氧气的制取知识要点及催化剂
氧气的制取知识要点及催化剂
【要点1】氧气的实验室制法掌握实验室制取和收集氧气的方法和原理是本课题的重点.
1.药品:过氧化氢、二氧化锰、高锰酸钾
2.反应原理
(1)过氧化氢−二氧化锰−−−→水+氧气
(2)高锰酸钾−−−→锰酸钾+二氧化锰+氧气加热
3.实验装置(发生装置、收集装置)
实验室用高锰酸钾制取氧气,并用排水法收集,
其实验装置如石下图
4.操作步骤
用高锰酸钾制取氧气,并用排水法收集,其
实验步骤可以概括为“查”“装”“定”“点”
“收”“离”“熄”等7个字,可用谐音记忆为
“茶”“庄”“定”“点”“收”“利”“息”.
①检查装置的气密性;
②将药品装入试管,用带导管的单孔橡皮塞塞紧试管;
③将试管固定在铁架台上;
④点燃酒精灯,先使酒精灯火焰在试管下方来回移动,让试管均匀受热,然
后对准试管中的药品部位加热;
⑤用排水法收集氧气;
⑥收集完毕,将导管撤离水槽;
⑦熄灭酒精灯.
注意:
1.试管口要略向下倾斜,防止药品中湿存的水分受热后变成水蒸气,然后冷
凝成水珠倒流回试管底部,使试管炸裂.
2.用排水法集气时,集气瓶充满水后倒放入水槽中(瓶口要在水面下) ,导管
伸到瓶口处即可.
3.用排水法集气时,应注意当气泡从导管口连续、均匀地放出时再收集,否
则收集的气体中混有空气.
4.停止反应时,应先把导管从水槽里撤出,再熄灭酒精灯(防止水槽里的水倒
流到试管,导致试管炸裂) .
5.收集满氧气的集气瓶要正放,瓶口处盖上玻璃片.
6.试管口处应放一小团棉花(防止加热时,高锰酸钾粉末进入导管,堵塞导管) .
5.检验方法:将带火星的木条伸入瓶内,如果木条复燃,说明该瓶内的气体
是氧气.
6.验满方法:
①用向上排空气法收集时,将带火星的木条放在瓶口,如果木条复燃,说明
该瓶内的氧气已满;
②用排水法收集时,当气泡从瓶口冒出时,说明该瓶内的氧气已满.
【要点2】仪器的连接
1
.把玻璃管插入带孔橡皮管,左手拿橡皮塞,右
手拿玻璃管(靠近要插入塞子的一端)(如图.先把要插入塞子的玻璃管的一端用水润湿,然后稍稍用力转动,使它插入.
2.连接玻璃管和胶皮管
左手拿胶皮管,右手拿玻璃管(如图) ,先把玻璃管口用水润湿,稍稍用力即可
把玻璃管插入胶皮管.
3.在容器口塞橡皮塞
左手拿容器,右手拿橡皮塞(如图2-10) ,慢慢
转动,塞进容器口.
注意:切不可把容器放在桌上再使劲塞进塞
子,这样做容易压破容器.
【要点3】装置气密性的检查
如图,把导管一端浸入水里,两手紧贴容器的外壁,如
果装置不漏气,里面的空气受热膨胀,导管口有气泡冒出.松
开两手,使它冷却,导管中就会形成一段水柱.
【要点4】催化剂和催化作用
催化剂是指在化学反应中能改变其他物质的反应速率,
而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有改变的物质(又叫触煤) .催化剂在化学反应中所起的作用叫催化作用.
注意:1.能改变其他物质的反应速率,这里的“改变”包括加快和减慢两层含义.
2.催化剂的化学性质在化学反应前后没有改变,但是物理性质可能改变.
3.催化剂是针对具体的反应而言的,如二氧化锰在过氧化氢分解制取氧气时,能够起催化作用,是催化剂;而在高锰酸钾制氧气时,二氧化锰就是生成物了.
4.在某个化学反应中,可以选择不同的物质作为催化剂.如氯酸钾分解制取氧气时,既可以选择二氧化锰做催化剂,也可以选择氧化铁做催化剂.
【要点5】分解反应
由一种物质生成两种或两种以上其他物质的反应叫做分解反应.分解反应的类型可以用下面的通式简明地来表示: AB →A +B ,可以简称为:“一变多”.
【要点6】氧气的工业制法——分离液态空气法
在低温条件下加压,使空气转变为液态空气,然后蒸发.由于液态氮的沸点比液态氧的沸点低,因此氮气首先从液态空气中蒸发出来,剩下的主要就是液态氧.
化学反应中的“润滑油”——催化剂
人类很早就利用催化剂为自己服务了,
尽管他们根本不了解它在化学反应中所起的
重要作用.古代炼金学家把硫磺和硝石放在一起来制备硫酸,其中硝石就是催化剂.把酒曲加到粮食中酿酒和制醋,酒曲就是一种催化剂.
到了十九世纪,德国化学家奥斯瓦尔德对催化剂进行了深入的研究,并首次阐明了它的本质.他发现蔗糖在水溶液中能够发生水解反应,转变为葡萄糖和果糖,但是这种转化过程非常缓慢.可是在蔗糖中加入硫酸,蔗糖就很快转变成葡萄糖和果糖.类似的反应还有很多.奥斯瓦尔德还注意到在反应后,硫酸依然保持不变.这不禁让他想到了工厂的机器,当机器转动时,为减少机器摩擦常加一些润滑油.润滑油在使用过程中,本身并没有发生变化,但却成了机器运转过程中必不可少的一部分.就像这些能够加快化学反应的物质一样,他称这些物质为催化剂.
