Химические и физические свойства, применение и получение кислорода. Получение кислорода — Гипермаркет знаний

Четыре элемента-«халькогена» (т.е. «рождающих медь») возглавляют главную подгруппу VI группы (по новой классификации - 16-ю группу) периодической системы. Кроме серы, теллура и селена к ним также относится кислород. Давайте подробно разберем свойства этого наиболее распространенного на Земле элемента, а также применение и получение кислорода.

Распространенность элемента

В связанном виде кислород входит в химический состав воды - его процентное соотношение составляет порядка 89%, а также в состав клеток всех живых существ - растений и животных.

В воздухе кислород находится в свободном состоянии в виде О2, занимая пятую часть его состава, и в виде озона - О3.

Физические свойства

Кислород О2 представляет собой газ, который не обладает цветом, вкусом и запахом. В воде растворяется слабо. Температура кипения - 183 градуса ниже нуля по Цельсию. В жидком виде кислород имеет голубой цвет, а в твердом виде образует синие кристаллы. Температура плавления кислородных кристаллов составляет 218,7 градуса ниже нуля по Цельсию.

Химические свойства

При нагревании этот элемент реагирует со многими простыми веществами, как металлами, так и неметаллами, образуя при этом так называемые оксиды - соединения элементов с кислородом. в которую элементы вступают с кислородом, называется окислением.

Например,

4Na + О2= 2Na2O

2. Через разложение перекиси водорода при нагревании ее в присутствии оксида марганца, выступающего в роли катализатора.

3. Через разложение перманганата калия.

Получение кислорода в промышленности проводится такими способами:

1. Для технических целей кислород получают из воздуха, в котором обычное его содержание составляет порядка 20%, т.е. пятую часть. Для этого воздух сначала сжигают, получая смесь с содержанием жидкого кислорода около 54%, жидкого азота - 44% и жидкого аргона - 2%. Затем эти газы разделяют с помощью процесса перегонки, используя сравнительно небольшой интервал между температурами кипения жидкого кислорода и жидкого азота - минус 183 и минус 198,5 градуса соответственно. Получается, что азот испаряется раньше, чем кислород.

Современная аппаратура обеспечивает получение кислорода любой степени чистоты. Азот, который получается при разделении жидкого воздуха, используется в качестве сырья при синтезе его производных.

2. также дает кислород очень чистой степени. Этот способ получил распространение в странах с богатыми ресурсами и дешевой электроэнергией.

Применение кислорода

Кислород является основным по значению элементом в жизнедеятельности всей нашей планеты. Этот газ, который содержится в атмосфере, расходуется в процессе животными и людьми.

Получение кислорода очень важно для таких сфер деятельности человека, как медицина, сварка и резка металлов, взрывные работы, авиация (для дыхания людей и для работы двигателей), металлургия.

В процессе хозяйственной деятельности человека кислород расходуется в больших количествах - например, при сжигании различных видов топлива: природного газа, метана, угля, древесины. Во всех этих процессах образуется При этом природа предусмотрела процесс естественного связывания данного соединения с помощью фотосинтеза, который проходит в зеленых растениях под действием солнечного света. В результате этого процесса образуется глюкоза, которую растение потом расходует для строительства своих тканей.

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.

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.

При и резке металла осуществляется высокотемпературным газовым пламенем, получаемым при сжигании горючего газа или паров жидкости в смеси с технически чистым кислородом.

Кислород является самым распространенным элементом на земле , встречающимся в виде химических соединений с различными веществами: в земле - до 50% по массе, в соединении с водородом в воде - около 86% по массе и в воздухе - до 21% по объему и 23% по массе.

Кислород при нормальных условиях (температура 20°С, давление 0,1 МПа) - это бесцветный, негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, но активно поддерживающий горение. При нормальном атмосферном давлении и температуре 0°С масса 1 м 3 кислорода равна 1,43 кг, а при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении - 1,33 кг.

Кислород имеет высокую химическую активность , образуя соединения со всеми химическими элементами, кроме (аргона, гелия, ксенона, криптона и неона). Реакции соединения с кислородом протекают с выделением большого количества теплоты, т. е. носят экзотермический характер.

При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами может произойти их самовоспламенение в результате выделения теплоты при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искрового разряда. Поэтому при использовании кислорода необходимо тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легковоспламеняющимися и горючими веществами.

Всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. способен образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами или парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры.

Отмеченные особенности кислорода следует всегда иметь в виду при использовании его в процессах газопламенной обработки.

Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем их объемном содержании: азота - 78,08%, кислорода - 20,95%, аргона-0,94%, остальное - углекислый газ, закись азота и др. Кислород получают разделением воздуха на кислород и методом глубокого охлаждения (сжижения), попутно идет отделение аргона, применение которого при непрерывно возрастает. Азот применяют как защитный газ при сварке меди.

Кислород можно получать химическим способом или электролизом воды. Химические способы малопроизводительны и неэкономичны. При электролизе воды постоянным током кислород получают как побочный продукт при производстве чистого водорода.

В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации. В установках для получения кислорода и азота из воздуха последний очищают от вредных примесей, сжимают в компрессоре до соответствующего давления холодильного цикла 0,6-20 МПа и охлаждают в теплообменниках до температуры сжижения, разница в температурах сжижения кислорода и азота составляет 13°С, что достаточно для их полного разделения в жидкой фазе.

Жидкий чистый кислород накапливается в воздухоразделительном аппарате, испаряется и собирается в газгольдере, откуда компрессором его накачивают в баллоны под давлением до 20 МПа.

Технический кислород транспортируют также по трубопроводу. Давление кислорода, транспортируемого по трубопроводу, должно быть согласовано между изготовителем и потребителем. К месту кислород доставляется в кислородных баллонах, и в жидком виде - в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.

Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм 3 жидкого кислорода при испарении дает 860 дм 3 газообразного. Поэтому доставлять кислород к месту сварки целесообразно в жидком состоянии, так как при этом в 10 раз уменьшается масса тары, что позволяет экономить металл на изготовление баллонов, уменьшать расходы на транспортировку и хранение баллонов.

Для сварки и резки по -78 технический кислород выпускается трех сортов:

• 1-й - чистотой не менее 99,7%
• 2-й - не менее 99,5%
• 3-й - не менее 99,2% по объему

Чистота кислорода имеет большое значение для кислородной резки. Чем меньше содержится в нем газовых примесей, тем выше скорость реза, чище и меньше расход кислорода.

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.