Большое количество кислорода получают электролизом воды.
При электролизе воды одновременно с кислородом выделяется другой ценный промышленный продукт — водород.
При наличии дешевой электроэнергии чрезвычайно выгодно получать кислород и водород из воды путем разложения ее электрическим током на составные части.
Впервые кислород и водород были получены электролизом воды примерно сто шестьдесят лет назад. Однако этот метод не находил практического применения почти в течение ста лет.
В 1888 году русский профессор Д. А. Лачинов сконструировал несколько типов электролитических ванн для получения кислорода и водорода. Через несколько лет появились первые промышленные установки по производству этих газов электролитическим путем. Это были сравнительно небольшие установки, дававшие в сутки 100— 200 кубических метров Кислорода и водорода.
В настоящее время имеются установки, способные вырабатывать в один час 20 тысяч кубических метров водорода и 10 тысяч кубических метров кислорода.
Такие установки требуют много электроэнергии.
В нашей стране, где вырабатывается большое количество дешевой электрической энергии, кислород получают не только из воздуха, а широко используют электролитический способ получения кислорода и водорода из воды.
В настоящее время на крупных реках идет строительство новых гигантских гидроэлектростанций. Через четыре-пять лет они дадут свыше 22 миллиардов киловатт часов электроэнергии в год. Часть этой дешевой электроэнергии пойдет на электрохимические предприятия, в том числе и на заводы по электролизу воды.
Получение кислорода
Кислород в лаборатории получают разложением перманганата калия KMnO 4 . Для опыта понадобится пробирка с газоотводной трубкой. В пробирку насыпаем кристаллический перманганат калия. Для сбора кислорода приготовим колбу. При нагревании перманганат калия начинает разлагаться, выделяющийся кислород поступает по газоотводной трубке в колбу. Кислород тяжелее воздуха, поэтому не покидает колбу и постепенно заполняет ее. Тлеющая лучинка вспыхивает в колбе: значит нам удалось собрать кислород.
Чистый кислород впервые получили независимо друг от друга шведский химик Шееле и английский ученый Пристли. До их открытия ученые считали, что воздух однородная субстанция. После открытия Шееле и Пристли Лавуазье создал теорию горения и назвал новый элемент Oxygenium - рождающий кислоту, кислород. Кислород - необходим для поддержания жизни. Человек может выдержать без кислорода всего несколько минут.
Оборудование: пробирка с газоотводной трубкой, колба, штатив, спиртовка, шпатель, лучина.
Техника безопасности . Следует соблюдать правила обращения с нагревательными приборами. Недопустимо попадание органических веществ в перманганат калия. Избегать прямого контакта кожи и слизистых оболочек с кристаллами перманганата калия.
Постановка опыта - Елена Махиненко, текст - к.п.н. Павел Беспалов.
Водород из воды: просто и дешево Российский исследователь сконструировал электролизер, позволяющий получать водород из воды, затрачивая на это очень мало энергии.
Российский исследователь сконструировал электролизер, позволяющий получать водород из воды, затрачивая на это очень мало энергии.
Водород — экологически чистый энергоноситель, к тому же практически неисчерпаемый. Согласно расчетам, из 1 л воды можно получить 1234, 44 л водорода. Однако переход энергетики на водородное топливо тормозят большие затраты энергии, необходимые для получения водорода из воды. Процесс электролиза идет при напряжении 1,6—2,0 В и силе тока в десятки и сотни ампер. Самые современные электролизеры расходуют на получение кубометра водорода больше энергии, чем можно получить при его сжигании. Проблему уменьшения затрат энергии на получение водорода из воды решают многие лаборатории мира, но существенных результатов достичь пока не удалось. Однако в природе существует экономный процесс разложения молекул воды на водород и кислород. Протекает он при фотосинтезе. При этом атомы водорода участвуют в формировании органических молекул, а кислород уходит в атмосферу. Ячейка электролизера, разработанная Ф.Канаревым из Кубанского государственного аграрного университета, моделирует этот процесс.
