A. SÁU PHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC ĐIỀU CHẾ KHÍ OXI

Chúng ta có thể điều chế khí oxi bằng nhiều cách khác nhau. Các phản ứng này được chia thành hai nhóm chính: điều chế trong phòng thí nghiệm (quy mô nhỏ, cần oxi tinh khiết) và sản xuất trong công nghiệp (quy mô lớn, giá thành rẻ).

1. Các phản ứng điều chế oxi trong phòng thí nghiệm:

Đây là những phản ứng phân hủy các hợp chất giàu oxi và kém bền với nhiệt.

Phản ứng 1: Nhiệt phân thuốc tím (Kali pemanganat – \(KMnO_4\))
Đây là phương pháp phổ biến nhất trong phòng thí nghiệm trường học.
\[ 2KMnO_4 \xrightarrow{t^°} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2 \uparrow \]
(Chất rắn màu tím) → (Chất rắn màu lục thẫm) + (Chất rắn màu đen) + (Chất khí)

Phản ứng 2: Nhiệt phân Kali clorat (\(KClO_3\)) với chất xúc tác Mangan đioxit (\(MnO_2\))
Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn và nhanh hơn khi có xúc tác.
\[ 2KClO_3 \xrightarrow{MnO_2, t^°} 2KCl + 3O_2 \uparrow \]
(Chất rắn màu trắng) → (Chất rắn màu trắng) + (Chất khí)

Phản ứng 3: Phân hủy nước oxi già (Dung dịch Hidro peoxit – \(H_2O_2\)) với chất xúc tác Mangan đioxit (\(MnO_2\))
Phương pháp này an toàn hơn vì không cần đun nóng, có thể thực hiện ở nhiệt độ phòng.
\[ 2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2 \uparrow \]
(Dung dịch không màu) → (Chất lỏng) + (Chất khí)

2. Các phản ứng và phương pháp sản xuất oxi trong công nghiệp:

Trong công nghiệp, người ta cần sản xuất một lượng oxi cực lớn từ những nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có trong tự nhiên.

Phản ứng 4: Điện phân nước (\(H_2O\))
Phương pháp này tạo ra khí Oxi và cả khí Hidro, đều là những khí có nhiều ứng dụng. Để tăng tính dẫn điện cho nước, người ta thường pha thêm một ít axit sunfuric (\(H_2SO_4\)) hoặc natri hidroxit (\(NaOH\)).
\[ 2H_2O \xrightarrow{Điện \ phân} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow \]

Phương pháp 5: Chưng cất phân đoạn không khí lỏng.
Đây là phương pháp chủ yếu để sản xuất oxi trong công nghiệp hiện nay.

Lưu ý: Quá trình này là một quá trình vật lý, không phải là phản ứng hóa học nên không có phương trình phản ứng. Các bước thực hiện như sau:

– Bước 1: Không khí được hóa lỏng ở nhiệt độ rất thấp (khoảng \(-200^°C\)) và áp suất cao.

– Bước 2: Nâng dần nhiệt độ không khí lỏng. Đến \(-196^°C\), khí nitơ (\(N_2\)) sôi và bay hơi trước.

– Bước 3: Tiếp tục nâng nhiệt độ đến \(-183^°C\), khí oxi (\(O_2\)) sôi và bay hơi. Người ta thu lấy khí oxi ở giai đoạn này.

Phản ứng 6 (bổ sung): Để đủ 6 phương trình hóa học, thầy giới thiệu thêm một phản ứng nhiệt phân khác cũng có thể dùng trong phòng thí nghiệm.

Nhiệt phân Thủy ngân(II) oxit (\(HgO\))
\[ 2HgO \xrightarrow{t^°} 2Hg + O_2 \uparrow \]
Đây là phản ứng lịch sử giúp nhà hóa học Priestley tìm ra khí Oxi, nhưng hiện nay ít dùng do \(HgO\) và hơi thủy ngân (\(Hg\)) rất độc.

B. HÌNH VẼ MÔ TẢ THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ VÀ THU KHÍ OXI TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

Vì đây là dạng văn bản, thầy không thể vẽ hình trực tiếp, nhưng thầy sẽ mô tả chi tiết bộ dụng cụ thí nghiệm điều chế oxi từ \(KMnO_4\) và thu bằng phương pháp đẩy nước để em có thể hình dung và tự vẽ lại nhé.

