тлеющей лучинки или спички можно легко убедиться, что это кислород.
Для того чтобы опыт прошел удачно, надо взять свежую перекись водорода. Под действием света перекись водорода быстро разлагается, а также теряет бактерицидные свойства (способность убивать бактерии). Советую вам хранить перекись водорода в темных пузырьках с тщательно подогнанной пробкой и не оставлять их на свету. При случае еще один совет: во всех опытах применяйте проверенные и, по возможности, свежие реактивы. Это позволит вам избежать многих разочарований и неудач.
Интересен метод получения кислорода путем электролиза воды. Впервые получили кислород путем электролиза воды два голландских химика, которые в 1789 году разложили воду на кислород и водород с помощью электростатической машины.
Способ получения кислорода №3
В 1800 году два английских экспериментатора взяли в качестве источника электрического тока батарею. В нашем опыте мы будем применять обычную электрическую батарейку 4,5 В. Кроме батарейки потребуются: плоский химический стакан или еще лучше — кристаллизатор (можно взять обычную глубокую тарелку), две пробирки, немного проволоки и небольшое количество нитрата калия, сульфата натрия N33804 или сульфата калия К28О4, гидроокиси натрия, серной или азотной кислоты.
В химический стакан влей около 200 мл воды и опусти в него две пробирки, наполненные доверху водой. В них мы будем собирать выделяющийся газ. Поскольку чистая вода слабо проводит электрический ток, процесс электролиза будет протекать очень медленно.
В связи с этим нужно растворить в воде небольшое количество сульфата натрия, нитрата калия или несколько капель соляной либо азотной кислоты. Сильные кислоты, щелочи и образовавшиеся из них соли, растворенные в воде, повышают ее проводимость и тем самым ускоряют процесс электролиза
К концам плоской батарейки прикрепи (лучше всего — припаяй) два куска изолированной трубкой проволоки длиной примерно по пятнадцать сантиметров Концы проволоки длиной около одного сантиметра очисть от изоляции. Опусти их в пробирки, наполненные водой. Вскоре на концах проволоки появятся пузырьки газа, а через несколько минут выделяющихся газ частично вытеснит воду из пробирок.
Вода разлагается на водород и кислород.
Легко убедиться, что в результате реакции образуется в два раза больше водорода, чем кислорода. Поскольку объем газа пропорционален количеству его молекул, объем полученного нами водорода должен быть в два раза боль ше объема кислорода.
Взглянем еще раз на пробирки, наполненные газом. В пробирке, к которой была подведена проволока, соединенная с отрицательным полюсом батарейки (длинная пластинка), соберется больше газа, чем в пробирке, куда опущена проволока, соединенная с положительным полюсом. На катоде (отрицательном электроде) выделяется водород, а на аноде (положительном электроде) — кислород.
Присутствие кислорода можно легко определить с помощью тлеющей лучинки. Когда вторая пробирка будет наполнена водородом, вынь ее, держа вверх дном, и поднеси к горящей спиртовке. Газ сразу воспламенится и будет гореть голубым пламенем. Если газ смешан с воздухом, то горение будет сопровождаться небольшим взрывом. В связи с этим опыт надо проводить в защитных очках.
Существует, однако, разновидность кислорода — озон. Это газ с сильным, резким запахом. Характерный запах озона можно почувствовать при концентрации 1 : 500 ООО. Озон образуется при атмосферных электрических разрядах в верхних слоях атмосферы. Озоном часто пахнет в лесу после грозы. Эта разновидность кислорода образуется также из воздуха при включении кварцевой лампы.
Попытаемся получить озон в домашней лаборатории
Это совсем не сложно: небольшое количество этого газа образуется при электролизе воды. Понюхай воздух, окружающий анод, на котором выделяется кислород. Ты сразу почувствуешь специфический, резкий запах озона. Этот газ впервые был обнаружен в 1785 году голландским физиком М. ван-Марумом, который заметил, что воздух после прохождения через сноп электрических искр приобретает сильный запах и способность окислять ртуть при комнатной температуре.
В 1840 году швейцарский химик X. Ф. Шенбейн подробно изучил свойства этого газа и назвал его озоном от греческого слова — окисляю.
точного горлышка. После такой подготовки можно браться за модель парусника. Корпус изготовьте из коры или древесины, а подставку из картона.
Легко и быстро получаем кислород в домашних условиях
Написала я «легко и быстро» в названии стать и взгрустнула – вот так легко и быстро прошел мой отпуск. Месяц пролетел совсем незаметно, завтра на работу. И хочется, и не хочется. Хочется – потому что уже устала быть дома, хоть и не скажу, что сидела в четырех стенах, наоборот, крутилась как белка в колесе. Не хочется – потому что знаю заранее, что с первой же минуты навалится такое количество работы, что ой-ой-ой, буду разгребать до начала июня.
Впрочем, нет смысла заранее паниковать, будем решать проблемы по мере их поступления 
А пока продолжаю тематику перекиси и гидроперита и хочу предложить легкий способ, как получить кислород в домашних условиях. Сначала хотела включить этот опыт в предыдущую статью по опытам с перекисью и гидроперитом, но потом передумала и решила сделать отдельный пост на эту тему, так как опыт достаточно интересный и совсем не сложный.
Что вам понадобится:
Да, чуть не забыла. Само собой, понадобится то, чем будем проверять наличие кислорода, то есть какая-нибудь тонкая щепка-лучинка, которую легко зажечь и которая потом хорошо тлеет. Также вам понадобятся спички или зажигалка. Далеко их не убирайте, они должны быть под рукой.
Делается все быстро и просто.
Растворяем в воде гидроперит. Напоминаю, что в холодной воде растворяется он плохо, лучше взять очень теплую воду.
Если хотите, можно предварительно измельчить таблетки. Я никуда не торопилась, поэтому не стала их измельчать.
Переливаем полученный раствор в бутылочку. И аккуратно на кончике ножа сыпем в нее немного кристаллической марганцовки. Напоминаю о правилах ТБ! Не берите марганцовку руками!
Раствор бурно шипит, начинается выделение газа. Теперь нужно действовать быстро. Поджигаем заранее приготовленную лучинку и, помахивая, тушим ее, оставив на кончике тлеющий огонек.
Опускаем тлеющую лучинку в бутылочку, где идет выделение газа. Она мгновенно вспыхивает ослепительно ярким светом.
Таким образом, мы подтверждаем, что при реакции гидроперита с перманганатом калия выделяется кислород, который поддерживает горение и заставляет лучинку ярко загореться.
Вот и все. Таким несложным опытом вы самостоятельно получили кислород и подтвердили его свойство поддерживать горение.
Только напоминаю: не забывайте о правилах химической и пожарной безопасности! Будьте очень внимательны и аккуратны при проведении опыта!
На этом все на сегодня. И напоследок – немножко моих любимцев
Всем хорошего настроения!
