"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Кислород в лаборатории получают из веществ, в состав которых он уже входит: например, из перманганата калия или пероксида водорода. Для этого используют реакцию разложения, а в некоторых случаях — нагревание или катализатор. Выделившийся газ собирают вытеснением воды, потому что кислород растворяется в ней плохо. Проверить, что в сосуде именно кислород, можно тлеющей лучинкой: она вспыхивает, так как кислород поддерживает горение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кислород — газ, который в лабораторных опытах получают из веществ, содержащих кислород. Это означает, что кислород не создают из ничего: при химическом превращении он отделяется от исходного вещества. Знание этого помогает выбрать способ получения газа и понять, откуда берутся его атомы.
Реакция разложения — реакция, при которой из одного сложного вещества образуются два или несколько веществ. Исходное вещество распадается на более простые продукты, иногда только при нагревании или с участием катализатора. Это понятие нужно, чтобы распознавать лабораторные способы получения кислорода и правильно записывать их уравнения.
Катализатор — вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в ней. Он помогает реакции идти быстрее, однако не становится одним из её продуктов и сохраняется после превращения. Это важно учитывать, когда вещество добавляют к пероксиду водорода: его не включают в уравнение как реагент, который расходуется.
Собирание газа вытеснением воды — способ сбора газа, который плохо растворяется в воде и не реагирует с ней. Газ поступает в перевёрнутый сосуд и занимает место воды, вытесняя её наружу. Такой способ позволяет собрать кислород, не смешивая его сразу с большим количеством воздуха.
В лаборатории кислород обычно получают из веществ, где его атомы химически связаны с атомами других элементов. При реакции эти связи перестраиваются, и часть кислорода выделяется в виде молекул O₂. Так удобнее получить порцию газа для опыта, чем отделять кислород от смеси газов, которой является воздух. Среди подходящих веществ — перманганат калия, пероксид водорода и хлорат калия.
При нагревании перманганат калия распадается на манганат калия, оксид марганца(IV) и кислород. Схема превращения сначала записывается формулами: KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂. Чтобы уравнять атомы калия, ставим 2 перед KMnO₄, а затем проверяем кислород и марганец: получается 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂. Проверка показывает, что с каждой стороны по два атома K, два Mn и восемь O, поэтому уравнение составлено верно.
Пероксид водорода H₂O₂ способен разлагаться на воду и кислород. Уравнение 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ показывает, что для образования одной молекулы кислорода нужны две молекулы пероксида водорода. Реакция может идти слишком медленно, поэтому добавляют оксид марганца(IV) MnO₂: он ускоряет превращение, но в уравнении реакции его не записывают среди расходуемых веществ или продуктов. Это пример действия катализатора.
Выделившийся кислород собирают над водой, потому что он растворяется в ней плохо и не вступает с ней в реакцию. В приборе пробирку с исходным веществом закрывают пробкой с газоотводной трубкой; её конец направляют под перевёрнутый, заранее наполненный водой сосуд в кювете. Газ проходит по трубке, поднимается в сосуде и вытесняет из него воду. При работе с нагреванием нужно закрепить пробирку и направить её отверстие от себя и окружающих.
Наличие кислорода проверяют тлеющей лучинкой — деревянной палочкой, которая не горит пламенем, но сохраняет жар. Если внести её в сосуд с кислородом, лучинка вспыхнет или начнёт гореть ярче. Это происходит потому, что кислород поддерживает горение, усиливая реакцию горючего материала с кислородом. Проверка показывает свойство газа, но сама по себе не заменяет соблюдение правил безопасности.
| Исходное вещество | Условия и катализатор | Уравнение реакции | Как собирают кислород |
|---|---|---|---|
| Перманганат калия | Нагревание; катализатор не требуется | 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂ | Вытеснением воды |
| Пероксид водорода | Добавляют оксид марганца(IV) MnO₂ как катализатор | 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ | Вытеснением воды |
| Хлорат калия | Нагревание, обычно в присутствии MnO₂ | 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂ | Вытеснением воды |
Сравнивая строки, можно увидеть, что разные исходные вещества дают один и тот же газ, но требуют разных условий. Коэффициенты в уравнениях показывают соотношение частиц, а не массу веществ. Во всех трёх случаях кислород собирают вытеснением воды.
