Материал для учащихся Аннотация

Материал для учащихся
8 класс по теме «Получение кислорода и изучение его свойств»
Аннотация
В предлагаемом дополнительном материале представлены сведения по истории
открытия кислорода, способам получения и собирания кислорода, реакциям горения,
тепловым эффектам реакций, оксидам, катализаторам и каталитическим реакциям.
Каталитические реакции весьма распространены в химии и некоторые из них можно
провести даже в домашних условиях. Например, 3%-ный раствор перекиси водорода
(именно такой продают в аптеках) вполне устойчив в отсутствие примесей. Но при
добавлении очень небольшого количества (нескольких крупинок) твердого диоксида
марганца MnO2 начинается реакция разложения Н2О2 с выделением газообразного
кислорода:
Здесь MnO2 - катализатор реакции. Можно заметить, что в химическом уравнении
катализатор не присутствует среди реагентов или продуктов, его не нужно учитывать и
при уравнивании реакции. Поэтому обычно катализатор в уравнении указывают над
стрелкой. Если у вас под рукой нет диоксида марганца, его вполне можно заменить двумятремя крупинками марганцовки из домашней аптечки: KMnO4 при действии Н2О2 быстро
превратится в MnO2. Дальше полученный катализатор, вне зависимости от его количества,
будет работать до тех пор, пока не закончится весь реагент - перекись водорода. С
концентрированным раствором реакция идет очень бурно. Диоксид марганца - не
единственный катализатор реакции разложения перекиси водорода. Биологические
катализаторы (ферменты), содержащиеся в крови, действуют так же. Именно поэтому
слабый раствор перекиси водорода, нанесенный на царапину, начинает пузыриться
(выделяющийся при этом кислород дезинфицирует ранку).
Каталитическое окисление сахарозы кислородом воздуха. Обычный кусковой сахар или
сахар-рафинад представляет собой практически чистую сахарозу С12Н22О11. Кусочек
сахара не удается поджечь на открытом огне - он плавится, но не загорается. Но если
сахар «испачкать» катализатором - пеплом - его удается поджечь.
Катализаторы, активно участвуя в реакции, сами в итоге не изменяются. Другими
словами, катализаторы не расходуются в ходе химической реакции. Поскольку
катализатор способен многократно участвовать в промежуточных химических
взаимодействиях с реагентами, его часто берут в небольшом количестве - значительно
меньшем по сравнению с реагентами.
Катализаторами называются вещества, способные ускорять химические реакции,
сами оставаясь при этом неизменными
(Материал взят из А. В. Мануйлов, В. И. Родионов Основы химии. Интернет-учебник. Новосибирский государственный
университет, http://www.hemi.nsu.ru/ucheb216.htm)
Тепловой эффект химической реакции.
В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством
веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином, так как продукты
питания позволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных
химических соединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется в
движение, работу, идет на поддержание постоянной температуры тела. Энергия
химических соединений сосредоточена главным образом в химических связях. Чтобы
разрушить связь между двумя атомами, требуется затратить энергию. Когда химическая
связь образуется, энергия выделяется.
Атомы не соединялись бы между собой, если бы это не вело к "выигрышу" (то есть
высвобождению) энергии. Этот выигрыш может быть большим или малым, но он
обязательно есть при образовании молекул из атомов. Любая химическая реакция
заключается в разрыве одних химических связей и образовании других.
Когда в результате химической реакции при образовании новых связей выделяется
энергии больше, чем потребовалось для разрушения "старых" связей в исходных
веществах, то избыток энергии высвобождается в виде тепла. Например, природный газ
(метан CH4) сгорает в кислороде воздуха с выделением большого количества теплоты
(рис. 14). Реакция может идти с взрывом - так много энергии заключено в этом
превращении. Такие реакции называются экзотермическими от латинского "экзо" наружу (имея в виду выделяющуюся энергию).
В других случаях на разрушение связей в исходных веществах требуется энергии больше,
чем может выделиться при образовании новых связей. Такие реакции происходят только
при подводе энергии извне и называются эндотермическими (от латинского "эндо" внутрь). Примером является реакция взаимодействия угля и воды, которая происходит
только при нагревании (рис. 15).
