Способы получения кислорода в лаборатории в промышленности. Методы получения кислорода

Цель урока:

• способствовать формированию знаний учащихся о способах получения кислорода в природе, промышленности и лаборатории, доказательства наличия и способах его собирания;
• способствовать формированию умений выделять общие и существенные признаки; умений видеть проблему и найти пути ее решения; умений применять полученные знания на практике и оценивать результаты выполненных действий;
• продолжить развивать память, внимание, творческую активность;
• продолжить развитие самостоятельности, умения работать в группах;
• продолжить формирование коллектива.

Организационный момент.

Вводная часть

– Какую главу изучаем? (Простые вещества.)

– Какие вещества называются простыми? (Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида.)

– На какие группы делятся простые вещества? (На металлы и неметаллы.)

Изучение нового материала.

Мы продолжаем знакомиться с простыми веществами. Сегодня узнаем больше о веществе, о котором Берцелиус сказал, что вокруг него вращается земная химия. Что это за вещество вы узнаете, выполнив следующее задание. Вместо … вставьте слово, которое соответствует элементу вещества, и запишите слово в тетради. (Приложение 2.)

1. … – самый распространенный элемент земной коры.

2. Молекула простого вещества озона образована элементом …

3. В воздухе содержится 21% …

4. Оксиды – сложные вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является …

5. В состав воды входят два атома водорода и один атом …

– Вы записали одно слово?

– Кто записал несколько слов?

– Какое это слово? (Кислород.)

Итак, начинаем изучать простое вещество кислород!

– Почему изучаем эту тему? Чем важен кислород? (Кислород необходимое вещество для дыхания, самый распространенный элемент земной коры, входит в состав воды.)

– В разделе простые вещества стоит жизненная задача, которая связана с кислородом. Прочитайте ее.

Жизненная задача.

Для путешествия по пещере необходим запас кислорода. Как его можно добыть в походных условиях?

– На основе жизненной задачи скажите, что должны изучать сегодня? (Как получают кислород?)

Тема урока: “Получение кислорода”.

При изучении этой темы:

Для решения той жизненной задачи, которая перед нами стоит, поработайте в группах.

Класс разбит на пять групп по 4 человека. Каждая группа имеет свое задание. (Приложение 1.)

– Внимательно изучите информацию, ответьте на вопросы, запишите уравнения реакций.

Работа в группах.

Затем представление выполненного задания. Один представитель от группы отвечает устно на вопросы задания, а второй записывает уравнения реакций на доске.

– Будьте внимательны, слушая друг друга. По ходу ваших выступлений будем оформлять схему – получение кислорода.

Используя кислород воздуха для дыхания, уменьшаем его количество. Но содержание в воздухе остается постоянным – 21%. Как же поддерживается необходимое нам постоянное содержание кислорода? Как получается кислород в природе?

Выступление 1 группы о получении кислорода в природе.

Уравнение реакции

Общий вывод: кислород в природе получается благодаря процессу фотосинтеза в растениях на свету.

Оформляется часть схемы

– Подходит ли данный способ для решения жизненной задачи? (Нет, для фотосинтеза необходим свет.)

Кислород необходим не только в природе. В промышленности его используют для получения металлов и других необходимых веществ. Для этого кислород необходим в больших количествах. Способы получения, которые используются при этом, так и называются – промышленные.

Выступление 2 группы о получении кислорода в промышленности.

Уравнение реакции

Общий вывод: кислород в промышленности получают из воздуха и воды.

– Почему для получения больших количеств кислорода используют воздух и воду? (наиболее распространенные вещества в природе, содержащие кислород)

Оформляется часть следующая часть схемы “Получение кислорода”

– Подходит ли данный способ для решения жизненной задачи? (нет, дорогостоящее оборудование, такие процессы занимают много времени)

В Англии на одной из площадей г. Лидса стоит памятник ученому. В правой руке он держит линзу, чтобы собрать пучок солнечных лучей, а в левой – тигель с оксидом ртути. Молодой человек сосредоточен и внимателен, ожидает результаты опыта. Это Джозеф Пристли, англ. ученый, запечатленный в момент получения кислорода в своей лаборатории.

