Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты

Получение кислорода простыми способами

Укрепим пробирку из тугоплавкого стекла на штативе и внесем в нее 5 г порошкообразной селитры (нитрата калия KNO₃ или нитрата натрия NaNO₃). 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:

нагревание

2KNO₃ ———— 2KNO₂+ О₂

Можно получить кислород и другими методами. Перманганат калия КМnО₄ (калийная соль марганцевой кислоты) отдает при нагревании кислород и превращается при этом в оксид марганца (IV):

4КМnО₄ — 4MnO₂ +2К₂O+3O₂

(Эту реакцию правильнее было бы изобразить так: 2КМnO₄  МnO₂ + К₂МnО₄ + O₂. Прим. ред.)

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 кислород 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 Н₂О₂. 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:

2Н₂O₂  2H₂O + О₂

Разложение можно существенно ускорить, если добавить к пероксиду немного диоксида марганца МnО₂ (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) и без нее, раствора сульфата железа (II), 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 химикотехнологических 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 см², а 1 г порошка никеля —10 м². Это соответствует отношению 1 : 100 000; 1 г активного глинозема обладает поверхностью от 200 до 200 м², 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.

Сожжем железо

Применим собранный кислород для опытов по окислению. Внесем в наполненные кислородом пробирки небольшие, по возможности тонкоизмельченные, пробы свинца, меди, алюминия, цинка и олова и неплотно закроем пробирки ватой. При нагревании металлы сгорят с появлением яркого пламени; в пробирках останутся оксиды.

В чистом кислороде сгорит также тонкая железная проволока. Придадим ей спиралеобразную форму и укрепим на одном из концов пропитанного парафином куска дерева, который подожжем. Проволоку как можно скорее внесем в широкий химический стакан, наполненный кислородом. Чтобы стакан не дал трещину из-за падающих горячих частиц, необходимо погрузить дно стакана в слой песка или воды. Проволока сгорит с появлением ярких разлетающихся искр, в результате образуется оксид железа (II, III), так называемая окалина:

3Fe + 2O₂  Fe₃O₄

Кислород — газ без цвета, запаха и вкуса, частично растворимый в воде; 1 литр кислорода при 0 °С и 760 мм рт. ст. весит 1,429 г. Следовательно, кислород тяжелее воздуха (1 л воздуха при тех же условиях весит 1,293 г). Почти со всеми металлами и неметаллами кислород образует оксиды.

Атомарный кислород

В природе кислород встречается в виде двухатомных молекул. Атомарный кислород О обладает чрезвычайно сильной окислительной способностью. Он получается при разложении озона, молекула которого содержит три атома кислорода:

О₃  О₂ + О

Если на налитую в фарфоровую чашку концентрированную серную кислоту насыпать немного тонкораспыленного перманганата калия, образуется озон. (Надеть защитные очки! Взрывоопасно!) Будем держать над чашкой: а) кусок крахмальной бумаги, смоченной иодидом калия, б) полоску лакмусовой бумажки. Из йодида калия выделится йод, который окрасит крахмальную бумагу в синий цвет (йодокрахмальная реакция); лакмусовая бумажка обесцветится. Наконец, погрузим на стеклянной палочке в смесь серной кислоты и перманганата немного ваты, пропитанной спиртом или скипидаром. Вата со взрывом сгорит.

В высоких (30—45 км) слоях воздуха, в так называемой озоносфере, озон возникает под влиянием ультрафиолетовых лучей или при грозе, а в технике он чаще всего получается в результате тихого электрического разряда в озонаторе. Его используют для дезинфекции и озонирования воздуха в помещениях (больницах, холодильных камерах), а также для обеззараживания питьевой воды.

ЛЁЙНА ЗАДОХНУЛАСЬ БЫ БЕЗ АЗОТА

Если бы в начале нашего века учитель географии в немецкой гимназии спросил своего ученика о Лёине, то он едва ли получил бы удовлетворительный ответ. В то время Лёйна была деревней в государственном округе Мерзебург и насчитывала около трехсот жителей. В географической книге 1899 г. говорится, что там расположены залежи бурого угля, который может быть использован для получения прессованного торфа, горного воска (парафина) и нефти - «солярового масла».

Нынешний ученик на такой же вопрос учителя без особого труда ответит, что Лёйна лежит на участке железнодорожного пути Мерзебург—Гросскорбета и там находится крупнейшее химическое предприятие республики. Лейна стала известна в последние годы. История предприятия Лейны одновременно является и частью немецкой истории. Она началась во время первой мировой войны и, казалось, ей суждено было закончиться во время второй.

В 1908 г. руководитель института физической химии и электрохимии в технической высшей школе в Карлсруэ доктор Габер пригласил в качестве сотрудника Карла Боша, который потом возглавил отделение по получению азота на анилиновой и содовой фабрике Бадена. Вместе с доктором Митташем и инженером Лаппе они с 1909 по 1912 г. провели в специально оборудованной лаборатории более 10 000 опытов с целью соединить азот воздуха с водородом в присутствии катализатора. В результате этой реакции образуется аммиак — исходный продукт для многих видов взрывчатых веществ и искусственных удобрений. Так был разработан способ Габера — Боша.

На заводах Лёйны было организовано одно из первых производств аммиака по реакции: N₂ + 3H₂ = 2NH₃. Эта реакция носит обратимый характер, сдвигается в сторону образования NH₃ лишь при высоких давлениях. Реализация технологического способа синтеза аммиака явилась заключительным этапом многолетней работы многих ученых по решению проблемы связанного азота. В процессе изучения этой реакции удалось кроме практически важного результата выяснишь многие важнейшие вопросы, связанные с теорией химических реакций (сдвиг равновесия под влиянием температуры и давления, действие катализатора и др.), — Прим. ред.

Карл Бош выбрал .место для большой установки аммиачного синтеза. 28 мая 1916 г. в Мерзебурге началось строительство завода по производству аммиака. В это время на западном фронте с незатухающей силой бушевали сражения. Через одиннадцать месяцев после первого удара лопатой, 27 апреля 1917 г., предприятие отправило первые цистерны с аммиаком — новым сырьем для смертоносной войны.

Рабочие Лёйны, устраивая массовые забастовки, повели решительную борьбу против войны.

Завод в Лейне непрерывно расширялся. Аммиак был уже не единственным продуктом. Через два года после пуска началось производство сульфата аммония, в 1923 г.получать метанол, а с 1927 г. — бензин.

В 1945 г. казалось, что огромное предприятие навсегда умерло — 10 000 бомб, сброшенные во время 23 налетoв, разрушили его на 80 %. Благодаря советской помощи оно возродилось снова, сначала как предприятие советского государственного акционерного общества по получению минеральных удобрений. В 1954 г. оно стало всенародным достоянием, и с тех пор его мощность, благодаря рационализации и расширению производства, неизменно увеличивалась.

Установки завода занимают площадь в 4 км². На две расположенные в 1.7 км друг от друга железнодорожные станции Завод Лсйна-север и Завод Лённа-юг ежедневно прибывает более 32 тысяч трудящихся. 13 гигантских дымовых труб, градирни и ректификационные колонны, длинные ангары и бункеры определяют силуэт завода.

Наряду с таким важным сырьем, как бурый уголь, все больше возрастает роль нефти. В химические центры республики это важное сырье поступает по нефтепроводу «Дружба», протянувшемуся из Советского Союза через ПНР в ГДР.

Тысячи тонн более чем 400 видов основных и промежуточных химических продуктов, начиная с топлива и кончая сырьем для пластмасс, получают из нефти, воздуха и воды. При переработке нефти выделяются также многие неорганические химикаты. Аммиак и азотная кислота служат для получения удобрений и других продуктов.

С 1 февраля 1966 г. Лёйна приобрела особое значение. Начали давать продукцию установки первой очереди Лейны II — первой нефтехимической базы ГДР. На площади 200 га было построено около 2000 действующих установок, которые обслуживают 2100 рабочих. Здесь получают этен, полиэтилен высокого давления, капролактам, фенол. Здесь же осуществляется крекинг бензина. Завод Лёйпа II работает с высокой производительностью. Каждый рабочий на этом предприятии производит в 6 раз больше продукции, чем его коллега на заводе Лёйна 1.

Предприятие чрезвычайно способствовало достижению ГДР мирового уровня в области нефтехимии.

ОПЫТЫ С АММИАКОМ И АЗОТНОЙ КИСЛОТОЙ
По способу Габера—Боша из воздуха, водяного пара и бурого угля (или буроугольного кокса) либо используя газификацию масел нефтяных остатков получают смесь азота и водорода. После очистки (удаления серы, оксида и диоксида углерода) на смешанном катализаторе при давлении 240 кгс/см² и температуре 420—610 °С смесь превращается в аммиак:

N₂+ 3H₂ = 2NH₃ + Q

Наибольший экономический эффект дает использование для синтеза отходов от процессов переработки нефти.

<< предыдущая страница следующая страница >>