§ 6. Одержання кисню

Зміст

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Як одержують кисень?

У промисловості кисень видобувають із повітря: його зріджують сильним охолодженням, а потім розділяють на компоненти поступовим нагріванням (ректифікація). У лабораторіях його добувають реакціями розкладу оксигеновмісних речовин: гідроген пероксиду $H_2O_2$, води $H_2O$ чи меркурій(ІІ) оксиду $HgO$.

Яку речовину називають каталізатором?

Каталізатор — це речовина, що змінює швидкість хімічної реакції (найчастіше прискорює її), але сама не витрачається і не стає частиною продуктів реакції.

Як зібрати одержаний кисень?

Є два способи зібрати кисень:

1. Методом витиснення води, бо він у ній майже не розчиняється.
2. Методом витиснення повітря. Посудину-приймач тримають дном донизу, оскільки кисень ($M(O_2) = 32$ г/моль) важчий за повітря ($M_{пов} \approx 29$ г/моль).

За матеріалами з інтернету довідайтеся, якими ще газами наповнюють металеві балони і в який колір пофарбований балон з кожним газом.

Окрім блакитних балонів для кисню, у промисловості застосовують:

• азот (чорний балон, жовтий напис);
• ацетилен (білий балон);
• водень (темно-зелений балон);
• вуглекислий газ (чорний балон);
• аргон (сірий балон);
• гелій (коричневий балон).

Чому в лікарнях використовують балони з киснем, а в дайвінгу — балони з газовими сумішами, за складом подібними до повітря?

У лікарнях чистий кисень застосовують для інтенсивної терапії, щоб швидко наситити кров пацієнта при дихальній недостатності. У дайвінгу дихання чистим киснем під високим тиском на глибині смертельно небезпечне через кисневе отруєння. Тому там використовують суміші, схожі на повітря (наприклад, найтрокс).

Складіть рівняння цієї реакції із зазначенням умов її перебігу та агрегатного стану кисню.

Рівняння розкладу меркурій(ІІ) оксиду під час нагрівання:
$$2HgO \xlongequal{t} 2Hg + O_2\uparrow$$
Кисень утворюється в газуватому стані.

Чому, на ваш погляд, описаний спосіб одержання кисню нині не використовують?

Цей метод більше не застосовують через токсичність ртуті ($Hg$) та її парів, які виділяються під час реакції. Це небезпечно для здоров’я та довкілля.

Наведіть приклади речень із словом «каталізатор», які стосуються діяльності людей.

1. «Інноваційні технології стали каталізатором економічного зростання регіону».
2. «Підтримка вболівальників виступила каталізатором перемоги нашої збірної».

Висловте гіпотезу стосовно того, про що може свідчити вдвічі більший об’єм водню, ніж кисню (мал. 17).

Подвійний об’єм водню вказує на склад молекули води ($H_2O$): на два атоми Гідрогену припадає один атом Оксигену. За законом Авогадро об’єми газів співвідносяться так само, як кількість їхніх атомів у молекулі води.

Висловте гіпотезу щодо того, чому скіпка, яка жевріє в повітрі, спалахує в кисні.

У чистому газі концентрація кисню сягає майже 100%, тоді як у повітрі — лише близько 21%. Висока концентрація різко прискорює реакцію горіння та збільшує виділення тепла, тому скіпка спалахує.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про способи одержання кисню.

1. У промисловості: зрідження повітря з подальшим його розділенням (ректифікацією) на азот і кисень.
2. У лабораторії: реакції розкладу оксигеновмісних речовин:
   • гідроген пероксиду $H_2O_2$ (з каталізатором $MnO_2$);
   • калій перманганату $KMnO_4$ (нагрівання);
   • води $H_2O$ (електроліз).

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Зіставте свою і їхні відповіді та оцініть їх.

Запитання: «Чому пробірку для збирання кисню витисненням повітря тримають дном догори, а для збирання водню — дном донизу?»
Відповідь: Причина у відносній густині газів. Кисень ($M=32$) важчий за повітря ($M=29$), тому опускається на дно посудини (пробірка дном донизу). Водень ($M=2$) набагато легший за повітря, тому піднімається вгору (пробірка дном догори).

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

Якими способами можна зібрати кисень під час його одержання в лабораторії?

Кисень збирають двома способами:

1. Витисненням води.
2. Витисненням повітря.

На яких фізичних властивостях кисню ґрунтується кожний спосіб?

• Витиснення води: кисень майже не розчиняється у воді.
• Витиснення повітря: густина кисню більша за густину повітря.

У якому разі не можна візуально встановити момент, коли посудина цілком заповнена киснем?

