КАК БОЛЬШЕ И ДЕШЕВЛЕ ПОЛУЧАТЬ КИСЛОРОД
В ШКОЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ?
Представляемая работа обсуждалась на 10-ой областной научной конференции школьников «Математическое и физическое моделирование задач естествознания» 1 – 2 ноября 2007г. (ТГУ) и на девятой региональной конференции-конкурсе исследовательских работ старшеклассников «Юные исследователи – российской науке и технике» (ТПУ) 28-29 марта 2008г
Содержание
Введение 1. Способы получения кислорода (по литературным данным) 2. Опытно-экспериментальная работа 3. Заключение
4. Литература
Введение
Изучение химии нам нравится тем, что можно проводить различные опыты. Нас заинтересовали опыты по получению кислорода. В школьных учебниках химии предлагается при выполнении лабораторных работ только один способ получения кислорода – разложение перманганата калия.
Мы решили выяснить, какие еще способы из существующих более доступны и удобны для условий школьной лаборатории.
Объект исследования: химические реакции.
Предмет исследования: получение кислорода.
Цель работы: Определить самый доступный и дешевый способ получения кислорода в условиях школьной лаборатории.
Задачи:
- Ознакомиться с разными способами получения кислорода, описанными в учебно-научной литературе.
- Провести серию опытов по получению кислорода.
- Рассчитать стоимость полученного кислорода.
- Рассчитать выход кислорода от теоретически возможного.
Методы исследования:
1. Метод анализа и синтеза учебно – научной литературы.
2. Эмпирические методы: наблюдение за ходом химических реакций.
3. Метод математического моделирования.
Этапы исследования:
1. Сентябрь 2007г – изучение и анализ литературы.
2. Октябрь 2007 – декабрь 2007 проведение опытов, систематизация и написание работы.
Исследование проходило в МОУ «Итатская СОШ №2 с. Томское» Томского района. Было проведено более десяти опытов.
Новизна исследования для нас состояла в том, что мы впервые установили, какой из способов получения кислорода более дешевый и доступный.
1. Способы получения кислорода
(по литературным данным)
1.1 Получение кислорода из перманганата калия.
В настоящие время, несмотря на сравнительно высокую стоимость перманганата калия (особенно в аптечной продаже), он является наиболее распространённым исходным продуктом для лабораторного способа получения кислорода. Оправдывается это ещё и тем, что остающиеся после выделение кислорода твердые продукты реакции K2MnO4 и MnO2 могут быть использованы при получении хлора как окислителя, что позволяет избежать траты более дорогих чистых веществ. Соль разлагается при температуре 240°С совершено спокойно и даёт ровный ток кислорода:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2
Однако надо иметь в виду, что с серой, углём, фосфором и другими горючими веществами перманганат калия образует взрывчатые смеси, поэтому соль должна быть чистой. 100 г соли дают 7 л кислорода. Разложение можно вести в реторте, круглодонной колбе, большой пробирке и даже в стеклянной трубке, собирая кислород над водой или вытеснением воздуха.
При лабораторных опытах обычно пользуются пробиркой с газоотводной трубкой. Перманганат калия и твердые продукты реакции заметно распыляются. Увлекаемые током кислорода мелкие пылинки, попадая в воздух, могут вызвать раздражение дыхательных путей, иногда заметно окрашивают собранный в банку (вытеснением воздуха) газ и всегда подкрашивают воду при собирании газа над водой, что отвлекает внимание. Для задержания летящих пылинок выделяющийся кислород пропускают через трубку с неплотно положенной ватой. Если реакция ведется в пробирке, то можно вложить комочек ваты в пробирку около пробки.
1.2. Получение кислорода при взаимодействии перманганата калия с пероксидом водорода.
При термическом разложении перманганата калия из двух молей его (316 г) получается один моль (22,4 л при н. у.) кислорода (см. ниже). Значительная часть кислорода остаётся в связанном состоянии в продуктах реакции, что свидетельствует о неэкономичности этого способа.
Выгодным и вполне доступным в настоящее время исходным продуктом для получения кислорода является пероксид водорода, применяемый в виде водных растворов разных концентраций (от 3 до 10 %), которые легко приготовить разбавлением пергидроля. 1 л кислорода, полученный из пероксида водорода, стоит вдвое дешевле, чем выделяемый из перманганата калия. Пероксид водорода можно подвергнуть каталитическому разложению, а также использовать реакцию взаимодействия его с перманганатом калия в кислой среде. При этих условиях KMnO4 восстанавливается до соединений двухвалентного марганца:
2KMnO4 +5H2O2 + 3H2SO4 = K2SO4 + 2MnSO4 + 5O2 + 8H2O.
При этом из 2 моль KMnO4 и 5 мольH2O2 получается 22,4 л · 5 = 112 л О2, тогда как при раздельном разложении
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2 (22,4 л),
5H2O2 = 5H2O + 2,5O2 (56 л)
Получается 22,4 л + 56 л = 78,4 л О2, т. е. меньше на 33,6 л.
1.3. Получение кислорода при каталитическом разложении пероксида водорода.
а) Действие твёрдых катализаторов. Процесс разложения пероксида водорода сильно ускоряется оксидом марганца (IV) MnO2.
MnO2
2H2O2 = 2H2O + O2.
1.4. Получение кислорода из персоли.
Персоль – перкарбонат натрия Na2CO3 · H2O2 · 0,5 H2O – отбеливающее и дезинфицирующее средство, применяемое в быту. При нагревании с водой из неё можно получить в небольших количествах кислород.
В колбу объёмом в 100 – 150 мл с газоотводной трубкой помещают 5 -10 г персоли, приливают 10 – 20 мл воды и нагревают. Выделяющийся кислород собирают в банку. Опыт можно выполнить в пробирке с 2 – 3 г персоли и 3 – 4 мл воды.
Разложение нитратов натрия и калия.
Разложение нитратов натрия и нитратов калия проходит достаточно длительно. Медленный процесс можно ускорить добавлением оксида меди в качестве катализатора.
1г to Х
2КNO3=2KNO2+O2
202г 22,4л
х=22,4/202=0,11л=110мл
2. Опытно – экспериментальная работа
2.1. Разложение перманганата калия.
Для получения кислорода мы взяли 1г перманганата калия. Рассчитали по уравнению теоретический выход кислорода:
1г х
2KMO4 →t°K2MnO4 + MnO2 + O2↑
2 моль 1 моль
316г 22,4л
1г – х
316г – 22,4л
Х = 1г•22,4л/316г=0,071л=71мл
V (О2) теорет.=71мл
1)Выход от теоретического.
Практически получили V (O2) = 65мл
Выход от теоретического составляет: 65/71=0,915, 91,5%
2)Стоимость О2, полученного из KMnO4.
В аптеке 3г KMnO4 стоит 4,9 руб,
значит 1г стоит 1,63 руб.
Рассчитываем стоимость одного литра кислорода:
1,63•1000/71=22,95руб.
На самом деле стоимость кислорода еще дороже, так как в данных расчетах не учтена стоимость израсходованного спирта, которого ушло около 5мл.
2.2. Разложение пероксида водорода.
Для получения кислорода мы взяли 1г пероксида водорода. Растворили его в воде. Рассчитали по уравнению теоретический выход кислорода:
1г MnO2 х
2Н2О2 = 2Н2О+О2
2моль 1моль
68г 22,4л
1г – Хл
68г – 22,4л
Х=1•22,4/68=0,33л, 330мл
V (О2) теорет.= 330мл
V (О2) практич.= 297мл
1) Выход от теоретического составляет: 297•100/330=90%
2) Стоимость О2 полученного из Н2О2
В аптеке 12г Н2О2 стоит 3,3руб
Значит 1г стоит 0,27руб
Рассчитываем стоимость одного литра кислорода:
0,27•1000/330=0,81руб
Значит 1л кислорода полученного из пероксида водорода в 28 раз дешевле чем из перманганата калия.
Заключение
В результате проведенной работы можно сделать следующие выводы:
1) Из изученных способов получения кислорода самым дешевым и доступным является разложение пероксида водорода.
2) 1л кислорода полученного из пероксида водорода в 28 раз дешевле, чем из перманганата калия.
3) Получение кислорода из пероксида водорода безопасно, так как не требуется нагревание.
Кроме того, мы выяснили, что таблетки «Гидроперит» доступны, продаются в аптеке без рецепта. Перманганат калия совсем недавно запрещен для свободной продажи в аптеке.
Практическая значимость выполненной работы заключается в том, что можно обоснованно рекомендовать выбранный нами способ получения кислорода. Проведенное исследование позволило нам совершенствовать навыки проведения химического эксперимента и решение расчетных задач, а также углубило и расширило наше знания по химии.
Литература
1. , Смирнов химического эксперимента, том II, М.:Просвящение, 1975, с.11 – 18
2. и др., Химия – 8, М.: Дрофа, 2001, с.60 – 61, с.240 – 241.
3. , Лысова – 11, М.: Дрофа, 2005, с.126 – 128, с. 350.