Рассматриваем лабораторные способы получения кислорода.

Выступление 3 группы о некоторых способах получения кислорода в лаборатории.

Уравнения реакций

Вывод: данные способы не подходят для решения жизненной задачи, т.к. соединения ртути ядовито, а калийной селитры может и не оказаться в походных условиях.

– Этими лабораторными способами не ограничивается получение кислорода. Есть еще несколько способов получения кислорода в лаборатории.

Выступление 4 группы о наиболее распространенный способах получения кислорода в лаборатории.

Уравнения реакций

MnO 2 – катализатор, ускоряет химическую реакцию, но сам при этом не расходуется.

Все химические реакции разложения.

Общий вывод: в лаборатории кислород получают реакциями разложения кислородсодержащих веществ при нагревании или действии катализатора.

Оформляется оставшаяся часть схемы.

Учащиеся высказывают предположения.

Например, для получения кислорода в походных условиях можно использовать реакцию разложения перманганат калия, который всегда есть в аптечке. Можно использовать также разложение пероксида водорода, для данной реакции применить в качестве катализатора можно кровь, слюну, которые содержат природные катализаторы.

– Получив кислород, необходимо также определенным образом его собрать и доказать наличие.

Выступление 5 группы о способах собирания кислорода и доказательстве его присутствия.

Общий вывод: кислород собирают методом вытеснения воздуха и воды, наличие кислорода доказывают с помощью тлеющей лучинки.

Выполнение лабораторной работы “Получение кислорода разложением перманганата калия и доказательство его наличия” в парах.

Перед работой повторяются правила по технике безопасности при работе со спиртовкой и при нагревании.

Заключение.

– Достигли ли целей урока?

– Как получают кислород?

Вывод по уроку: кислород можно получить в природе, промышленности и лаборатории. Для получения кислорода используют реакции разложения кислородсодержащих веществ. Реакции протекают при нагревании или в присутствии катализатора.

Домашнее задание.

Выберете то задание, которое вам больше нравится.

Задание № 1.

Расскажите своему другу, который отсутствовал на уроке изучения темы “Получение кислорода”, используя знания о стилях речи, полученные на уроках русского языка.

Задание № 2.

Подготовить выступление для школьной конференции – Ломоносовские чтения на тему “История открытия кислорода”, используя знания о стилях речи, полученные на уроках русского языка.

Сегодня я узнал(а) …
Было трудно …
Теперь я могу …
Я понял, что …
У меня получилось..
Было интересно …
Меня удивило …
Мне захотелось …

Вопрос № 2 Как получают кислород в лаборатории ив промышленности? Напишите уравнения соответствующих реакций. Чем отличаются эти способы друг от друга?

Ответ:

В лаборатории кислород можно получить следующими способами:

1) Разложение перекиси водорода в присутствии катализатора (оксида марганца

2) Разложение бертолетовой соли (хлората калия):

3) Разложение перманганата калия:

В промышленности кислород получают из воздуха, в котором его содержится около 20% по объему. Воздух сжижают под давлением и при сильном охлаждении. Кислород и азот (второй основной компонент воздуха) имеют разные температуры кипения. Поэтому их можно разделить перегонкой: азот имеет более низкую температуру кипения, чем кислород, поэтому азот испаряется раньше кислорода.

Отличия промышленных и лабораторных способов получения кислорода:

1) Все лабораторные способы получения кислорода химические, то есть при этом происходит превращение одних веществ в другие. Процесс получения кислорода из воздуха - физический процесс, поскольку превращение одних веществ в другие не происходит.

2) Из воздуха кислорода можно получать в гораздо больших количествах.

>> Получение кислорода

Получение кислорода

В этом параграфе речь идет:

> об открытии кислорода;
> о получении кислорода в промышленности и лаборатории;
> о реакциях разложения.

Открытие кислорода.

Дж. Пристли получал этот газ из соединения, название которого - меркурий(II) оксид. Ученый использовал стеклянную линзу, с помощью которой фокусировал на веществе солнечный свет.

В современном исполнении этот опыт изображен на рисунке 54. При нагревании меркурий(||) оксид (порошок желтого цвета) превращается в ртуть и кислород. Ртуть выделяется в газообразном состоянии и конденсируется на стенках пробирки в виде серебристых капель. Кислород собирается над водой во второй пробирке.

Сейчас метод Пристли не используют, поскольку пары ртути токсичны. Кислород получают с помощью других реакций, подобных рассмотренной. Они, как правило, происходят при нагревании.

Реакции, при которых из одного вещества образуются несколько других, называют реакциями разложения.

Для получения кислорода в лаборатории используют такие оксигенсодержащие соединения:

Калий перманганат KMnO 4 (бытовое название марганцовка; вещество является распространенным дезинфицирующим средством)

Калий хлорат KClO 3 (тривиальное название - бертолетова соль, в честь французского химика конца XVIII - начала XIX в. К.-Л. Бертолле)

Небольшое количество катализатора - манган (IV) оксида MnO 2 - добавляют к калий хлорату для того, чтобы разложение соединения происходило с выделением кислорода 1 .

Лабораторный опыт № 8

Получение кислорода разложением гидроген пероксида H 2 O 2

Налейте в пробирку 2 мл раствора гидроген пероксида (традиционное название этого вещества - перекись водорода). Зажгите длинную лучинку и погасите ее (как вы это делаете со спичкой), что бы она едва тлела.
Насыпьте в пробирку с раствором гидроген оксида немного катализатора - черного порошка манган (IV) оксида. Наблюдайте бурное выделение газа. С помощью тлеющей лучинки убедитесь в том, что этот газ - кислород.

Составьте уравнение реакции разложения гидроген пероксида, которым продуктом реакции является вода.

В лаборатории кислород можно также получить разложением натрий нитрата NaNO 3 или калий нитрата KNO 3 2 . Соединения при нагревании сначала плавятся, а затем разлагаются:

1 При нагревании соединения без катализатора происходит другая реакция

2 Эти вещества используют в качестве удобрений. Их общее название - селитры.

Схема 7. Лабораторные методы получения кислорода

Превратите схемы реакций в химические уравнения.

Сведения о том, как получают кислород в лаборатории, собраны в схеме 7.

Кислород вместе с водородом являются продуктами разложения воды под действием электрического тока:

В природе кислород образуется вследствие фотосинтеза в зеленых листьях растений. Упрощенная схема этого процесса такова:

Выводы

Кислород был открыт в конце XVIII в. несколькими учеными .

Кислород получают в промышленности из воздуха, а в лаборатории - с помощью реакций разложения некоторых оксигенсодержащих соединений. Во время реакции разложения из одного вещества образуются два или более веществ.

129. Как получают кислород в промышленности? Почему для этого не используют калий перманганат или гидроген пероксид?

130. Какие реакции называют реакциями разложения?

131. Превратите в химические уравнения такие схемы реакций:

132. Что такое катализатор? Как он может влиять на протекание хими­ческих реакций? (Для ответа используйте также материал § 15.)

133. На рисунке 55 изображен момент разложения белого твердого вещества, которое имеет формулу Cd(NO3)2. Внимательно рассмотрите рисунок и опишите все, что происходит во время реакции. Почему вспыхивает тлеющая лучинка? Составьте соответствующее химическое уравнение.

134. Массовая доля Оксигена в остатке после нагревания калий нитрата KNO 3 составила 40 %. Полностью ли разложилось это соединение?

Рис. 55. Разложение вещества при нагревании

Попель П. П., Крикля Л. С., Хімія: Підруч. для 7 кл. загальноосвіт. навч. закл. - К.: ВЦ «Академія», 2008. - 136 с.: іл.

