21. Добування кисню в лабораторії. Реакція розкладу. Поняття про каталізатор.

21. Добування кисню в лабораторії. Реакція розкладу. Поняття про каталізатор.     

1. Добування кисню в лабораторії.

У лабораторії кисень зручніше добувати з тих його сполук, які під час нагрівання легко виділяють кисень. Для цього використовують речовини, що легко розкладаються з виділенням кисню незалежно від того, зустрічаються вони в природі чи отримані штучно. Найчастіше використовують калій перманганат, бертолетову сіль, чилійську селітру, воду та гідроген пероксид. Уперше кисень був добутий нагріванням меркурій(ІІ) оксиду HgO сфокусованим сонячним промінням (метод Прістлі):  2HgO → 2Hg + О₂↑.

Розклад калій перманганату. Калій перманганат КМnО₄ дyже часто зустрічається в побуті під назвою марганцівка. Ще наші бабусі знали корисні в побуті властивості марганцівки: нею промивали рани, лікували отруєння, знезаражували, купали немовлят і навіть використовували у боротьбі з шкідниками в городі. Таке широке застосування марганцівки пояснює головна її властивість - це протимікробний препарат. За рахунок активних процесів окислення марганцівка вбиває шкідливі мікроби - збудників різних інфекцій на поверхні шкіри, так і всередині організму.  Розклад калій перманганату відбувається при нагріванні:

2КМnО₄ → К₂МnО₄ + МnО₂ + О₂↑.

 Невелику кількість порошку калій перманганату поміщаємо на дно пробірки. У верхню частину пробірки закладаємо шматочком вати для того, щоб уникнути розкидання порошку під час досліду. Пробірку закриваємо гумовим корком із газовідвідною трубкою та закріплюємо на штативі, а потім акуратно нагріваємо. Кисень, що виділяється, можна зібрати в яку-небудь посудину.

Кисень важчий за повітря і малорозчинний у воді, тому його можна збирати двома способами: 1 - витісненням повітря, 2 ­- витісненням води. У першому випадку кінець газовідвідної трубки спрямовуємо в хімічний стакан, що стоїть на столі. Кисень, який надходить у посудину по скляній трубці, поступово витісняє повітря. Щоб уникнути ­перемішування кисню з атмосферним повітрям, отвір посудини нещільно закривають шматком вати або аркушем фільтрувального паперу. Щоб переконатися, що посудина заповнилася киснем, до її отвору підносять тліючу скіпку. Якщо посудина заповнена, та скіпка спалахує проста біля отвору. Це означає, що добутий газ - кисень, оскільки він підтримує горіння.

У разі збирання кисню над водою газ, що виділяється, поступово витісняє воду з циліндра, заздалегідь заповненого вадою. Коли газ повністю витіснить воду із циліндра, його отвір закривають склом тільки потім виймають із води та перевертають.

Розклад бертолетової солі. До бертолетової солі додають невелику кількість порошку Maнган(IV) оксиду МnО₂ і нагрівають:

         2 КСlO₃ → 2КСl + 3О₂↑.

Сам собою мaнгaн(IV) оксид у цій реакції не витрачається, він тільки прискорює її. З явищем прискорення реакції у присутності деяких речовин ми зустрічатимемося часто. Такі речовини називаються каталізаторами, а збільшення швидкості реакції під дією каталізатора - каталізом.

Розклад гідроген пероксиду. Гідроген пероксид розкладається за звичайних умов на воду та кисень. При нагріванні цей процес проходить швидше, але ще швидше розклад гідроген пероксиду відбувається в присутності манган (IV) оксиду:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂↑.

Каталізаторами розкладу гідроген пероксиду може виступати не тільки манган (IV) оксид, але й активоване вугілля, залізо, а також речовини, що містяться в крові тварин і листі рослин.

Замість манган(IV) оксиду можна використати активоване вугілля, подрібнений листок будь-якої кімнатної рослини, маленький шматочок сирого м'яса або декілька металевих ошурок. Оскільки швидкість реакції не залежить від кількості каталізатора, то за швидкістю виділення бульбашок можна зробити висновок про активність різних каталізаторів.

Гідроген пероксид у побуті називають перекис водню. Зазвичай він використовується у вигляді 3-5%-го водного розчину для дезинфекції подряпин і дрібних ран. Потрапивши на ранку, гідроген пероксид під дією каталізаторів - речовин, що містяться в крові, починає виділяти кисень, який вбиває бактерії й закупорює дрібні судини, зупиняючи кровотечу. Також гідроген пероксид зустрічається у вигляді 30%-го водного розчину (пергідроль).

Розкладання води електричним струмом. Вода є стійкою речовиною, однак під дією електричного струму вона розкладається на прості речовини:  2Н₂О → 2Н₂ + О₂↑.

Розклад індійської (або чилійської) селітри. Кисень виділяється під час нагрівання селітри:  2 КNО₃ = 2 KNО₂ + О₂↑.

2. Реакції розкладу

Крім того, що в результаті всіх цих реакцій виділяється кисень, вони мають ще одну загальну ознаку: з лівого боку рівняння записана одна речовина, а в продуктах реакції - декілька. Реакції, в результаті яких з однієї складної речовини утворюється декілька інших (простих або складних), називають реакціями розкладу.

3. Добування кисню в промисловості.

Виробляти кисень на заводах у великих кількостях необхідно, використовуючи дешеву сировину, щоб продукт мав невисоку собівартість, а виробництво було економічно доцільним та вигідним.

Найбільш дешевий спосіб добування кисню в промисловості є його відокремлення від повітря. Для добування чистого кисню повітря спочатку стискають потужними компресорами. При охолодженні повітря (до -2000^оС) більшість його компонентів (азот, кисень) переходять у рідкий стан, а деякі (вода, вуглекислий газ, метан) - у твердий. Потім рідину, очищену від твердих домішок, нагрівають. Першим випаровується азот (температура кипіння -196 0^оС); після його випаровування залишається практично чистий рідкий кисень. Цей метод не можна назвати хімічним, оскільки в даному випадку кисень просто виділяється із суміші газів - повітря.

Додатково можна зазначити, що добутий рідкий кисень зберігають у спеціальних контейнерах - посудинах Дюара, які за влаштуванням нагадують звичайний термос. Посудина Дюара має дві стінки з простору між якими немає повітря. 3а рахунок цього посудина практично не пропускає теплоту, і в ній тривалий час за низької температури може зберігатися зріджений газ.