Сходство с фотосинтезом заключается в том, что ячейка потребляет очень мало энергии. Фактически устройство использует напряжение всего в 0,062 В при силе тока 0,02 А. Ф.Канарев сконструировал две лабораторные модели электролизера: с коническими и цилиндрическими стальными электродами. По замыслу своего создателя, они моделируют годовые кольца ствола дерева. Даже при полном отсутствии электролита на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В. После заливки раствора разность потенциалов возрастает. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, отрицательный — на нижнем. Ячейка низкоамперного электролизера представляет собой конденсатор. Вначале он заряжается при напряжении 1,5-2 В и силе тока, значительно большей 0,02 А, а затем постепенно разряжается под действием происходящих в нем электролитических процессов. И в это время устройство потребляет совсем немного энергии, которую тратит на подзарядку конденсатора. Даже в отключенном от сети приборе электролиз идет еще пять часов, о чем свидетельствует интенсивное бульканье пузырьков газа.
Обе модели электролизера, и с коническими, и с цилиндрическими электродами, работают с одинаковой энергетической эффективностью. Показатель этой эффективности еще предстоит уточнять. Но уже сейчас ясно, что затраты энергии на получение водорода из воды при низкоамперном электролизе уменьшаются в 12 раз, а по самым смелым подсчетам — почти в 2000 раз. По мнению Ф.Канарева, предложенный им метод получения дешевого водорода из воды можно будет использовать для создания промышленных электролизеров, которые найдут применение в будущей водородной энергетике.
СВОЙСТВА КИСЛОРОДА И СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
Кислород О 2 является наиболее распространенным элементом на земле. Он находится в большом количестве в виде химических соединений с различными веществами в земной коре, в соединении с водородом в воде и в свободном состоянии в атмосферном воздухе в смеси главным образом с азотом в количестве 20,93% об. .
Кислород имеет большое значение в народном хозяйстве. Он широко применяется в металлургии; химической промышленности; для газопламенной обработки металлов, огневого бурения твердых горных пород, подземной газификации углей; в медицине и различных дыхательных аппаратах, например для высотных полетов, и в других областях.
В нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса, не горючий, но активно поддерживающий горение. При весьма низких температурах кислород превращается в жидкость и даже твердое вещество.
Источники: www.activestudy.info, files.school-collection.edu.ru, gazeta.zn.ua, chemport.ru, forum.homedistiller.ru, metallicheckiy-portal.ru
Бюджетные модели ноутбуков
Современные переносные компьютеры, или как еще их принято называть - ноутбуки или лаптопы могут выполнять такие же...
Что же такое амбиции
В разных странах своё понимание, что такое амбиции. В славянском народе амбиции ассоциировались с напыщенностью, предъявлением прав на...
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 водыПолучение 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.
СВОЙСТВА КИСЛОРОДА И СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
Кислород О 2 является наиболее распространенным элементом на земле. Он находится в большом количестве в виде химических соединений с различными веществами в земной коре (до 50% вес.), в соединении с водородом в воде (около 86% вес.) и в свободном состоянии в атмосферном воздухе в смеси главным образом с азотом в количестве 20,93% об. (23,15% вес.).
Кислород имеет большое значение в народном хозяйстве. Он широко применяется в металлургии; химической промышленности; для газопламенной обработки металлов, огневого бурения твердых горных пород, подземной газификации углей; в медицине и различных дыхательных аппаратах, например для высотных полетов, и в других областях.
В нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса, не горючий, но активно поддерживающий горение. При весьма низких температурах кислород превращается в жидкость и даже твердое вещество.
Важнейшие физические константы кислорода следующие:
| Молекулярный вес | 32 |
| Вес 1 м 3 при 0° С и 760 мм рт. ст. в кг | 1,43 |
| То же при 20° С и 760 мм рт. ст. в кг | 1,33 |
| Критическая температура в °С | -118 |
| Критическое давление в кгс/м 3 | 51,35 |
| Температура кипения при 760 мм рт. ст. в °С | -182,97 |
| Вес 1 л жидкого кислорода при -182, 97 °С и 760 мм рт. ст. в кг. |
1,13 |
| Количество газообразного кислорода, получающегося из 1 л жидкого при 20 °С и 760 мм рт. ст. в л |
850 |
| Температура затвердевания при 760 мм рт. ст. в °С | -218,4 |
Кислород обладает большой химической активностью и образует соединения со всеми химическими элементами, кроме редких газов. Реакции кислорода с органическими веществами имеют резко выраженный экзотермический характер. Так, при взаимодействии сжатого кислорода с жировыми или находящимися в мелкодисперсном состоянии твердыми горючими веществами происходит мгновенное их окисление и выделяющееся тепло способствует самовозгоранию этих веществ, что может быть причиной пожара или взрыва. Это свойство особенно необходимо учитывать при обращении с кислородной аппаратурой.