Неисчерпаемым источником кислорода являтся воздух. Чтобы получить из него кислород, следует отделить этот газ от азота и других газов. На такой идее основан промышленный метод получения кислорода. Его реализуют, используя специальную, достаточно громоздкую аппаратуру. Сначала воздух сильно охлаждают до превращения его в жидкость. Затем температуру сжиженного воздуха постепенно повышают. Первым из него начинает выделяться газ азот (температура кипения жидкого азота составляет -196 °С), а жидкость обогащается кислородом.

Получение кислорода в лаборатории . Лабораторные методы получения кислорода основаны на химических реакциях.

Дж. Пристли получал этот газ из соединения, название которого - меркурий(II) оксид. Ученый использовал стеклянную линзу, с помощью которой фокусировал на веществе солнечный свет.

В современном исполнении этот опыт изображен на рисунке 54. При нагревании меркурий(||) оксид (порошок желтого цвета) превращается в ртуть и кислород. Ртуть выделяется в газообразном состоянии и конденсируется на стенках пробирки в виде серебристых капель. Кислород собирается над водой во второй пробирке.

Сейчас метод Пристли не используют, поскольку пары ртути токсичны. Кислород получают с помощью других реакций, подобных рассмотренной. Они, как правило, происходят при нагревании.

Реакции, при которых из одного вещества образуются несколько других, называют реакциями разложения.

Для получения кислорода в лаборатории используют такие оксигенсодержащие соединения:

Калий перманганат KMnO4 (бытовое название марганцовка; вещество является распространенным дезинфицирующим средством)

Калий хлорат KClO3 (тривиальное название - бертолетова соль, в честь французского химика конца XVIII - начала XIX в. К.-Л. Бертолле)

Небольшое количество катализатора - манган (IV) оксида MnO2 - добавляют к калий хлорату для того, чтобы разложение соединения происходило с выделением кислорода1.

Строение молекул гидридов халькогенов Н2Э можно проанализировать с помощью метода молекулярных орбиталей (МО). В качестве примера рассмотрим схему молекулярных орбиталей молекулы воды (рис.3)

Для построения (Подробнее см. Г. Грей "Электроны и химическая связь",М., изд-во "Мир", 1967, с.155-62 и G. L.Miessier, D. A.Tarr, "Inorganic Chemistry", Prantice Hall Int. Inc., 1991, p.153-57) схемы МО молекулы Н2О совместим начало координат с атомом кислорода, а атомы водорода расположим в плоскости xz (рис.3). Перекрывание 2s- и 2p-АО кислорода с 1s-АО водорода показано на рис.4. В формировании МО принимают участие АО водорода и кислорода, обладающие одинаковой симметрией и близкими энергиями. Однако вклад АО в образование МО разный, что отражается в разных величинах коэффициентов в соответствующих линейных комбинациях АО. Взаимодействие (перекрывание) 1s-АО водорода, 2s - и 2рz-АО кислорода приводит к образованию 2a1-связывающей и 4a1-разрыхляющей МО.

Укрепим пробирку из тугоплавкого стекла на штативе и внесем в нее 5 г порошкообразной селитры (нитрата калия КNО 3 или нитрата натрия NaNO 3). Поставим под пробирку чашку из огнеупорного материала, наполненную песком, так как при этом опыте стекло часто плавится и вытекает горячая масса. Поэтому и горелку при нагревании будем держать сбоку. Когда мы сильно нагреем селитру, она расплавится и из нее выделится кислород (обнаружим это с помощью тлеющей лучины - она воспламенится в пробирке). При этом нитрат калия перейдет в нитрит KNO2. Бросим затем тигельными щипцами или пинцетом кусок черенковой серы в расплав (никогда не держать лицо над пробиркой).

Сера воспламенится и сгорит с выделением большого количества тепла. Опыт следует проводить при открытых окнах (из-за получающихся окислов серы). Полученный нитрит натрия сохраним для последующих опытов.

Процесс протекает следующим образом (через нагревание):

2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2

Можно получить кислород и другими методами.

