Дешевый водород и топливо из воды капилярным электроосмосом. Получение кислорода

Данный урок посвящен изучению современных способов получения кислорода. Вы узнаете, с помощью каких методов и из каких веществ получают кислород в лаборатории и промышленности.

Тема: Вещества и их превращения

Урок: Получение кислорода

В промышленных целях кислород необходимо получать в больших объёмах и максимально дешёвым способом. Такой способ получения кислорода был предложен лауреатом Нобелевской премии Петром Леонидовичем Капицей. Он изобрёл установку для сжижения воздуха. Как известно, в воздухе находится около 21% по объему кислорода. Кислород можно выделить из жидкого воздуха методом перегонки, т.к. все вещества, входящие в состав воздуха имеют разные температуры кипения. Температура кипения кислорода - -183°С, а азота - -196°С. Значит, при перегонке сжиженного воздуха первым закипит и испарится азот, а затем – кислород.

В лаборатории кислород требуется не в таких больших количествах, как в промышленности. Обычно его привозят в голубых стальных баллонах, в которых он находится под давлением. В некоторых случаях всё же требуется получить кислород химическим путём. Для этого используют реакции разложения.

ОПЫТ 1. Нальем в чашку Петри раствор пероксида водорода. При комнатной температуре пероксид водорода разлагается медленно (признаков протекания реакции мы не видим), но этот процесс можно ускорить, если добавить в раствор несколько крупинок оксида марганца(IV). Вокруг крупинок черного оксида сразу начинают выделяться пузырьки газа. Это кислород. Как бы долго ни протекала реакция, крупинки оксида марганца(IV) в растворе не растворяются. То есть, оксид марганца(IV) участвует в реакции, ее ускоряет, но сам в ней не расходуется.

Вещества, которые ускоряют реакцию, но не расходуются в реакции, называют катализаторами .

Реакции, ускоряемые катализаторами, называют каталитическими .

Ускорение реакции катализатором называют катализом .

Таким образом, оксид марганца (IV) в реакции разложения пероксида водорода служит катализатором. В уравнении реакции формула катализатора записывается сверху над знаком равенства. Запишем уравнение проведенной реакции. При разложении пероксида водорода выделяется кислород и образуется вода. Выделение кислорода из раствора показывают стрелкой, направленной вверх:

2. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().

3. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().

Домашнее задание

с. 66-67 №№ 2 – 5 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.

С получением кислорода можно провести в домашних условиях, используя незатейливые реактивы. В этой статье мы рассмотрим технику проведения экспериментов, химические формулы того, как превращаются вещества и выделяется О₂, а также изучим разные виды реакций получения кислорода.

Молекулы воды

Получение О₂ из воды в процессе электролиза

Этот эксперимент получится, если в воде содержится определенное количество солей. Поэтому он будет протекать интенсивнее, если в обычную воду добавить .

1. Взять два куска проволоки, подсоединить к разным клеммам батарейки (лучше использовать 9-вольтовую типа «Крона»).

2. Опустить оба конца проволоки в солевой раствор. Концы проволоки не должны соприкасаться. Удерживать образующийся О₂ сможет обычная картонка, которой нужно будет накрыть емкость.

3. В процессе электролиза начнется реакция расщепления воды на Н⁺ и ОH⁻. Положительные частицы подойдут к катоду, отрицательно заряженные - к аноду.

4. Узнать о состоянии происходящего процесса можно по пузырькам газа, то есть кислороду и некоторому количеству хлора (может возникать из раствора соли). вы сможете изучить свойства этого газа на примере наглядных опытов.

Старинная установка для электролиза

Получение О₂ из водного раствора гидроперита

Для опыта пригодятся как аптечные растворы перекиси водорода, так и сухие таблетированные формы, которые можно будет развести водой. Реакция происходит при наличии катализатора (им может быть оксид марганца, стальная стружка или активированный уголь). В прозрачной пробирке реакция катализа дает результат без нагрева, при комнатной температуре.

Что может понадобиться:

• 2 прозрачные пробирки;
• раствор гидроперита (3-5%-ный);
• оксид марганца или активированный уголь (таблетки угля можно приобрести в аптеках, только их нужно измельчить для увеличения удельной площади вещества).

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

Полезно знать! Эта же реакция дает очень интересный эффект пенного вулкана! Этот эксперимент можно показать в качестве фокуса детям!

Нужные ингредиенты:

• пробирка с широким горлом;
• сульфат меди;
• аммиак (нужно до 20 мл);
• жидкое моющее средство (вещество, содержащее ПАВы, до 50 мл);
• раствор перекиси водорода с концентрацией 30-50 % (чем она выше, тем выше скорость реакции). Получать такой раствор можно, растворив таблетки.

