§ 25. Практическая работа 3. Получение и свойства кислорода

Определения и обозначения

Кислород — газ без цвета, запаха и вкуса, необходимый для дыхания и поддерживающий горение. Буква O обозначает химический элемент кислород, а формула O₂ — простое вещество, молекула которого состоит из двух атомов кислорода. Это различие помогает не путать отдельный атом с газом, который получают в опыте. Именно молекулы O₂ находятся в собранном лабораторном образце.

Получение кислорода — выделение кислорода из вещества, содержащего кислород, в результате химической реакции. Для опыта выбирают источник, который можно разложить в доступных условиях и который выделяет газ достаточно быстро. Например, перманганат калия при нагревании распадается с образованием кислорода. Выбор подходящего вещества позволяет получить газ, не прибегая к сложному оборудованию.

Собирание газа вытеснением воды — способ, при котором газ поступает в перевёрнутый сосуд и вытесняет из него воду. Такой способ подходит для кислорода, потому что он мало растворяется в воде и в условиях опыта с ней не реагирует. Если газ хорошо растворялся бы, значительная его часть пропала бы в воде. Способ сбора выбирают с учётом свойств газа.

Тлеющая лучинка — лучинка с раскалённым концом, который не охвачен пламенем. Её вводят в сосуд с газом, чтобы проверить, поддерживает ли он горение. В кислороде лучинка вспыхивает, поэтому наблюдение служит качественным признаком этого газа. Проверку проводят только после того, как газ собран.

Как это устроено

В лаборатории кислород удобно получать разложением вещества, в состав которого он уже входит: химическая реакция отделяет кислород в виде газа. Для практической работы подходит перманганат калия, поскольку при нагревании он разлагается и выделяет O₂. Нагрев подводит энергию, необходимую частицам для протекания реакции, поэтому газ начинает выделяться быстрее. Чем равномернее нагревают реакционную смесь, тем устойчивее идёт выделение газа.

Для установки нужны пробирка с источником кислорода, газоотводная трубка и сосуд для сбора газа над водой. Пробирку закрывают пробкой с трубкой, а её конец помещают под воду так, чтобы газ мог поступать в перевёрнутый сосуд. Соединения должны быть плотными: через неплотности кислород будет уходить в воздух, и в сборник попадёт меньше газа. До нагревания проверяют, что прибор собран устойчиво и газоотводный путь не перекрыт.

В пробирке при нагревании перманганат калия разлагается, образуя кислород, манганат калия и оксид марганца: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂. Пробирку закрепляют наклонно, чтобы возможные капли не стекали на её горячую часть. Отверстие направляют от себя и окружающих: горячая смесь может разбрызгаться. Отверстие нельзя закрывать, иначе при выделении газа давление внутри установки возрастёт.

Кислород собирают над водой, потому что он растворяется в ней лишь в малом количестве и не вступает с ней в реакцию при проведении опыта. Газ поступает в перевёрнутый сосуд и занимает его объём, постепенно вытесняя воду. Так кислород можно собрать, не смешивая его сразу с большим количеством воздуха. Когда вода из сосуда вытеснена, газ готов к проверке.

Чтобы распознать кислород, в собранный газ вводят тлеющую лучинку. В кислороде раскалённый конец вспыхивает: газ поддерживает горение, усиливая реакцию вещества лучинки с кислородом. Это отличается от самостоятельного горения кислорода — он не является горючим веществом и сам не служит топливом. Наблюдение показывает, что газ поддерживает горение, но для точного результата воздух в сосуде сначала должен быть вытеснен.

Получение и свойства кислорода в практической работе

Таблица связывает действия во время опыта с наблюдениями и выводами. По ней можно проверить порядок работы: от получения газа до его распознавания и соблюдения безопасности. Выводы основаны на наблюдаемых свойствах кислорода, а не только на последовательности действий.

Разбор задач

Задача 1. При нагревании перманганата калия выделяется газ. Как проверить, что это кислород?

1. Сначала нужно собрать газ в отдельный сосуд, чтобы проверять не поток смеси, выходящий из прибора, а накопившийся образец.
2. Затем вводят в сосуд тлеющую лучинку, не направляя пробирку на себя и не касаясь горячих частей установки.
3. Наблюдают за концом лучинки: вспыхивание показывает, что газ поддерживает горение и является кислородом.

Ответ: ввести в собранный газ тлеющую лучинку; её вспыхивание служит признаком кислорода. Одна лишь прозрачность газа ничего не доказывает: многие газы бесцветны. Поэтому используют именно характерную пробу.

Задача 2. Почему кислород в опыте собирают в перевёрнутую пробирку над водой, а не вытесняют им воздух?

1. Сравним свойства: кислород мало растворяется в воде, поэтому при сборе над водой большая часть газа остаётся в сосуде.
2. При вытеснении воздуха кислород смешивается с ним, и собрать газ без примеси становится труднее.
3. Сбор над водой позволяет вытеснить из сосуда воздух поступающим кислородом, а затем проверить образец лучинкой.

Ответ: кислород собирают над водой из-за его малой растворимости, а такой способ помогает избежать смешивания с воздухом. Вода в этом опыте не мешает сбору газа. До проверки всё же нужно дождаться, пока воздух из сосуда будет вытеснен.

Задача 3. Ученик собрал кислород, но лучинка не вспыхнула. Назовите возможные причины и предложите, как исправить опыт.

1. Проверяют соединения прибора: неплотность могла привести к утечке, поэтому газ не собрался в нужном количестве.
2. Проверяют, вытеснен ли воздух из сосуда; если нет, его содержимое может быть смесью с недостаточной долей кислорода.
3. Убеждаются, что кислорода накоплено достаточно и лучинка действительно тлеет, а не погасла до проверки.

Ответ: возможны утечка, неполное вытеснение воздуха или малое количество газа. Нужно заново проверить герметичность, продолжить сбор и повторить пробу с тлеющей лучинкой. Если установка нагревалась, сначала следует действовать осторожно и не трогать горячую пробирку.

Типичные ошибки

Ошибка — называть кислородом и атом O, и молекулярное вещество O₂. Это происходит потому, что в обоих обозначениях используется один химический символ, но формула простого вещества показывает состав его молекулы. Проверяй себя: O — обозначение элемента или атома, O₂ — молекула кислорода. При записи опыта указывай, что именно имеется в виду.

Ошибка — считать кислород газом, который сам горит. Путаница возникает из-за того, что горение в кислороде становится интенсивнее. На самом деле кислород поддерживает горение других веществ, но не служит топливом. Проверь себя вопросом: какое вещество горит, а какое помогает ему гореть?

Ошибка — проверять газ сразу, не дождавшись вытеснения воздуха из сосуда. Вначале внутри остаётся обычный воздух, поэтому результат может оказаться слабым или неясным. Дай кислороду заполнить сосуд, а затем проведи пробу тлеющей лучинкой. Если она не вспыхнула, проверь сбор, а не делай поспешный вывод о свойствах газа.

Опасно нагревать пробирку с закрытым отверстием или направлять её на себя. Так делают, если не учитывают, что выделяющийся газ увеличивает давление и горячая смесь может быть выброшена наружу. До нагревания проверь свободный выход газа и закрепление пробирки. Её отверстие всегда направляй от себя и окружающих.

Связь с другими темами

Перед выполнением работы понадобятся знания формул веществ и признаков химической реакции: выделение газа указывает на образование нового вещества. Также пригодятся навыки обращения с пробиркой, пробкой и газоотводной трубкой. Понимание свойств кислорода помогает объяснить, почему выбирают именно такой способ сбора газа. Соблюдение правил лабораторной безопасности необходимо на каждом этапе опыта.

Получение кислорода связано с темами окисления и горения: кислород участвует в этих реакциях и поддерживает горение веществ. Такие знания понадобятся и при изучении оксидов — соединений кислорода с другими элементами. Опыт показывает, как получить кислород и проверить его характерное свойство. Это помогает связать наблюдения в лаборатории с уравнениями химических реакций.

Что запомнить

• Формула молекулы кислорода — O₂.
• В лаборатории кислород можно получить разложением перманганата калия при нагревании.
• Кислород мало растворим в воде, поэтому его удобно собирать над водой.
• Тлеющая лучинка в кислороде вспыхивает.
• Кислород поддерживает горение, но сам не горит.
• При нагревании веществ необходимо соблюдать правила безопасности.