§ 6. Одержання кисню

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Як одержують кисень?

У промисловості кисень одержують із повітря шляхом його зрідження (охолодження до низьких температур) з наступним розділенням на компоненти під час поступового нагрівання (ректифікація). У лабораторних умовах кисень отримують у результаті реакцій розкладу деяких оксигеновмісних речовин, наприклад, гідроген пероксиду $H_2O_2$, води $H_2O$ або меркурій(ІІ) оксиду $HgO$.

Яку речовину називають каталізатором?

Каталізатором називають речовину, яка змінює швидкість хімічної реакції (зазвичай прискорює її), але сама при цьому не витрачається і не входить до складу продуктів реакції.

Як зібрати одержаний кисень?

Кисень можна зібрати двома способами:

1. Методом витиснення води, оскільки кисень малорозчинний у ній.
2. Методом витиснення повітря, тримаючи посудину-приймач 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.

Крім кисню (блакитний колір), у промисловості використовують балони для:

• азоту (чорний колір з жовтим написом);
• ацетилену (білий колір);
• водню (темно-зелений колір);
• вуглекислого газу (чорний колір);
• аргону (сірий колір);
• гелію (коричневий колір).

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

Чистий кисень у лікарнях використовують для інтенсивної терапії, щоб швидко наситити кров пацієнта киснем при дихальній недостатності. У дайвінгу використовують суміші, близькі до складу повітря (або спеціальні суміші на кшталт найтроксу), оскільки дихання чистим киснем під високим тиском на глибині викликає кисневе отруєння, що є смертельно небезпечним.

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

Рівняння реакції розкладу меркурій(ІІ) оксиду за нагрівання:
$2HgO \xrightarrow{t} 2Hg + O_2\uparrow$
Кисень виділяється у газуватому агрегатному стані.

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

Цей спосіб нині не використовують через високу токсичність ртуті ($Hg$) та її парів, які утворюються під час реакції. Це становить значну загрозу для здоров’я людини 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).

Вдвічі більший об’єм водню свідчить про кількісний склад молекули води ($H_2O$): на два атоми Гідрогену припадає один атом Оксигену. Згідно із законом Авогадро, об’ємні співвідношення газів відповідають кількості їхніх молекул (а в даному випадку — атомів у складі молекули води).

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

Скіпка спалахує тому, що концентрація кисню в чистому газі (майже 100%) значно вища, ніж у повітрі (близько 21%). Це призводить до різкого збільшення швидкості реакції горіння та інтенсивного виділення теплоти.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

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

1. У промисловості: зрідження повітря та його розділення (ректифікація) на азот і кисень.
2. У лабораторії: реакції розкладу оксигеновмісних сполук:
   • гідроген пероксиду $H_2O_2$ (за наявності каталізатора $MnO_2$);
   • калій перманганату $KMnO_4$ (при нагріванні);
   • 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: Це пов’язано з відносною густиною газів. Кисень ($M=32$) важчий за повітря ($M=29$), тому він збирається на дні посудини (пробірка дном донизу). Водень ($M=2$) значно легший за повітря, тому він піднімається вгору (пробірка дном догори).

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

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

Кисень можна зібрати двома методами:

1. Витисненням води.
2. Витисненням повітря.

На яких фізичних властивостях кисню ґрунтується кожний спосіб?

• Витиснення води: ґрунтується на малій розчинності кисню у воді.
• Витиснення повітря: ґрунтується на тому, що густина кисню більша за густину повітря.

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

Візуально неможливо встановити момент заповнення посудини при використанні методу витиснення повітря, оскільки кисень — безбарвний газ. Для перевірки використовують тліючу скіпку: якщо вона яскраво спалахує біля отвору посудини, то посудина заповнена.

АНАЛІЗУЙМО

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

Гідроген пероксид є продуктом хімічного синтезу і коштує дорого. Використання його для масового виробництва кисню є економічно невигідним. Натомість повітря є безкоштовною та доступною сировиною.

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

Під час нагрівання кадмій нітрату відбувається його розклад із виділенням бурого газу (нітроген(IV) оксиду $NO_2$) та безбарвного газу — кисню. Тліюча скіпка спалахує через наявність кисню, який підтримує горіння.
Рівняння реакції:
$2Cd(NO_3)_2 \xrightarrow{t} 2CdO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$

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

Так, така класифікація є доцільною. Деякі реакції (наприклад, розклад $H_2O_2$ за звичайних умов) протікають дуже повільно і потребують каталізатора для пришвидшення — це каталітичні реакції. Інші реакції (наприклад, термічний розклад $KMnO_4$) відбуваються при нагріванні без додавання каталізаторів — це некаталітичні реакції.

ВИКОНАЙМО ВПРАВУ

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

а) $2Ag_2O \xrightarrow{t} 4Ag + O_2\uparrow$

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

в) $2Mn_2O_7 \xrightarrow{t} 4MnO_2 + 3O_2\uparrow$

г) $2Ag_2CO_3 \xrightarrow{t} 4Ag + 2CO_2\uparrow + O_2\uparrow$

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

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

Розкладання натрій нітрату відбувається за схемою:
$2NaNO_3 \xrightarrow{t} 2NaNO_2 + O_2\uparrow$

1. Обчислимо масову частку 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. Обчислимо масову частку 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: Оскільки масова частка Оксигену в залишку (50%) є меншою за частку в $NaNO_3$ (56,5%), але більшою за частку в $NaNO_2$ (46,4%), це означає, що речовина розклалася не повністю. Твердий залишок є сумішшю натрій нітрату та натрій нітриту.

СТВОРЮЙМО ПРОЄКТ

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

Кисень було відкрито незалежно двома вченими у XVIII столітті:

• Карл Вільгельм Шеєле (Швеція) у 1772 році отримав кисень (який він назвав «вогняним повітрям») шляхом нагрівання селітри, оксиду марганцю та інших речовин. Однак він опублікував свої результати пізніше за Прістлі — у 1777 році.
• Джозеф Прістлі (Англія) у 1774 році отримав кисень, фокусуючи сонячне проміння лінзою на меркурій(ІІ) оксиді. Він назвав газ «дефлогістованим повітрям» і виявив, що в ньому свічка горить яскравіше, а миші живуть довше.

Ці відкриття стали основою для створення кисневої теорії горіння А. Лавуазьє та краху теорії 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.