Способи одержання кисню реакції. Промислове одержання кисню. Знаходження у природі

Кисень з'явився в земній атмосферіз виникненням зелених рослин та фотосинтезуючих бактерій. Завдяки кисню аеробними організмами здійснюється дихання чи окислення. Важливо отримання кисню в промисловості - він використовується в металургії, медицині, авіації, народному господарствіта інших галузях.

Властивості

Кисень - восьмий елемент періодичної таблиціМенделєєва. Це газ, що підтримує горіння та здійснює окислення речовин.

Мал. 1. Кисень у таблиці Менделєєва.

Офіційно кисень було відкрито 1774 року. Англійський хімік Джозеф Прістлі виділив елемент із оксиду ртуті:

2HgO → 2Hg + O 2 .

Однак Прістлі не знав, що кисень є частиною повітря. Властивості та перебування в атмосфері кисню пізніше вставив колега Прістлі – французький хімік Антуан Лавуазьє.

Загальна характеристика кисню:

безбарвний газ;
не має запаху та смаку;
важче за повітря;
молекула і двох атомів кисню (Про 2);
у рідкому стані має блідо-блакитний колір;
погано розчинний у воді;
є сильним окислювачем.

Мал. 2. Рідкий кисень.

Присутність кисню легко перевірити, опустивши в посудину з газом лучину, що тліє. За наявності кисню скіпка спалахує.

Як отримують

Відомо кілька способів отримання кисню з різних сполук у промислових і лабораторних умов. У промисловості кисень отримують з повітря шляхом його зрідження під тиском і при температурі -183°С. Рідке повітря випаровують, тобто. поступово нагрівають. При -196°C азот починає випаровуватися, а кисень зберігає рідкий стан.

У лабораторії кисень утворюється із солей, пероксиду водню та в результаті електролізу. Розкладання солей відбувається при нагріванні. Наприклад, хлорат калію або бертолетову сіль нагрівають до 500°С, а перманганат калію або марганцівку - до 240°С:

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

Мал. 3. Нагрівання бертолетової солі.

Також можна отримати кисень шляхом нагрівання селітри або нітрату калію:

2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2 .

При розкладанні пероксиду водню використовується оксид марганцю (IV) - MnO 2 , вуглець або порошок заліза як каталізатор. Загальне рівняннявиглядає так:

2Н2О2 → 2Н2О+О2.

Електроліз піддається розчин гідроксиду натрію. В результаті утворюється вода та кисень:

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

Також кисень за допомогою електролізу виділяють із води, розклавши її на водень та кисень:

2H 2 O → 2H 2 + O 2 .

На атомних підводних човнах кисень отримували з піроксиду натрію - 2Na 2 O 2 + 2CO 2 → 2Na 2 CO 3 + O 2 . Спосіб цікавий тим, що разом із виділенням кисню поглинається вуглекислий газ.

Як застосовують

Збирання та розпізнавання необхідно для виділення чистого кисню, що використовується в промисловості для окислення речовин, а також для підтримки дихання в космосі, під водою, у задимлених приміщеннях (кисень необхідний пожежникам). У медицині балони кисню допомагають дихати пацієнтам із утрудненим диханням. Також кисень використовується для лікування респіраторних захворювань.

Кисень застосовують для спалювання палива – вугілля, нафти, природного газу. Кисень широко застосовується в металургії та машинобудуванні, наприклад, для плавки, різання та зварювання металу.

Середня оцінка: 4.9. Усього отримано оцінок: 220.

Невичерпним джерелом кисню є повітря. Щоб отримати з нього кисень, слід відокремити газ від азоту та інших газів. На такій ідеї ґрунтується промисловий метод отримання кисню. Його реалізують, використовуючи спеціальну, досить громіздку апаратуру. Спочатку повітря сильно охолоджують до перетворення його на рідину. Потім температуру зрідженого повітря поступово підвищують. Першим починає виділятися газ азот (температура кипіння рідкого азоту становить -196 °С), а рідина збагачується киснем.

Отримання кисню у лабораторії. Лабораторні методи одержання кисню засновані на хімічних реакціях.

Дж. Прістлі отримував цей газ із сполуки, назва якої - меркурій(II) оксид. Вчений використовував скляну лінзу, за допомогою якої фокусувало на речовині сонячне світло.

У сучасному виконанні цей досвід зображено на малюнку 54. При нагріванні меркурій(||) оксид (порошок) жовтого кольору) перетворюється на ртуть і кисень. Ртуть виділяється в газоподібному станіі конденсується на стінках пробірки у вигляді сріблястих крапель. Кисень збирається над водою у другій пробірці.

Зараз метод Прістлі не використовують, оскільки пари ртуті токсичні. Кисень одержують за допомогою інших реакцій, подібних до розглянутої. Вони зазвичай відбуваються при нагріванні.

Реакції, у яких з однієї речовини утворюються кілька інших, називають реакціями розкладання.

Для отримання кисню в лабораторії використовують такі оксигеновмісні сполуки:

Калій перманганат KMnO4 (побутова назва марганцівка; речовина є поширеним дезінфікуючим засобом)

Калій хлорат KClO3 (тривіальна назва – бертолетова сіль, на честь французького хіміка кінця XVIII - початку XIXв. К-Л. Бертолі)

Невелика кількість каталізатора - манган (IV) оксиду MnO2 - додають калій хлорату для того, щоб розкладання з'єднання відбувалося з виділенням кисню1.

Будова молекул гідридів халькогенів Н2Еможна проаналізувати за допомогою методу молекулярних орбіталей(МО). Як приклад розглянемо схему молекулярних орбіталей молекули води (рис.3)

Для побудови (Докладніше див. Г. Грей "Електрони та хімічний зв'язок", М., вид-во "Світ", 1967, с.155-62 і G. L.Miessier, D. A. Tarr, "Inorganic Chemistry", Prantice Hall Int. Inc ., 1991, p.153-57) схеми МО молекули Н2О сумісний початок координат з атомом кисню, а атоми водню розташуємо в площині xz (рис.3). Перекривання 2s- та 2p-АТ кисню з 1s-АТ водню показано на рис.4. У формуванні МО беруть участь АТ водню та кисню, які мають однакову симетрію та близькі енергії. Однак вклад АТ у освіту МО різний, що відображається у різних величинах коефіцієнтів у відповідних лінійних комбінаціяхАТ. Взаємодія (перекривання) 1s-АТ водню, 2s - і 2рz-АТ кисню призводить до утворення 2a1-зв'язувальної та 4a1-розпушує МО.

Чотири елементи-«халькогени» (тобто «які породжують мідь») очолюють головну підгрупу VI групи (за новою класифікацією - 16-ю групу) періодичної системи. Крім сірки, телуру та селену до них також відноситься кисень. Давайте докладно розберемо властивості цього найпоширенішого на Землі елемента, а також застосування та отримання кисню.

Поширеність елемента

У зв'язаному вигляді кисень входить у хімічний складводи - його відсоткове співвідношення становить близько 89%, а також до складу клітин всіх живих істот - рослин та тварин.

У повітрі кисень знаходиться у вільному стані у вигляді О2, займаючи п'яту частину його складу, та у вигляді озону - О3.

Фізичні властивості

Кисень О2 є газом, який не має кольору, смаку і запаху. У воді розчиняється слабо. Температура кипіння - 183 градуси нижче за нуль за Цельсієм. У рідкому вигляді кисень має блакитний колір, а у твердому вигляді утворює сині кристали. Температура плавлення кисневих кристалів становить 218,7 градуса нижче за нуль за Цельсієм.

Хімічні властивості

При нагріванні цей елемент реагує з багатьма простими речовинами, Як металами, так і неметалами, утворюючи при цьому так звані оксиди - з'єднання елементів з киснем. яку елементи вступають з киснем, називається окисленням.

Наприклад,

4Na + О2 = 2Na2O

2. Через розкладання перекису водню при нагріванні їх у присутності оксиду марганцю, що у ролі каталізатора.

3. Через розкладання перманганату калію.

Отримання кисню у промисловості проводиться такими способами:

1. Для технічних цілей кисень одержують із повітря, у якому звичайне його зміст становить близько 20%, тобто. п'яту частину. Для цього повітря спочатку спалюють, отримуючи суміш із вмістом рідкого кисню близько 54%, рідкого азоту – 44% та рідкого аргону – 2%. Потім ці гази поділяють за допомогою процесу перегонки, використовуючи порівняно невеликий інтервал між температурами кипіння рідкого кисню та рідкого азоту - мінус 183 та мінус 198,5 градуса відповідно. Виходить, що азот випаровується раніше, ніж кисень.

Сучасна апаратура забезпечує отримання кисню будь-якого ступеня чистоти. Азот, який виходить при розподілі використовується як сировина при синтезі його похідних.

