Уравнение получения кислорода из селитры

Получение кислорода

История открытия кислорода

Открытие кислорода ознаменовало новый период в развитии химии. С глубокой древности было известно, что для горения необходим воздух. Процесс горения веществ долгое время оставался непонятным. В эпоху алхимии широкое распространение получила теория флогистона, согласно которой вещества горят благодаря их взаимодействию с огненной материей, то есть с флогистоном, который содержится в пламени. Кислород был получен английским химиком Джозефом Пристли в 70-х годах XVIII века. Химик нагревал красный порошок оксида ртути (II), в итоге вещество разлагалось, с образованием металлической ртути и бесцветного газа:

Оксиды – бинарные соединения, в состав которых входит кислород При внесении тлеющей лучины в сосуд с газом она ярко вспыхивала. Ученый считал, что тлеющая лучина вносит в газ флогистон, и он загорается. Д. Пристли пробовал дышать полученным газом, и был восхищен тем, как легко и свободно им дышится. Тогда ученый и не предполагал, что удовольствие дышать этим газом предоставлено каждому. Результатами своих опытов Д. Пристли поделился с французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье.

Имея хорошо оснащенную на то время лабораторию, А. Лавуазье повторил и усовершенствовал опыты Д. Пристли. А. Лавуазье измерил количество газа, выделяющееся при разложении определенной массы оксида ртути. Затем химик нагрел в герметичном сосуде металлическую ртуть до тех пор, пока она не превратилась в оксид ртути (II). Он обнаружил, что количество выделившегося газа в первом опыте равно газу, поглотившемуся во втором опыте. Следовательно, ртуть реагирует с каким-то веществом, содержащимся в воздухе. И это же вещество выделяется при разложении оксида. Лавуазье первым сделал вывод, что флогистон здесь совершенно ни при чем, и горение тлеющей лучины вызывает именно неизвестный газ, который в последствии был назван кислородом. Открытие кислорода ознаменовало крах теории флогистона!

Способы получения и собирания кислорода в лаборатории

Лабораторные способы получения кислорода весьма разнообразны. Существует много веществ, из которых можно получить кислород. Рассмотрим наиболее распространенные способы.

1) Разложение оксида ртути (II)

Одним из способов получения кислорода в лаборатории, является его получение по описанной выше реакции разложения оксида ртути (II). Ввиду высокой токсичности соединений ртути и паров самой ртути, данный способ используется крайне редко.

2) Разложение перманганата калия

Перманганат калия (в быту мы называем его марганцовкой) – кристаллическое вещество темно-фиолетового цвета. При нагревании перманганата калия выделяется кислород. В пробирку насыплем немного порошка перманганата калия и закрепим ее горизонтально в лапке штатива. Недалеко от отверстия пробирки поместим кусочек ваты. Закроем пробирку пробкой, в которую вставлена газоотводная трубка, конец которой опустим в сосуд- приемник. Газоотводная трубка должна доходить до дна сосуда-приемника. Ватка, находящаяся около отверстия пробирки нужна, чтобы предотвратить попадание частиц перманганата калия в сосуд-приемник (при разложении выделяющийся кислород увлекает за собой частички перманганата). Когда прибор собран, начинаем нагревание пробирки. Начинается выделение кислорода.

Уравнение реакции разложения перманганата калия:

2KMnO4 t° → K2MnO4 + MnO2 + O2↑

Как обнаружить присутствие кислорода? Воспользуемся способом Пристли. Подожжем деревянную лучину, дадим ей немного погореть, затем погасим, так, чтобы она едва тлела. Опустим тлеющую лучину в сосуд с кислородом. Лучина ярко вспыхивает! Газоотводная трубка была не случайно опущена до дна сосуда-приемника. Кислород тяжелее воздуха, следовательно, он будет собираться в нижней части приемника, вытесняя из него воздух. Кислород можно собрать и методом вытеснения воды. Для этого газоотводную трубку необходимо опустить в пробирку, заполненную водой, и опущенную в кристаллизатор с водой вниз отверстием. При поступлении кислорода газ вытесняет воду из пробирки.

Разложение пероксида водорода

Пероксид водорода – вещество всем известное. В аптеке оно продается под названием «перекись водорода». Данное название является устаревшим, более правильно использовать термин «пероксид». Химическая формула пероксида водорода Н2О2 Пероксид водорода при хранении медленно разлагается на воду и кислород. Чтобы ускорить процесс разложения можно произвести нагрев или применить катализатор.