Момент заповнення неможливо побачити під час методу витиснення повітря, бо кисень прозорий. Для перевірки до отвору підносять тліючу скіпку: яскравий спалах свідчить про повну посудину.

АНАЛІЗУЙМО

Чому, на вашу думку, для одержання кисню в промисловості не використовують гідроген пероксид?

Гідроген пероксид дорого отримувати хімічним синтезом. Його використання в промислових масштабах економічно невигідне, на відміну від безкоштовного та доступного повітря.

Уважно розгляньте малюнок та опишіть, що відбувається під час реакції. Чому спалахує скіпка, що тліє? Складіть відповідне хімічне рівняння.

Нагрівання кадмій нітрату спричиняє його розклад. Утворюється бурий газ (нітроген(IV) оксид $NO_2$) і безбарвний кисень. Тліюча скіпка спалахує, бо кисень активно підтримує горіння.
Рівняння реакції:
$$2Cd(NO_3)_2 \xlongequal{t} 2CdO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$$

Чи можна, з огляду на викладене в параграфі, класифікувати хімічні реакції на два типи — каталітичні та некаталітичні? Відповідь аргументуйте.

Так. Окремі реакції (як розклад $H_2O_2$) йдуть повільно і потребують пришвидшувача — це каталітичні реакції. Інші (як термічний розклад $KMnO_4$) відбуваються просто за нагрівання без додаткових речовин — це некаталітичні реакції.

ВИКОНАЙМО ВПРАВУ

Перетворіть на хімічні рівняння схеми реакцій, під час яких утворюється кисень:

а) $2Ag_2O \xlongequal{t} 4Ag + O_2\uparrow$
$2Mn_2O_7 \xlongequal{t} 4MnO_2 + 3O_2\uparrow$

б) $4Al(NO_3)_3 \xlongequal{t} 2Al_2O_3 + 12NO_2\uparrow + 3O_2\uparrow$
$2Ag_2CO_3 \xlongequal{t} 4Ag + 2CO_2\uparrow + O_2\uparrow$

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

Чи цілком розклалася речовина, якщо масова частка Оксигену в отриманому твердому залишку становила 50 %?

Дано:

• $w(O)_{\text{зал}} = 50\%$ (або $0{,}5$)

Знайти:

• $w(NaNO_3) – ?$
• $w(NaNO_2) – ?$

Розв’язання:

Схема розкладання натрій нітрату:
$$2NaNO_3 \xrightarrow{t} 2NaNO_2 + O_2\uparrow$$

1. Масова частка Оксигену в початковій солі $NaNO_3$:
   $M(NaNO_3) = 23 + 14 + 16 \cdot 3 = 85$ г/моль.
   $$w(O)_{поч} = \dfrac{3 \cdot 16}{85} \approx 0,565 \text{ або } 56,5\%$$
2. Масова частка Оксигену в продукті розкладу — натрій нітриті $NaNO_2$:
   $M(NaNO_2) = 23 + 14 + 16 \cdot 2 = 69$ г/моль.
   $$w(O)_{кін} = \dfrac{2 \cdot 16}{69} \approx 0,464 \text{ або } 46,4\%$$

Висновок: Частка Оксигену в залишку (50%) менша за частку в $NaNO_3$ (56,5%), але більша за частку в $NaNO_2$ (46,4%). Отже, речовина розклалася не повністю. Твердий залишок — це суміш натрій нітрату і натрій нітриту.

СТВОРЮЙМО ПРОЄКТ

Підготуйте за матеріалами з інтернету повідомлення про наукові здобутки відкривачів кисню К.-В. Шеєле та Дж. Прістлі.

Кисень у XVIII столітті незалежно відкрили двоє вчених:

• Карл Вільгельм Шеєле (Швеція, 1772 р.) отримав кисень («вогняне повітря») нагріванням селітри, оксиду марганцю та інших речовин. Опублікував результати у 1777 році, пізніше за Прістлі.
• Джозеф Прістлі (Англія, 1774 р.) отримав кисень фокусуванням сонячних променів через лінзу на меркурій(ІІ) оксид. Назвав газ «дефлогістованим повітрям». Помітив, що в ньому свічка горить яскраво, а миші живуть довше.

Ці відкриття лягли в основу кисневої теорії горіння А. Лавуазьє та спростували теорію флогістону.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Одержання кисню — Oxygen production
• Промисловий метод — Industrial method
• Лабораторний метод — Laboratory method
• Реакція розкладу — Decomposition reaction
• Каталізатор — Catalyst
• Гідроген пероксид — Hydrogen peroxide ($H_2O_2$)
• Збирання кисню — Oxygen collection
• Витиснення води — Water displacement
• Витиснення повітря — Air displacement

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.