Занятие 10. Химия кислорода
Опыт 1. Получение кислорода при термическом разложении хлората калия.
Реактивы. Кристаллический хлорат калия KClO3, твердый диоксид марганца MnO2, водный (10-15%-ный) раствор гидроксида калия KOH.
Посуда и реактивы. Колба Вюрца емкостью 200-300 мл с резиновой или фторопластовой пробкой, склянка Тищенко, чаша с водой, два штатива с лапкой, муфтами и кольцами, два цилиндра для сбора кислорода со стеклянными пришлифованными пластинками, газовая горелка, металлическая сетка, шпатель, ложечка из кварцевого стекла или из стекла марки «пирекс», фарфоровая ступка с пестиком и фарфоровая чашка, тигельные щипцы.
Описание опыта. Перед опытом проверяют чистоту хлората калия. Для этого немного этой соли измельчают в фарфоровой ступке путем раздавливания (но не растирания) кристаллов, потом полученный порошок помещают в фарфоровую чашку и, держа её щипцами, нагревают в пламени газовой горелки. Соль должна спокойно плавиться. Если при нагревании происходят хлопки, вспышки и взрывы, то хлорат калия для опыта непригоден.
Диоксид марганца, предварительно высушенный при 110-1200С, смешивают с хлоратом калия в объемном отношении 1:2, и эту смесь тоже нагревают в небольшом количестве в фарфоровой чашке. Если при этом не происходит мелких вспышек и взрывов, то смесь пригодна для опыта и достаточно безопасна. В колбу Вюрца засыпают смесь, состоящую из хлората калия (15 г) и диоксида марганца (9 г), которую готовят в фарфоровой чашке, перемешивая вещества шпателем. Смесь должна занимать не более ¼ объема колбы. Колбу соединяют резиновым шлангом со склянкой Тищенко, наполненной на 1/3 её объема раствором гидроксида калия для поглощения примеси хлора. Смесь в колбе нагревают сначала на слабом огне, а потом нагревание усиливают. Начавшееся разложение хлората калия фиксируется по вспыхиванию тлеющей лучинки у отверстия газоотводной трубки. Газ собирают в цилиндр, наполненный водой. Хлорат калия без катализатора начинает разлагаться около 4000С, причем реакция протекает в две стадии:
4KClO3 = KCl + 3KClO4
KClO4 = KCl + 2O2↑
В присутствии диоксида марганца соль разлагается при 1500С:
2KClO3 = 2KCl + 3O2↑
По окончании опыта вынимают сначала газоотводную трубку из воды, а уже потом прекращают нагревание.
Примечание. Из 10 г хлората калия можно получить 3 л (при н. у.) кислорода. Вместо диоксида марганца в качестве катализатора можно использовать оксид меди CuO, оксид железа Fe2O3, оксид хрома Cr2O3 или оксид алюминия Al2O3.
Исторические сведения. В 1788 г. французский химик Клод Луи Бертолле (1748-1822) обнаружил, что впервые полученный им хлорат калия («бертолетова соль») при нагревании разлагается с выделением кислорода.
Опыт 2. Получение озона действием серной кислоты на перманганат калия.
Реактивы. Кристаллический перманганат калия KMnO4, концентрированная серная кислота H2SO4, этанол C2H5OH, диэтиловый эфир (C2H5)2O, йодкрахмальный раствор.
Посуда и реактивы. Коническая или круглая плоскодонная колба емкостью 50-100 мл с высоким горлом, пипетка на 10 мл, пинцет, стекловата, шпатель, фильтровальная бумага.
Описание опыта. В колбу вносят шпателем немного (3-5 г) перманганата калия и приливают 10-15 мл концентрированной серной кислоты, затем закрывают горловину колбы неплотным тампоном из стекловаты, углубив её на 2-3 см внутрь колбы. В горловину колбы вносят увлажненную йодкрахмальным раствором полоску фильтровальной бумаги; наблюдают, как она тут же окрашивается в синий цвет. Затем извлекают тампон и вносят в колбу на проволоке небольшой комочек хлопчатобумажной ваты, смоченной в диэтиловом эфире. Он тотчас же воспламеняется. Если вносить в колбу по каплям этанол из пипетки, то каждая капля спирта вспыхивает, и из колбы вырывается пламя. Происходящие в реакционной среде процессы отвечают уравнениям:
2KMnO4 + H2SO4 = K2SO4 + Mn2O7 + H2O
2Mn2O7 = 4MnO2↓ + 3O2↑
одновременно выделяется озон:
Mn2O7 = 2MnO2↓ + O3↑
Выделяющийся озон окисляет иодид-ионы в йодкрахмальном растворе, а также окисляет органические вещества – этанол и диэтиловый эфир:
(C2H5) 2O + 6O3 = 4CO2↑ + 5H2O↑ + 3O2↑
2C2H5OH + 8O3 = 4CO2↑ + 6H2O↑ + 6O2↑
Таким образом, этот опыт хорошо иллюстрирует высокую окислительную способность озона.