Одним из важных свойств кислорода является способность его образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами и парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры. Взрывчатыми являются и смеси воздуха с газо- или парообразными горючими.
Кислород может быть получен: 1) химическими способами; 2) электролизом воды; 3) физическим способом из воздуха.
Химические способы, заключающиеся в получении кислорода из различных веществ, малопроизводительны и в настоящее время имеют лишь лабораторное значение.
Электролиз воды, т. е. разложение ее на составляющие - водород и кислород, осуществляется в аппаратах, называемых электролизерами. Через воду, в которую для повышения электропроводности добавляется едкий натр NaOH, пропускается постоянный ток; кислород собирается на аноде, а водород - на катоде. Недостатком способа является большой расход электроэнергии: на 1 м 3 0 2 (кроме того, получается 2 м 3 Н 2) расходуется 12-15 квт. ч. Этот способ рационален при наличии дешевой электроэнергии, а также при получении электролитического водорода, когда кислород является отходом производства.
Физический способ заключается в разделении воздуха на составляющие методом глубокого охлаждения. Этот способ позволяет получать кислород практически в неограниченном количестве и имеет основное промышленное значение. Расход электроэнергии на 1 м 3 О 2 составляет 0,4-1,6 квт. ч, в зависимости от типа установки.
ПОЛУЧЕНИЕ КИСЛОРОДА ИЗ ВОЗДУХА
Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем объемном их содержании: азота - 78,09%, кислорода - 20,93%, аргона - 0,93%. Кроме того, в нем содержится около 0,03% углекислого газа и малые количества редких газов, водорода, закиси азота и др.
Главная задача при получении кислорода из воздуха заключается в разделении воздуха на кислород и азот. Попутно производится отделение аргона,-применение которого в специальных способах сварки непрерывно возрастает, а также и редких газов, играющих важную роль в ряде производств. Азот имеет некоторое применение в сварке как защитный газ, в медицине и других областях.
Сущность способа заключается в глубоком охлаждении воздуха с обращением его в жидкое состояние, что при нормальном атмосферном давлении может быть достигнуто в интервале температур от —191,8° С (начало сжижения) до -193,7° С (окончание сжижения).
Разделение жидкости на кислород и азот осуществляется путем использования разности температур их кипения, а именно: Т кип. о2 = -182,97° С; Т кип.N2 = -195,8° С (при 760 мм рт. ст.).
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.
Для производства кислорода из воздуха имеются специализированные предприятия, оснащенные высокопроизводительными установками. Кроме того, на крупных металлообрабатывающих предприятиях имеются свои кислородные станции.
Низкие температуры, необходимые для сжижения воздуха, получают с помощью так называемых холодильных циклов. Ниже кратко рассматриваются основные холодильные циклы, используемые в современных установках.
Холодильный цикл с дросселированием воздуха основан на эффекте Джоуля—Томсона, т. е. резком снижении температуры газа при свободном его расширении. Схема цикла приведена на рис. 2.
Воздух сжимается в многоступенчатом компрессоре 1 до 200 кгс/см 2 и затем проходит через холодильник 2 с проточной водой. Глубокое охлаждение воздуха происходит в теплообменнике 3 обратным потоком холодного газа из сборника жидкости (ожижителя) 4. В результате расширения воздуха в дроссельном вентиле 5 он дополнительно охлаждается и частично сжижается.
Давление в сборнике 4 регулируется в пределах 1—2 кгс/см 2 . Жидкость периодически сливается из сборника в специальные емкости через вентиль 6. Несжиженная часть воздуха отводится через теплообменник, производя охлаждение новых порций поступающего воздуха.