2. також дає кисень дуже чистого ступеня. Цей спосіб набув поширення в країнах з багатими ресурсами та дешевою електроенергією.

Застосування кисню

Кисень є основним за значенням елементом у життєдіяльності всієї нашої планети. Цей газ, який міститься в атмосфері, витрачається у процесі тваринами та людьми.

Отримання кисню дуже важливе для таких сфер діяльності людини, як медицина, зварювання та різання металів, вибухові роботи, авіація (для дихання людей і для роботи двигунів), металургія.

У процесі господарської діяльностілюдини кисень витрачається у великих кількостях - наприклад, при спалюванні різних видів палива: газу, метану, вугілля, деревини. При цьому природа передбачила процес природного зв'язування даної сполуки за допомогою фотосинтезу, який проходить у зелених рослинах під дією сонячного світла. Внаслідок цього процесу утворюється глюкоза, яку рослина потім витрачає для будівництва своїх тканин.

Історія відкриття кисню Відкриття кисню ознаменувало новий періоду розвитку хімії. З давніх-давен було відомо, що для горіння необхідне повітря. Процес горіння речовин тривалий час залишався незрозумілим. В епоху алхімії широкого поширення набула теорія флогістона, згідно з якою речовини горять завдяки їхній взаємодії з вогненною матерією, тобто з флогістоном, що міститься в полум'ї. Кисень був отриманий англійським хіміком Джозефом Прістлі у 70-х роках XVIII століття. Хімік нагрівав червоний порошок оксиду ртуті (II), в результаті речовина розкладалася, з утворенням металевої ртуті та безбарвного газу:

2HgO t° → 2Hg + O2

Оксиди– бінарні сполуки, до складу яких входить кисень При внесенні тліючої скіпки в посудину з газом вона яскраво спалахувала.Вчений вважав, що тліюча скіпка вносить у газ флогістон, і він спалахує. Д. Прістлінамагався дихати отриманим газом, і був захоплений тим, як легко і вільно їм дихається. Тоді вчений і не припускав, що задоволення дихати цим газом надане кожному. Результатами своїх дослідів Д. Прістлі поділився з французьким хіміком Антуаном Лораном Лавуазьє.Маючи добре оснащену на той час лабораторію, А. Лавуазьє повторив та вдосконалив досліди Д. Прістлі. А. Лавуазьє виміряв кількість газу, що виділяється при розкладанні певної маси оксиду ртуті.Потім хімік нагрів у герметичній посудині металеву ртуть доти, доки вона не перетворилася на оксид ртуті (II). Він виявив, що кількість газу, що виділився в першому досвіді дорівнює газу, що поглинувся в другому досвіді. Отже, ртуть реагує з якоюсь речовиною, що міститься у повітрі. І ця ж речовина виділяється при розкладанні оксиду. Лавуазьє першим зробив висновок, що флогістон тут абсолютно ні до чого, і горіння тліючої скіпки викликає саме невідомий газ, який згодом був названий киснем. Відкриття кисню ознаменувало крах теорії флогістону!

Способи одержання та збирання кисню в лабораторії

Лабораторні методи отримання кисню дуже різноманітні. Існує багато речовин, з яких можна отримати кисень. Розглянемо найпоширеніші методи.

1) Розкладання оксиду ртуті (II)

Одним із способів отримання кисню в лабораторії є його отримання за описаною вище реакції розкладання оксиду ртуті (ІІ).Зважаючи на високу токсичність сполук ртуті та парів самої ртуті, цей спосіб використовується вкрай рідко.

2) Розкладання перманганату калію

Перманганат калію(у побуті ми називаємо його марганцівкою) – кристалічна речовинатемно-фіолетового кольору. При нагріванні перманганату калію виділяється кисень. У пробірку насипаємо трохи порошку перманганату калію і закріпимо горизонтально в лапці штатива. Неподалік отвору пробірки помістимо шматочок вати. Закриємо пробірку пробкою, в яку вставлено газовідвідну трубку, кінець якої опустимо в посудину-приймач. Газовідвідна трубка повинна доходити до дна судини-приймача. Ватка, що знаходиться біля отвору пробірки потрібна, щоб запобігти попаданню частинок перманганату калію в посудину-приймач (при розкладі кисень, що виділяється, захоплює за собою частинки перманганату). Коли пристрій зібраний, починаємо нагрівання пробірки. Починається виділення кисню. Рівняння реакції розкладання перманганату калію:

