Получение кислорода в лаборатории
Получение кислорода из пероксида водорода — самый простой лабораторный способ: с катализатором, оксидом марганца(IV), раствор H₂O₂ бурно разлагается на воду и кислород: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑ кат. MnO₂. Кислород получают также нагреванием перманганата калия или хлората калия, а в промышленности — из жидкого воздуха. Собирают его вытеснением воздуха в сосуд, стоящий дном вниз, или над водой, а распознают тлеющей лучиной — она ярко вспыхивает.
Получение кислорода из пероксида водорода
Для опыта берут аптечный 3-процентный раствор пероксида водорода. Сам по себе он разлагается медленно, но стоит всыпать щепотку чёрного порошка MnO₂, и раствор «вскипает» от пузырьков кислорода. Оксид марганца(IV) здесь — катализатор: он ускоряет реакцию, но сам не расходуется. После опыта порошок остаётся на дне, его можно отделить и использовать снова.
Реакция окислительно-восстановительная, причём кислород со степенью окисления −1 одновременно и окислитель, и восстановитель: часть атомов переходит в O⁰ (кислород), часть — в O⁻² (вода). Разлагать пероксид могут и другие катализаторы — например, фермент каталаза из сырого картофеля или печени. Подробнее о катализе — скорость химической реакции, об электронном балансе — ОВР.
Получение кислорода из перманганата калия
Классический способ из практической работы 8 класса — нагревание кристаллов перманганата калия: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑ при нагревании. Фиолетово-чёрные кристаллы потрескивают, а в пробирке остаётся тёмная смесь K₂MnO₄ и MnO₂.
- Пробирка должна быть сухой; у её отверстия кладут комочек ваты, чтобы частицы перманганата не попали в газоотводную трубку.
- Сначала прогревают всю пробирку, затем нагревают ту часть, где лежит вещество.
- Если газ собирают над водой, в конце сначала вынимают трубку из воды и только потом гасят спиртовку — почему, объяснено в правилах техники безопасности.
В виртуальной лаборатории перманганат калия есть только в растворе, поэтому этот способ там не воспроизводится — используйте опыт с пероксидом водорода.
Получение кислорода из хлората калия и других веществ
Хлорат калия (бертолетова соль) при нагревании с MnO₂ выделяет много кислорода: 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂↑ t°, кат. MnO₂. Катализатор снижает температуру, при которой соль разлагается. В школе этот способ используют редко: смеси бертолетовой соли с серой, углём или сахаром взрываются от удара и трения — на этом основано действие спичечной головки.
Кислород дают и другие вещества:
- оксид ртути(II) — 2HgO → 2Hg + O₂↑: так в 1774 году получил кислород Джозеф Пристли, нагревая оксид линзой; сегодня опыт не проводят, потому что пары ртути ядовиты;
- нитраты щелочных металлов — 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂↑;
- пероксид натрия с углекислым газом — 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂↑: на этой реакции основана регенерация воздуха в подводных лодках и изолирующих противогазах.
Промышленное получение кислорода из воздуха
В воздухе около 21 % кислорода по объёму, и почти весь промышленный кислород получают из него. Воздух сжижают глубоким охлаждением, а затем медленно нагревают: азот кипит при −196 °C и испаряется первым, кислород кипит при −183 °C и остаётся в жидкости. Такое разделение называют ректификацией жидкого воздуха. Кислород хранят и перевозят в стальных баллонах голубого цвета.
Очень чистый кислород получается при электролизе воды — 2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑, подробнее на странице электролиз. В природе кислород выделяют растения при фотосинтезе: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑.
Как собрать и распознать кислород
Вытеснением воздуха. Сосуд ставят отверстием вверх, то есть дном вниз, а газоотводную трубку опускают почти до дна. Кислород немного тяжелее воздуха (32 против 29 г/моль) и вытесняет его вверх. Переворачивать сосуд вверх дном нельзя — кислород из него «выльется». Наполнение проверяют тлеющей лучиной у отверстия: вспыхнула — сосуд полон.
Над водой. Кислород малорастворим в воде, поэтому его собирают так же, как водород, в перевёрнутую пробирку с водой. Газ получается чище, а момент, когда сосуд заполнен, хорошо виден.
Распознавание. Тлеющая лучина в кислороде вспыхивает ярким пламенем: кислород поддерживает горение, и в чистом кислороде вещества горят гораздо интенсивнее, чем на воздухе. Как распознают другие газы, сведено в таблице на странице опыты по химии онлайн.
Горение веществ в кислороде
Собранный кислород в практической работе используют, чтобы сжечь в нём несколько веществ:
- сера горит ярким сине-фиолетовым пламенем, образуется сернистый газ с резким запахом — S + O₂ → SO₂;
- уголь раскаляется добела и сгорает без дыма — C + O₂ → CO₂;
- фосфор сгорает ослепительным пламенем с густым белым дымом — 4P + 5O₂ → 2P₂O₅;
- стальная проволока сгорает, разбрасывая искры, — образуется железная окалина: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄;
- магний горит ослепительно белым пламенем — 2Mg + O₂ → 2MgO.
Подробнее о веществе — кислород O₂ и элемент кислород.
Опыт: получение кислорода онлайн
Цель: получить кислород разложением пероксида водорода, собрать его и доказать тлеющей лучиной. Реактивы: пероксид водорода (3 %), оксид марганца(IV). Оборудование: колба, газоотводная трубка, пробирка в кристаллизаторе с водой, лучина.
- Откройте опыт 05 «Кислород».
- Налейте в колбу пероксид водорода.
- Добавьте катализатор — чёрный порошок MnO₂.
- Наденьте газоотводную трубку и соберите над водой не меньше 10 мл газа.
- Внесите в пробирку тлеющую лучину.
- Отметьте наблюдение «Выделяется газ», соберите уравнение и нажмите «Проверить опыт».
Наблюдения. После добавления MnO₂ раствор бурно выделяет пузырьки бесцветного газа, порошок не растворяется и остаётся на дне. Газ вытесняет воду из пробирки. Тлеющая лучина в пробирке, как и у горлышка колбы, вспыхивает.
Уравнение: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑; электронный баланс: 2O⁻¹ − 2e⁻ → O₂⁰, 2O⁻¹ + 2e⁻ → 2O⁻².
Проведите опыт онлайн
Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.
Получение кислорода
Пероксид водорода с катализатором MnO₂: кислород зажигает тлеющую лучину.
Получение водорода
Металл в кислоте, сбор газа над водой в пробирку и проба горящей лучиной — хлопок.
Читайте также
Частые вопросы
Какая реакция получения кислорода из пероксида водорода?
2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑. Реакцию ускоряет катализатор — оксид марганца(IV).
Зачем нужен оксид марганца(IV) при получении кислорода?
Это катализатор: он во много раз ускоряет разложение пероксида водорода, но сам в реакции не расходуется и остаётся на дне сосуда.
Почему сосуд для сбора кислорода держат дном вниз?
Кислород немного тяжелее воздуха, поэтому он заполняет сосуд снизу и вытесняет воздух вверх. Из перевёрнутого сосуда кислород ушёл бы.
Как распознать кислород?
Тлеющей лучиной: в кислороде она вспыхивает ярким пламенем.
Как получают кислород в промышленности?
Из воздуха: его сжижают, а потом разделяют по температурам кипения — азот испаряется первым, кислород остаётся. Очень чистый кислород дают электролизом воды.