Катализатор – вещество, ускоряющее скорость протекания химической реакции

Нальем в колбу пероксид водорода, внесем в жидкость катализатор. Катализатором может служить порошок черного цвета – оксид марганца MnO2. Тотчас смесь начнет вспениваться вследствие выделения большого количества кислорода. Внесем в колбу тлеющую лучину – она ярко вспыхивает. Уравнение реакции разложения пероксида водорода:

2H2O2 MnO2 → 2H2O + O2↑

Обратите внимание: катализатор, ускоряющий протекание реакции, записывается над стрелкой, или знаком «=», потому что он не расходуется в ходе реакции, а только ускоряет ее.

Разложение хлората калия

Хлорат калия – кристаллическое вещество белого цвета. Используется в производстве фейерверков и других различных пиротехнических изделий. Встречается тривиальное название этого вещества – «бертолетова соль». Такое название вещество получило в честь французского химика, впервые синтезировавшего его, – Клода Луи Бертолле. Химическая формула хлората калия KСlO3. При нагревании хлората калия в присутствии катализатора – оксида марганца MnO2, бертолетова соль разлагается по следующей схеме:

2KClO3 t°, MnO2 → 2KCl + 3O2↑.

Разложение нитратов

Нитраты – вещества, содержащие в своем составе ионы NO3⎺. Соединения данного класса используются в качестве минеральных удобрений, входят в состав пиротехнических изделий.

Нитраты – соединения термически нестойкие, и при нагревании разлагаются с выделением кислорода:

Обратите внимание, что все рассмотренные способы получения кислорода схожи. Во всех случаях кислород выделяется при разложении более сложных веществ.

Реакция разложения – реакция, в результате которой сложные вещества разлагаются на более простые В общем виде реакцию разложения можно описать буквенной схемой:

Реакции разложения могут протекать при действии различных факторов. Это может быть нагревание, действие электрического тока, применение катализатора. Существуют реакции, в которых вещества разлагаются самопроизвольно.

Получение кислорода в промышленности

В промышленности кислород получают путем выделения его из воздуха.

Воздух – смесь газов, основные компоненты которой представлены в таблице.

Сущность этого способа заключается в глубоком охлаждении воздуха с превращением его в жидкость, что при нормальном атмосферном давлении может быть достигнуто при температуре около -192°С. Разделение жидкости на кислород и азот осуществляется путем использования разности температур их кипения, а именно: Ткип.

N2 = -196°С (при нормальном атмосферном давлении).

При постепенном испарении жидкости в газообразную фазу в первую очередь будет переходить азот, имеющий более низкую температуру кипения, и, по мере его выделения, жидкость будет обогащаться кислородом. Многократное повторение этого процесса позволяет получить кислород и азот требуемой чистоты. Такой способ разделения жидкостей на составные части называется ректификацией жидкого воздуха.

• В лаборатории кислород получают реакциями разложения
• Реакция разложения – реакция, в результате которой сложные вещества разлагаются на более простые
• Кислород можно собрать методом вытеснения воздуха или методом вытеснения воды
• Для обнаружения кислорода используют тлеющую лучину, она ярко вспыхивает в нем
• Катализатор – вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не расходующееся в ней

Как получить кислород

На сегодня вопрос экологии выходит на первый план. Но здоровая экология невозможна без кислорода. Именно он является основным кирпичиком поддержания жизни на планете Земля. 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 селитры (нитрата калия KNO₃ или нитрата натрия NaNO₃). 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).

Процесс протекает следующим образом (нагревание):

Получить кислород можно и другими методами. Перманганат калия КМnО₄ отдает при нагревании кислород и превращается при этом в оксид марганца (4):

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 цвет.

В больших количествах получить кислород можно также из пероксида (перекиси) водорода Н₂О₂. Пероксид водорода мало устойчив. Уже при стоянии на воздухе он разлагается на кислород и воду:

Получить кислород можно существенно быстрее, если добавить к пероксиду немного диоксида марганца МnО₂, 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, ферменты, гормоны).

«Получение кислорода. Понятие о катализаторах» (методическая разработка урока для 8-го класса)

Разделы: Химия

Пояснительная записка.

Урок “Получение кислорода. Понятие о катализаторах” подготовлен для VIII класса и проводится при изучении темы «Кислород. Оксиды» в курсе химии.

В работе используется учебник «Химия-8» Кузнецовой Н.Е. и Титовой И.М.

Урок разработан в форме исследования с целью получения новых знаний с использованием проблемного и дифференцированного подходов. Форма урока выбрана не случайно. Проблема получения кислорода значима для учащихся, достаточно сложна, но посильна для изучения восьмиклассниками под руководством учителя. Учитель направляет с помощью вопросов мысль учащихся, приводит к осуществлению вывода о необходимости теоретических знаний для объяснения различных природных явлений.

