Практическая работа 5. Получение кислорода и изучение его свойств

Определения и обозначения

Кислород — простое вещество, молекулы которого состоят из двух атомов кислорода, O₂. При обычных условиях это бесцветный газ без запаха, слабо растворимый в воде. Эти свойства помогают выбрать способ его сбора и понять, почему газ в сосуде нельзя распознать только по внешнему виду. Для обнаружения используют отдельную химическую пробу.

Катализатор — вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в ней. При получении кислорода он помогает разложению идти быстрее, поэтому газ выделяется заметно и его можно собрать за время опыта. Катализатор не следует записывать как исходное вещество, которое превращается в продукты. Его указывают над стрелкой уравнения или называют в описании опыта.

Разложение — реакция, в которой из одного сложного вещества образуются два или несколько веществ. Например, при разложении пероксида водорода образуются вода и кислород: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Такая реакция подходит для получения кислорода в лаборатории. Перед записью уравнения нужно сверить, какое именно вещество используется в инструкции.

Качественная реакция на кислород — проверка, позволяющая распознать его по характерному химическому признаку. Для этого в сосуд с газом вносят тлеющую лучинку. Если она разгорается, проба положительная. Такой результат объясняется тем, что кислород поддерживает горение.

Как это устроено

В работе кислород получают из вещества, указанного в инструкции; распространённый лабораторный вариант — разложение пероксида водорода. Если применяют катализатор оксид марганца(IV), уравнение реакции записывают так: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑. Стрелка вверх показывает, что выделяется газ. Если в инструкции предусмотрено другое исходное вещество, уравнение нужно составить именно для него, а не переносить этот пример без проверки.

Выделяющийся газ направляют в пробирку и собирают вытеснением воды или воздуха — в соответствии с установкой и указаниями к работе. Сбор над водой подходит, потому что кислород растворяется в ней слабо и не исчезает целиком в жидкости. При вытеснении воздуха учитывают плотность газа и расположение сосуда, иначе кислород будет смешиваться с воздухом и уходить. Пробирку обычно наполняют так, чтобы газ можно было затем проверить лучинкой.

Катализатор ускоряет превращение исходного вещества: при его наличии кислород выделяется быстрее, чем без него. Он влияет на скорость реакции, но не является тем веществом, из которого образуются продукты. Поэтому его не ставят в левую часть уравнения как расходуемый реагент. В уравнении катализатор обычно обозначают над стрелкой, если его формула известна и это нужно по заданию.

Чтобы проверить газ, в него осторожно вносят тлеющую, а не ярко горящую лучинку. Её разгорание — наблюдаемый признак присутствия кислорода. Объяснение состоит в том, что кислород поддерживает горение, усиливая реакцию горючего материала лучинки с ним. Пузырьки при получении показывают выделение газа, но сами по себе не доказывают, что это именно кислород.

Затем можно исследовать реакцию кислорода с веществом, которое горит, и описать изменения: усиливается ли пламя, меняется ли цвет, образуется ли продукт. Наблюдение записывают отдельно от объяснения, а уравнение составляют только тогда, когда известен состав реагирующих веществ и продуктов. Например, при горении углерода в кислороде образуется углекислый газ: C + O₂ → CO₂. Если в работе используют другое вещество, уравнение должно соответствовать именно ему.

Этапы получения кислорода и изучения его свойств

Читайте таблицу по строкам: сначала определите этап, затем сопоставьте действие с наблюдением и выводом. Записывайте именно то, что увидели, не подменяя наблюдение объяснением. Если наблюдения отличаются от ожидаемых, сообщите об этом учителю и не делайте поспешный вывод.

Разбор задач

1. При разложении пероксида водорода с катализатором выделяется газ. Назовите его и укажите признак, позволяющий подтвердить его наличие.

В условии уже указано исходное вещество и способ получения, поэтому нужно связать реакцию разложения с её газообразным продуктом. Одного факта выделения газа недостаточно для его распознавания. Для ответа используем характерную пробу с тлеющей лучинкой.