Охлаждение воздуха до температуры сжижения происходит постепенно; при включении установки имеется пусковой период, в течение которого сжижения воздуха не наблюдается, а происходит лишь охлаждение установки. Этот период занимает несколько часов.
Достоинством цикла является его простота, а недостатком — относительно высокий расход электроэнергии — до 4,1 квт. ч на 1 кг сжиженного воздуха при давлении в компрессоре 200 кгс/см 2 ; при меньшем давлении удельный расход электроэнергии резко возрастает. Данный цикл применяется в установках малой и средней производительности для получения газообразного кислорода.
Несколько более сложным является цикл с дросселированием и предварительным аммиачным охлаждением воздуха.
Холодильный цикл среднего давления с расширением в детандере основан на понижении температуры газа при расширении с отдачей внешней работы. Кроме того, используется и эффект Джоуля— Томсона. Схема цикла приведена на рис. 3.
Воздух сжимается в компрессоре 1 до 20-40 кгс/см 2 , проходит через холодильник 2 и затем через теплообменники 3 и 4. После теплообменника 3 большая часть воздуха (70-80%) направляется в поршневую расширительную машину-детандер 6, а меньшая часть воздуха (20-30%) идет на свободное расширение в дроссельный вентиль 5 и далее сборник 7, имеющий кран 8 для слива жидкости. В детандере 6
воздух, уже охлажденный в первом теплообменнике, производит работу - толкает поршень машины, давление его падает до 1 кгс/см 2 , за счет чего резко снижается температура. Из детандера холодный воздух, имеющий температуру около —100° С, выводится наружу через теплообменники 4 и 3, охлаждая поступающий воздух. Таким образом, детандер обеспечивает весьма эффективное охлаждение установки при сравнительно небольшом давлении в компрессоре. Работа детандера используется полезно и это частично компенсирует затрату энергии на сжатие воздуха в компрессоре.
Достоинствами цикла являются: сравнительно небольшое давление сжатия, что упрощает конструкцию компрессора и повышенная холодопроизводительность (благодаря детандеру), что обеспечивает устойчивую работу установки при отборе кислорода в жидком виде.
Холодильный цикл низкого давления с расширением в турбодетандере, разработанный акад. П. Л. Капицей, основан на применении воздуха низкого давления с получением холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (турбодетандере) с производством внешней работы. Схема цикла приведена на рис. 4.
Воздух сжимается турбокомпрессором 1 до 6-7 кгс/см 2 , охлаждается водой в холодильнике 2 и поступает в регенераторы 3 (теплообменники), где охлаждается обратным потоком холодного воздуха. До 95% воздуха после регенераторов направляется в турбодетандер 4, расширяется до абсолютного давления 1 кгс/см 2 с выполнением внешней работы и при этом резко охлаждается, после чего он подается в трубное пространство конденсатора 5 и конденсирует остальную часть сжатого воздуха (5%), поступающую в межтрубное пространство. Из конденсатора 5 основной поток воздуха направляется в регенераторы и охлаждает поступающий воздух, а жидкий воздух пропускается через дроссельный вентиль 6 в сборник 7, из которого сливается через вентиль 8. На схеме показан один регенератор, а в действительности их ставят несколько и включают поочередно.
Достоинствами цикла низкого давления с турбодетандером являются: более высокий к. п. д. турбомашин по сравнению с машинами поршневого типа, упрощение технологической схемы, повышение надежности и взрывобезопасности установки. Цикл применяется в установках большой производительности.
Разделение жидкого воздуха на составляющие осуществляется посредством процесса ректификации, сущность которого состоит в том, что образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода. Поскольку кислорода в жидкости меньше, а азота больше, то она имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пар, а это вызывает конденсацию кислорода из пара и обогащение им жидкости с одновременным испарением из жидкости азота, т. е. обогащение им паров над жидкостью.
Представление о сущности процесса ректификации может дать приведенная на рис. 5 упрощенная схема процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха.
Принимаем, что воздух состоит только из азота и кислорода. Представим, что имеется несколько соединенных друг с другом сосудов (I—V), в верхнем находится жидкий воздух с содержанием 21% кислорода. Благодаря ступенчатому расположению сосудов жидкость будет стекать вниз и при этом постепенно обогащаться кислородом, а температура ее будет повышаться.
Допустим, что в сосуде II находится жидкость, содержащая 30% 0 2 , в сосуде III — 40%, в сосуде IV — 50% и в сосуде V — 60% кислорода.
Для определения содержания кислорода в паровой фазе воспользуемся специальным графиком — рис. 6, кривые которого указывают содержание кислорода в жидкости и паре при различных давлениях.
Начнем испарять жидкость в сосуде V при абсолютном давлении 1 кгс/см 2 . Как видно из рис. 6, над жидкостью в этом сосуде, состоящей из 60% 0 2 и 40% N 2 , может находиться равновесный по составу пар, содержащий 26,5% 0 2 и 73,5% N 2 , имеющий такую же температуру, что и жидкость. Подаем этот пар в сосуд IV, где жидкость содержит только 50% 0 2 и 50% N 2 и поэтому будет более холодной. Из рис. 6 видно, что над этой жидкостью пар может содержать лишь 19% 0 2 и 81% N 2 , и только в этом случае его температура будет равна температуре жидкости в данном сосуде.
Следовательно, подводимый в сосуд IV из сосуда V пар, содержащий 26,5% О 2 , имеет более высокую температуру, чем жидкость в сосуде IV; поэтому кислород пара конденсируется в жидкости сосуда IV, а часть азота из нее будет испаряться. В результате жидкость в сосуде IV обогатится кислородом, а пар над нею - азотом.
Аналогично будет происходить процесс и в других сосудах и, таким образом, при сливе из верхних сосудов в нижние жидкость обогащается кислородом, конденсируя его из поднимающихся паров и отдавая им свой азот.
Продолжая процесс вверх, можно получить пар, состоящий почти из чистого азота, а в нижней части - чистый жидкий кислород. В действительности процесс ректификации, протекающий в ректификационных колоннах кислородных установок, значительно сложнее описанного, но принципиальное его содержание такое же.
Независимо от технологической схемы установки и вида холодильного цикла процесс производства кислорода из воздуха включает следующие стадии:
1) очистка воздуха от пыли, паров воды и углекислоты. Связывание СО 2 достигается пропусканием воздуха через водный раствор NaOH;
2) сжатие воздуха в компрессоре с последующим охлаждением в холодильниках;
3) охлаждение сжатого воздуха в теплообменниках;
4) расширение сжатого воздуха в дроссельном вентиле или детандере для его охлаждения и сжижения;
5) сжижение и ректификация воздуха с получением кислорода и азота;
6) слив жидкого кислорода в стационарные цистерны и отвод газообразного в газгольдеры;
7) контроль качества получаемого кислорода;
8) наполнение жидким кислородом транспортных резервуаров и наполнение баллонов газообразным кислородом.
Качество газообразного и жидкого кислорода регламентируется соответствующими ГОСТами.
По ГОСТу 5583-58 выпускается газообразный технический кислород трех сортов: высший — с содержанием не менее 99,5% О 2 , 1-й — не менее 99,2% О 2 и 2-й — не менее 98,5% О 2 , остальное — аргон и азот (0,5—1,5%). Содержание влаги не должно превышать 0,07 г/ж 3 . Кислород, получаемый электролизом воды, не должен содержать водорода более 0,7% по объему.
По ГОСТу 6331-52 выпускается жидкий кислород двух сортов: сорт А с содержанием не менее 99,2% О 2 и сорт Б с содержанием не менее 98,5% О 2 . Содержание ацетилена в жидком кислороде не должно превышать 0,3 см 3 /л.
Применяемый для интенсификации различных процессов на предприятиях металлургической, химической и других отраслей промышленности технологический кислород содержит 90—98% О 2 .
Контроль качества газообразного, а также и жидкого кислорода производится непосредственно в процессе производства с помощью специальных приборов.
Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2012.06.01
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:
2HgO t° → 2Hg + O2
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
В общем виде реакцию разложения можно описать буквенной схемой:
АВ → А + В.
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. О2 = -183°С; 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
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.