В чистой сухой пробирке растворить сульфат меди, добавляя до полного растворения сульфата. Получится аммиакат меди синего цвета (он будет катализатором при разложении перекиси):

Cu­SO₄ + 6NH₃ + 2H₂O = (OH)₂ + (NH4)₂SO₄

Вещество добавить в колбу с жидким моющим средством, взболтать. К аммиакату меди быстро добавить примерно 100 миллилитров раствора перекиси. Произойдет очень бурная реакция с выделением водорода и тепла (в условиях реакции выделяется пар).

Опыт лучше проводить опыт над большой емкостью, чтобы пена - иногда ее бывает слишком много - не «сбежала».

Еще один простой способ получения кислорода

Выполнять этот опыт можно без посторонней помощи. В домашних условиях несложно приготовить все необходимые компоненты.

1. Взять две одинаковые пробирки.

2. Закрыть их пробками, с заранее сделанными отверстиями.

3. В отверстие каждой пробки нужно вставить газоотводную трубку. Одну из пробирок (без марганцовки) перевернуть вверх дном, чтобы легкий кислород не улетучился.

4. Взять 10 грамм (гранулы марганцовки можно приобрести в аптеке) и насыпать порошок в одну пробирку.

5. Нагреть гранулы перманганата над огнем спиртовки

2КМnО₄ → МnО₂ + К₂МnО₄ + О₂

Через пару минут увидим результат: сгорая, марганцовка станет манганатом калия темно-зеленого цвета. А в другой (перевернутой) пробирке соберется получаемый в результате газ - кислород. Его будет много: из 10 грамм марганцовки можно сделать примерно 1 литр газа.

Проверить, есть ли в колбе кислород, можно, поместив в пробирку горящую спичку. Яркое свечение пламени укажет на присутствие О₂.

Значение кислорода для человека неоценимо велико. Он необходим для дыхания живых организмов, активно участвует в процессах горения. Получением кислорода занимаются растения. Именно в их зеленых листьях осуществляется важный процесс фотосинтеза, который и обогащает атмосферу земли этим ценным газом. А возможно ли получать кислород человеку? Промышленным способом его добывают из воздуха. При этом воздух сжижают и одновременно очищают. Но ведь на земной поверхности огромные запасы простого вещества воды, в химический состав которой входит кислород. Соответственно, еще один способ получения кислорода – это разложение воды. Причем осуществить данный процесс можно даже в домашних условиях.

Для этого понадобится гальваническая ванна, в которую наливается вода на высоту, превышающей середину ванны. В воду надо добавить до 2 мл разбавленной серной кислоты или едкого натра. Это делается для усиления электропроводности воды. Кроме того, необходимо взять два пластмассовых стакана. В дне каждого из них делается отверстие. Через него внутрь стакана помещается угольная пластина - электрод. Можно использовать и другой металл в качестве электрода (медный или железный) . А воздушную прослойку между такой пластиной и стаканом нужно хорошо заизолировать. Электроды помещаются в воду так, чтобы стаканы расположились вверх дном. А воздуха между дном стакана и поверхностью воды должно быть как можно меньше.

К верхней части каждого электрода припаивается металлический провод. Этими проводами электроды подключают к полюсам источника питания. Электрод, подключенный к отрицательному полюсу, называется катодом. А положительный электрод – анодом. В результате, при прохождении через воду электрического тока происходит электролиз воды. Химическая реакция идет по такому типу 2 H2O→2 H2+O2. Как видно из уравнения, образуется два газа. На катоде внутри стакана собирается водород, а на аноде – кислород. Образование газов можно наблюдать по поднимающимся из воды пузырьков. Образующийся кислород можно выводить из стакана в другой сосуд с помощью трубки от капельницы. Чтобы убедиться в наличии кислорода, можно внести в сосуд тлеющую лучину. Она ярко вспыхнет.

Любой химический опыт должен проводиться с соблюдением техники безопасности. Так и в этом случае нельзя смешивать эти два вида полученных газов. Также нужно избегать смешивания водорода с воздухом. Надо помнить, что водород взрывоопасен. Получение кислорода из воды приведенным способом дает небольшое количество данного газа. Образующийся кислород дополнительно вступает в реакцию с углем (материалом анода) с образованием примеси (углекислого газа) . Избежать этого можно, но надо использовать инертный электрод в виде металлической пластины, покрытой слоем платины или золота. . Такие устройства для получения кислорода называются электролизеры. Правда, количество получаемого кислорода невелико, и процесс требует больших затрат электроэнергии. Зато поиск исходного вещества (воды) не вызовет затруднений.

Кислород появился в земной атмосфере с возникновением зелёных растений и фотосинтезирующих бактерий. Благодаря кислороду аэробными организмами осуществляется дыхание или окисление. Важно получение кислорода в промышленности – он используется в металлургии, медицине, авиации, народном хозяйстве и других отраслях.

Свойства

Кислород - восьмой элемент периодической таблицы Менделеева. Это газ, поддерживающий горение и осуществляющий окисление веществ.

Рис. 1. Кислород в таблице Менделеева.

