7. Получение кислорода разложением пероксида водорода с помощью оксида марганца (IV) и каталазы сырого картофеля

Определения и обозначения

Разложение пероксида водорода — реакция, в которой H₂O₂ распадается с образованием воды и кислорода: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑. Стрелка вверх обозначает газообразный продукт, покидающий раствор. Это уравнение показывает, какие вещества получаются и сколько частиц каждого вещества участвует в реакции.

Катализатор — вещество, изменяющее скорость реакции, но не расходующееся в её результате. В опыте эту роль выполняет оксид марганца(IV), MnO₂. Понятие катализатора помогает отличить ускоритель реакции от реагента: он влияет на ход процесса, но не становится продуктом уравнения.

Каталаза — фермент, то есть вещество белковой природы, ускоряющее разложение пероксида водорода. Она содержится в клетках сырого картофеля, поэтому картофелина может заменить лабораторную добавку-катализатор. Это пример того, как катализаторы работают не только в химической лаборатории, но и в живых организмах.

Качественное обнаружение кислорода — проверка газа тлеющей лучинкой, которая в кислороде вспыхивает. Такая проба позволяет установить, какой именно газ выделился, а не просто заметить пузырьки. Её проводят осторожно, поднеся тлеющую лучинку к собранному газу.

Как это устроено

В молекуле H₂O₂ есть водород и кислород, поэтому при её превращении атомы должны перейти в состав новых веществ — воды и кислорода. Сначала записывают формулы продуктов: H₂O и O₂. Затем уравнивают число атомов по обе стороны стрелки: коэффициенты 2 перед H₂O₂ и H₂O дают по четыре атома водорода и по четыре атома кислорода слева и справа. Коэффициент перед O₂ равен единице и обычно не пишется.

Оксид марганца(IV) ускоряет распад H₂O₂, помогая реакции проходить легче. Сам MnO₂ в итоговом уравнении не ставят ни среди исходных веществ, ни среди продуктов: его роль — изменить скорость превращения, а не дать новые атомы для воды или кислорода. Поэтому состав продуктов остаётся тем же, что и при разложении пероксида без катализатора. Различается прежде всего скорость, с которой появляются пузырьки газа.

В сыром картофеле каталаза взаимодействует с пероксидом водорода и ускоряет его разложение. Пока фермент действует, молекулы H₂O₂ быстрее превращаются в воду и кислород, поэтому на поверхности кусочка появляются пузырьки. Газообразный кислород выходит из раствора, и его выделение можно наблюдать. Сам картофель служит источником фермента, а не источником кислорода в этой реакции.

Для опыта к пероксиду водорода отдельно добавляют небольшое количество MnO₂ или помещают в него кусочек сырого картофеля. Чтобы собрать газ, пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой и направляют её конец в сосуд для сбора газа. Нельзя герметично закрывать сосуд без газоотвода: при выделении газа давление может возрасти. Собранный газ проверяют тлеющей лучинкой; её вспышка служит признаком кислорода.

Скорость действия добавок сравнивают не по одному лишь факту появления пузырьков, а по тому, как быстро и интенсивно газ выделяется. Для честного сравнения берут одинаковые объёмы и концентрации пероксида водорода, проводят опыт при одинаковой температуре и сопоставляют количество добавок. Учитывают, что на результат влияют также размер кусочка картофеля, площадь его поверхности и количество MnO₂. Если пузырьки быстрее выделяются в одной пробирке, при данных условиях добавка в ней ускоряет реакцию заметнее.

Получение кислорода разложением пероксида водорода

Сопоставляйте опыты по строкам: сначала выясните, что добавили, затем — какие признаки наблюдали и как проверили газ. Уравнение одинаково для обеих пробирок, потому что и MnO₂, и каталаза только ускоряют один и тот же процесс. Роль добавки помогает отличить катализатор от вещества, которое входит в состав продуктов.

Разбор задач

1. Запишите уравнение разложения пероксида водорода и расставьте коэффициенты.

Нужно определить продукты и проверить сохранение числа атомов каждого элемента. Пероксид водорода превращается в воду и кислород, причём кислород как простое вещество существует в виде молекул O₂. Коэффициенты подбирают так, чтобы число атомов слева и справа совпало.

1. Записываем схему: H₂O₂ → H₂O + O₂. В ней уже указаны формулы исходного вещества и продуктов.
2. Ставим коэффициент 2 перед H₂O₂, чтобы получить чётное число атомов кислорода для образования O₂. Теперь слева четыре атома водорода, значит, ставим 2 перед H₂O.
3. Проверяем атомы: слева четыре H и четыре O, справа четыре H и два O в воде плюс два O в кислороде. Баланс соблюдён.

Ответ: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑. Коэффициенты 2, 2 и 1 показывают соотношение участвующих частиц.

2. К пероксиду водорода добавили оксид марганца(IV). Опишите ожидаемые наблюдения и укажите, как проверить выделившийся газ.

Здесь нужно связать наблюдение с действием катализатора и отдельно подтвердить состав газа. Само по себе появление пузырьков говорит только о выделении газа. Поэтому опыт включает и наблюдение за реакцией, и качественную пробу.

1. Добавляем MnO₂ к раствору H₂O₂. Оксид марганца(IV) ускоряет разложение пероксида, поэтому начинается заметное выделение пузырьков.
2. Собираем газ в отдельный сосуд через газоотводную трубку. Соблюдаем осторожность и не закрываем реакционную смесь герметично без выхода для газа.
3. Подносим к собранному газу тлеющую лучинку. Если она вспыхивает, это подтверждает, что выделился кислород.

Ответ: ожидаются пузырьки газа; тлеющая лучинка в собранном газе вспыхивает. Уравнение превращения — 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑, а MnO₂ выступает катализатором.

3. В двух пробирках проводят реакцию с одинаковыми объёмами пероксида водорода: в одну добавляют оксид марганца(IV), в другую — кусочек сырого картофеля. Предложите, как сравнить действие добавок и объясните результат.

Чтобы сравнение было содержательным, различаться должны только добавки, а не условия опыта. Одинаковый объём пероксида сам по себе недостаточен: важны также его концентрация, температура и сопоставимое количество катализатора. Скорость можно оценивать по количеству газа, выделившемуся за одинаковое время.

1. Берём растворы одинаковой концентрации и объёма, выдерживаем их при одной температуре. В пробирки добавляем сопоставимые количества MnO₂ и картофеля.
2. Одновременно начинаем наблюдение и за равные промежутки времени сравниваем интенсивность пузырьков или измеряем объём собранного газа. Более быстрое выделение газа означает более быстрое разложение H₂O₂ в данных условиях.
3. Объясняем наблюдение: MnO₂ действует как неорганический катализатор, а каталаза из картофеля — как фермент. Оба ускоряют одну реакцию, но результат сравнения зависит от количества и состояния добавок.

Ответ: сравнивать нужно скорость выделения кислорода при одинаковых условиях. Нельзя заранее заключить, какая добавка сработает быстрее, если не заданы её количество и состояние; пузырьки в обеих пробирках подтверждают протекание реакции, а газ проверяют тлеющей лучинкой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что MnO₂ входит в продукты реакции. Так думают, потому что добавка присутствует в пробирке во время опыта; однако катализатор ускоряет превращение и не расходуется в итоге. Проверьте себя: в уравнении должны быть только H₂O₂, H₂O и O₂, а MnO₂ укажите над стрелкой или назовите отдельно.

Ошибка: записывать формулу свободного кислорода как O. Так бывает, когда символ элемента путают с формулой простого вещества; молекула кислорода двухатомная, поэтому правильно O₂. Проверьте число атомов кислорода при подсчёте справа в уравнении.

Ошибка: оставлять схему H₂O₂ → H₂O + O₂ без коэффициентов. Формулы могут выглядеть правдоподобно, но число атомов кислорода слева и справа не совпадает. Проверьте баланс и получите соотношение 2H₂O₂ : 2H₂O : O₂.

Ошибка: считать пузырьки достаточным доказательством получения кислорода. Пузырьки показывают выделение газа, но не определяют его состав; поэтому нужна качественная проба. Поднесите тлеющую лучинку к собранному газу: вспышка подтверждает кислород.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужно уметь различать простые вещества и оксиды, читать формулы H₂O₂, H₂O, O₂ и составлять уравнения с сохранением числа атомов. Знание правил уравнивания объясняет, почему в реакции нужны коэффициенты 2, 2 и 1. Тема связывает общую химию с биологией: каталаза — фермент, работающий в клетках. Представление о катализаторах пригодится при изучении скорости химических реакций и биохимических процессов.

Что запомнить

• Пероксид водорода разлагается на воду и кислород.
• Уравнение реакции: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑.
• Оксид марганца(IV) ускоряет разложение пероксида водорода.
• В сыром картофеле содержится фермент каталаза, ускоряющий ту же реакцию.
• Кислород обнаруживают по вспышке тлеющей лучинки.
• Катализаторы ускоряют реакцию, не расходуясь в ней.