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).
Кислород - это газ без вкуса, запаха и цвета. По содержанию в атмосфере занимает второе место после азота. Кислород является сильным окислителем и химически активным неметаллом. Этот газ был открыт одновременно несколькими учеными в XVIII столетии. Первым добыть кислород удалось шведскому химику Шееле в 1772 году. Исследованием кислорода занимался французский химик Лавуазье, давший ему название «oxygène». Выявить кислород помогает тлеющая лучина: при контакте с газом она ярко вспыхивает.
Значение кислорода
Этот газ участвует в процессах горения. Кислород вырабатывают зеленые растения, в листьях которых осуществляется процесс фотосинтеза, который обогащает атмосферу этим жизненно важным газом.
Как получить кислород? Из воздуха газ добывают промышленным способом, воздух при этом очищают и сжижают. Наша планета имеет огромные запасы воды, составляющей которой является кислород. Это означает, что получать газ можно путем разложения воды. Сделать это можно в домашних условиях.
Как добыть кислород из воды
Для проведения эксперимента понадобятся такие инструменты и материалы:
Источник питания;
Пластмассовые стаканы (2 штуки);
Электроды (2 штуки);
Гальваническая ванна.
Рассмотрим сам процесс. В гальваническую ванну больше чем на половину объема наливаем воду, затем добавляем 2 мл едкого натра или разбавленной серной кислоты - это усилит электропроводность воды.
Делаем отверстия в дне пластмассовых стаканов, протягиваем через них электроды - угольные пластины. Необходимо заизолировать воздушную прослойку между стаканом и пластиной. Помещаем стаканы в ванну таким образом, чтобы электроды были в воде, а стаканы располагались вверх дном. Между поверхностью воды и дном стакана должно быть предельно мало воздуха.
Припаиваем металлический провод к каждому электроду, подключаем к источнику питания. Подключенный к отрицательному полюсу электрод называется катодом, подключенный к положительному полюсу - анодом.
Через воду проходит электрический ток - осуществляется электролиз воды.
Электролиз воды
Происходит химическая реакция, в ходе которой образуется два газа. Внутри стакана с катодом собирается водород, в стакане с анодом собирается кислород. Образование газов в стаканах с электродами определяем по пузырькам воздуха, поднимающимся из воды. Через трубку выводим кислород из стакана в другую емкость.
Правила безопасности
Проведение химического опыта по получению из воды кислорода возможно только при соблюдении правил техники безопасности. Газы, полученные в процессе электролиза воды, нельзя смешивать. Полученный водород взрывоопасен, поэтому он не не должен соприкасаться с воздухом. О том, какие опыты с газами безопасно проводить дома, можно узнать .
Как добыть кислород лабораторным способом
Способ первый : насыпаем перманганат калия в пробирку, ставим пробирку на огонь. Марганцовка нагревается, выделяется кислород. Улавливаем газ пневматической ванной. Итог: из 10 г перманганата калия выделяется 1 л кислорода.
Пневматическая ванна Стивена Хейлза
Способ второй : в пробирку насыпаем 5 г селитры, закрываем пробирку огнеупорной пробкой со стеклянной трубкой. Закрепляем пробирку на столе с помощью штатива, ставим под ней ванночку с песком, чтобы избежать чрезмерного нагревания. Включаем газовую горелку и направляем огонь на пробирку с селитрой. Вещество расплавляется, происходит выделение кислорода. Собираем газ через стеклянную трубку в надетый на ее воздушный шарик.
Способ третий : в пробирку насыпаем хлорат калия и ставим пробирку на огонь газовой горелки, предварительно закрыв ее огнеупорной пробкой со стеклянной трубкой. Бертолетова соль в процессе нагревания выделяет кислород. Собираем газ через трубку, надев на нее воздушный шарик.
Способ четвертый : стеклянную пробирку закрепляем на столе с помощью штатива, наливаем в пробирку пероксид водорода. При контакте с воздухом неустойчивое соединение разлагается на кислород и воду. Чтобы ускорить реакцию выделения кислорода, добавляем в пробирку активированный уголь. Пробирку закрываем огнеупорной пробкой со стеклянной трубкой, надеваем на трубку воздушный шарик и собираем кислород.
Данный урок посвящен изучению современных способов получения кислорода. Вы узнаете, с помощью каких методов и из каких веществ получают кислород в лаборатории и промышленности.
Тема: Вещества и их превращения
Урок: Получение кислорода
В промышленных целях кислород необходимо получать в больших объёмах и максимально дешёвым способом. Такой способ получения кислорода был предложен лауреатом Нобелевской премии Петром Леонидовичем Капицей. Он изобрёл установку для сжижения воздуха. Как известно, в воздухе находится около 21% по объему кислорода. Кислород можно выделить из жидкого воздуха методом перегонки, т.к. все вещества, входящие в состав воздуха имеют разные температуры кипения. Температура кипения кислорода - -183°С, а азота - -196°С. Значит, при перегонке сжиженного воздуха первым закипит и испарится азот, а затем – кислород.
