2. Способи збирання кисню. Каталізатори
У лабораторних умовах кисень добувають з оксигеновмісних речовин, під час розкладу яких виділяється кисень.
Щоб прискорити швидкість деяких реакцій (наприклад розклад бертолетової солі KCl O 3 або гідроген пероксиду H 2 O 2 ) можна додати невелику кількість порошку манган(\(IV\)) оксиду . Сам манган(\(IV\)) оксид під час реакції не витрачається. Такі речовини називають каталізаторами.
Каталізатори — це речовини, які пришвидшують хімічні реакції, але самі при цьому не витрачаються.
Кисень за нормальних умов — газоподібна речовина. Він є важчим за повітря і малорозчинним у воді. Тому цю речовину можна збирати двома способами: витісненням води і витісненням повітря .
При збиранні над водою кисень, який виділяється, поступово витісняє воду з пробірки, яку заздалегідь заповненюють водою. Коли газ повністю витіснить воду із пробірки, її отвір закривають і лише після цього виймають з води і перевертають.
Кисень, який надходить у посудину через скляну трубку поступово витісняє повітря. Щоб уникнути змішування кисню з атмосферним повітрям, отвір посудини нещільно закривають шматочком вати або фільтрувальним папером.
Для того, щоб довести, що газ, який виділяється у результаті хімічної реакції є киснем, у пробірку вносять тліючу скіпку. Скіпка яскраво спалахує.
§ 23. Добування кисню
Відкриття кисню. Кисень був відкритий у другій половині XVIII ст. кількома вченими різних країн. Першим цей газ добув шведський хімік К.-В. Шеєле в 1772 р., а через два роки, не знаючи про досліди попередника, — англійський хімік Дж. Прістлі. У 1775 р. французький учений А.-Л. Лавуазьє дослідив кисень і дав йому назву oxygen.
Кисень можна виявити за допомогою жевріючої скіпки; вона яскраво спалахує в посудині із цим газом (мал. 62).
Мал. 62. Виявлення кисню: а — жевріюча скіпка на повітрі; б — спалахування скіпки в кисні
Добування кисню в промисловості. Невичерпним джерелом кисню є повітря. Щоб добути з нього кисень, потрібно відокремити цей газ від азоту та інших газів. На цьому ґрунтується промисловий метод добування кисню. Його реалізують, використовуючи спеціальну, досить громіздку апаратуру. Спочатку повітря сильно охолоджують до перетворення його на рідину, а потім температуру зрідженого повітря поступово підвищують. Першим із нього починає виділятися газ азот (температура кипіння рідкого азоту становить -196 °С). Рідина, що залишається, поступово збагачується на кисень (температура кипіння кисню -183 °С).
Рідкий кисень транспортують у спеціальних сталевих резервуарах, що мають подвійні стінки, між якими створено вакуум (для ефективної теплоізоляції). Газуватим киснем наповнюють під високим тиском балони; їх фарбують у блакитний колір (мал. 63).
Мал. 63. Балони з киснем
Добування кисню в лабораторії. Кисень добувають у лабораторії, здійснюючи певні хімічні реакції.
Дж. Прістлі добув кисень зі сполуки, назва якої — меркурій(ІІ) оксид. Учений нагрівав сполуку за допомогою скляної лінзи, яка фокусувала сонячне світло на речовині.
У сучасному виконанні цей дослід зображено на малюнку 64. Порошок меркурій(ІІ) оксиду 1 під час нагрівання перетворюється на ртуть і кисень. Ртуть виділяється в газоподібному стані й конденсується на стінках пробірки у вигляді сріблястих крапель. Кисень накопичується в другій пробірці (її попередньо заповнюють водою).
1 У багатьох хімічних назвах, які складаються із двох слів, відмінюється лише друге слово.
Мал. 64. Добування кисню нагріванням меркурій(ІІ) оксиду
Хімічне рівняння цієї реакції:
Нині метод Прістлі не використовують через токсичність парів ртуті. Кисень добувають за допомогою інших реакцій, подібних до щойно розглянутої. Вони здебільшого відбуваються за нагрівання.
Реакції, під час яких із однієї речовини утворюється кілька інших, називають реакціями розкладу.
Добування кисню на уроках хімії здійснюють розкладом гідроген пероксиду Н2О2 (інша назва — перекис водню) в розчині. Такий розчин із масовою часткою гідроген пероксиду 3 % є лікарським засобом; розчинена речовина в ньому майже не розкладається. Якщо до розчину додати невелику кількість манган(IV) оксиду MnO2, то одразу починає виділятися кисень:
Речовину, яка прискорює хімічну реакцію, залишаючись після її перебігу незміненою, називають каталізатором 1 .
1 Термін походить від грецького слова katalysis — руйнування.
