§ 28. Кислород — химический элемент и простое вещество. Получение кислорода в лаборатории ....

Определения и обозначения

Химический элемент кислород — это вид атомов с символом O и зарядом ядра +8. Кислород расположен во 2-м периоде и 16-й группе периодической таблицы; в нейтральном атоме 8 электронов. Это понятие описывает, какие атомы входят в состав вещества, а не само вещество.

Простое вещество кислород имеет формулу O₂: его молекула состоит из двух атомов одного химического элемента. Индекс 2 в формуле показывает число атомов в молекуле. Поэтому O и O₂ обозначают не одно и то же: первое — элемент или атом, второе — молекулы вещества.

Аллотропные модификации — разные простые вещества, образованные атомами одного элемента. У кислорода это кислород O₂ и озон O₃, молекула которого состоит из трёх атомов. В этом параграфе главным образом рассматривают O₂, с которым проводят лабораторные опыты.

Катализатор — вещество, изменяющее скорость реакции и не расходующееся в ней. При получении кислорода из пероксида водорода диоксид марганца ускоряет разложение исходного вещества. Он помогает реакции идти быстрее, но не записывается как продукт реакции.

Как это устроено

Слово «кислород» может обозначать и химический элемент, и простое вещество, поэтому важно смотреть на запись. Символ O указывает на атомы определённого вида, а формула O₂ — на молекулы, составленные из этих атомов. Например, вода содержит атомы кислорода в составе соединения, но это не означает, что в ней есть молекулы свободного O₂. Такое различение помогает правильно читать формулы и уравнения реакций.

В природе атомы кислорода входят в состав множества веществ, например воды и минералов. В этих соединениях они химически связаны с атомами других элементов. Свободный O₂ появляется, когда химические процессы образуют молекулы кислорода; в природе важным источником такого образования служит фотосинтез. Поэтому кислород встречается и в соединениях, и как простое вещество.

Один из лабораторных способов получить кислород — нагревать перманганат калия. При нагревании это вещество разлагается, и часть его атомов образует молекулы O₂. Уравнение реакции: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂. Выделение пузырьков газа показывает, что образуется газ, а после опыта в сосуде остаётся твёрдый остаток.

Кислород можно получить и разложением пероксида водорода H₂O₂. Вещество распадается на воду и газообразный кислород: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Диоксид марганца MnO₂ добавляют не как исходный реагент, а как катализатор: он ускоряет превращение пероксида, сам при этом не расходуясь. Выделение пузырьков указывает на образование газа.

Собирать кислород можно вытеснением воды: газ поступает в перевёрнутую, заполненную водой ёмкость и вытесняет из неё воду. Этот способ подходит потому, что кислород мало растворяется в воде и в условиях опыта не вступает с ней в заметную реакцию. Можно собирать его и вытеснением воздуха: кислород немного плотнее воздуха и опускается в сосуд, вытесняя воздух вверх. Выбор зависит от устройства опыта и удобства сбора.

Чтобы проверить наличие кислорода, в сосуд помещают тлеющую лучинку — лучинку с раскалённым, но не горящим кончиком. В кислороде она вспыхивает, потому что этот газ поддерживает горение и позволяет реакции горения идти интенсивнее. Однако сам кислород не является горючим веществом: он не служит топливом, а помогает гореть другим веществам. Поэтому используют именно тлеющую, а не горящую лучинку.

Лабораторное получение и распознавание кислорода

В таблице собраны два способа получения газа, способы его сбора и качественная проба. Для выбора способа сбора учитывайте свойства кислорода и условия опыта. Катализатор указывают только там, где он применяется.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение разложения перманганата калия при нагревании и определите, какое простое вещество выделяется.