Перед уроком были запланированы для приобретения учащимися познавательного опыта предварительные учебные мероприятия (творческие задания, долгосрочный эксперимент).

Основная цель урока — научить восьмиклассников получать кислород в лаборатории, познакомить их со способами получения кислорода в промышленности и в природе, сформировать у учащихся понятия «катализатор» и «каталитическая реакция», дать представление о роли катализаторов в современной жизни, научить вести диалог, делать выводы. Особое внимание уделяется тому, чтобы восьмиклассники научились работать с опорными сигналами и учебно-инструктивными картами.

Содержание урока включает не только химический, но и исторический, биологический, экологический, эстетический компоненты, которые соотнесены с интересами и возрастными особенностями учащихся.

На уроке планируется продолжить развитие умений и навыков проведения химического эксперимента, познавательного интереса к предмету. Урок должен продолжить формирование бережного отношения к окружающей среде.

В процессе проведения урока учитель использует демонстрационный и лабораторный эксперимент.

Демонстрационный эксперимент:

1. Получение кислорода разложением перекиси водорода в присутствии катализатора.
2. Получение кислорода разложением перманганата калия.
3. Получение кислорода разложением нитрата калия.
4. Доказательство фотосинтеза.
5. Горение в кислороде серы, фосфора, угля.

Лабораторная работа: Получение кислорода разложением перекиси водорода при нагревании и доказательство его наличия.

Оборудование:

• Приложение № 1 (компьютерная презентация для усиления и облегчения восприятия изучаемого материала и самоконтроля выполненных заданий);
• Приложение №2(раздаточный материал «Учебно-инструктивные карты»), портреты ученых, выставка творческих работ учащихся;
• Приложение № 3 (опорный сигнал » Кислород»);
• прибор для получения кислорода, кристаллизатор с водой, цилиндр для сжигания веществ, ложка для сжигания веществ, лучина, спиртовка, спички, тигельные щипцы, водное аквариумное растение.

На столах учащихся:

• пробирка с гидроперитом,
• пробиркодержатель спиртовка,
• спички,
• лучина,
• пробирка с оксидом марганца (IV).

Реактивы:

• перманганат калия,
• нитрат калия,
• гидроперит (таблетки),
• оксид марганца (IV),
• древесный уголь,
• сера,
• фосфор.

Место проведения: школьный кабинет химии.

Эпиграф:

Ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знания на деле .

План урока.

I. Мотивационно-ориентировочный этап.

1. Актуализация знаний, полученных на предыдущем уроке.

2. Постановка целей урока.

II. Операционно-исполнительский этап.

1. Прогнозирование способов получения кислорода.

2.Изучение способов получения кислорода, экспериментальная проверка некоторых способов.

а) получение кислорода в природе.

б) получение кислорода в промышленности.

в) получение кислорода в лаборатории:

— способ Дж. Пристли, способы сбора кислорода,

— способ получения кислорода из перманганата калия,

— получение кислорода из гидроперита, разложение гидроперита в присутствии катализатора и без него,

— получение кислорода из нитрата калия,

— обсуждение возможности получения кислорода из хлората калия и воды.

III. Оценочно-рефлексивный этап.

1. Контроль и самоконтроль, работа с опорными сигналами.

3. Домашнее задание.

Ход урока

I. Мотивационно-ориентировачный этап.

1. Актуализация знаний, полученных на предыдущем уроке.

В Англии на одной из площадей г.Лидса стоит бронзовая скульптура молодого красивого человека в модном костюме XVIII века. Поворот головы, пристальный взгляд выражают внимание и терпеливое ожидание результата. В правой руке он держит линзу, а в левой – тигель с “ртутной окалиной”. Этот известный химик запечатлен в момент проведения знаменитого опыта… О каком опыте идет речь?

Учащиеся обсуждают следующие вопросы:

1. Какие еще ученые работали с кислородом?
2. Кто из ученых доказал, что кислород – простое вещество?
3. Охарактеризуйте кислород – химический элемент?
4. Постановка целей урока. Учитель предлагает обсудить план урока, сформулировать цели работы.

II. Операционно-исполнительский этап.

1. Прогнозирование способов получения кислорода.

Тема сегодняшнего урока: «Получение кислорода.

Понятие о катализаторах».

Пользуясь опорным сигналом, попробуйте предположить, из каких веществ можно получить кислород, простых или сложных; что объединяет эти вещества? При каких условиях происходит выделение кислорода из данных веществ? К какому типу химических реакций можно отнести процессы получения кислорода? (Приложение № 1).

Учащиеся предполагают, что кислород можно получить из сложных веществ, содержащих в своем составе кислород, при нагревании, в результате разложения этих веществ.

2. Изучение способов получения кислорода, экспериментальна проверка некоторых способов.

а) Получение кислорода в природе.

Учитель: В своих домашних творческих работах почти все вы написали: «Для сохранения чистого воздуха, если бы я был мэром города Новый Оскол, я бы приказал озеленять улицы, сажать деревья, цветы во дворах, разбивать скверы и парки.» (Зачитывается одна из творческих работ учащихся учитель обращает внимание восьмиклассников на выставку мини-сочинений, рисунков их товарищей на тему: «Что бы я сделал для сохранения чистого воздуха в Новом Осколе.»)

Ученик-лаборант демонстрирует результаты эксперимент «Доказательство фотосинтеза», заложенного накануне урока. Учащиеся рассматривают аквариумное растение в сосуде с водой, накрытое сверху стеклянным колоколом, и отвечают на вопросы:

1. Какую роль выполняют зеленые растения?
2. Почему в стеклянном колоколе собирается газ? Какой это газ?
3. Какой химический процесс происходит в зеленом растении?
4. Какие условия необходимы для Фотосинтеза? (Приложение № 2, компьютерная презентация)

Вывод: в природе кислород получается в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды в хлоропластах на свету.

б) Получение кислорода в промышленности.

Пользуясь инструктивной картой, сделайте предположение, как получают кислород в промышленности?

Ответьте на вопросы:

1. На каком свойстве газообразных кислорода и азота основано их разделение?
2. Каким способом — физическим или химическим — можно разделить смесь кислорода и азота? (Приложение № 2, компьютерная презентация).

Вывод: температура кипения азота ниже чем у кислорода, поэтому при охлаждении воздуха до -1830 С кислород превращается в синюю жидкость, а газообразный азот испаряется. Это физический способ разделения смесей.

в) Получение кислорода в лаборатории.

Существует несколько способов получения кислорода в лаборатории. Джозеф Пристли получал кислород из «ртутной окалины» — оксида ртути (II).

Учащиеся записывают уравнение химической реакции, указывают условия её протекания.

Далее учитель предлагает школьникам задание:

1. Пользуясь схемой на слайде, обсудите, каким из указанных способов можно собрать кислород в лаборатории?
2. На каких физических и химических свойствах кислорода основан ваш выбор?

Вывод: кислород можно собрать в перевернутую вниз дном пробирку (потому что он тяжелее воздуха) и над водой (потому что этот газ не реагирует с водой и почти не растворяется в ней).

После обсуждения способов сбора кислорода учитель проводит демонстрационный эксперимент «Получение кислорода разложением перманганата калия и собирание его над водой», «Сжигание в кислороде серы и фосфора».

Учащиеся обсуждают наблюдаемые явления, записывают уравнения химических реакций, указывают условия и признаки их протекания.

Учитель предлагает восьмиклассникам снова обратиться к опорному сигналу (Приложение № 1) и подумать, из каких еще веществ можно получить кислород. На основании анализа опорного сигнала, восьмиклассники делают вывод, о том, что можно получить кислород, нагревая перекись водорода.

Работая в группах по двое, учащиеся выполняют лабораторную работу «Получение кислорода из гидроперита при нагревании» (Приложение № 3). В пробирку помещают немного, на кончике шпателя, размельченного пергидроля и осторожно нагревают. Проверяют выделяющийся газ тлеющей лучиной, в результате чего убеждаются, что образуется именно кислород. Затем учащиеся нагревают в пробирке немного оксида марганца (IV) и отмечают, что в этом случае не наблюдается никаких признаков химической реакции. С помощью учителя, а, также используя слайд из компьютерной презентации, восьмиклассники записывают уравнения химической реакции.

Учитель предлагает изменить условия проведения эксперимента с гидроперитом. Демонстрируется опыт «Получение кислорода из гидроперита в присутствии катализатора». В ходе эксперимента ученики наблюдают выделение кислорода при добавлении к измельченному пергидролю оксида марганца (IV) без нагревания. Создается проблемная ситуация. Учитель задает вопрос: какую роль играет оксид марганца (IV) в данном процессе?

Учитель сообщает восьмиклассникам, что в данном случае оксид марганца (IV) играет роль катализатора.

Для того чтобы понять, как работает катализатор, учитель предлагает познакомиться с арабской притчей, которую рассказал в 1941 году королю Дании Христиану Х на церемонии вручения высшей научной награды этой страны биохимик Линдерстрём-Ланг.

Умирал старый араб. Все его богатство состояло из 17 прекрасных белых верблюдов. Перед смертью он собрал своих сыновей и объявил им свою последнюю волю: «Мой старший сын, опора семьи, должен получить после моей смерти половину всех верблюдов, среднему сыну я оставляю треть, а младшему — девятую часть стада.»

Сказал так и умер. А братья, похоронив отца, стали делить стадо. Но 17 не делится ни на 2, ни на 3, ни на 9.

Помог им старый мудрец. «Выполнить волю отца очень просто, — сказал он. — Я дарю вам своего старого черного верблюда, а вы попробуйте разделить стадо.»

У братьев оказалось 18 верблюдов. Старший сын получил 9, средний — 6, а младший — 2 из них. Однако, 9+6+2 = 17, черный верблюд оказался лишним.

Вот этот черный верблюд подобен катализатору, он сделал возможным процесс, который без него был бы немыслим, а сам остался без изменений.

Трое учащихся инсценируют притчу.

Учитель формулирует определения «катализатор» и «каталитическая реакция».

Катализатор — это вещество, которое участвует в химической реакции, ускоряет её, но само при этом не расходуется».

Каталитическая реакция — химическая реакция, которая протекает с участием катализатора».

Затем на экран проецируется задание для самостоятельной работы (Приложение № 2).

Учащимся предлагается обсудить механизм действия катализатора.

Катализаторы играют очень большую роль в жизни человека: все процессы в живом организме идут в присутствии катализаторов (ферментов), почти все химические производства существуют благодаря работе катализаторов.

Учитель предлагает школьникам обсудить ситуацию, описанную в фантастическом романе А. Казанцева «Пылающий остров». В романе действие происходит на острове Аренида, на котором был обнаружен фиолетовый газ — чрезвычайно активный катализатор реакции взаимодействия азота и кислорода: для начала реакции достаточно было чиркнуть спичкой. Один из героев романа решил использовать этот газ в качестве оружия для уничтожения ряда стран. Ученый, открывший газ, решил помешать этому и поджег воздух над островом.

Вопросы к классу:

1. Правильно ли поступил ученый?
2. Почему его решение было неверно?

Валеологическая пауза (1,5-2 мин.). Звучит Фонограмма.

Учащиеся выполняют упражнения для глаз, пальцев рук, мышц спины.

После обсуждения понятия «катализатор», учитель снова обращает внимание учащихся на опорный сигнал, предлагая обсудить возможность получения кислорода из других веществ.

Восьмиклассникам сообщается, что Карл Вильгельм Шееле, шведский аптекарь, талантливый экспериментатор, получал кислород при нагревании селитры и бертолетовой соли.

Селитра — нитрат калия — при нагревании разлагается на нитрит калия и кислород.

Учитель проводит демонстрационный эксперимент «Получение кислорода из нитрата калия. Горение древесного угля в кислороде». Сухая пробирка заполняется на 1/5 нитратом калия, укрепляется в штативе вертикально над металлической подставкой и нагревается до расплавления соли. Кусочек древесного угля накаляют над горелкой в щипцах и бросают в пробирку, после чего нагревание сразу прекращают.

Учащимся предлагается провести наблюдение, перечислить условия и признаки химической реакции, ответить на вопросы:

1. Почему уголек горит очень ярко?
2. Какое вещество образовалось в результате опыта?
3. Запишите уравнения происходящих химических реакций.

Восьмиклассники совместно с учителем записывают уравнения химических реакций:

Учитель сообщает, что кислород можно получить также из хлората калия (бертолетовой соли) и при разложении воды электрическим током. На доске записываются уравнения химических реакций:

2 КClO₃—> 2 КСl + 0₂;2Н₂О a 2 Н₂ + 0₂хлорат калия

хлорид калия

III. Оценочно-рефлексивный этап.

Учитель возвращает учащихся к плану урока, предлагает подвести итог, обращает внимание восьмиклассников на то, что они сумели провести обследование, поняли, что можно самостоятельно добывать знания.

Далее предлагается сделать вывод: как же получают кислород? Какие реакции лежат в основе его получения? Пользуясь опорными сигналами, записями на доске и в тетрадях, учащиеся приходят к выводу:

“Кислород в лаборатории получают разложением сложных веществ при нагревании”

В заключение урока проводится обсуждение домашнего задания.

Домашнее задание.

1. §59, упр.1,2 (стр. 160), учебник “Химия 8” Кузнецовой Н.Е., Титовой И.М.
2. Подумайте, какое вещество наиболее целесообразно взять ученикам VIII класса для получения кислорода на практической работе. Почему?
3. Напишите сказку о приключениях кислорода.