Перманганат калия КMnO 4 (калийная соль марганцевой кислоты) отдает при нагревании кислород и превращается при этом в оксид марганца (IV):

4KMnO 4 → 4Mn 2 + 2K 2 O + 3O 2

или 4KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 + O 2

Из 10 г перманганата калия можно получить примерно литр кислорода, значит двух граммов достаточно, чтобы наполнить кислородом пять пробирок нормальной величины. Перманганат калия можно приобрести в любой аптеке, если он отсутствует в домашней аптечке.

Некоторое количество перманганата калия нагреем в тугоплавкой пробирке и уловим в пробирки выделяющийся лислород с помощью пневматической ванны. Кристаллы, растрескиваясь, разрушаются, и, зачастую, некоторое количество пылеобразного перманганата увлекается вместе с газом. Вода в пневматической ванне и отводной трубке в этом случае окрасится в красный цвет. После окончания опыта очистим ванну и трубку раствором тиосульфата (гипосульфита) натрия - фотофиксажа, который немного подкислим разбавленной соляной кислотой.

В больших количествах кислород можно также получить из пероксида (перекиси) водорода Н 2 О 2 . Купим в аптеке трехпроцентный раствор - дезинфицирующее средство или препарат для обработки ран. Пероксид водорода мало устойчив. Уже при стоянии на воздухе он разлагается на кислород и воду:

2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2

Разложение можно существенно ускорить, если добавить к пероксиду немного диоксида марганца МnО 2 (пиролюзита), активного угля, металлического порошка, крови (свернувшейся или свежей), слюны. Эти вещества действуют как катализаторы.

Мы можем в этом убедиться, если в маленькую пробирку поместим примерно 1 мл пероксида водорода с одним из названных веществ, а наличие выделяющегося кислорода установим с помощью пробы лучинкой. Если в химическом стакане к 5 мл трехпроцентного раствора пероксида водорода добавить равное количество крови животного, то смесь сильно вспенится, пена застынет и вздуется в результате выделения пузырьков кислорода.

Затем испытаем каталитическое действие 10 %-ного раствора сульфата меди (II) с добавкой гидроксида калия (едкого кали), раствора сульфата железа (П), раствора хлорида железа (III) (с добавкой железного порошка и без него), карбоната натрия, хлорида натрия и органических веществ (молока, сахара, размельченных листьев зеленых растений и т. д.). Теперь мы на опыте убедились, что различные вещества каталитически ускоряют разложение пероксида водорода.

Катализаторы повышают скорость реакции химического процесса и при этом сами не расходуются. В конечном итоге они снижают энергию активации, необходимую для возбуждения реакции. Но существуют и вещества, действующие противоположным образом. Их называют отрицательными катализаторами, антикатализаторами, стабилизаторами или ингибиторами. Например, фосфорная кислота препятствует разложению пероксида водорода. Поэтому продажный раствор пероксида водорода обычно стабилизирован фосфорной или мочевой кислотой.

Катализаторы необходимы для многих химико-технологических процессов. Но и в живой природе во многих процессах участвуют так называемые биокатализаторы (энзимы, ферменты, гормоны). Так как катализаторы не потребляются в реакциях, то они могут действовать уже в малых количествах. Одного грамма сычужного фермента достаточно, чтобы обеспечить свертывание 400-800 кг молочного белка.

Особое значение для работы катализаторов имеет величина их поверхности. Для увеличения поверхности применяют пористые, испещренные трещинами вещества с развитой внутренней поверхностью, напыляют компактные вещества или металлы на так называемые носители. Например, 100 г платинового катализатора на носителе содержит только около 200 мг платины; 1 г компактного никеля имеет поверхность 0,8 см 2 , а 1 г порошка никеля - 10 мг. Это соответствует отношению 1: 100000; 1 г активного глинозема обладает поверхностью от 200 до 300 м 2 , для 1 г активного угля эта величина составляет даже 1000 м2. В некоторых установках катализатора - на несколько миллионов марок. Так, бензиновая контактная печь в Белене высотой 18 м содержит 9-10 тонн катализатора.