催化剂有专一性,也就是说某一催化剂只对某个特定的反应起作用.比如说生产化肥时,只有在铁作为催化剂时,氮气和氢气才能生成氨.有时候,化学家为了寻找到一种合适的催化剂,往往要费尽心血.
催化剂的种类繁多,其中酶就是日常生活中常见的一种.酶是一种酵素,像烤面包、发酵葡萄汁的酵母菌,使牛奶变酸的乳酸菌等等.此外,在人体中一刻也离不开以酶为催化剂的化学反应.酶在化工生产领域中用途极广,有的反应用一般的无机物作为催化剂,往往需要高温和高压,如果换成酶在常温常压下即可反应,既经济又方便.对于催化剂,还有许多谜还未解开,有待于人类进一步探索.
催化剂和催化作用
仅仅由于本身的存在就能加快或减慢化学反应速率,而本身的组成和质量并不改变的物质就叫催化剂。催化剂跟反应物同处于均匀的气相或液相时,叫做单相催化作用;催化剂跟反应物属不同相时,叫做多相催化作用。
使化学反应加快的催化剂,叫做正催化剂;使化学反应减慢的催化剂,叫做负催化剂。例如,酯和多糖的水解,常用无机酸作正催化剂;二氧化硫氧化为三氧化硫,常用五氧化二钒作正催化剂,这种催化剂是固体,反应物为气体,形成多相的催化作用,因此,五氧化二钒也叫做触媒或接触剂;食用油脂里加入0.01%~0.02%没食子酸正丙酯,就可以有效地防止酸败,在这里,没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂) 。
目前,对催化剂的作用还没有完全弄清楚。在大多数情况下,人们认为催化剂本身和反应物一起参加了化学反应,降低了反应所需要的活化能。有些催化反应是由于形成了很容易分解的“中间产物”,分解时催化剂恢复了原来的化学组成,原反应物就变成了生成物。有些催化反应是由于吸附作用,吸附作用仅能在催化剂表面最活泼的区域(叫做活性中心) 进行。活性中心的区域越大或越多,催化剂的活性就越强。反应物里如有杂质,可能使催化剂的活性减弱或失去,这种现象叫做催化剂的中毒。
催化剂对化学反应速率的影响非常大,有的催化剂可以使化学反应速率加快到几百万倍以上。催化剂一般具有选择性,它仅能使某一反应或某一类型的反应加速进行。例如,加热时,甲酸发生分解反应,一半进行脱水,一半进行脱氢:
HCOOH =H 2O +CO HCOOH =H 2+CO 2
如果用固体Al 2O 3作催化剂,则只有脱水反应发生;如果用固体ZnO 作催化剂,则脱氢反应单独进行。这种现象说明,不同性质的催化剂只能各自加速特定类型的化学反应过程。因此,我们利用催化剂的选择性,可使化学反应主要向某一方向进行。
在催化反应里,人们往往加入催化剂以外的另一物质,以增强催化剂的催化作用,这种物质叫做助催化剂。助催化剂在化学工业上极为重要。例如,在合成氨的铁催化剂里加入少量的铝和钾的氧化物作为助催化剂,可以大大提高催化剂的催化作用。
催化剂在现代化学工业中占有极其重要的地位,现在几乎有半数以上的化工产品,
在生产过程里都采用催化剂。例如,合成氨生产采用铁催化剂,硫酸生产采用钒催化剂,乙烯的聚合以及用丁二烯制橡胶等三大合成材料的生产中,都采用不同的催化剂。
酶,是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质,旧称酵素。生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行。酶的催化作用同样具有选择性。例如,淀粉酶催化淀粉水解为糊精和麦芽糖,蛋白酶催化蛋白质水解成肽等。酶在生理学、医学、农业、工业等方面,都有重大意义。目前,酶制剂的应用日益广泛。
氧气的工业制法
要想使空气液化,就需要把空气冷却到临界温度以下。空气及氧气、氮气的沸点、临界温度和临界压力如表2-2所示。
*1MPa=1×10 Pa。
在工业上使空气冷冻液化,是利用它在绝热条件下膨胀时本身温度会下降的性质。 压缩了的气体经过阀门的狭窄孔隙降到低压的膨胀过程叫做“节流”。气体在节流膨胀时,必须克服分子间的引力作功,因而消耗一定内能并表现为气体温度降低。如果将空气加压到3×104 kPa,再使它经过膨胀机膨胀到100 kPa,则可降温约100℃。再将通过膨胀降温的冷空气送回热交换器,与来自压缩机的高压空气进行热交换,将高压空气冷却。冷却了的高压空气再经过节流膨胀,温度又进一步降低。如此循环一定时间后,通过热交换器深冷的高压空气就能冷却到足够的低温,当它继续降压膨胀时,就有一部分冷凝成液态空气。
液态空气主要是由液态氧、氮和液态稀有气体所组成的混合物(水和二氧化碳已事先除去) ,可以在有多层塔板的特制精馏塔内将它们分离。