Как из h2o получить o2 уравнение

Урок 17. Получение кислорода

В уроке 17 «Получение кислорода» из курса «Химия для чайников» выясним, как получают кислород в лабораторных условиях; узнаем, что такое катализатор, и как растения влияют на производство кислорода на нашей планете.

Наиболее важным для человека и других живых организмов веществом, входящим в состав воздуха, является кислород. Большие количества кислорода используются в промышленности, поэтому важно знать, как можно его получать.

Получение кислорода в лабораторных условиях

В химической лаборатории кислород можно получать нагреванием некоторых сложных веществ, в состав которых входят атомы кислорода. К числу таких веществ относится вещество KMnO₄, которое имеется в вашей домашней аптечке под названием «марганцовка».

Вы знакомы с простейшими приборами для получения газов. Если в один из таких приборов поместить немного порошка KMnO₄ и нагреть, то будет выделяться кислород (рис. 76):

Кислород можно также получить разложением пероксида водорода H₂O₂. Для этого в пробирку с H₂O₂ следует добавить очень небольшое количество особого вещества — катализатора — и закрыть пробирку пробкой с газоотводной трубкой (рис. 77).

Для данной реакции катализатором является вещество, формула которого MnO₂. При этом протекает следующая химическая реакция:

Обратите внимание на то, что ни в левой, ни в правой частях уравнения формулы катализатора нет. Его формулу принято записывать в уравнении реакции над знаком равенства. Для чего же добавляется катализатор? Процесс разложения H₂O₂ при комнатных условиях протекает очень медленно. Поэтому для получения заметных количеств кислорода необходимо много времени. Однако эту реакцию можно резко ускорить путем прибавления катализатора.

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ней не расходуется.

Именно потому, что катализатор не расходуется в реакции, мы не записываем его формулу ни в одной из частей уравнения реакции.

Еще один способ получения кислорода — разложение воды под действием постоянного электрического тока. Этот процесс называется электролизом воды. Получить кислород можно в приборе, схематично изображенном на рисунке 78.

При этом протекает следующая химическая реакция:

Кислород в природе

Огромное количество газообразного кислорода содержится в атмосфере, растворено в водах морей и океанов. Кислород необходим всем живым организмам для дыхания. Без кислорода невозможно было бы получать энергию за счет сжигания различных видов топлива. На эти нужды ежегодно расходуется примерно 2% атмосферного кислорода.

Откуда берется кислород на Земле и почему его количество остается примерно постоянным, несмотря на такой расход? Единственным источником кислорода на нашей планете являются зеленые растения, производящие его под действием солнечного света в процессе фотосинтеза. Это очень сложный процесс, включающий много стадий. В результате фотосинтеза в зеленых частях растений углекислый газ и вода превращаются в глюкозу C₆H₁₂O₆ и кислород. Суммарное
уравнение реакций, протекающих в процессе фотосинтеза, можно представить следующим образом:

Установлено, что примерно одну десятую часть (11%) производимого зелеными растениями кислорода дают наземные растения, а остальные девять десятых (89%) — водные растения.

Получение кислорода и азота из воздуха

Огромные запасы кислорода в атмосфере позволяют получать и использовать его в различных производствах. В промышленных условиях кислород, азот и некоторые другие газы (аргон, неон) получают из воздуха.

Для этого воздух сначала превращают в жидкость (рис. 79) путем охлаждения до такой низкой температуры, при которой все его компоненты переходят в жидкое агрегатное состояние.

Затем эту жидкость медленно нагревают, в результате чего при разных температурах происходит последовательное выкипание (т. е. переход в газообразное состояние) веществ, которые содержатся в воздухе. Собирая выкипающие при разных температурах газы, по отдельности получают азот, кислород и другие вещества.

Краткие выводы урока:

1. В лабораторных условиях кислород получают разложением некоторых сложных веществ, в состав которых входят атомы кислорода.
2. Катализатор — вещество, которое ускоряет протекание химической реакции, но само при этом не расходуется.
3. Источником кислорода на нашей планете являются зеленые растения, в которых протекает процесс фотосинтеза.
4. В промышленности кислород получают из воздуха.

Надеюсь урок 17 «Получение кислорода» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

H2O2 — что это за вещество?