Официально кислород был открыт в 1774 году. Английский химик Джозеф Пристли выделил элемент из оксида ртути:

2HgO → 2Hg + O 2 .

Однако Пристли не знал, что кислород является частью воздуха. Свойства и нахождение в атмосфере кислорода позже уставил коллега Пристли - французский химик Антуан Лавуазье.

Общая характеристика кислорода:

• бесцветный газ;
• не имеет запаха и вкуса;
• тяжелее воздуха;
• молекула состоит из двух атомов кислорода (О 2);
• в жидком состоянии имеет бледно-голубой цвет;
• плохо растворим в воде;
• является сильным окислителем.

Рис. 2. Жидкий кислород.

Присутствие кислорода легко проверить, опустив в сосуд с газом тлеющую лучину. При наличии кислорода лучина вспыхивает.

Как получают

Известно несколько способов получения кислорода из различных соединений в промышленных и лабораторных условиях. В промышленности кислород получают из воздуха путём его сжижения под давлением и при температуре в -183°С. Жидкий воздух подвергают испарению, т.е. постепенно нагревают. При -196°C азот начинает улетучиваться, а кислород сохраняет жидкое состояние.

В лаборатории кислород образуется из солей, пероксида водорода и в результате электролиза. Разложение солей происходит при нагревании. Например, хлорат калия или бертолетову соль нагревают до 500°С, а перманганат калия или марганцовку - до 240°С:

• 2KClO 3 → 2KCl + 3O 2 ;
• 2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 .

Рис. 3. Нагревание бертолетовой соли.

Также можно получить кислород путём нагревания селитры или нитрата калия:

2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2 .

При разложении пероксида водорода используется оксид марганца (IV) - MnO 2 , углерод или порошок железа в качестве катализатора. Общее уравнение выглядит следующим образом:

2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2 .

Электролизу подвергается раствор гидроксида натрия. В результате образуется вода и кислород:

4NaOH → (электролиз) 4Na + 2H 2 O + O 2 .

Также кислород с помощью электролиза выделяют из воды, разложив её на водород и кислород:

2H 2 O → 2H 2 + O 2 .

На атомных подводных лодках кислород получали из пироксида натрия - 2Na 2 O 2 + 2CO 2 → 2Na 2 CO 3 + O 2 . Способ интересен тем, что вместе с выделением кислорода поглощается углекислый газ.

Как применяют

Собирание и распознавание необходимо для выделения чистого кислорода, использующегося в промышленности для окисления веществ, а также для поддержания дыхания в космосе, под водой, в задымлённых помещениях (кислород необходим пожарным). В медицине баллоны кислорода помогают дышать пациентам с затруднённым дыханием. Также кислород используется для лечения респираторных заболеваний.

Кислород применяют для сжигания топлива - угля, нефти, природного газа. Кислород широко применяется в металлургии и машиностроении, например, для плавки, резки и сварки металла.

Средняя оценка: 4.9 . Всего получено оценок: 206.

На сегодня вопрос экологии выходит на первый план. Но здоровая экология невозможна без кислорода. Именно он является основным кирпичиком поддержания жизни на планете . Кроме этого, кислород часто участвует во многих химических реакциях. Давайте рассмотрим, как получить кислород в условиях химической лаборатории.

Чтобы получить кислород укрепим пробирку из тугоплавкого стекла на штативе и внесем в нее 5 г порошкообразной (нитрата калия KNO 3 или нитрата натрия NaNO 3). Поставим под пробирку чашку из огнеупорного материала, наполненную песком, так как при этом опыте 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 KNO 2 . Бросим затем тигельными щипцами или пинцетом кусок черенковой 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).

Процесс протекает следующим образом (нагревание):

2KNO 3 → 2KNO 2 + О 2

Получить кислород можно и другими методами. Перманганат калия КМnО 4 отдает при нагревании кислород и превращается при этом в оксид марганца (4):

2КМnO 4 → МnO 2 + К 2 МnО 4 + O 2 .

Из 10 г перманганата калия можно получить примерно литр кислорода, значит двух граммов достаточно, чтобы наполнить кислородом пять пробирок нормальной величины.

Некоторое количество перманганата калия нагреем в тугоплавкой пробирке и уловим в пробирки выделяющийся кислород 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 .

В больших количествах получить кислород можно также из пероксида (перекиси) водорода Н 2 О 2 . Пероксид водорода мало устойчив. Уже при стоянии на воздухе он разлагается на кислород и :

2Н 2 O 2 → 2H 2 O + О 2

Получить кислород можно существенно быстрее, если добавить к пероксиду немного диоксида марганца МnО 2 , 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.

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 или ингибиторами . Например, фосфорная кислота препятствует разложению пероксида водорода. Поэтому продажный раствор пероксида водорода обычно стабилизирован фосфорной или мочевой кислотой. В живой природе во многих процессах участвуют так называемые биокатализаторы (энзимы, гормоны).