2KMnO4 t° → K2MnO4 + MnO2 + O2

Як виявити присутність кисню? Скористаємося способом Прістлі. Підпалимо дерев'яну лучину, дамо їй трохи погоріти, потім погасимо, щоб вона ледве тліла. Опустимо тліючу скіпку в посудину з киснем. Промінь яскраво спалахує! Газовідвідна трубкабула невипадково опущена до дна судини-приймача. Кисень важчий за повітря, отже, він буде збиратися в нижній частині приймача, витісняючи з нього повітря. Кисень можна зібрати і шляхом витіснення води. Для цього газовідвідну трубку необхідно опустити в пробірку, заповнену водою, і опущену кристалізатор з водою вниз отвором. При надходженні кисню газ витісняє воду з пробірки.

Розкладання пероксиду водню

Пероксид водню- Речовина всім відома. В аптеці воно продається під назвою "перекис водню". Дана назва є застарілою, правильніше використовувати термін «пероксид». Хімічна формулапероксиду водню Н2О2 Пероксид водню при зберіганні повільно розкладається на воду та кисень. Щоб прискорити процес розкладання можна зробити нагрівання або застосувати каталізатор.

Каталізатор- Речовина, що прискорює швидкість протікання хімічної реакції

Наллємо в колбу пероксид водню, внесемо в рідину каталізатор. Каталізатором може бути порошок чорного кольору – оксид марганцю. MnO2.Негайно суміш почне спінюватися внаслідок виділення великої кількостікисню. Внесемо в колбу тліючу скіпку - вона яскраво спалахує. Рівняння реакції розкладання пероксиду водню:

2H2O2 MnO2 → 2H2O + O2

Зверніть увагу: каталізатор, який прискорює перебіг реакції, записується над стрілкою або знаком «=», тому що він не витрачається під час реакції, а лише прискорює її.

Розкладання хлорату калію

Хлорат калію– кристалічна речовина білого кольору. Використовується у виробництві феєрверків та інших різних піротехнічних виробів. Зустрічається тривіальна назва цієї речовини - "Бертолетова сіль". Таку назву речовина отримала на честь французького хіміка, який вперше синтезував її, – Клода Луї Бертолле. Хімічна формула хлорату калію KСlO3.При нагріванні хлорату калію у присутності каталізатора – оксиду марганцю MnO2, бертолетова сіль розкладається за такою схемою:

2KClO3 t°, MnO2 → 2KCl + 3O2.

Розкладання нітратів

Нітрати– речовини, що містять у своєму складі іони NO3⎺.З'єднання даного класувикористовуються як мінеральні добрива, входять до складу піротехнічних виробів. Нітрати- З'єднання термічно нестійкі, і при нагріванні розкладаються з виділенням кисню: Зверніть увагу, що всі розглянуті способи отримання кисню схожі. У всіх випадках кисень виділяється при розкладанні складніших речовин. Реакція розкладання– реакція, внаслідок якої складні речовинирозкладаються на простіші загальному виглядіреакцію розкладання можна описати буквеною схемою:

АВ → А+В.

Реакції розкладання можуть протікати під час різних чинників. Це може бути нагрівання, дія електричного струмузастосування каталізатора. Існують реакції, у яких речовини розкладаються мимовільно.

Отримання кисню у промисловості

У промисловості кисень отримують шляхом виділення з повітря. Повітря- Суміш газів, основні компоненти якої представлені в таблиці. Сутність цього способу полягає в глибокому охолодженні повітря з перетворенням його на рідину, що при нормальному атмосферному тискуможе бути досягнуто при температурі близько -192°С. Поділ рідини на кисень та азот здійснюється шляхом використання різниці температур їх кипіння, а саме: Ткіп. О2 = -183 ° С; Ткіп.N2 = -196 ° С(При нормальному атмосферному тиску). При поступовому випаровуванні рідини в газоподібну фазу насамперед переходитиме азот, що має більше низьку температурукипіння, і, в міру його виділення, рідина збагачуватиметься киснем. Багаторазове повторення цього процесу дозволяє отримати кисень та азот необхідної чистоти. Такий спосіб поділу рідин на складові називаються ректифікація рідкого повітря.