В лаборатории кислород требуется не в таких больших количествах, как в промышленности. Обычно его привозят в голубых стальных баллонах, в которых он находится под давлением. В некоторых случаях всё же требуется получить кислород химическим путём. Для этого используют реакции разложения.
ОПЫТ 1. Нальем в чашку Петри раствор пероксида водорода. При комнатной температуре пероксид водорода разлагается медленно (признаков протекания реакции мы не видим), но этот процесс можно ускорить, если добавить в раствор несколько крупинок оксида марганца(IV). Вокруг крупинок черного оксида сразу начинают выделяться пузырьки газа. Это кислород. Как бы долго ни протекала реакция, крупинки оксида марганца(IV) в растворе не растворяются. То есть, оксид марганца(IV) участвует в реакции, ее ускоряет, но сам в ней не расходуется.
Вещества, которые ускоряют реакцию, но не расходуются в реакции, называют катализаторами .
Реакции, ускоряемые катализаторами, называют каталитическими .
Ускорение реакции катализатором называют катализом .
Таким образом, оксид марганца (IV) в реакции разложения пероксида водорода служит катализатором. В уравнении реакции формула катализатора записывается сверху над знаком равенства. Запишем уравнение проведенной реакции. При разложении пероксида водорода выделяется кислород и образуется вода. Выделение кислорода из раствора показывают стрелкой, направленной вверх:
2. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
3. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().
Домашнее задание
с. 66-67 №№ 2 – 5 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.
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 …
При и резке металла осуществляется высокотемпературным газовым пламенем, получаемым при сжигании горючего газа или паров жидкости в смеси с технически чистым кислородом.
Кислород является самым распространенным элементом на земле , встречающимся в виде химических соединений с различными веществами: в земле - до 50% по массе, в соединении с водородом в воде - около 86% по массе и в воздухе - до 21% по объему и 23% по массе.
Кислород при нормальных условиях (температура 20°С, давление 0,1 МПа) - это бесцветный, негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, но активно поддерживающий горение. При нормальном атмосферном давлении и температуре 0°С масса 1 м 3 кислорода равна 1,43 кг, а при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении - 1,33 кг.
Кислород имеет высокую химическую активность , образуя соединения со всеми химическими элементами, кроме (аргона, гелия, ксенона, криптона и неона). Реакции соединения с кислородом протекают с выделением большого количества теплоты, т. е. носят экзотермический характер.
При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами может произойти их самовоспламенение в результате выделения теплоты при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искрового разряда. Поэтому при использовании кислорода необходимо тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легковоспламеняющимися и горючими веществами.
Всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. способен образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами или парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры.
Отмеченные особенности кислорода следует всегда иметь в виду при использовании его в процессах газопламенной обработки.
Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем их объемном содержании: азота - 78,08%, кислорода - 20,95%, аргона-0,94%, остальное - углекислый газ, закись азота и др. Кислород получают разделением воздуха на кислород и методом глубокого охлаждения (сжижения), попутно идет отделение аргона, применение которого при непрерывно возрастает. Азот применяют как защитный газ при сварке меди.
Кислород можно получать химическим способом или электролизом воды. Химические способы малопроизводительны и неэкономичны. При электролизе воды постоянным током кислород получают как побочный продукт при производстве чистого водорода.
В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации. В установках для получения кислорода и азота из воздуха последний очищают от вредных примесей, сжимают в компрессоре до соответствующего давления холодильного цикла 0,6-20 МПа и охлаждают в теплообменниках до температуры сжижения, разница в температурах сжижения кислорода и азота составляет 13°С, что достаточно для их полного разделения в жидкой фазе.
Жидкий чистый кислород накапливается в воздухоразделительном аппарате, испаряется и собирается в газгольдере, откуда компрессором его накачивают в баллоны под давлением до 20 МПа.
Технический кислород транспортируют также по трубопроводу. Давление кислорода, транспортируемого по трубопроводу, должно быть согласовано между изготовителем и потребителем. К месту кислород доставляется в кислородных баллонах, и в жидком виде - в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.
Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм 3 жидкого кислорода при испарении дает 860 дм 3 газообразного. Поэтому доставлять кислород к месту сварки целесообразно в жидком состоянии, так как при этом в 10 раз уменьшается масса тары, что позволяет экономить металл на изготовление баллонов, уменьшать расходы на транспортировку и хранение баллонов.
Для сварки и резки по -78 технический кислород выпускается трех сортов:
- 1-й - чистотой не менее 99,7%
- 2-й - не менее 99,5%
- 3-й - не менее 99,2% по объему
Чистота кислорода имеет большое значение для кислородной резки. Чем меньше содержится в нем газовых примесей, тем выше скорость реза, чище и меньше расход кислорода.