Исторические сведения. Изучением химических способов получения озона занимался в 1845 г. швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк (1817-1894). Кроме того, независимо от Шёнбейна, он показал, что озон образуется из кислорода при тихом электрическом разряде.
Опыт 3. Взаимодействие пероксида водорода с иодидом калия.
Реактивы. Водный 3-5%-ный раствор пероксида водорода H2O2, разбавленный водный раствор иодида калия KI, водный (12-15%-ный) раствор уксусной кислоты CH3COOH, раствор крахмала.
Посуда и приборы. Полилюкс с экраном, стеклянная пластинка размером 25×25, две чашки Петри, стеклянная палочка, капельница для уксусной кислоты.
Описание опыта. Ставят на стеклянную пластинку, закрывающую световое окно полилюкса, две чашки Петри с раствором иодида калия, к которому добавлено по 4-5 капель уксусной кислоты. В одну из чашек добавляют немного раствора пероксида водорода, тотчас же бесцветный раствор окрашивается в желто-коричневый цвет:
2KI + H2O2 + 2CH3COOH = I2 + 2CH3COOK + 2H2O
KI + I2 = K[I(I)2]
В другую чашку добавляют, помимо пероксида водорода, раствор крахмала. Жидкость окрашивается в синий цвет.
Пероксид водорода в кислотной среде проявляет свойства сильного окислителя (значение стандартного потенциала окислительно-восстановительной пары H2O2/H2O составляет +1,764 В).
Примечание. Раствор крахмала удобно готовить так: около 0,5 г картофельного крахмала растирают в фарфоровой ступке с небольшим количеством воды до состояния жидкой кашицы, а затем вливают эту кашицу в 150 мл кипящей воды. Жидкость кипятят ещё 1-2 мин, охлаждают и добавляют 2-3 г хлорида цинка ZnCl2. Жидкости дают отстояться и сливают прозрачный раствор в склянку с полиэтиленовой или резиновой пробкой. Такой раствор может сохраняться целый год.
Исторические сведения. Пероксид водорода открыл в 1818 г. французский химик Луи Жак Тенар (1777-1857); он же первым и исследовал его свойства.
Опыт 4. Окисление сульфида свинца пероксидом водорода.
Реактивы. Разбавленные водные растворы нитрата свинца Pb(NO3)2 и сульфида натрия Na2S, водный (3-5%-ный) раствор пероксида водорода H2O2.
Посуда и приборы. Магнитная мешалка, два высоких стакана емкостью 250-400 мл.
Описание опыта. Ставят на магнитную мешалку стакан с раствором нитрата свинца и при умеренной скорости перемешивания добавляют немного раствора сульфида натрия. Выпадает черный осадок сульфида свинца:
Pb(NO3)2 + Na2S = PbS↓ + 2NaNO3
Небольшую порцию суспензии сульфида свинца черного цвета отливают во второй стакан и при перемешивании добавляют раствор пероксида водорода; при этом образуется суспензия сульфата свинца:
PbS + 4H2O2 = PbSO4 + 4H2O
В этой реакции пероксид водорода – окислитель.
Исторические сведения. Считают, что сульфат свинца был известен уже немецкому ученому-врачу и алхимику Андреасу Либавию (1550-1616). Превращение сульфида свинца в сульфат свинца подробно описал немецкий химик Б. Кюн в 1906 г. рассматриваемая в описании опыта реакция позволяет «обновить» потемневшую старинные живопись: вплоть до XIX в. для получения красок светлых томов художники добавляли к пигментам свинцовые (а не цинковые или титановые) белила.
Опыт 5. Взаимодействие пероксида водорода с перманганатом калия и дихроматом калия.
Реактивы. Разбавленный (1:3) водный раствор пероксида водорода H2O2, разбавленные водные растворы перманганата калия KMnO4, дихромата калия K2Cr2O7 и разбавленная (1:5) серная кислота H2SO4 .
Посуда и приборы. Полилюкс с экраном, стеклянная пластинка размером 25×25, две чашки Петри, стеклянная палочка, капельница для кислоты.
Описание опыта. Ставят на стеклянную пластинку, закрывающую световое окно полилюкса, две чашки Петри с растворами перманганата калия и дихромата калия, подкисленными серной кислотой. В чашку с раствором перманганата калия добавляют немного пероксида водорода. Тотчас же раствор обесцвечивается; можно даже заметить мелкие пузырьки газа:
2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O + 5O2↑
В чашке с раствором дихромата калия раствор может сначала приобрести синеватую окраску (из-за образования неустойчивого пероксидного комплекса хрома), а потом становится зеленым:
K2Cr2O7 + 3H2O2 + 4H2SO4 = Cr2(SO4) 3 + K2SO4 + 7H2O + 3O2↑
Значение стандартного потенциала окислительно – восстановительной пары O2/H2O2 составляет +0,694 В, что значительно ниже стандартных потенциалов для MnO4-/Mn2+ (+1,531 В) и Cr2O72-/Cr3+ (+1,333 В); это служит критерием самопроизвольного окислительно – восстановительного процесса.
Исторические сведения. Реакции, протекающие при контакте пероксида водорода с окислителями, в частности, дихроматом калия, исследовал в 1889 г. французский химик Пьер Эжен Марселен Бертло (1827-1907).
Опыт 6. Получение кислорода.
Реактивы. Перманганат калия KMnO4 (крист.).
Посуда и приборы. Штатив, спиртовка, колба Вюрца емкостью 250 мл, резиновая (стеклянная пробка), кристаллизатор, стеклянный цилиндр, лучинка.
Описание опыта. Собирают прибор, изображенный на рис. 7.
Рис. 7. Прибор для получения кислорода.
В колбу Вюрца насыпают порошок перманганата калия и нагревают. Разложение его начинается при 2500С. Газоотводную трубку опускают в воду. Наблюдается выделение пузырьков кислорода. Собирают кислород в цилиндр вытеснением из него воды.
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2
Для доказательства того, что в цилиндре находится кислород, в него надо опустить тлеющую лучину. В атмосфере кислорода тлеющая лучинка загорается.
Опыт 7. Горение серы в кислороде.
Реактивы. Кислород O2 (газ.), крист. сера S.
Посуда и приборы. Стеклянный цилиндр, лучинка, спиртовка, ложечка для сжигания.
Описание опыта. Подожженный на воздухе кусочек серы вносят на ложечке в цилиндр, наполненный кислородом. Она горит в нем ярким синеватым пламенем.
S + O2 = SO2
Опыт проводят в вытяжном шкафу.
Рис. 8. Горение серы в кислороде.
Опыт 8. Горение фосфора в кислороде.
Реактивы. Кислород O2 (газ.), красный фосфор (Р).
Посуда и приборы. Стеклянный цилиндр, лучинка, спиртовка, ложечка для сжигания.
Описание опыта. Опыт проводят аналогично предыдущему.
4P + 5O2 = 2P2O5
Опыт 9. Горение железа в кислороде.
Реактивы. Древесный уголь, перманганат калия (крист.), стальная проволока.
Посуда и приборы. Штатив, пробирка, пробка с газоотводной трубкой, стакан с песком емкостью 50 мл.
Описание опыта. а) К тонкой свернутой спиралью стальной проволоке прикрепляют маленький уголек или кусочек лучины. Приготовленную спиральку закрепляют в пробке материальной банки, которую наполняют кислородом. После этого в банку вносят спиральку с раскаленным на воздухе угольком, от которого, красиво разбрызгивая брызги, загорается железо. (На дно банки предварительно насыпают песок, чтобы она не лопнула от раскаленных капель оксидов железа.). Опыт приводит к выводу, что в кислороде горят некоторые вещества, неспособные гореть на воздухе.
б) Хорошо происходит горение железа при непрерывном поступлении кислорода в сосуд. В этом случае, даже когда в банку с кислородом опущена слишком рано железная проволока с горящей лучинкой или угольком, опыт все же удается, так как все время поступают новые порции кислорода. Опыт можно проводить в небольшом сосуде, в который опускается стеклянная газоотводная трубка от газометра или пробирки с перманганатом калия (рис. 9). В этом случае пробирку нагревают непрерывно.
Рис. 9. Горение железа в сосуде с кислородом.
в) Наиболее простой способ сжигания железа заключается в том, что его проводят в пробирке (рис. 10).
Рис. 10. Горение железа в пробирке с кислородом.
Пробирку с перманганатом калия закрепляют горизонтально в лапке штатива. Нагревают перманганат калия и к отверстию пробирки подносят железную проволоку с кусочком дерева (от спички), который поджигают. Сначала горит дерево, а потом железо.
4Fe + 3O2 = 2Fe2O3
Опыт 10. Сжигание в кислороде сложных веществ.
Реактивы. Парафин (свеча), кислород (газ.), известковая вода Са(ОН)2.
Посуда и приборы. Проволока, стакан.
В качестве примера сложного вещества можно взять парафин, из которого состоят обычные свечи. Парафиновую свечу закрепляют на проволоке, зажигают и вносят в кислород, в котором она горит значительно энергичнее, чем на воздухе. В результате горения получается оксид углерода (IV) и вода, наличие которых устанавливают наблюдением запотевания стенок стакана и помутнения прилитой известковой воды.
Вывод: сложное вещество при горении образует оксиды тех элементов, из которых оно состоит.