"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Кислород получают двумя основными способами: выделяют из воздуха или образуют при разложении кислородсодержащих веществ. В промышленности воздух сначала сжижают, а затем разделяют его компоненты по температурам кипения. В лаборатории кислород выделяют при нагревании некоторых веществ или при разложении пероксида водорода. Уравнения реакций помогают определить, какие продукты появятся и сколько кислорода образуется.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Получение кислорода — способы выделения кислорода из воздуха или получения его в результате химических реакций. Это понятие объединяет физическое разделение смеси и химическое образование нового вещества. Различие между способами помогает понять, почему в одном случае не нужны реагенты, а в другом меняется состав исходного вещества.
Фракционная перегонка жидкого воздуха — разделение компонентов воздуха по различию температур кипения после его сжижения. При постепенном нагревании вещества испаряются не одновременно. Такой способ нужен, чтобы получить кислород из смеси газов без химического превращения самого кислорода.
Разложение — химическая реакция, при которой из одного сложного вещества образуются два или несколько веществ. Исходное соединение распадается, а его атомы входят в состав новых продуктов. Это понятие помогает распознавать лабораторные способы получения кислорода и составлять их уравнения.
Катализатор — вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не расходующееся в ней. Он облегчает протекание реакции, поэтому продукт может образоваться быстрее. Это важно учитывать при записи уравнения: катализатор не записывают среди продуктов и не считают израсходованным реагентом.
В промышленности сначала воздух очищают от пыли, водяного пара и других примесей, которые могут мешать процессу или замерзать при охлаждении. Затем воздух сильно охлаждают, пока он не перейдёт в жидкое состояние. Сжижение необходимо потому, что компоненты смеси можно разделять по тому, при какой температуре они начинают кипеть. При нагревании жидкого воздуха вещества переходят в газ не одновременно.
Азот испаряется из жидкого воздуха раньше кислорода, поскольку температура его кипения ниже. Пар, богатый азотом, отделяют, а в оставшейся жидкости увеличивается доля кислорода. Продолжая разделение, получают кислород, который затем собирают и хранят. Это физический процесс: молекулы веществ не превращаются в другие, а компоненты смеси лишь отделяются друг от друга.
В лаборатории кислород часто получают из кислородсодержащих веществ, то есть соединений, в состав которых уже входит кислород. При нагревании перманганат калия распадается на несколько продуктов, среди которых есть кислород: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂. Нагревание сообщает веществу энергию, необходимую для протекания реакции. По уравнению видно, что одновременно с кислородом образуются и другие вещества.
Пероксид водорода разлагается на воду и кислород: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Реакция может идти быстрее в присутствии оксида марганца(IV), MnO₂. Это вещество называют катализатором, потому что оно ускоряет реакцию, но само не расходуется. Катализатор используют, когда нужно получить газ быстрее, не меняя состав продуктов реакции.
При нагревании хлората калия также образуются два продукта: хлорид калия и кислород, 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂. Для реакции требуется нагревание, а катализатор может ускорить разложение. Уравнение показывает, что из двух частиц хлората калия образуются две частицы хлорида калия и три молекулы кислорода. Поэтому при расчётах важно учитывать все коэффициенты, а не только формулу газа.
| Способ | Исходное сырьё | Принцип или уравнение реакции | Условия и применение |
|---|---|---|---|
| Фракционная перегонка воздуха | Очищенный воздух | Разделение компонентов по температурам кипения | Воздух сжижают, затем постепенно нагревают; промышленное получение |
| Разложение пероксида водорода | Пероксид водорода H₂O₂ | 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ | Разложение ускоряется катализатором MnO₂ |
| Разложение перманганата калия | Перманганат калия KMnO₄ | 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂ | Нагревание; лабораторный способ |
| Разложение хлората калия | Хлорат калия KClO₃ | 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂ | Нагревание; реакцию ускоряет катализатор |
Сначала определите, идёт ли речь о физическом разделении воздуха или о химической реакции разложения. Затем найдите исходное сырьё и проверьте, нужны ли нагревание или катализатор. Уравнения позволяют увидеть продукты и использовать коэффициенты для расчётов.
Задача 1. Запишите уравнение получения кислорода из пероксида водорода. Нужно определить продукты реакции разложения и проверить, одинаково ли число атомов каждого элемента с обеих сторон уравнения. Кислород из исходного вещества распределяется между водой и молекулами O₂.
Записываем схему: H₂O₂ → H₂O + O₂. Продукты — вода и кислород, как указано в условии. Сначала проверяем число атомов кислорода.
Ставим коэффициент 2 перед H₂O₂ и 2 перед H₂O: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Теперь слева и справа по четыре атома водорода и по четыре атома кислорода. Уравнение составлено.
Проверяем, что коэффициенты относятся ко всем формулам веществ, а индексы менять нельзя. Так сохраняется число атомов каждого элемента. Записываем уравнение в окончательном виде.
Ответ: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂.
Задача 2. При нагревании хлората калия образуются хлорид калия и кислород. Составьте уравнение реакции. В схеме KClO₃ → KCl + O₂ сначала нужно уравнять калий и хлор, а затем кислород.
Ставим одинаковые коэффициенты перед KClO₃ и KCl, чтобы количество калия и хлора совпадало. Поскольку число атомов кислорода в O₂ чётное, подбираем коэффициенты для обеих частей. В итоге схема становится 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂.
Считаем атомы: слева два атома калия, два хлора и шесть кислородов. Справа два атома калия, два хлора и шесть кислородов. Все элементы уравнены.
Указываем условие реакции — нагревание; в лабораторном получении её также может ускорять катализатор. Катализатор не включают в число продуктов. Коэффициенты в уравнении оставляют наименьшими целыми числами.
Ответ: 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂.
Задача 3. Сколько молей кислорода образуется при полном разложении 0,4 моль перманганата калия? Нужно связать количество исходного вещества с количеством продукта через коэффициенты уравнения. Реакция описывается уравнением 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂.
Находим соотношение веществ по уравнению: 2 моль KMnO₄ дают 1 моль O₂. Это означает, что кислорода образуется вдвое меньше, чем перманганата калия. Соотношение применимо при полном разложении вещества.
Вычисляем: 0,4 моль KMnO₄ × 1 моль O₂ / 2 моль KMnO₄ = 0,2 моль O₂. Единицы моль KMnO₄ сокращаются. Полученное количество относится к кислороду.
Проверяем результат: исходного вещества меньше, чем 2 моль, поэтому и кислорода должно быть меньше, чем 1 моль. Значение 0,2 моль этому условию соответствует. Учитываем, что разложение произошло полностью.
Ответ: образуется 0,2 моль O₂.
Считать, что кислород из воздуха получают химической реакцией, — значит путать разделение смеси с превращением вещества. Такое происходит потому, что промышленный способ включает сложную обработку воздуха. Проверьте себя: если состав молекул не меняется, а компоненты только разделяют, это физический процесс.
Ещё одна ошибка — записывать разложение без нужного условия, например нагревания, или забывать о катализаторе, если он указан в задаче. Условия влияют на то, как протекает реакция, поэтому их нельзя игнорировать. Сверьте запись с описанием процесса и отдельно укажите нагревание или присутствие катализатора.
Катализатор иногда ошибочно считают исходным веществом или продуктом, потому что его добавляют перед реакцией. Но он ускоряет процесс и не расходуется, поэтому его не включают в уравнение как реагент или продукт. Проверка простая: если вещество названо катализатором, оно помогает реакции, а не превращается в новый продукт.
Если уравнение не уравнено, количество атомов элементов слева и справа будет различаться. Часто коэффициент ставят только перед O₂ и забывают проверить калий, хлор или водород. Пересчитайте атомы каждого элемента с обеих сторон; меняйте коэффициенты, но не индексы в формулах веществ.
Чтобы разобраться в способах получения кислорода, нужно знать состав воздуха и понимать, чем простое вещество отличается от сложного. Также пригодятся умения распознавать химические реакции и записывать их формулами. Позже эти способы помогут изучать свойства кислорода, окисление и горение. Для расчётов по уравнениям нужны знания о коэффициентах и соотношениях количества веществ.
Почему для получения кислорода из воздуха сначала воздух сжижают?
В газообразном воздухе азот, кислород и другие газы смешаны, поэтому их нельзя просто отделить друг от друга. После сжижения компоненты можно разделить, используя различие их температур кипения.
Почему азот отделяется от жидкого воздуха раньше кислорода?
У азота температура кипения ниже, чем у кислорода. Поэтому при постепенном нагревании жидкого воздуха азот испаряется раньше, а кислород остаётся в жидкости дольше.
Какие вещества можно использовать для получения кислорода в лаборатории?
Кислород получают разложением пероксида водорода, перманганата калия или хлората калия. Для некоторых реакций нужно нагревание, а для разложения пероксида водорода реакцию может ускорить оксид марганца(IV).
Зачем при разложении некоторых веществ добавляют катализатор?
Катализатор ускоряет химическую реакцию, поэтому кислород образуется быстрее. Сам катализатор при этом не расходуется и не становится продуктом реакции.
Как определить количество кислорода, образующегося по уравнению реакции?
Нужно уравнять реакцию и сравнить коэффициент кислорода с коэффициентом исходного вещества. Коэффициенты показывают соотношение количеств веществ в молях.
§ 27. Кислород получают из воздуха и неорганических веществ
