как получают кислород в лаборатории

В лабораторных условиях кислород получают различными методами, в зависимости от целей, доступных веществ, оборудования и требуемой чистоты газа. Ниже представлен максимально развернутый и подробный ответ по всем основным способам получения кислорода в лаборатории, включая:

• химические способы;

• физико-химические способы;

• вспомогательные детали (оборудование, безопасность, утилизация).

🔬 1. Химические способы получения кислорода

1.1. Разложение перманганата калия (KMnO₄)

Реакция:

$$2KMn{O}_4\stackrel{t}{}{K}_{2}Mn{O}_4+Mn{O}_2+O_2\uparrow$$

Условия: нагрев до 200–300 °C.

Оборудование:

• пробирка/колба с твердой солью;

• спиртовка/горелка;

• пробка с газоотводной трубкой;

• сосуд для сбора газа (обычно водяная ванна и перевернутая пробирка).

Преимущества: простой способ, подходит для демонстраций.
Недостатки: возможное загрязнение кислорода парами марганцевых соединений.

1.2. Разложение хлората калия (KClO₃)

Реакция:

$$2KCl{O}_3\stackrel{t,Mn{O}_2}{}2KCl+3O_2\uparrow$$

Условия: нагрев с катализатором – диоксидом марганца (MnO₂), который ускоряет реакцию без собственного расхода.

Преимущества: выделяется много кислорода.
Недостатки: требует контроля температуры, чтобы избежать взрывного разложения.

1.3. Разложение перекиси водорода (H₂O₂)

Реакция:

$$2H_2{O}_2\stackrel{Mn{O}_2}{}2H_{2}O+O_2\uparrow$$

Катализаторы: MnO₂, KI, Cu²⁺ (медные соли), платина.

Преимущества:

• безопасный и удобный метод;

• можно регулировать скорость реакции;

• не требует нагревания.

Недостатки:

• требует стабильного источника H₂O₂;

• со временем H₂O₂ разлагается самопроизвольно.

1.4. Электролиз воды

Реакция:

$$2H_{2}O\stackrel{электричество}{}2H_2+O_2$$

Оборудование:

• электролитическая ячейка (например, прибор Гофмана);

• раствор электролита (обычно H₂SO₄ или NaOH);

• источник постоянного тока.

На катоде: выделяется водород,
на аноде: кислород (в 2 раза меньше по объему, чем водорода).

Преимущества: чистый кислород, легко контролировать процесс.
Недостатки: требует электричества, менее производительный.

⚗️ 2. Физико-химические способы

2.1. Разжижение воздуха с последующей перегонкой

Принцип: кислород имеет более высокую температуру кипения (−183 °C), чем азот (−196 °C), поэтому можно отделить его фракционной перегонкой сжиженного воздуха.

Оборудование: криогенные установки, фракционные колонны (в лабораториях редко, в промышленности – часто).

2.2. Адсорбция/десорбция с использованием цеолитов (метод ПСА – pressure swing adsorption)

Принцип: при повышенном давлении цеолиты поглощают азот из воздуха, а кислород остаётся. При понижении давления азот высвобождается.

Используется в: кислородных концентраторах (медицинских, лабораторных).

🧪 3. Как собирают кислород в лаборатории

Метод вытеснения:

• воды – если кислород нерастворим в воде;

• воздуха – если нужно избежать контакта с влагой;

• ртутного столба (исторически) – для высокоточных измерений.

Основное оборудование:

• газоотводные трубки;

• газосборники (пробирки, цилиндры);

• воронки, штативы;

• газометры для измерения объёма.

⚠️ 4. Меры предосторожности и утилизация

• Кислород поддерживает горение: не допускать присутствия открытого пламени рядом с выделяемым газом.

• Удаление остатков реагентов: KMnO₄, H₂O₂ требуют нейтрализации.

• Перманганат калия: окрашивает кожу и ткани, является окислителем.

📋 Сравнительная таблица методов

Если тебе нужно описание конкретной установки или схема лабораторного опыта – могу нарисовать или описать её поэтапно.