1. При разложении пероксида водорода образуется кислород: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂.
2. Подносим к собранному газу тлеющую лучинку, соблюдая правила работы.
3. Если лучинка разгорается, это подтверждает присутствие кислорода.

Ответ: выделившийся газ — кислород; его наличие подтверждает разгорание тлеющей лучинки.

2. Запишите уравнение разложения вещества, использованного для получения кислорода по инструкции к работе, и укажите роль катализатора, если он применялся.

Сначала нужно выяснить по инструкции, какое вещество разлагали: одно и то же уравнение нельзя использовать для разных исходных веществ. Если это пероксид водорода, продуктами будут вода и кислород. Затем подбираем коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпало.

1. Записываем схему: H₂O₂ → H₂O + O₂.
2. Уравниваем атомы кислорода и водорода: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂.
3. Если применяли MnO₂, указываем его над стрелкой или словами отмечаем, что это катализатор; в число расходуемых веществ его не включаем.

Ответ: для пероксида водорода уравнение — 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂; катализатор ускоряет реакцию и не расходуется. Если инструкция задаёт другое вещество, составьте уравнение именно его разложения.

3. Ученик собрал газ над водой, затем внёс в сосуд тлеющую лучинку и наблюдал её разгорание. Объясните оба наблюдения и сформулируйте вывод о свойствах газа.

Здесь нужно объяснить сначала выбор способа сбора, а затем результат качественной реакции. Кислород мало растворяется в воде, поэтому вода не поглощает весь выделившийся газ. Разгорание лучинки указывает на способность кислорода поддерживать горение.

1. При сборе газ вытесняет воду и остаётся в пробирке, поскольку растворяется в ней слабо.
2. Тлеющая лучинка разгорается, когда её помещают в кислород.
3. Сопоставляем этот признак с качественной реакцией и формулируем вывод о газе.

Ответ: газ собрали над водой из-за слабой растворимости кислорода; разгорание лучинки подтверждает его наличие. Кислород поддерживает горение, но сам не является горючим веществом.

Типичные ошибки

Кислород иногда называют горючим газом, потому что в нём пламя становится ярче. Но сам он не горит: он поддерживает реакцию горения другого вещества. Чтобы проверить себя, спросите, какое вещество служит топливом, а какое помогает ему гореть.

Катализатор ошибочно считают исходным веществом или продуктом, потому что его добавляют к реакционной смеси. Однако его роль — ускорить реакцию, не расходуясь в ней. Проверьте запись уравнения: катализатор не должен появляться среди реагентов и продуктов как вещество, которое превращается.

Выделение пузырьков принимают за доказательство получения кислорода, хотя пузырьки могут состоять и из другого газа. Само наблюдение подтверждает лишь выделение газа, но не его состав. Для проверки используйте тлеющую лучинку и сделайте вывод по характерному разгоранию.

Наблюдение и объяснение иногда смешивают в одной фразе. «Лучинка разгорелась» — это то, что увидели, а «кислород поддерживает горение» — объяснение результата. Разделите запись на две части и проверьте, что вывод опирается на наблюдаемый признак.

Связь с другими темами

Для работы нужны навыки составления формул веществ и уравнивания реакций: без них нельзя правильно записать получение кислорода. Знания о лабораторной посуде и способах сбора газов помогают выбрать и выполнить подходящую установку, а правила безопасности — провести опыт без риска. Позже эти наблюдения помогут разбирать горение, образование оксидов и участие кислорода в природных и химических процессах. Так лабораторный опыт связывает свойства вещества с его поведением в реакциях.

Что запомнить

• Кислород — бесцветный газ без запаха, слабо растворимый в воде.
• Кислород получают в ходе химической реакции разложения.
• Катализатор ускоряет реакцию, но не расходуется в ней.
• Кислород можно собирать вытеснением воды, если это допускает инструкция опыта.
• Тлеющая лучинка в кислороде разгорается.
• Кислород поддерживает горение, но сам не является горючим веществом.