Кисень: одержання, збирання і хімічні властивості

Оксиген (O) — хімічний елемент № 8, розташований у 2-му періоді та VIA групі періодичної системи. Це найпоширеніший елемент у земній корі: майже половина її маси припадає на Оксиген. Він входить до складу води (близько 89 % її маси), піску (SiO₂), силікатів, карбонатів і майже всіх органічних речовин. В атмосфері Оксиген міститься переважно у вигляді простої речовини — кисню O₂.

Молекула кисню

Кисень O₂ — проста речовина, молекула якої складається з двох атомів Оксигену, сполучених подвійним ковалентним зв'язком O=O. Молярна маса M(O₂) = 32 г/моль. В атмосфері Землі об'ємна частка кисню становить приблизно 21 % (решта — переважно азот N₂, близько 78 %).

Фізичні властивості

За звичайних умов (20 °C, 101,3 кПа) кисень — безбарвний газ без смаку й запаху. Він трохи важчий за повітря: середня молярна маса повітря ≈ 29 г/моль, а кисню — 32 г/моль, тому чистий кисень лише повільно виходить із посудини, розташованої отвором догори.

Кисень малорозчинний у воді. За 20 °C в 100 об'ємах води розчиняється близько 3 об'ємів кисню. Цього цілком достатньо для дихання риб та інших водних організмів. За температури −183 °C кисень зріджується в блакитну рідину, а за −218 °C твердне.

Саме через малу розчинність у воді кисень можна збирати методом витіснення води, а через те, що він важчий за повітря, — методом витіснення повітря в посудину, розташовану отвором догори. Про ці способи йтиметься далі.

У програмі НМТ розглядають два лабораторні способи одержання кисню та один промисловий. Важливо не плутати їх між собою.

Лабораторний спосіб 1: розкладання гідроген пероксиду

Гідроген пероксид H₂O₂ повільно розкладається на воду й кисень навіть за кімнатної температури. Щоб прискорити реакцію, додають каталізатор — манган(IV) оксид MnO₂. Каталізатор пришвидшує перебіг реакції, але сам не витрачається, тому його записують над стрілкою, а не в рівнянні:

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

Стрілка вгору (↑) означає, що кисень виділяється у вигляді газу. Це реакція розкладу: з однієї складної речовини утворюються дві простіші.

Лабораторний спосіб 2: електроліз води

Крізь воду пропускають постійний електричний струм, унаслідок чого вона розкладається на водень і кисень:

$$2H_{2}O\stackrel{\text{ел. струм}}{\to }2H_2\uparrow +O_2\uparrow$$

Зверни увагу на об'ємне співвідношення: водню виділяється вдвічі більше, ніж кисню. Це випливає з коефіцієнтів у рівнянні (2 моль H₂O дають 2 моль H₂ і 1 моль O₂). Електроліз води також є реакцією розкладу.

Промисловий спосіб: перегонка зрідженого повітря

У промисловості кисень добувають не хімічними реакціями, а фізичним методом — фракційною перегонкою зрідженого повітря. Повітря спочатку очищають, осушують і зріджують охолодженням приблизно до −200 °C. Потім рідке повітря повільно нагрівають. Азот (температура кипіння −196 °C) випаровується раніше за кисень (температура кипіння −183 °C). Таким чином азот і кисень розділяються.

Добутий кисень зберігають і перевозять у сталевих балонах під тиском близько 15 МПа. В Україні кисневі балони традиційно фарбують у блакитний колір (в інших країнах маркування може відрізнятися).

Запам'ятай: лабораторні способи — хімічні реакції (розкладання H₂O₂ та електроліз H₂O). Промисловий спосіб — фізичний процес (перегонка зрідженого повітря). Ніколи не плутай їх у тесті!

Спосіб збирання газу в лабораторії залежить від його фізичних властивостей — розчинності у воді та густини відносно повітря. Для кисню застосовують два методи.

Збирання витісненням води

Оскільки кисень малорозчинний у воді, його можна збирати, витісняючи воду з перевернутого циліндра. Як це роблять: циліндр повністю заповнюють водою, накривають скляною пластинкою, перевертають догори дном і занурюють отвором у ванночку з водою. Пластинку прибирають, а в отвір підводять трубку, з якої надходить кисень. Газ поступово заповнює циліндр, витісняючи воду.

Збирання витісненням повітря

Кисень важчий за повітря (M = 32 г/моль > 29 г/моль), тому він не «вилітає» з посудини, а накопичується на дні. Посудину для збирання тримають отвором догори — кисень заповнює її знизу й витісняє легше повітря вгору, назовні.

Перевіряють наповнення посудини тліючою скіпкою: скіпку підносять до отвору посудини. Якщо посудина заповнена киснем, тліюча скіпка яскраво спалахує. Це водночас і спосіб виявлення кисню.

Виявлення кисню

Кисень підтримує горіння, але сам не горить. Тліюча скіпка в атмосфері кисню спалахує яскравим полум'ям — це якісна реакція на кисень. Для кисню це стандартна якісна ознака (так само поводиться лише N₂O, який теж підтримує горіння).

Порівняння з іншими газами

Зверни увагу: у CO₂ тліюча скіпка гасне (він не підтримує горіння), а вапняна вода від CO₂ каламутніє — це спосіб виявлення вуглекислого газу, а не кисню.

Кисень — сильний окисник. У реакціях з іншими речовинами ступінь окиснення Оксигену знижується з 0 (у молекулі O₂) до −2 (в оксидах). Усі реакції горіння — екзотермічні, тобто відбуваються з виділенням тепла й світла.

Реакції кисню з простими речовинами

З простими речовинами кисень утворює оксиди. Розгляньмо кожну реакцію, передбачену програмою НМТ.

Увага! Продукт горіння заліза в кисні — залізна окалина Fe₃O₄ (змішаний оксид FeO·Fe₂O₃), а не Fe₂O₃. Це поширена помилка учнів.

Реакції кисню зі складними речовинами

Кисень реагує також зі складними речовинами. У програмі НМТ — горіння метану та сірководню.

Метан CH₄ згоряє в надлишку кисню до вуглекислого газу й води:

$$C{H}_4+2O_2\to C{O}_2+2H_{2}O$$

Сірководень H₂S реагує з киснем по-різному залежно від кількості кисню:

• Надлишок кисню (повне згоряння): 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O — утворюються сульфур(IV) оксид і вода.

• Нестача кисню (неповне згоряння): 2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O — утворюються сірка (елемент) і вода.

Застосування кисню

Завдяки здатності підтримувати горіння й дихання кисень має широке застосування:

• Медицина: дихальні апарати, кисневі подушки, барокамери.

• Металургія: збагачення повітря киснем для інтенсифікації плавлення руд.

• Різання та зварювання металів: у суміші з горючим газом (ацетиленом, воднем) дає високотемпературне полум'я.

• Ракетне паливо: рідкий кисень використовують як окисник.

• Хімічна промисловість: окиснення в багатьох технологічних процесах.

Біологічна роль кисню та його колообіг у природі детально розглядаються в наступному юніті «Озон, горіння і повільне окиснення».

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему кисню. Кожне розв'язання супроводжується поясненням, чому правильна відповідь саме така, а інші варіанти — помилкові.

Приклад 1. Лабораторне одержання кисню

Завдання: Який спосіб використовують для лабораторного одержання кисню?

• А) перегонка зрідженого повітря

• Б) розкладання гідроген пероксиду в присутності MnO₂

• В) взаємодія цинку з хлоридною кислотою

• Г) розкладання кальцій карбонату

Розв'язання: Лабораторні способи одержання кисню — це хімічні реакції, які проводять у невеликих масштабах. Розкладання гідроген пероксиду 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ (каталізатор MnO₂) — саме такий спосіб. Перегонка зрідженого повітря (А) — промисловий, а не лабораторний метод. Взаємодія цинку з хлоридною кислотою (В) дає водень H₂, а не кисень. Розкладання кальцій карбонату (Г) дає вуглекислий газ CO₂.

Відповідь: Б.

Приклад 2. Продукти згоряння сірководню

Завдання: Які речовини утворюються під час повного згоряння сірководню в надлишку кисню?

• А) S і H₂O

• Б) SO₂ і H₂O

• В) SO₃ і H₂O

• Г) H₂SO₄

Розв'язання: У надлишку кисню сірководень згоряє повністю: 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O. Продукти — сульфур(IV) оксид (SO₂) і вода. Варіант А (S і H₂O) — це продукти неповного згоряння, коли кисню не вистачає. Варіант В (SO₃ і H₂O) — помилка: SO₃ утворюється не під час горіння H₂S, а під час подальшого окиснення SO₂. Варіант Г (H₂SO₄) — сульфатна кислота, вона не є безпосереднім продуктом горіння.

Відповідь: Б.

Приклад 3. Логічні пари: речовина → продукт згоряння

Завдання: Установіть відповідність між речовиною, що згоряє в кисні, та продуктом її згоряння.

Розв'язання: Залізо (1) згоряє в кисні з утворенням залізної окалини Fe₃O₄ (Б). Магній (2) дає MgO (В). Метан (3) згоряє до CO₂ і H₂O (Г). Дистрактори: А (Fe₂O₃) — поширена помилка, насправді залізо в кисні дає Fe₃O₄; Д (CO і H₂) — суміш, яку одержують каталітичною конверсією метану, а не його горінням; у надлишку кисню метан згоряє до CO₂ і H₂O.

Відповідь: 1 — Б, 2 — В, 3 — Г.

Приклад 4. Збирання й виявлення кисню

Завдання: Як зібрати кисень витісненням повітря й переконатися, що посудина заповнена?