Общеизвестна формула основы жизни – воды. Её молекула состоит из двух атомов водорода и одного кислорода, что записывается как H2O. Если же кислорода будет в два раза больше, то получится совсем другое вещество – H2O2. Что это и чем полученное вещество будет отличаться от своей «родственницы» воды?

H2O2 – что это за вещество?

Остановимся на нем подробнее. H2O2 – формула перекиси водорода, Да, той самой, которой обрабатывают царапины, белой. Пероксид водорода H2O2 — название вещества научное.

Для дезинфекции используют трехпроцентный раствор перекиси. В чистом или концентрированном виде она вызывает химические ожоги кожи. Тридцатипроцентный раствор перекиси иначе называют пергидроль; раньше его применяли в парикмахерских для обесцвечивания волос. Обожженная им кожа также становится белой.

Химические свойства Н2О2

Перекись водорода представляет собой жидкость без цвета и с «металлическим» привкусом. Является хорошим растворителем и сама легко растворяется в воде, эфире, спиртах.

Трёх- и шестипроцентные растворы перекиси обычно готовят, разбавляя тридцатипроцентный раствор. При хранении концентрированного Н2О2 происходит разложение вещества с выделением кислорода, поэтому в плотно закупоренных емкостях его хранить не следует во избежание взрыва. С уменьшением концентрации пероксида, повышается его устойчивость. Также для замедления разложения Н2О2 можно добавлять в него различные вещества, например, фосфорную или салициловую кислоту. Для хранения растворов сильной концентрации (более 90 процентов) в перекись добавляют пирофосфат натрия, который стабилизирует состояние вещества, а также используют сосуды из алюминия.

Н2О2 в химических реакциях может быть как окислителем, так и восстановителем. Однако чаще пероксид проявляет окислительные свойства. Перекись принято считать кислотой, но очень слабой; соли перекиси водорода называют пероксидами.

Реакция разложения как метод получения кислорода

Реакция разложения Н2О2 происходит при воздействии на вещество высокой температуры (более 150 градусов Цельсия). В результате образуются вода и кислород.

Формула реакции – 2 Н2О2 + t -> 2 Н2О + О2

Можно посчитать электронный баланс H2O2 в уравнении:

Степень окисления Н в Н₂О₂ и Н₂О = +1.
Степень окисления О: в Н₂О₂ = -1, в Н₂О = -2, в О₂ = 0
2 О -1 — 2е -> О2 0

О -1 + е -> О -2
2 Н2О2 = 2 Н2О + О2

Разложение перекиси водорода может произойти и при комнатной температуре, если использовать катализатор (химическое вещество, ускоряющее реакцию).

В лабораториях одним из методов получения кислорода, наряду с разложением бертолетовой соли или марганцовки, является реакция разложения перекиси. В таком случае в качестве катализатора используют оксид марганца (IV). Другие вещества, ускоряющие разложение H2O2, – медь, платина, гидроксид натрия.

История открытия перекиси

Первые шаги к открытию перекиси были сделаны в 1790 году немцем Александром Гумбольдтом, когда он обнаружил превращения оксида бария в пероксид при нагревании. Тот процесс сопровождался поглощением кислорода из воздуха. Через двенадцать лет учеными Тенаром и Гей-Люссаком был проведен опыт по сжиганию щелочных металлов с избытком кислорода, в результате чего был получен пероксид натрия. Но пероксид водорода был получен позже, лишь в 1818 году, когда Луи Тенар изучал воздействие кислот на металлы; для их устойчивого взаимодействия было необходимо низкое количество кислорода. Проводя подтверждающий опыт с перекисью бария и серной кислотой, ученый добавил к ним воду, хлористый водород и лёд. Через непродолжительное время, Тенар обнаружил на стенках емкости с пероксидом бария небольшие застывшие капли. Стало ясно, что это H2O2. Тогда дали полученному H2O2 название «окисленная вода». Это и была перекись водорода — бесцветная, ничем не пахнущая, трудноиспаримая жидкость, хорошо растворяющая другие вещества. Результат взаимодействия H2O2 и H2O2 — реакция диссоциации, перекись растворима в воде.

Интересный факт – быстро обнаружились свойства нового вещества, позволяющие использовать его в реставрационных работах. Сам Тенар при помощи пероксида отреставрировал картину Рафаэля, потемневшую от времени.