Задача 1. Запишите уравнение разложения перманганата калия при нагревании и укажите, какие вещества образуются. Нужно определить тип реакции и подобрать коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента сохранилось. Сначала запишем формулы продуктов, а затем проверим уравнение.
Ответ: образуются манганат калия K₂MnO₄, оксид марганца(IV) MnO₂ и кислород O₂; уравнение реакции: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂.
Задача 2. К раствору пероксида водорода добавили оксид марганца(IV). Укажите газ, который выделяется, роль добавленного вещества и способ сбора газа. Рассуждаем по продуктам реакции: при разложении пероксида водорода образуются вода и газообразный кислород. Добавка ускоряет реакцию, поэтому её нужно определить как катализатор, а не как исходное вещество.
Ответ: выделяется O₂; оксид марганца(IV) — катализатор; газ собирают вытеснением воды.
Задача 3. При разложении пероксида водорода получили 4,8 г кислорода. Рассчитайте количество вещества и объём O₂ при нормальных условиях. Для расчёта количества вещества используем формулу n = m/M, где M(O₂) = 32 г/моль. Затем найдём объём по формуле V = nVm, принимая молярный объём газа при нормальных условиях равным 22,4 л/моль.
Ответ: количество вещества кислорода равно 0,15 моль, объём при нормальных условиях — 3,36 л.
Катализатор иногда называют исходным веществом или записывают в числе продуктов. Путаница возникает потому, что его добавляют в реакционную смесь и он участвует в ускорении превращения. Проверьте себя: если вещество ускоряет реакцию, но не расходуется и не превращается в продукт, это катализатор; его не включают в основное уравнение как расходуемый реагент.
Другая ошибка — оставить уравнение разложения без коэффициентов. Тогда число атомов какого-либо элемента слева и справа не совпадает, хотя в химической реакции атомы не исчезают и не возникают заново. После записи уравнения пересчитайте атомы каждого элемента по обе стороны стрелки, учитывая индексы в формулах и коэффициенты перед ними.
Некоторые считают, что кислород собирают над водой, потому что он хорошо в ней растворяется. На самом деле такой способ подходит именно потому, что кислород растворяется плохо и не реагирует с водой, поэтому большая часть газа остаётся в сосуде. Для самопроверки спросите себя, вытеснит ли газ воду, не растворившись в ней полностью и не вступив с ней в реакцию.
Тлеющую лучинку путают с горящей и ожидают, что кислород сам загорится. Тлеющая лучинка не имеет устойчивого пламени, а вспыхивает при внесении в кислород, потому что газ поддерживает горение. Проверяйте наличие кислорода именно тлеющей лучинкой и описывайте наблюдение как её вспышку, а не как горение самого кислорода.
Для этой темы понадобятся знания о составе воздуха, символах химических элементов и формулах веществ. Также нужно уметь составлять уравнения реакций и расставлять коэффициенты, чтобы сохранялось число атомов каждого элемента. Эти умения помогают понять превращения кислородсодержащих веществ и описать их без нарушения закона сохранения атомов.
Получение кислорода связано с его химическими свойствами и ролью в горении и дыхании. Позже навык составления уравнений реакций разложения пригодится при изучении других способов получения веществ. Он также нужен для решения расчётных задач, где по уравнению находят количество вещества или объём газа.
Почему кислород получают из пероксида водорода, а не просто выделяют из воздуха?
Воздух — смесь газов, поэтому для выделения из него чистого кислорода нужны специальные способы разделения. Пероксид водорода можно разложить прямо в лабораторной установке и получить кислород в виде газа. Так опыт проще провести и наблюдать.
Зачем при разложении пероксида водорода добавляют оксид марганца(IV)?
Оксид марганца(IV) служит катализатором: он ускоряет разложение пероксида водорода. Сам катализатор в реакции не расходуется и не становится продуктом реакции.
Почему кислород можно собирать над водой?
Кислород растворяется в воде плохо и при обычных условиях не реагирует с ней. Поэтому он вытесняет воду из перевёрнутого сосуда и накапливается в нём.
Как понять, что в пробирке собрался кислород?
В сосуд вносят тлеющую лучинку. Если она вспыхивает, это указывает на наличие кислорода, который поддерживает горение.
Почему кислород поддерживает горение, но сам не горит?
При горении кислород реагирует с горючим веществом и помогает ему окисляться. Сам кислород не является горючим веществом: он участвует в реакции, но не служит топливом.
§ 15. Получение кислорода в лаборатории