Кисень добувають у навчальних лабораторіях університетів термічним розкладом деяких оксигеновмісних сполук:
• калій перманганату KMnO4 (побутова назва — марганцівка; водний розчин речовини є дезінфекційним засобом)
За відсутності каталізатора MnO2 відбувається інша реакція, серед продуктів якої кисню немає. Отже, каталізатор іноді змінює хімічне перетворення.
Кисень утворюється під час розкладу води постійним електричним струмом:
Цей метод добування кисню використовують у промисловості (у країнах, де виробляють багато електроенергії) і як демонстраційний експеримент у лабораторії (мал. 65).
Мал. 65. Розклад води постійним електричним струмом
Збирання кисню. На малюнках 65 і 66, а показано, як збирають кисень, витискуючиним воду із посудини. Це вдається зробити, бо кисень розчиняється у воді дуже слабко. Зібраний газ містить домішку водяної пари.
Інший спосіб збирання кисню полягає у витисненні ним повітря із посудини. Оскільки кисень трохи важчий за повітря, пробірку або колбу розміщують донизу дном і накривають скляною пластинкою (мал. 66, б).
Мал. 66. Збирання кисню: а — витисненням води; б — витисненням повітря
Кисень був відкритий у XVIII ст. кількома вченими. Цей газ добувають у промисловості переважно з повітря, а в лабораторіях — із деяких оксигеновмісних сполук.
Реакції, під час яких з однієї речовини утворюються дві або більше, називають реакціями розкладу.
Речовину, яка прискорює хімічну реакцію, називають каталізатором.
Кисень можна зібрати в посудину витисненням із неї води або повітря.
164. Як добувають кисень у промисловості? Чому, на вашу думку, для цього не використовують гідроген пероксид?
165. Які реакції називають реакціями розкладу?
166. Перетворіть на хімічні рівняння схеми реакцій, під час яких утворюється кисень:
168. Якими способами можна збирати кисень під час його добування в лабораторії? На яких фізичних властивостях кисню ґрунтується кожний спосіб? В якому разі візуально не можна встановити момент, коли посудина цілком заповнена киснем?
169. На малюнку 67 зафіксовано момент розкладу білої твердої речовини — кадмій нітрату. Уважно розгляньте малюнок і опишіть, що відбувається під час реакції. Чому спалахує жевріюча скіпка? Складіть відповідне хімічне рівняння.
Мал. 67. Розкладання речовини під час нагрівання
170. Студентка добула кисень, нагріваючи натрій нітрат. Схема цієї реакції: NaNO3 → t NaNO2 + O2↑. Чи повністю розклалася сполука, якщо масова частка Оксигену в залишку після нагрівання становила 50 %?
171. Підготуйте за матеріалами з інтернету повідомлення про наукові здобутки хіміків К.-В. Шеєле та Дж. Прістлі.
§ 17. Добування і зберігання кисню
Методи добування кисню можна поділити на промислові та лабораторні. У лабораторії кисень зручніше добувати з тих його сполук, які при нагріванні легко розкладаються з виділенням кисню. Найчастіше для цього використовують калій перманганат КМnO4, калій хлорат КСlO3 (бертолетову сіль), калій нітрат KNO3 (індійську селітру), гідроген пероксид Н2O2.
Уперше кисень був добутий нагріванням меркурій(ІІ) оксиду HgO сфокусованими сонячними променями. При цьому утворюється рідка ртуть і газуватий кисень (мал. 90):
Мал. 90. При прожарюванні червоного меркурій(ІІ) оксиду утворюється рідка сріблиста ртуть і газуватий кисень
У такий спосіб можуть розкладатися сполуки й інших неактивних металічних елементів з Оксигеном.
Але зазвичай такі реакції відбуваються при дуже високих температурах, тому їх використовувати для добування кисню в лабораторії не дуже зручно.
Розкладання бертолетової солі. Каталізатори
Покладемо в чисту суху пробірку декілька кристалів бертолетової солі та нагріватимемо її в полум’ї спиртівки. Спочатку сіль починає плавитися (357 °С), а потім розплав закипає (400 °С) — починається розкладання з виділенням безбарвного газу за рівнянням:
Щоб довести, що газ, який виділяється, є киснем, у пробірку вносимо тліючу скіпку (мал. 91). Скіпка яскраво спалахує. Це означає, що добутий газ — кисень, оскільки він підтримує горіння.
Мал. 91. Підтвердження наявності кисню в пробірці: тліюча скіпка, внесена в пробірку з киснем, спалахує
Щоб прискорити реакцію, до бертолетової солі можна додати невелику кількість порошку манган(ІV) оксиду МnO2. За його наявності кисень починає виділятися при значно нижчій температурі (200 °С), навіть нижчій за температуру плавлення. Манган(ІV) оксид у цій реакції не витрачається, він тільки прискорює її. Такі речовини називають каталізаторами, а пришвидшення реакції під дією каталізатора — каталізом.
Каталізатори — це речовини, які змінюють швидкість хімічної реакції, проте самі в ній не витрачаються.
Здатність певних речовин прискорювати хімічні реакції відома вже понад 200 років, але перші класичні пояснення цього явища, а також наведене визначення каталізаторів було введено видатним хіміком В. Оствальдом.
Вільгельм-Фрідріх Оствальд (1853-1932)
Видатний німецький фізико-хімік, лауреат Нобелівської премії 1909 року. Народився в Ризі, де навчався та в 28 років почав працювати професором. У віці 35 років переїхав до Лейпцига, де очолив Фізико-хімічний інститут. Вільгельм Оствальд вивчав закони хімічної рівноваги, електричні властивості розчинів, відкрив закон розбавлення, що був названий його ім’ям, розробив основи теорії кислотно-основного каталізу, багато займався історією хімії.
Заснував першу в світі кафедру фізичної хімії і перший фізико-хімічний журнал. Свого часу активно підтримав теорію Арреніуса, чим сприяв її визнанню іншими хіміками.
Розкладання калій перманганату
Кисень у лабораторії зручно добувати з калій перманганату КМnO4. Калій перманганат являє собою чорно-фіолетові кристали зі специфічним блиском (мал. 92). Невелику кількість порошку калій перманганату помістимо в пробірку. Щоб уникнути розкидання порошку, в пробірку слід помістити ватний тампон (мал. 93).
Мал. 92. Калій перманганат використовують для добування кисню в лабораторії
Мал. 93. Пристрій для добування кисню розкладанням калій перманганату
Для того щоб почалася реакція, пробірку необхідно нагріти приблизно до 230 °С. Порошок поступово нагрівається і починає розтріскуватися — відбувається реакція:
Якщо до пробірки приєднати газовідвідну трубку, то кисень, що виділяється, можна зібрати в яку-небудь посудину.
Як можна зібрати добутий кисень?
Кисень важчий за повітря і малорозчинний у воді, тому його можна збирати двома способами: витісненням повітря і витісненням води. У першому випадку (мал. 94а) кисень, який надходить у посудину скляною трубкою, поступово витісняє повітря. Щоб уникнути перемішування кисню з атмосферним повітрям, отвір посудини нещільно закривають шматком вати або аркушем фільтрувального паперу. Щоб переконатися, що посудина заповнилася киснем, до її отвору підносять тліючу скіпку. Якщо посудина заповнена, то скіпка спалахує біля отвору.
У разі збирання кисню над водою (мал. 94б) газ, що виділяється, поступово витісняє воду із циліндра, заздалегідь заповненого водою. Коли газ повністю витіснить воду із циліндра, його отвір закривають склом і тільки потім виймають із води та перевертають.
Мал. 94. Пристрій для збирання кисню: а — методом витіснення повітря; б — методом витіснення води
Добування кисню з гідроген пероксиду
Часто для добування кисню в лабораторії використовують гідроген пероксид Н2О2. Гідроген пероксид за звичайних умов розкладається, але дуже повільно, навіть якщо його підігріти на пальнику. Але якщо в розчин гідроген пероксиду внести дрібку манган(ІV) оксиду, то рідина дуже спінюється, майже «закипає» — це виділяється кисень:
Після закінчення реакції в пробірці залишається суміш води та манган(ІV) оксиду. Цю суміш легко розділити фільтруванням. У цій реакції манган(ІV) оксид бере участь як каталізатор, але не реагує з гідроген пероксидом. У цьому легко впевнитися, якщо відфільтрований манган(ІV) оксид знову додати до гідроген пероксиду для розкладу його нової порції.
Оскільки каталізатори в процесі хімічної реакції не витрачаються, то їх додають до реагентів у дуже малій кількості. Існує навіть вираз «додати реагент у каталітичній кількості», що означає «дуже мало».
Реакції розкладу
Якщо уважно проаналізувати наведені рівняння реакцій добування кисню, то можна помітити спільну ознаку: у лівій частині цих рівнянь написана формула однієї речовини, а в правій — декількох. Такі реакції називаються реакціями розкладу.
Реакції, у яких з однієї складної речовини утворюється декілька інших речовин, називаються реакціями розкладу.
У загальному вигляді рівняння реакції розкладу можна записати в такий спосіб:
Добування кисню в промисловості. Зберігання кисню
Наведені вище методи добування кисню можуть бути застосовані тільки в лабораторних умовах. Для промислового добування великих обсягів кисню вони не використовуються через високу вартість початкових речовин. Великі кількості кисню добувають із рідкого повітря розділенням (ректифікацією). Спочатку повітря охолоджують до -200 °С, а потім поступово нагрівають. При -196 °С азот випаровується, а рідкий кисень залишається. Цей метод не можна назвати хімічним, оскільки кисень просто відокремлюється із суміші газів — повітря.
Добутий рідкий кисень зберігають у спеціальних балонах — посудинах Дьюара (мал. 95), які за будовою нагадують звичайний термос. Посудина Дьюара має дві стінки, з простору між якими відкачане повітря. Завдяки цьому посудина майже не пропускає теплоту, і в ній тривалий час при низькій температурі може зберігатися зріджений газ.
Мал. 95. Посудина Дьюара для зберігання зріджених газів (а) та її будова (б)
Часто в промисловості кисень добувають із води. Під дією електричного струму вода розкладається на дві прості речовини — кисень і водень. Цей процес називають електролізом (мал. 96).
Мал. 96. Прилад для добування кисню електролізом води
Електроліз води відбувається досить повільно і потребує значних витрат електрики, але добутий кисень є досить чистим, тому в деяких випадках цей метод є доцільним.
Добутий газуватий кисень зберігають у спеціальних сталевих балонах під високим тиском, щоб він займав менше місця. Балони з киснем фарбують у синій колір, щоб не сплутати їх з балонами, наповненими іншими газами (мал. 97). Вентилі таких балонів у жодному разі не можна змащувати машинними мастилами, оскільки навіть залишки мастила в потоці чистого кисню спричинять сильний вибух.
Мал. 97. Балони для зберігання чистого кисню під високим тиском
Для зберігання кисню і зручного користування ним у лабораторії використовують інший пристрій — газометр (мал. 98). Це великий скляний балон із великою лійкою, заповненою водою. Спочатку газометр заповнюють киснем методом витіснення води (мал. 98а). Коли газометр заповнений, відкривають кран 2 і вода з лійки витісняє зібраний газ через кран 1 (мал. 98б).
Мал. 98. Газометр для зберігання і використання газів у лабораторії: а — наповнення газометру киснем методом витіснення води (крани 1 і 2 закриті, кран 3 відкритий); б — використання зібраного кисню (крани 1 і 2 відкриті, кран 3 закритий)
1. У лабораторії кисень добувають розкладанням складних речовин: бертолетової солі, калій перманганату або гідроген пероксиду. Добутий кисень можна виявити, використовуючи тліючу скіпку, а збирають його методом витіснення води або повітря.
2. Реакції добування кисню є реакціями розкладу, у яких з однієї речовини утворюється декілька. Часто вони відбуваються за участю каталізаторів — речовин, що прискорюють хімічні реакції, але самі при цьому не витрачаються.
3. У промисловості кисень добувають або розділенням (ректифікацією) повітря, або реакцією розкладу води електролізом.
Контрольні запитання
1. Які умови перебігу реакцій є загальними для описаних лабораторних методів добування кисню?
2. Виберіть речовини, розкладанням яких можна добути кисень: а) калій перманганат КМnO4; б) вуглекислий газ СO2; в) вода Н2O; г) манган(ІV) оксид МnO2.
3. Які реакції називають реакціями розкладу?
4. Як кисень добувають у промисловості?
5. Які речовини називаються каталізаторами? Чому каталізатори додають у невеликих кількостях?
6. Чим принципово відрізняються лабораторні та промислові способи добування кисню?
7. У який спосіб можна довести наявність чистого кисню в посудині? На якій властивості кисню він ґрунтується?
8. Наведіть способи збирання кисню. На яких властивостях кисню вони ґрунтуються?
9. У яких посудинах зберігають газуватий і рідкий кисень?
10. Як відрізнити балон, у якому зберігається кисень? Чому не можна змащувати вентилі кисневих балонів мастилом?
Завдання для засвоєння матеріалу
1. Назвіть лабораторні методи добування кисню. Напишіть відповідні рівняння реакцій.
2. Складіть формули сполук Оксигену з Гідрогеном, Калієм, Магнієм, Алюмінієм, Карбоном(ІV), Фосфором(V) і Сульфуром(VІ).
3. У якій сполуці вміст Оксигену більший (за масовою часткою) — у калій перманганаті чи бертолетовій солі?
4. Як зміниться стан терезів, якщо в порожню склянку, яка врівноважена на терезах, через трубочку додати кисень?
5. 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 масу виділеного кисню.
6. Для добування кисню у пробірку помістили калій перманганат масою 20 г. Після прожарювання у пробірці залишився твердий залишок масою 18 г. Обчисліть масу добутого кисню. Який об’єм займає цей кисень? (Для обчислення використовуйте дані з попереднього параграфа).
7 * . Як ви вважаєте, на чому ґрунтується дія каталізаторів? Чому каталізатори не витрачаються в реакціях?
8. Поясніть, чому посудину Дьюара, заповнену зрідженим газом, не можна щільно закривати накривкою.