Перекись водорода в XX веке

После тщательного изучения полученного вещества его стали производить в промышленных масштабах. В начале двадцатого века ввели электрохимическую технологию производства перекиси, основанную на процессе электролиза. Но срок годности полученного таким методом вещества был невелик, около пары недель. Чистая перекись нестабильна, и по большей части её выпускали в тридцатипроцентной концентрации для отбеливания ткани и в трёх- или шестипроцентной – для бытовых нужд.

Учёные фашистской Германии использовали пероксид для создания ракетного двигателя на жидком топливе, который использовался для оборонных нужд во Второй Мировой войне. В результате взаимодействия Н2О2 и метанола/гидразина, получалось мощное топливо, на котором самолет достигал скорости более 950 км/ч.

Где применяется Н2О2 сейчас?

• в медицине — для обработки ран;
• в целлюлозно-бумажной промышленности используются отбеливающие свойства вещества;
• в текстильной промышленности перекисью отбеливают натуральные и синтетические ткани, меха, шерсть;
• как ракетное топливо или его окислитель;
• в химии — для получения кислорода, как пенообразователь для производства пористых материалов, как катализатор или гидрирующий агент;
• для производства дезинфицирующих или чистящих средств, отбеливателей;
• для обесцвечивания волос (это устаревший метод, так как волосы сильно повреждаются пероксидом);

• некоторые используют перекись для отбеливания зубов, но при этом разрушается их эмаль;
• в аквариумистике и рыбных хозяйствах используют трёхпроцентный раствор Н2О2 для оживления задохнувшихся рыб, для уничтожения водорослей и паразитов в аквариуме, а также для борьбы с некоторыми заболеваниями рыбы;
• во всех отраслях пероксид может применяться как средство дезинфекции поверхностей, оборудования, упаковки;
• для чистки бассейнов;
• для добычи металлов и нефти в горно- и нефтедобывающей промышленности;
• для обработки металлов и сплавов в металлообработке.

Применение Н2О2 в быту

Перекись водорода можно успешно применять для решения разных бытовых задач. Но использовать в этих целях можно лишь трёхпроцентную перекись водорода. Вот некоторые способы:

• Для очистки поверхностей нужно залить перекись в сосуд пульверизатором и разбрызгивать на загрязненные места.
• Для дезинфекции предметов их нужно протереть неразбавленным раствором Н2О2. Это поможет очистить их от вредных микроорганизмов. Губки для мытья можно замочить в воде с перекисью (пропорция 1:1).
• Для отбеливания тканей при стирке белых вещей добавляют стакан пероксида. Можно также выполоскать белые ткани в воде, смешанной со стаканом Н2О2. Этот способ возвращает белизну, предохраняет ткани от пожелтения и помогает удалить трудновыводимые пятна.
• Для борьбы с плесенью и грибком следует смешать в емкости с пульверизатором перекись и воду в пропорции 1:2. Полученную смесь распылять на зараженные поверхности и через 10 минут очищать их при помощи щётки или губки.
• Обновить потемневшую затирку в кафельной плитке можно, распылив пероксид на нужные участки. Через 30 минут нужно тщательно потереть их жесткой щёткой.
• Для мытья посуды полстакана Н2О2 добавить в полный таз с водой (или раковину с закрытым сливом). Промытые в таком растворе чашки и тарелки будут сиять чистотой.
• Чтобы очистить зубную щётку, нужно опустить её в неразведенный трёхпроцентный раствор перекиси. Затем промыть под сильной струей воды. Этот способ хорошо дезинфицирует предмет гигиены.
• Чтобы продезинфицировать купленные овощи и фрукты, следует распылить на них раствор 1 части перекиси и 1 части воды, после чего тщательно промыть их водой (можно холодной).
• На дачном участке при помощи Н2О2 можно бороться с болезнями растений. Нужно опрыскивать их раствором перекиси или замочить семена незадолго до посадки в 4,5 литрах воды, смешанной с 30 мл сорокапроцентной перекиси водорода.
• Для оживления аквариумных рыбок, если они отравились аммиаком, задохнулись при отключении аэрации или по другой причине, можно попробовать поместить их в воду с перекисью водорода. Нужно смешать трёхпроцентную перекись с водой из расчёта 30 мл на 100 литров и поместить в полученную смесь бездыханных рыб на 15-20 минут. Если они не оживут за это время, значит, средство не помогло.