1. Mô tả bộ dụng cụ:

– Nguồn nhiệt: Một đèn cồn.

– Phần phản ứng: Một ống nghiệm khô, chịu nhiệt, bên trong có chứa một lượng nhỏ bột \(KMnO_4\). Miệng ống nghiệm được nhét một nhúm bông nhỏ.

– Giá đỡ: Một giá sắt có kẹp để kẹp giữ ống nghiệm. Ống nghiệm được kẹp sao cho miệng ống hơi chúc xuống.

– Hệ thống dẫn khí: Một ống dẫn khí hình chữ L được cắm xuyên qua nút cao su đậy kín miệng ống nghiệm. Đầu ra của ống dẫn khí được nhúng vào một chậu nước.

– Hệ thống thu khí: Một ống nghiệm khác (hoặc lọ thủy tinh) được đổ đầy nước, úp ngược trong chậu nước sao cho miệng ống nghiệm ngập hoàn toàn dưới nước. Miệng ống nghiệm này sẽ được đặt trùm lên đầu ra của ống dẫn khí.

2. Cách thu khí Oxi:

Trong phòng thí nghiệm, dựa vào tính chất của Oxi, chúng ta có 2 cách thu khí:

– Cách 1: Thu bằng cách đẩy nước (Như mô tả ở trên). Cách này áp dụng vì khí Oxi rất ít tan trong nước. Khí Oxi sinh ra sẽ đẩy dần nước ra khỏi ống nghiệm thu khí. Khi ống nghiệm đầy khí (không còn nước), ta sẽ thu được khí Oxi.

– Cách 2: Thu bằng cách đẩy không khí. Cách này áp dụng vì khí Oxi nặng hơn không khí (tỉ khối của Oxi so với không khí là \(d_{O_2/kk} = \frac{32}{29} \approx 1,1\)). Khi thu khí, ta để ngửa bình thu, đưa ống dẫn khí gần sát đáy bình. Khí Oxi nặng hơn sẽ đẩy không khí nhẹ hơn ra khỏi bình từ trên miệng bình. Để kiểm tra xem bình đã đầy khí Oxi chưa, ta dùng một que đóm còn tàn đỏ đưa vào miệng bình, nếu que đóm bùng cháy trở lại thì bình đã đầy.

C. MỘT SỐ LƯU Ý KHI LÀM THÍ NGHIỆM

An toàn và thành công trong thí nghiệm là quan trọng nhất. Em cần chú ý những điểm sau:

1. Ống nghiệm chứa hóa chất phải khô hoàn toàn để tránh bị nứt vỡ khi đun nóng.

2. Khi lắp ống nghiệm lên giá đỡ, phải để miệng ống nghiệm hơi chúc xuống. Điều này để tránh hơi nước sinh ra trong quá trình nhiệt phân (nếu hóa chất có lẫn hơi ẩm) ngưng tụ lại và chảy ngược xuống đáy ống nghiệm đang nóng, gây vỡ ống nghiệm.

3. Cần đặt một nhúm bông nhỏ ở gần miệng ống nghiệm chứa \(KMnO_4\). Mục đích là để ngăn các hạt \(KMnO_4\) rắn bị luồng khí Oxi đẩy theo vào ống dẫn khí, gây tắc ống.

4. Khi đun, phải dùng đèn cồn hơ nóng đều khắp thân ống nghiệm trước, sau đó mới tập trung đun vào phần có chứa hóa chất.

5. Thứ tự kết thúc thí nghiệm: Đây là bước quan trọng nhất để đảm bảo an toàn. PHẢI tháo ống dẫn khí ra khỏi chậu nước trước, SAU ĐÓ mới tắt đèn cồn. Nếu làm ngược lại (tắt đèn cồn trước), nhiệt độ trong ống nghiệm sẽ giảm đột ngột, áp suất giảm mạnh làm nước từ chậu bị hút ngược vào ống nghiệm đang rất nóng, gây vỡ ống nghiệm và rất nguy hiểm.

6. Khi thu khí bằng phương pháp đẩy không khí, phải để ống dẫn khí gần sát đáy bình thu.

Chúc em học tốt và luôn yêu thích môn Hóa học nhé! Nếu có thắc mắc gì, đừng ngần ngại hỏi thầy.