• А) посудина отвором донизу, запалена скіпка біля отвору гасне

• Б) посудина отвором догори, тліюча скіпка біля отвору спалахує

• В) посудина отвором догори, вапняна вода каламутніє

• Г) посудина отвором донизу, тліюча скіпка біля отвору спалахує

Розв'язання: Кисень важчий за повітря, тому посудину тримають отвором догори (Б). Наповнення перевіряють тліючою скіпкою — вона спалахує в кисні. Варіант А описує збирання водню (він легший, тому посудина отвором донизу) і гасіння скіпки (у водні скіпка не спалахує). Варіант В — вапняна вода каламутніє від CO₂, а не від O₂. Варіант Г — отвором донизу збирають легші гази, а не кисень.

Відповідь: Б.

• Вважати, що кисень горить. Насправді кисень підтримує горіння, а горить речовина, яка з ним реагує. Фраза «кисень горить» — хімічно неправильна.

• Збирати кисень у посудину отвором донизу. Так збирають гази, легші за повітря (H₂, NH₃). Кисень важчий, тому посудину тримають отвором догори.

• Виявляти кисень вапняною водою. Вапняна вода (Ca(OH)₂) каламутніє від CO₂, а не від O₂. Кисень виявляють тліючою скіпкою.

• Записувати продуктом горіння заліза в кисні Fe₂O₃. Правильний продукт — залізна окалина Fe₃O₄ (змішаний оксид FeO·Fe₂O₃).

• Писати SO₃ продуктом горіння сірки чи сірководню. У кисні сірка згоряє до SO₂, а SO₃ утворюється лише за додаткових умов (каталізатор, висока температура).

• Вважати MnO₂ реагентом розкладання H₂O₂ і записувати його в продукти. MnO₂ — каталізатор, він пришвидшує реакцію, але не витрачається, тому його не включають у рівняння як реагент чи продукт.

• Плутати лабораторні способи одержання кисню (розкладання H₂O₂, електроліз води) з промисловим (перегонка зрідженого повітря). Лабораторні — хімічні реакції, промисловий — фізичний процес.

Програма НМТ з хімії (тема 2.1.1) передбачає, що ти вмієш:

• складати рівняння одержання кисню (розкладання H₂O₂, електроліз води);

• складати рівняння реакцій кисню з H₂, C, S, Mg, Fe, Cu, CH₄, H₂S;

• знати способи збирання кисню (витісненням води, витісненням повітря);

• знати спосіб доведення наявності кисню (тліюча скіпка).

Формати завдань

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання № 1–18, 1 бал). У таких завданнях можуть питати спосіб одержання чи збирання кисню, продукти горіння, ознаки реакцій.

• Логічні пари 1–3 → А–Д (завдання № 19–20, 0–3 бали, по 1 балу за кожну правильно встановлену пару). Можливий формат — «речовина → продукт її згоряння в кисні».

• Коротка відповідь (неструктуроване завдання, 2 бали). У демоваріанті 2026 року завдання 23 — розрахункова задача на відносний вихід продукту за об'ємами газів, де потрібні рівняння реакцій газів-неметалів.

Стратегія розв'язування

• У завданнях на продукти горіння спочатку визнач, чи кисень у надлишку, чи в нестачі. Для H₂S це критично: надлишок → SO₂ + H₂O, нестача → S + H₂O.

• Якщо в завданні йдеться про горіння заліза, пам'ятай: продукт — Fe₃O₄, а не Fe₂O₃.

• У завданнях на збирання газів зістав молярну масу газу з молярною масою повітря (29 г/моль). Важчий газ (M > 29) — отвором догори, легший (M < 29) — отвором донизу.

• Не плутай якісні реакції: кисень — тліюча скіпка спалахує; CO₂ — вапняна вода каламутніє; H₂ — «гавкаючий» звук під час підпалювання.

• O₂ — безбарвний газ без запаху й смаку, трохи важчий за повітря (M = 32 г/моль), малорозчинний у воді.

• Лабораторні способи одержання: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ (каталізатор MnO₂) та електроліз води 2H₂O → 2H₂ + O₂.

• Промисловий спосіб: фракційна перегонка зрідженого повітря (фізичний процес).

• Збирають витісненням води (малорозчинний) або витісненням повітря в посудину отвором догори (важчий за повітря).

• Виявляють тліючою скіпкою: вона яскраво спалахує в кисні.

• З простими речовинами кисень утворює оксиди: H₂O, CO₂, SO₂, MgO, Fe₃O₄ (залізна окалина!), CuO.

• CH₄ згоряє до CO₂ і H₂O; H₂S у надлишку кисню — до SO₂ і H₂O, у нестачі — до S і H₂O.

• Кисень підтримує горіння, але сам не горить.

• Застосування: медицина, металургія, зварювання, ракетне паливо.