Таким образом, любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением
энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде
световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения
выражают в килоджоулях (кДж) для одного моля реагента или, реже, для моля продукта
реакции. Такая величина называется тепловым эффектом реакции. Например, тепловой
эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить уравнением:
2 H2(г) + O2(г) = 2 H2О(ж) + 572 кДж
Значки (г), (ж) обозначают газообразное и жидкое состояние веществ. Встречаются также
обозначения (тв) или (к) - твердое, кристаллическое вещество, (водн) - растворенное в
воде вещество и т.д.
Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов.
Представьте себя на минуту конструктором мощной ракеты, способной выводить на
орбиту космические корабли и другие полезные грузы (рис.13). Двигатели ракеты одной
из её ступеней работают на сжиженных газах - водороде и кислороде. Без учета теплового
эффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать расчет двигателя
затруднительно. Ведь тепловой эффект - это и есть та самая энергия, которая должна
вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплота превращается в
кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), который вырывается из сопел и
создает реактивную тягу.
Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в
организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и
для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий.
Уравнения химических реакций, в которых вместе с реагентами и продуктами записан и
тепловой эффект реакции, называются термохимическими уравнениями.
Раздел химии, занимающийся изучением превращения энергии в химических реакциях,
называется термохимией.
Окисление и горение.
Окисление – химическая реакция, в результате которой происходит присоединение
атомов кислорода к атомам других элементов.
Реакция горения – это химическая реакция, во время которой выделяется теплота и свет.
Часто горение сопровождается пламенем. Пламя возникает вследствие свечения
раскаленных частиц веществ, которые сгорают или образуются во время реакции.
Оксиды.
Оксиды – это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из
которых кислород.
Многие элементы находятся в природе в виде своих соединений с кислородом, т.е.
оксидов. Руды различных металлов часто являются именно оксидами этих металлов.
Например, железные руды – красный железняк Fe2O3, магнитный железняк Fe3O4 (смесь
оксидов FeO×Fe2O3), бурый железняк – Fe2O3×2Fe(OH)3; алюминиевая руда боксит –
Al2O3×nH2O.
Поэтому важнейшим применением оксидов металлов является их восстановление.
Например, в доменной печи происходит восстановление оксидов железа с образованием
металлического железа.
(Материал взят из А. В. Мануйлов, В. И. Родионов Основы химии. Интернет-учебник. Новосибирский государственный университет.
http://www.hemi.nsu.ru/ucheb216.htm)
Получение кислорода.
Большое количество кислорода используется в промышленности, в медицине, в других
областях человеческой деятельности. Промышленные количества кислорода получают из
жидкого воздуха. Сначала воздух сжимают мощными компрессорами – при этом он, как
любой сжимаемый газ, сильно нагревается. Если вам приходилось энергично накачивать
велосипедную камеру, то вы должны помнить, что корпус насоса и шланг нагреваются
довольно заметно.
Получить кислород в небольших количествах можно в лаборатории. Например, из
перманганата калия КМnО4 при нагревании:
2КМnО4 = MnO2 + К2MnO4 + O2
Из 10 г перманганата калия можно получить примерно литр кислорода, значит двух
граммов достаточно, чтобы наполнить кислородом пять пробирок нормальной величины.
Другим лабораторным способом получения кислорода является разложение пероксида
(перекиси) водорода Н2О2. 3%-ный раствор пероксида водорода как дезинфицирующее
средство используется для обработки ран. Пероксид водорода малоустойчив и разлагается
на кислород и воду:
2Н2O2 = 2H2O + О2
(Материал взят из Гроссе Э., Вайсмантель X. Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты.)
Методы собирания газов
При собирании газов необходимо учитывать три их свойства:
•Молярную массу газа (легче или тяжелее получаемый газ воздуха). Определяется по
соотношению молярной массы газа и средней молярной массы воздуха (Мср (воздуха) =
29 г/моль).
•Растворимость газа в воде.
•Наличие или отсутствие у него способности реагировать с кислородом воздуха.
Свойства газа
Особенности собирания
Способ собирания
М (газа) < Мср (воздуха)
Газ легче воздуха
Вытеснением воздуха
(приёмник вверх дном)
М (газа) > Мср (воздуха)
Газ тяжелее воздуха
Вытеснением воздуха
(приёмник вниз дном)
Газ нерастворим в воде и
с ней не взаимодействует
Собиранием над водой
(вытеснением воды)
(Материал взят с сайта www.festival.1september.ru)
Схема