1. Составим схему разложения: KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂. Среди продуктов уже указан газ O₂.
2. Уравняем атомы: чтобы получить два атома калия справа, поставим 2 перед KMnO₄. Тогда слева два атома марганца и восемь атомов кислорода.
3. Справа K₂MnO₄ и MnO₂ содержат два атома марганца и шесть атомов кислорода. Оставшиеся два атома кислорода образуют одну молекулу O₂.
4. Запишем уравнение с коэффициентами и проверим число атомов каждого элемента с обеих сторон.

Ответ: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂; выделяется простое вещество кислород.

Задача 2. К пероксиду водорода добавили диоксид марганца. Укажите назначение добавленного вещества и способ обнаружить выделившийся газ.

1. Вспомним, что пероксид водорода разлагается с образованием воды и кислорода: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂.
2. MnO₂ увеличивает скорость реакции. Поскольку он не расходуется и не входит в продукты, это катализатор, а не реагент.
3. Чтобы определить газ, внесём в сосуд тлеющую лучинку. Если она вспыхнет, это подтверждает, что газ поддерживает горение, как кислород.

Ответ: диоксид марганца — катализатор; кислород обнаруживают тлеющей лучинкой.

Задача 3. Нужно собрать кислород, полученный разложением пероксида водорода. Выберите способ сбора и обоснуйте выбор, используя свойства газа.

1. Проверим растворимость кислорода: он мало растворяется в воде. Значит, газ можно пропускать в перевёрнутый сосуд, заполненный водой, и собирать вытеснением воды.
2. Если опыта с водой нет, подойдёт вытеснение воздуха. Кислород немного плотнее воздуха, поэтому он заполняет сосуд, вытесняя воздух вверх.
3. Выберем вариант по устройству прибора и условиям опыта. Для сбора над водой важно, чтобы газ не терялся из-за заметного растворения или реакции с водой.

Ответ: кислород можно собрать вытеснением воды благодаря его малой растворимости; альтернативно используют вытеснение воздуха, так как O₂ плотнее воздуха.

Типичные ошибки

Ошибка: считать O и O₂ одним и тем же. O обозначает химический элемент или один атом, а O₂ — молекулу простого вещества. Путаница возникает из-за похожих названий; проверяйте, есть ли в формуле индекс 2 и что именно описывает запись.

Ошибка: называть кислород горючим газом. Кислород не горит сам, а поддерживает горение других веществ. Его могут принять за топливо, потому что в кислороде лучинка вспыхивает; для самопроверки разделяйте горючее вещество и газ, который усиливает горение.

Ошибка: считать катализатор реагентом или продуктом. MnO₂ ускоряет реакцию, но не расходуется, поэтому его не включают в уравнение разложения пероксида как вещество, которое превращается в продукт. Ошибка возникает из-за того, что катализатор добавляют в реакционную смесь; проверьте, меняется ли его количество в ходе реакции.

Ошибка: выбирать сбор газа без учёта свойств или проверять кислород горящей лучинкой. Растворимость и плотность подсказывают подходящий способ сбора, а наличие O₂ проверяют именно тлеющей лучинкой. Горящая лучинка уже имеет пламя и не показывает так наглядно, что кислород поддерживает горение; перед опытом вспомните, какое свойство проверяется.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны умения читать химические символы и формулы, различать состав атома и молекулы, элемент и простое вещество. Также пригодятся знания о реакциях разложения, расстановке коэффициентов и катализаторах: без них трудно объяснить лабораторные способы получения газа. Эти представления помогут дальше изучать состав воздуха, горение и образование оксидов. Понимание того, какие вещества образуются в реакции, пригодится и при разборе других химических превращений.

Что запомнить

• Символ химического элемента кислорода — O; формула простого вещества — O₂.
• Молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода.
• В лаборатории кислород получают, в частности, разложением перманганата калия или пероксида водорода.
• Диоксид марганца ускоряет разложение пероксида водорода и действует как катализатор.
• Кислород собирают вытеснением воды или воздуха с учётом его свойств.
• Тлеющая лучинка вспыхивает в кислороде: газ поддерживает горение, но сам не является горючим.