Способы получения кислорода, азота, железа и оксидов: промышленные и лабораторные методы
Как получают кислород, азот, железо и оксиды: промышленно дистилляцией воздуха и в доменных печах, лабораторно — разложением соединений. Ниже даны точные уравнения реакций и условия для ОГЭ и ЕГЭ.
Оглавление
Получение кислорода
Промышленный способ: Фракционная дистилляция сжиженного атмосферного воздуха. Воздух сжижают, затем медленно нагревают; азот испаряется первым (t кип. -196 °C), оставляя жидкий кислород (t кип. -183 °C).
Важно: основной промышленный метод является физическим (разделение смеси). Если в учебном задании требуется именно «химический способ» для промышленности, допустимо указать электролиз воды, хотя он менее распространен из-за высокой энергоемкости: 2H₂O →(электролиз) 2H₂↑ + O₂↑
Лабораторный способ: Термическое разложение кислородсодержащих соединений или каталитическое разложение:
- 2KMnO₄ →(t) K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑
- 2H₂O₂ →(MnO₂) 2H₂O + O₂↑
- 2KClO₃ →(t, MnO₂) 2KCl + 3O₂↑ (бертолетова соль)
Лабораторные реакции с нагреванием перманганата калия требуют строгого соблюдения техники безопасности: существует риск термического ожога, разбрызгивания реактивов или выделения токсичных побочных газов при нарушении температурного режима или герметичности пробирки.
Получение азота
Промышленный способ: Фракционная дистилляция сжиженного атмосферного воздуха. Азот отгоняется как более летучий компонент при -196 °C. В РФ промышленное получение осуществляется специализированными предприятиями (например, «Криогенмаш», «Газпром газэнергосеть»), использующими эти физические методы разделения.
Лабораторный способ: Термическое разложение нитрита аммония: NH₄NO₂ →(t) N₂↑ + 2H₂O
Нагревание нитрита аммония требует строгого соблюдения техники безопасности из-за риска термического ожога, разбрызгивания реактивов или выделения побочных газов при нарушении герметичности пробирки.
Получение железа
Промышленный способ: Восстановление из железных руд (гематит Fe₂O₃, магнетит Fe₃O₄) в доменных печах с использованием кокса (углерода) и оксида углерода(II).
Основные химические реакции в доменном процессе:
- Получение восстановителя: C + O₂ → CO₂ CO₂ + C → 2CO
- Восстановление железа: Fe₂O₃ + 3CO →(t) 2Fe + 3CO₂
Образование шлака: побочным продуктом является шлак, который образуется из пустой породы руды и флюса (известняка): CaCO₃ →(t) CaO + CO₂↑ CaO + SiO₂ → CaSiO₃
Промышленное получение железа связано с экстремально высокими температурами в доменной печи и высоким риском отравления угарным газом (CO), который является активным участником процесса восстановления.
Способы получения оксидов
| Способ получения | Пример реакции | Условия |
|---|---|---|
| Взаимодействие простых веществ с кислородом (горение) | S + O₂ → SO₂ <br> 2Mg + O₂ → 2MgO | Горение |
| Разложение сложных кислородсодержащих веществ | CaCO₃ →(t) CaO + CO₂↑ <br> 2Fe(OH)₃ →(t) Fe₂O₃ + 3H₂O | Нагревание |
| Горение сложных веществ | 2H₂S + 3O₂ → 2H₂O + 2SO₂ | Горение |
Эти реакции являются строго обязательными для изучения в 8–9 классах по ФГОС (учебники Габриеляна, Рудзитиса) и напрямую проверяются на ОГЭ и ЕГЭ по химии.
Частые ошибки
- Путаница физического и химического методов. Для O₂ и N₂ основной промышленный метод — физический (фракционная дистилляция), а не химическое разложение.
- Пропуск условий реакции. Забывание указания температуры (
t) или катализатора (MnO₂) в уравнениях разложения ведет к потере баллов на экзаменах. - Ошибки в коэффициентах. Неправильное расставление коэффициентов в уравнении восстановления железа оксидом углерода(II) или в реакции образования шлака.
FAQ
Вопрос: Какой метод получения кислорода считается химическим в промышленных масштабах?
Ответ: Электролиз воды (2H₂O →(электролиз) 2H₂↑ + O₂↑). Он применяется реже из-за высокой энергоемкости по сравнению с дистилляцией воздуха.
Вопрос: Почему в доменной печи обязательно используют известняк (CaCO₃)?
Ответ: Известняк служит флюсом. При нагревании он разлагается на CaO и CO₂, а оксид кальция связывает пустую породу (SiO₂), образуя легкоплавкий шлак (CaSiO₃), который удаляется из печи.
Вопрос: Обязательно ли указывать катализатор в уравнении получения кислорода из пероксида водорода?
Ответ: Да, для полноты и корректности (особенно на ОГЭ/ЕГЭ) указывают катализатор (например, MnO₂), так как без него реакция разложения идет крайне медленно.