У лабораторії кисень одержують реакціями розкладання
Реакція розкладання– реакція, внаслідок якої складні речовини розкладаються на простіші
Кисень можна зібрати методом витіснення повітря або методом витіснення води
Для виявлення кисню використовують тліючу лучину, вона яскраво спалахує в ньому.
Каталізатор– речовина, що прискорює хімічну реакцію, але не витрачається в ній

]]>

Здрастуйте.. Сьогодні я розповім Вам про кисень і про способи його отримання. Нагадую, якщо у Вас будуть запитання до мене, Ви можете писати їх у коментарях до статті. Якщо Вам знадобиться будь-яка допомога з хімії, . Радий Вам допомогти.

Кисень поширений у природі у вигляді ізотопів 16 О, 17 О, 18 О, які мають наступний відсотковий вміст на Землі – 99,76%, 0,048%, 0,192% відповідно.

У вільному стані кисень знаходиться в вигляді трьох алло-тропних модифікацій : атомарного кисню - Про, дикисню - Про 2 і озону - Про 3 . Причому атомарний кисень може бути отриманий наступним чином:

КClO 3 = KCl + 3O 0

KNO 3 = KNO 2 + O 0

Кисень входить до складу понад 1400 різних мінералів та органічних речовин, В атмосфері його зміст становить 21% за обсягом. А в людському тіліміститься до 65% кисню. Кисень газ без кольору та запаху, мало розчинний у воді (у 100 об'ємах води при 20 про С розчиняється 3 об'єми кисню).

У лабораторії кисень одержують помірним нагріванням деяких речовин:

1) При розкладанні сполук марганцю (+7) та (+4):

2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2
перманганат манганат
калію калію

2MnO 2 → 2MnO + O 2

2) При розкладанні перхлоратів:

2KClO 4 → KClO 2 + KCl + 3O 2
перхлорат
калію

3) При розкладанні бертолетової солі (хлорату калію).
При цьому утворюється атомарний кисень:

2KClO 3 → 2 KCl + 6O 0
хлорат
калію

4) При розкладанні на світлі солей хлорнуватистої кислоти- гіпохлоритів:

2NaClO → 2NaCl + O 2

Ca(ClO) 2 → CaCl 2 + O 2

5) При нагріванні нітратів.
У цьому утворюється атомарний кисень. Залежно від цього, яке становище серед активності займає метал нітрату, утворюються різні продукти реакції:

2NaNO 3 → 2NaNO 2 + O 2

Ca(NO 3) 2 → CaO + 2NO 2 + O 2

2AgNO 3 → 2 Ag + 2NO 2 + O 2

6) При розкладанні пероксидів:

2H 2 O 2 ↔ 2H 2 O + O 2

7) При нагріванні оксидів неактивних металів:

2Аg 2 O ↔ 4Аg + O 2

Цей процес має актуальне значення у побуті. Справа в тому, що посуд, виготовлений із міді або срібла, маючи природний шар оксидної плівки, при нагріванні утворює активний кисень, що є антибактеріальним ефектом. Розчинення солей неактивних металів, особливо нітратів, також призводить до утворення кисню. Наприклад, сумарний процес розчинення нітрату срібла можна представити за етапами:

AgNO 3 + H 2 O → AgOH + HNO 3

2AgOH → Ag 2 O + O 2

2Ag 2 O → 4Ag + O 2

або у сумарному вигляді:

4AgNO 3 + 2H 2 O → 4Ag + 4HNO 3 + 7O 2

8) При нагріванні солей хрому вищого ступеняокислення:

4K 2 Cr 2 O 7 → 4K 2 CrO 4 + 2Cr 2 O 3 + 3 O 2
біхромат хромат
калію калію

У промисловості кисень одержують:

1) Електролітичним розкладанням води:

2Н 2 О → 2Н 2 + О 2

2) Взаємодіям вуглекислого газуз пероксидами:

СО 2 + К 2 О 2 →К 2 СО 3 + О 2

Даний спосіб є незамінним технічним вирішенням проблеми дихання в ізольованих системах: підводних човнах, шахтах, космічних апаратах.

3) При взаємодії озону із відновниками:

Про 3 + 2КJ + H 2 O → J 2 + 2KOH + O 2

Особливе значення одержання кисню має місце у процесі фотосинтезу, що відбувається у рослинах. Кардинально від цього процесу залежить все життя Землі. Фотосинтез – складний багатоступінчастий процес. Початок йому дає світло. Сам фотосинтез складається з двох фаз: світловий та темновий. У світлову фазу пігмент хлорофіл, що міститься в листі рослин, утворює так званий «світлопоглинаючий» комплекс, який забирає електрони у води, і тим самим розщеплює її на іони водню та кисень: