Методы получения кислорода в промышленности. Получение кислорода в промышленности

Кислород появился в земной атмосфере с возникновением зелёных растений и фотосинтезирующих бактерий. Благодаря кислороду аэробными организмами осуществляется дыхание или окисление. Важно получение кислорода в промышленности – он используется в металлургии, медицине, авиации, народном хозяйстве и других отраслях.

Свойства

Кислород - восьмой элемент периодической таблицы Менделеева. Это газ, поддерживающий горение и осуществляющий окисление веществ.

Рис. 1. Кислород в таблице Менделеева.

Официально кислород был открыт в 1774 году. Английский химик Джозеф Пристли выделил элемент из оксида ртути:

2HgO → 2Hg + O 2 .

Однако Пристли не знал, что кислород является частью воздуха. Свойства и нахождение в атмосфере кислорода позже уставил коллега Пристли - французский химик Антуан Лавуазье.

Общая характеристика кислорода:

• бесцветный газ;
• не имеет запаха и вкуса;
• тяжелее воздуха;
• молекула состоит из двух атомов кислорода (О 2);
• в жидком состоянии имеет бледно-голубой цвет;
• плохо растворим в воде;
• является сильным окислителем.

Рис. 2. Жидкий кислород.

Присутствие кислорода легко проверить, опустив в сосуд с газом тлеющую лучину. При наличии кислорода лучина вспыхивает.

Как получают

Известно несколько способов получения кислорода из различных соединений в промышленных и лабораторных условиях. В промышленности кислород получают из воздуха путём его сжижения под давлением и при температуре в -183°С. Жидкий воздух подвергают испарению, т.е. постепенно нагревают. При -196°C азот начинает улетучиваться, а кислород сохраняет жидкое состояние.

В лаборатории кислород образуется из солей, пероксида водорода и в результате электролиза. Разложение солей происходит при нагревании. Например, хлорат калия или бертолетову соль нагревают до 500°С, а перманганат калия или марганцовку - до 240°С:

• 2KClO 3 → 2KCl + 3O 2 ;
• 2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 .

Рис. 3. Нагревание бертолетовой соли.

Также можно получить кислород путём нагревания селитры или нитрата калия:

2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2 .

При разложении пероксида водорода используется оксид марганца (IV) - MnO 2 , углерод или порошок железа в качестве катализатора. Общее уравнение выглядит следующим образом:

2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2 .

Электролизу подвергается раствор гидроксида натрия. В результате образуется вода и кислород:

4NaOH → (электролиз) 4Na + 2H 2 O + O 2 .

Также кислород с помощью электролиза выделяют из воды, разложив её на водород и кислород:

2H 2 O → 2H 2 + O 2 .

На атомных подводных лодках кислород получали из пироксида натрия - 2Na 2 O 2 + 2CO 2 → 2Na 2 CO 3 + O 2 . Способ интересен тем, что вместе с выделением кислорода поглощается углекислый газ.

Как применяют

Собирание и распознавание необходимо для выделения чистого кислорода, использующегося в промышленности для окисления веществ, а также для поддержания дыхания в космосе, под водой, в задымлённых помещениях (кислород необходим пожарным). В медицине баллоны кислорода помогают дышать пациентам с затруднённым дыханием. Также кислород используется для лечения респираторных заболеваний.

Кислород применяют для сжигания топлива - угля, нефти, природного газа. Кислород широко применяется в металлургии и машиностроении, например, для плавки, резки и сварки металла.

Средняя оценка: 4.9 . Всего получено оценок: 177.

Открытие кислорода ознаменовало новый период в развитии химии. С глубокой древности было известно, что для горения необходим воздух. Процесс горения веществ долгое время оставался непонятным. В эпоху алхимии широкое распространение получила теория флогистона, согласно которой вещества горят благодаря их взаимодействию с огненной материей, то есть с флогистоном, который содержится в пламени.

Кислород был получен английским химиком Джозефом Пристли в 70-х годах XVIII века. Химик нагревал красный порошок оксида ртути (II), в итоге вещество разлагалось, с образованием металлической ртути и бесцветного газа:

2HgO t° → 2Hg + O2

Оксиды – бинарные соединения, в состав которых входит кислород

При внесении тлеющей лучины в сосуд с газом она ярко вспыхивала. Ученый считал, что тлеющая лучина вносит в газ флогистон, и он загорается.

Д. Пристли пробовал дышать полученным газом, и был восхищен тем, как легко и свободно им дышится. Тогда ученый и не предполагал, что удовольствие дышать этим газом предоставлено каждому.

Результатами своих опытов Д. Пристли поделился с французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Имея хорошо оснащенную на то время лабораторию, А. Лавуазье повторил и усовершенствовал опыты Д. Пристли.

А. Лавуазье измерил количество газа, выделяющееся при разложении определенной массы оксида ртути. Затем химик нагрел в герметичном сосуде металлическую ртуть до тех пор, пока она не превратилась в оксид ртути (II). Он обнаружил, что количество выделившегося газа в первом опыте равно газу, поглотившемуся во втором опыте. Следовательно, ртуть реагирует с каким-то веществом, содержащимся в воздухе. И это же вещество выделяется при разложении оксида. Лавуазье первым сделал вывод, что флогистон здесь совершенно ни при чем, и горение тлеющей лучины вызывает именно неизвестный газ, который в последствии был назван кислородом. Открытие кислорода ознаменовало крах теории флогистона!

Способы получения и собирания кислорода в лаборатории

Лабораторные способы получения кислорода весьма разнообразны. Существует много веществ, из которых можно получить кислород. Рассмотрим наиболее распространенные способы.

1) Разложение оксида ртути (II)

Одним из способов получения кислорода в лаборатории, является его получение по описанной выше реакции разложения оксида ртути (II). Ввиду высокой токсичности соединений ртути и паров самой ртути, данный способ используется крайне редко.

2) Разложение перманганата калия

Перманганат калия (в быту мы называем его марганцовкой) – кристаллическое вещество темно-фиолетового цвета. При нагревании перманганата калия выделяется кислород.

В пробирку насыплем немного порошка перманганата калия и закрепим ее горизонтально в лапке штатива. Недалеко от отверстия пробирки поместим кусочек ваты. Закроем пробирку пробкой, в которую вставлена газоотводная трубка, конец которой опустим в сосуд- приемник. Газоотводная трубка должна доходить до дна сосуда-приемника.

Ватка, находящаяся около отверстия пробирки нужна, чтобы предотвратить попадание частиц перманганата калия в сосуд-приемник (при разложении выделяющийся кислород увлекает за собой частички перманганата).

Когда прибор собран, начинаем нагревание пробирки. Начинается выделение кислорода.

Уравнение реакции разложения перманганата калия:

2KMnO4 t° → K2MnO4 + MnO2 + O2

Как обнаружить присутствие кислорода? Воспользуемся способом Пристли. Подожжем деревянную лучину, дадим ей немного погореть, затем погасим, так, чтобы она едва тлела. Опустим тлеющую лучину в сосуд с кислородом. Лучина ярко вспыхивает!

Газоотводная трубка была не случайно опущена до дна сосуда-приемника. Кислород тяжелее воздуха, следовательно, он будет собираться в нижней части приемника, вытесняя из него воздух.

Кислород можно собрать и методом вытеснения воды. Для этого газоотводную трубку необходимо опустить в пробирку, заполненную водой, и опущенную в кристаллизатор с водой вниз отверстием. При поступлении кислорода газ вытесняет воду из пробирки.

Разложение пероксида водорода

Пероксид водорода – вещество всем известное. В аптеке оно продается под названием «перекись водорода». Данное название является устаревшим, более правильно использовать термин «пероксид». Химическая формула пероксида водорода Н2О2

Пероксид водорода при хранении медленно разлагается на воду и кислород. Чтобы ускорить процесс разложения можно произвести нагрев или применить катализатор.

Катализатор – вещество, ускоряющее скорость протекания химической реакции

Нальем в колбу пероксид водорода, внесем в жидкость катализатор. Катализатором может служить порошок черного цвета – оксид марганца MnO2. Тотчас смесь начнет вспениваться вследствие выделения большого количества кислорода. Внесем в колбу тлеющую лучину – она ярко вспыхивает. Уравнение реакции разложения пероксида водорода:

2H2O2 MnO2 → 2H2O + O2

Обратите внимание: катализатор, ускоряющий протекание реакции, записывается над стрелкой, или знаком «=», потому что он не расходуется в ходе реакции, а только ускоряет ее.

Разложение хлората калия

Хлорат калия – кристаллическое вещество белого цвета. Используется в производстве фейерверков и других различных пиротехнических изделий. Встречается тривиальное название этого вещества – «бертолетова соль». Такое название вещество получило в честь французского химика, впервые синтезировавшего его, – Клода Луи Бертолле. Химическая формула хлората калия KСlO3.

При нагревании хлората калия в присутствии катализатора – оксида марганца MnO2 , бертолетова соль разлагается по следующей схеме:

2KClO3 t°, MnO2 → 2KCl + 3O2.

Разложение нитратов

Нитраты – вещества, содержащие в своем составе ионы NO3⎺. Соединения данного класса используются в качестве минеральных удобрений, входят в состав пиротехнических изделий. Нитраты – соединения термически нестойкие, и при нагревании разлагаются с выделением кислорода:

Обратите внимание, что все рассмотренные способы получения кислорода схожи. Во всех случаях кислород выделяется при разложении более сложных веществ.

Реакция разложения

В общем виде реакцию разложения можно описать буквенной схемой:

АВ → А + В.

Реакции разложения могут протекать при действии различных факторов. Это может быть нагревание, действие электрического тока, применение катализатора. Существуют реакции, в которых вещества разлагаются самопроизвольно.

Получение кислорода в промышленности

В промышленности кислород получают путем выделения его из воздуха. Воздух – смесь газов, основные компоненты которой представлены в таблице.

Сущность этого способа заключается в глубоком охлаждении воздуха с превращением его в жидкость, что при нормальном атмосферном давлении может быть достигнуто при температуре около -192°С . Разделение жидкости на кислород и азот осуществляется путем использования разности температур их кипения, а именно: Ткип. О2 = -183°С; Ткип.N2 = -196°С (при нормальном атмосферном давлении).

При постепенном испарении жидкости в газообразную фазу в первую очередь будет переходить азот, имеющий более низкую температуру кипения, и, по мере его выделения, жидкость будет обогащаться кислородом. Многократное повторение этого процесса позволяет получить кислород и азот требуемой чистоты. Такой способ разделения жидкостей на составные части называется ректификацией жидкого воздуха.

• В лаборатории кислород получают реакциями разложения
• Реакция разложения – реакция, в результате которой сложные вещества разлагаются на более простые
• Кислород можно собрать методом вытеснения воздуха или методом вытеснения воды
• Для обнаружения кислорода используют тлеющую лучину, она ярко вспыхивает в нем
• Катализатор – вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не расходующееся в ней

Для получения кислорода , потребуются вещества, которые им богаты. Это пероксиды, селитры, хлораты. Мы будем использовать те, что можно достать без особого труда.

Для получения кислорода в домашних условиях есть несколько способов, разберём их по-порядку.

Самый простой и доступный способ получения кислорода – использовать марганцовку (или более правильное название – перманганат калия). Всем известно, что марганцовка – прекрасный антисептик, используется в качестве обеззараживающего вещества. Если её нет, то можно приобрести в аптеке.

Поступим так. В пробирку насыпаем немного марганцовки, закроем пробиркой с отверстием, в отверстие установим газоотводную трубку (по ней будет идти кислород). Другой конец трубки поместим в другую пробирку (она должна располагаться вверх дном, так как выделяющийся кислород легче воздуха и будет подниматься вверх. Такой же пробкой закром вторую пробирку.
В итоге у нас должно получиться две пробирки, соединённые между собой газоотводной трубкой через пробки. В одной (неперевёрнутой) пробирке - марганцовка. Будем нагревать пробирку с марганцовкой. Тёмно-фиолетово-вишнёвый цвет кристалликов марганцовки исчезнет и превратится в тёмно-зелёные кристаллы манганата калия.

Реакция протекает так:

2KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 +O 2

Так из 10 грамм марганцовки можно получить почти 1 литр кислорода. Через пару минут можно извлечь колбу с марганцовкой из пламени. Мы получили кислород в перевёрнутой пробирке. Можем его проверить. Для этого аккуратно отсоединим вторую трубку (с кислородом) от газоотводной трубки, прикрыв отверстие пальцем. Теперь, если внести слабо горящую спичку в колбу с кислородом, то она ярко вспыхнет!

Получение кислорода возможно также с помощью натриевой или калиевой селитры (соответствующие соли натрия и калия азотной кислоты).
(Нитраты калия и натрия – они же – селитры, продаются на магазинах для удобрений).

Итак, для получения кислорода из селитры возьмём пробирку из тугоплавкого стекла на штативе, поместим туда селитровый порошок (5 грамм будет достаточно).Потребуется под пробирку поставить керамическую чашечку с песком, та как стекло может расплавиться от температуры и потечь. Следовательно, горелку надо будет держать немного сбоку, а пробирку с селитрой – под наклоном.

При сильном нагреве селитры она начинает плавиться, при этом выделяется кислород. Реакция проходит так:

2KNO 3 → 2KNO 2 +O 2

Образующееся вещество – нитрит калия (или натрия, смотря, какая селитра использована) – соль азотистой кислоты.

Ещё один способ получения кислорода – использовать перекись водорода. Пероксид, гидроперит – всё одно и то же вещество. Перекись водорода продаётся в таблетках и в виде растворов (3%, 5%, 10%), которое можно приобрести в аптеке.

В отличии от предыдущих веществ, селитр или марганцовки, перекись водорода – неустойчивое вещество. Уже при наличии света она начинает распадаться на кислород и воду. Поэтому в аптеках перекись продаётся в пузырьках из тёмного стекла.

Кроме того, быстрому разложению перекиси водорода на воду и кислород способствуют катализаторы, например, оксид марганца, активированный уголь, стальной порошок (мелкая стружка) и даже слюна. Поэтому, перекись водорода нагревать не нужно, достаточно катализатора!

Укрепим пробирку из тугоплавкого стекла на штативе и внесем в нее 5 г порошкообразной селитры (нитрата калия КNО 3 или нитрата натрия NaNO 3). Поставим под пробирку чашку из огнеупорного материала, наполненную песком, так как при этом опыте стекло часто плавится и вытекает горячая масса. Поэтому и горелку при нагревании будем держать сбоку. Когда мы сильно нагреем селитру, она расплавится и из нее выделится кислород (обнаружим это с помощью тлеющей лучины - она воспламенится в пробирке). При этом нитрат калия перейдет в нитрит KNO2. Бросим затем тигельными щипцами или пинцетом кусок черенковой серы в расплав (никогда не держать лицо над пробиркой).

Сера воспламенится и сгорит с выделением большого количества тепла. Опыт следует проводить при открытых окнах (из-за получающихся окислов серы). Полученный нитрит натрия сохраним для последующих опытов.

Процесс протекает следующим образом (через нагревание):

2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2

Можно получить кислород и другими методами.

Перманганат калия КMnO 4 (калийная соль марганцевой кислоты) отдает при нагревании кислород и превращается при этом в оксид марганца (IV):

4KMnO 4 → 4Mn 2 + 2K 2 O + 3O 2

или 4KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 + O 2

Из 10 г перманганата калия можно получить примерно литр кислорода, значит двух граммов достаточно, чтобы наполнить кислородом пять пробирок нормальной величины. Перманганат калия можно приобрести в любой аптеке, если он отсутствует в домашней аптечке.

Некоторое количество перманганата калия нагреем в тугоплавкой пробирке и уловим в пробирки выделяющийся лислород с помощью пневматической ванны. Кристаллы, растрескиваясь, разрушаются, и, зачастую, некоторое количество пылеобразного перманганата увлекается вместе с газом. Вода в пневматической ванне и отводной трубке в этом случае окрасится в красный цвет. После окончания опыта очистим ванну и трубку раствором тиосульфата (гипосульфита) натрия - фотофиксажа, который немного подкислим разбавленной соляной кислотой.

В больших количествах кислород можно также получить из пероксида (перекиси) водорода Н 2 О 2 . Купим в аптеке трехпроцентный раствор - дезинфицирующее средство или препарат для обработки ран. Пероксид водорода мало устойчив. Уже при стоянии на воздухе он разлагается на кислород и воду:

2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2

Разложение можно существенно ускорить, если добавить к пероксиду немного диоксида марганца МnО 2 (пиролюзита), активного угля, металлического порошка, крови (свернувшейся или свежей), слюны. Эти вещества действуют как катализаторы.

Мы можем в этом убедиться, если в маленькую пробирку поместим примерно 1 мл пероксида водорода с одним из названных веществ, а наличие выделяющегося кислорода установим с помощью пробы лучинкой. Если в химическом стакане к 5 мл трехпроцентного раствора пероксида водорода добавить равное количество крови животного, то смесь сильно вспенится, пена застынет и вздуется в результате выделения пузырьков кислорода.

Затем испытаем каталитическое действие 10 %-ного раствора сульфата меди (II) с добавкой гидроксида калия (едкого кали), раствора сульфата железа (П), раствора хлорида железа (III) (с добавкой железного порошка и без него), карбоната натрия, хлорида натрия и органических веществ (молока, сахара, размельченных листьев зеленых растений и т. д.). Теперь мы на опыте убедились, что различные вещества каталитически ускоряют разложение пероксида водорода.

Катализаторы повышают скорость реакции химического процесса и при этом сами не расходуются. В конечном итоге они снижают энергию активации, необходимую для возбуждения реакции. Но существуют и вещества, действующие противоположным образом. Их называют отрицательными катализаторами, антикатализаторами, стабилизаторами или ингибиторами. Например, фосфорная кислота препятствует разложению пероксида водорода. Поэтому продажный раствор пероксида водорода обычно стабилизирован фосфорной или мочевой кислотой.

Катализаторы необходимы для многих химико-технологических процессов. Но и в живой природе во многих процессах участвуют так называемые биокатализаторы (энзимы, ферменты, гормоны). Так как катализаторы не потребляются в реакциях, то они могут действовать уже в малых количествах. Одного грамма сычужного фермента достаточно, чтобы обеспечить свертывание 400-800 кг молочного белка.

Особое значение для работы катализаторов имеет величина их поверхности. Для увеличения поверхности применяют пористые, испещренные трещинами вещества с развитой внутренней поверхностью, напыляют компактные вещества или металлы на так называемые носители. Например, 100 г платинового катализатора на носителе содержит только около 200 мг платины; 1 г компактного никеля имеет поверхность 0,8 см 2 , а 1 г порошка никеля - 10 мг. Это соответствует отношению 1: 100000; 1 г активного глинозема обладает поверхностью от 200 до 300 м 2 , для 1 г активного угля эта величина составляет даже 1000 м2. В некоторых установках катализатора - на несколько миллионов марок. Так, бензиновая контактная печь в Белене высотой 18 м содержит 9-10 тонн катализатора.