Перекись водорода в природе

Не стоит считать пероксид водорода искусственным соединением, получаемым только в лабораториях. В Н2О2 содержится в дожде и снеге, в горном воздухе. В горах можно встретить источники и реки с белой от мельчайших кислородных пузырьков водой, которая справедливо считается полезной. Мало кто знает, что цвет и пузырьки обусловлены наличием в воде Н2О2, образующейся из-за хорошей её аэрации. Между тем, не стоит бояться пить такую воду некипяченой, если, разумеется, поблизости нет заводов и фабрик. Перекись водорода, естественным путем образующаяся в воде, служит обеззараживающим средством против микроорганизмов и паразитов.

Даже в результате активного встряхивания бутылки с водой в ней образуется некоторое количество пероксида, так как вода при этом действии насыщается кислородом.

В свежих фруктах и овощах Н2О2 также содержится, пока они не подвергнутся термической обработке. При нагреве, варке, обжарке и других процессах с сопутствующей высокой температурой уничтожается большое количество кислорода. Именно поэтому прошедшие кулинарную обработку продукты считаются не такими полезными, хотя какое-то количество витаминов в них остается. Свежевыжатые соки или кислородные коктейли, подаваемые в санаториях, полезны по той же причине – из-за насыщения кислородом, который дает организму новые силы и очищает его.

Опасность перекиси при употреблении внутрь

После вышесказанного может показаться, что перекись можно специально принимать внутрь, и от этого будет польза организму. Но это совсем не так. В воде или соках соединение содержится в минимальных количествах и тесно связано с другими веществами. Прием же «ненатуральной» перекиси водорода внутрь (а вся перекись, купленная в магазине или произведенная в результате химических опытов самостоятельно, никак не может считаться натуральной, к тому же обладает слишком высокой концентрацией по сравнению с природной) может привести к опасным для жизни и здоровья последствиям. Чтобы понять — почему, нужно вновь обратиться к химии.

Как уже упомянуто, при некоторых условиях пероксид водорода разрушается и выделяет кислород, являющийся активным окислителем. Например, реакция разложения может произойти при столкновении Н2О2 с пероксидазой – внутриклеточным ферментом. В основе использования перекиси для дезинфекции положены именно её окислительные свойства. Так, когда рану обрабатывают Н2О2 – выделяющийся кислород уничтожает живые патогенные микроорганизмы, попавшие в нее. Такое же действие она оказывает и на другие живые клетки. Если обработать неповрежденную кожу пероксидом, а потом протереть место обработки спиртом, почувствуется жжение, что подтверждает наличие микроскопических повреждений после перекиси. Но при внешнем применении перекиси низкой концентрации какого-то заметного вреда организму не будет.

Другое дело, если её пытаться принимать внутрь. То вещество, которое способно повреждать даже сравнительно толстую кожу снаружи, попадает на слизистые оболочки пищеварительного тракта. То есть происходят химические мини-ожоги. Разумеется, выделяющийся окислитель – кислород – может заодно убить и вредные микробы. Но этот же процесс произойдет и с клетками пищевого тракта. Если ожоги в результате действия окислителя будут повторяться, то возможна атрофия слизистых оболочек, а это – первый шаг на пути к раку. Гибель клеток кишечника приводит к невозможности организма усваивать питательные вещества, этим объясняется, например, снижение веса и исчезновение запоров у некоторых людей, практикующих «лечение» перекисью.

Отдельно нужно сказать о таком методе употребления перекиси, как внутривенные инъекции. Даже если по какой-то причине их назначил врач (оправдано это может быть лишь при заражении крови, когда других подходящих лекарств в наличии нет), то под медицинским наблюдением и со строгим расчетом дозировок риски все-таки есть. Но в такой экстремальной ситуации это будет шансом на выздоровление. Самому же назначать себе уколы перекиси водорода ни в коем случае нельзя. Н2О2 представляет большую опасность для клеток крови – эритроцитов и тромбоцитов, так как при попадании в кровеносное русло разрушает их. К тому же, может произойти смертельно опасная закупорка сосудов высвободившимся кислородом – газовая эмболия.

Меры безопасности в обращении с Н2О2

• Хранить в недоступном для детей и недееспособных лиц месте. Отсутствие запаха и выраженного вкуса делает перекись особенно опасной для них, так как могут быть приняты большие дозы. При попадании внутрь раствора, последствия употребления могут быть непредсказуемыми. Необходимо незамедлительно обратиться к врачу.
• Растворы перекиси концентрацией более трёх процентов вызывают ожоги при попадании на кожу. Место ожога нужно промыть большим количеством воды.

