Практическая работа 3. Получение и свойства кислорода

Определения и обозначения

Кислород — газ, который получают в опыте и обозначают химическим символом O, а простое вещество записывают формулой O₂. Он бесцветен и поддерживает горение, хотя сам не является горючим веществом. Это свойство нужно знать, чтобы правильно объяснить вспышку лучинки и не называть кислород топливом.

Реакция разложения — химическое превращение, при котором из одного сложного вещества образуются два или несколько веществ. При нагревании исходное вещество распадается, и одним из продуктов может стать кислород. Понятие помогает определить тип процесса и записать его уравнением.

Собирание газа вытеснением воды — способ, при котором газ поступает в наполненный водой сосуд и занимает его место. Кислород подходит для такого способа, потому что мало растворяется в воде. Это позволяет собрать газ, не смешивая его сразу с большим количеством воздуха.

Качественная реакция на кислород — проверка, в которой тлеющую лучинку вносят в сосуд с газом. В кислороде лучинка вспыхивает, потому что газ поддерживает горение. Такая проба нужна, чтобы распознать кислород по характерному наблюдению.

Как это устроено

Сначала собирают прибор: пробирку с исходным веществом закрывают пробкой с газоотводной трубкой, а её конец подводят к сосуду для сбора газа. До нагревания проверяют, плотно ли соединены детали: при неплотностях газ будет выходить в помещение, а не поступать в сосуд. Для проверки следуют инструкции к установке и не направляют отверстие пробирки на себя или соседей. Нагревательный прибор используют осторожно, а горячее стекло не трогают руками.

Для получения кислорода в школьном опыте часто нагревают перманганат калия. При нагревании это вещество разлагается на манганат калия, оксид марганца(IV) и кислород, который выходит через газоотводную трубку. Уравнение реакции: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑. Коэффициенты показывают, что число атомов каждого элемента до реакции и после неё одинаково.

Сосуд для сбора газа заранее заполняют водой и переворачивают в ёмкости с водой, не допуская попадания воздуха. Кислород поступает внутрь и вытесняет воду, потому что растворяется в ней лишь в небольшом количестве. По мере накопления газа уровень воды в сосуде уменьшается. Первые пузырьки обычно не собирают: они вытесняют из прибора воздух, который был там до начала реакции.

Когда газ вытеснил воду из сосуда, его можно проверить тлеющей лучинкой. Лучинку подносят к отверстию сосуда или осторожно вводят внутрь по инструкции. Если она вспыхивает, наблюдение подтверждает наличие кислорода. Вспышка объясняется тем, что кислород поддерживает горение лучинки, а не тем, что сам газ горит.

В конце опыта нельзя сразу вынимать пробку или менять положение установки, пока газоотводная трубка остаётся в воде. При остывании давление в пробирке уменьшается, и вода может втянуться внутрь; встреча воды с горячим стеклом может вызвать его повреждение. Сначала газоотводную трубку вынимают из воды, затем прекращают нагревание. После этого установке дают остыть и разбирают её, соблюдая указания учителя.

Этапы получения и распознавания кислорода

Таблица помогает проследить порядок опыта от сборки прибора до его разборки. Для каждого этапа сопоставляй действие с наблюдением: так проще понять, что именно подтверждает получение кислорода. Перед началом работы отдельно проверь, что учтены правила безопасности.

Разбор задач

Задача 1. В описании сказано, что газ поступает в сосуд и вытесняет из него воду. Определи, каким способом собирают газ, и объясни, почему он подходит для кислорода.

1. Заметь, что сосуд изначально заполнен водой, а газ занимает её место.
2. Такой способ называют собиранием газа вытеснением воды.
3. Он подходит для кислорода, потому что тот мало растворяется в воде и остаётся в сосуде в газообразном состоянии.

Ответ: кислород собирают вытеснением воды, поскольку он мало в ней растворим.

Задача 2. При проверке собранного газа тлеющая лучинка вспыхнула. Определи газ и объясни, что показывает наблюдение.

1. Сопоставь вспышку тлеющей лучинки с качественной реакцией на кислород.
2. Сделай вывод, что в сосуде находится кислород.
3. Объясни вспышку его свойством поддерживать горение, а не способностью самого кислорода гореть.

Ответ: собран кислород; он поддерживает горение лучинки, но сам не является горючим газом.

Задача 3. По инструкции известно, что нагревают перманганат калия и получают манганат калия, оксид марганца(IV) и кислород. Составь уравнение реакции, расставь коэффициенты и назови её тип.

1. Запиши формулы веществ: KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂.
2. Уравняй калий и марганец, поставив коэффициент 2 перед KMnO₄. Проверь кислород: слева восемь атомов, справа четыре в K₂MnO₄, два в MnO₂ и два в O₂.
3. Убедись, что коэффициенты не меняют формулы веществ и что из одного исходного вещества образуется несколько продуктов.

Ответ: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂; это реакция разложения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что кислород горит. Так говорят, потому что его присутствие сопровождается яркой вспышкой лучинки. Но горит вещество лучинки, а кислород поддерживает её горение. Проверь себя: в объяснении наблюдения разделяй горючее вещество и газ, который помогает ему гореть.

Ошибка: проверять газ лучинкой с пламенем. Пламя уже горит, поэтому характерное вспыхивание тлеющей лучинки заметить труднее; кроме того, нарушается порядок опыта. Используй именно тлеющую лучинку и соблюдай инструкцию. Проверь себя перед пробой: на лучинке не должно быть открытого пламени.

Ошибка: собирать газ с первых пузырьков. Можно решить, что газ сразу после нагревания уже чистый, но сначала из прибора выходит находившийся там воздух. Поэтому первые порции обычно не считают кислородом. Проверь себя: дождись вытеснения воздуха по инструкции и только затем собирай газ для проверки.

Ошибка: разбирать установку до правильного завершения нагревания. Если оставить трубку в воде, пока пробирка остывает, вода может попасть внутрь и повредить горячее стекло. Это происходит из-за изменения давления при остывании. Проверь порядок действий: сначала вынь трубку из воды, затем прекрати нагревание и дай прибору остыть.

Связь с другими темами

Для этой работы нужны признаки химической реакции, понятие о реакции разложения и умение составлять уравнения. Знание физических свойств газов объясняет, почему кислород собирают вытеснением воды; эта идея пригодится при изучении способов получения других газов. Опыт также связывает свойства кислорода с горением и образованием оксидов. Во время работы применяют общие правила безопасности при обращении с лабораторным стеклом и нагревательными приборами.

Что запомнить

• Кислород получают в результате химической реакции.
• При получении кислорода важно правильно собрать установку и соблюдать инструкцию.
• Кислород собирают над водой благодаря его малой растворимости в ней.
• Первые порции газа могут содержать воздух из прибора.
• Тлеющая лучинка вспыхивает в кислороде.
• Кислород поддерживает горение, но сам не горит.
• После опыта сначала прекращают нагревание и только затем разбирают установку.