• Не допускать попадания раствора пероксида в глаза, так как образуется их отек, покраснение, раздражение, иногда болевые ощущения. Первая помощь до обращения к врачу – обильное промывание глаз водой.
• Хранить вещество так, чтобы было понятно, что это — H2O2, то есть в емкости с наклейкой во избежание случайного применения не по назначению.
• Условия хранения, продлевающие его срок, – темное, сухое, прохладное место.
• Нельзя смешивать пероксид водорода с любыми жидкостями, кроме чистой воды, в том числе и с хлорированной водой из-под крана.
• Все вышесказанное применимо не только к Н2О2, но и ко всем содержащим его препаратам.

Получение водорода

История открытия водорода История водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется некий неизвестный газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Такое название газ получил из-за способности гореть. Во второй половине XVIII века английский ученый Генри Кавендиш получил водород при действии соляной кислоты HCl на цинк:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2­

Что же такое кислота с точки зрения химии? Кислота – это сложное вещество, в состав которого всегда входят атомы водорода. В формулах кислот атомы водорода принято писать на первом месте. Атомы, следующие в формуле за водородом, называют кислотным остатком. Так, в соляной кислоте HCl кислотный остаток – Cl.

Например, в серной кислоте H2SO4, кислотный остаток – SO4. Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ намного легче воздуха, а при сгорании на воздухе образует прозрачные капли жидкости. Этой жидкостью оказалась вода.

Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода. Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 году французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Антуан Лоран Лавуазье дал этому веществу латинское название (Hydrogenium), которое происходило от греческих слов «хюдор» – вода и «геннао» – рождаю. В те годы под элементами подразумевали простые вещества, которые нельзя далее разложить на составные части. Поэтому у химического элемента водорода такое же название, как и у просто вещества H2. Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium.

Получение водорода в лаборатории

Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами. В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152).

Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:

1. реакционная колба с резервуаром;
2. воронка с длинной трубкой;
3. газоотводная трубка.

Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна. На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа. При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции. Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2­

Водородом можно заполнить мыльный пузырь.

Для этого необходимо опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода. Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды. Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок.

Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.

Получение водорода в промышленности

Одним из промышленных способов получения водорода является реакция разложения воды под действием электрического тока:

2H2O эл.ток → 2H2­ + O2­.

Данный метод позволяет получить чистый водород и кислород. Процесс превращения химических веществ в другие вещества под действием электричества называется электролизом.

Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока Проведем электролиз воды. В стакан наполненный водой, опустим металлические электроды. Поверх электродов опустим в стакан пробирки, заполненные водой. Подсоединим электроды к источнику тока – батарейке. В пробирках наблюдается выделение газов – водорода и кислорода, которые вытесняют воду. Наблюдая за процессом электролиза, можно заметить, что в одной из пробирок газа собирается в два раза больше, чем в другой. Проанализировав уравнение реакции электролиза воды, можно сделать вывод, в какой пробирке выделяется водород, а в какой – кислород. Попробуйте это сделать самостоятельно.

Существуют и другие способы получения водорода. Железо-паровой метод долгое время широко применялся в промышленности. Через электрическую трубчатую печь проходит трубка из нержавеющей стали, заполненная железными стружками. Через трубку с железными стружками пропускают водяной пар. При температуре около 800°С пары воды взаимодействуют с железом, образуя оксид Fe3O4 (железную окалину) и газообразный водород:

3Fe + 4Н2О = 4Н2­ + Fe3O4.

Можно получить Н2, пропуская Н2О через слой раскаленного угля. При этом образуется смесь двух газов – СО и Н2 (водяной газ):

Н2О + С = CO­ + Н2­

В настоящее время водород получают взаимодействием углеводородов (в основном метана, СН4) с водяным паром или неполным окислением метана кислородом:

2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2

Итог статьи:

• В лаборатории водород получают в аппарате Киппа
• Исходными веществами для получения водорода в лаборатории являются некоторые металлы и кислоты
• Собирать водород нужно методом вытеснения воды, или методом вытеснения воздуха, расположив пробирку вверх дном по отношению к газоотводной трубке
• Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток
• Обнаружить водород можно по характерному хлопку при поднесении пробирки с водородом к пламени
• Одним из промышленных способов получения водорода является электролиз воды
• Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока