Tlen, wodór i dwutlenek węgla

1.Tlen $\mathrm{O_2}$ w przyrodzie

Tlen stanowi około 21% objętości powietrza i występuje w nim w postaci cząsteczek $\mathrm{O_2}$. W związkach chemicznych to najbardziej rozpowszechniony pierwiastek skorupy ziemskiej i składnik wody. Do atmosfery trafia dzięki fotosyntezie.

2.Właściwości fizyczne tlenu

Bezbarwny gaz bez zapachu i smaku, słabo rozpuszczalny w wodzie, nieco cięższy od powietrza. W bardzo niskiej temperaturze skrapla się w jasnoniebieską ciecz.

3.Otrzymywanie tlenu z manganianu(VII) potasu

Podczas ogrzewania manganianu(VII) potasu wydziela się tlen: $\mathrm{2KMnO_4 \rightarrow K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2}$. Gaz zbiera się pod wodą, bo słabo się w niej rozpuszcza.

4.Otrzymywanie tlenu z wody utlenionej

Nadtlenek wodoru (składnik wody utlenionej) rozkłada się na wodę i tlen: $\mathrm{2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2}$. Reakcję przyspiesza tlenek manganu(IV) $\mathrm{MnO_2}$, który jest katalizatorem.

5.Katalizator

Substancja, która przyspiesza reakcję chemiczną, ale sama się w niej nie zużywa. Przykład: tlenek manganu(IV) w rozkładzie nadtlenku wodoru.

6.Elektroliza wody

Rozkład wody pod wpływem prądu elektrycznego: $\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$. Powstaje 2 razy większa objętość wodoru niż tlenu. Tą metodą można otrzymać oba gazy.

7.Otrzymywanie tlenu w przemyśle

Tlen na dużą skalę otrzymuje się z powietrza: powietrze skrapla się w bardzo niskiej temperaturze, a potem rozdziela na składniki przez destylację.

8.Wykrywanie tlenu

Do naczynia z gazem wkłada się żarzące się łuczywko. Jeśli to tlen, łuczywko zapala się jasnym płomieniem.

9.Tlen a palenie

Tlen podtrzymuje palenie, ale sam się nie pali. W czystym tlenie substancje palą się znacznie gwałtowniej niż w powietrzu.

10.Spalanie niemetali w tlenie

Węgiel spala się do tlenku węgla(IV): $\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2}$. Siarka spala się niebieskim płomieniem do tlenku siarki(IV): $\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2}$.

11.Reakcje tlenu z metalami

Magnez spala się oślepiająco jasnym płomieniem, tworząc biały tlenek magnezu: $\mathrm{2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO}$. Ogrzewana miedź pokrywa się czarnym tlenkiem miedzi(II): $\mathrm{2Cu + O_2 \rightarrow 2CuO}$.

12.Zastosowania tlenu

Oddychanie organizmów, medycyna (aparaty tlenowe, inhalacje), butle dla nurków i himalaistów, spawanie i cięcie metali palnikami, hutnictwo, napędy rakiet.

13.Bezpieczna praca z tlenem

Butle z tlenem trzyma się z dala od ognia, a ich zaworów nie wolno smarować olejem ani tłuszczem, bo w czystym tlenie mogą się gwałtownie zapalić. Nadmiar tlenu przyspiesza pożar.

14.Właściwości fizyczne wodoru

Bezbarwny gaz bez zapachu i smaku, bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie. Jest najlżejszym ze wszystkich gazów: około 14 razy lżejszy od powietrza. Cząsteczka: $\mathrm{H_2}$.

15.Otrzymywanie wodoru z metalu i kwasu

W laboratorium wodór otrzymuje się w reakcji cynku lub magnezu z kwasem chlorowodorowym (solnym): $\mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2}$, $\mathrm{Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2}$.

16.Wodór z reakcji sodu z wodą

Aktywne metale, np. sód, gwałtownie reagują z wodą i wypierają z niej wodór: $\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2}$.

17.Zbieranie wodoru

Wodór zbiera się pod wodą albo w probówce odwróconej wylotem do dołu, bo jest lżejszy od powietrza i bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie.

18.Spalanie wodoru

Wodór jest palny i spala się bladoniebieskim płomieniem: $\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}$. Jedynym produktem spalania jest woda.

19.Mieszanina piorunująca

Mieszanina wodoru z tlenem lub z powietrzem, która po zapaleniu gwałtownie wybucha. Najsilniej wybucha mieszanina, w której objętość wodoru jest 2 razy większa od objętości tlenu.

20.Próba wybuchowa

Probówkę z zebranym gazem zbliża się wylotem do płomienia. Wodór zmieszany z powietrzem zapala się z charakterystycznym trzaskiem lub świstem, a czysty wodór spala się spokojnie, z cichym pyknięciem. Próba pozwala wykryć wodór i sprawdzić jego czystość.

21.Zastosowania wodoru

Ekologiczne paliwo (samochody z ogniwami paliwowymi, rakiety), produkcja amoniaku, utwardzanie tłuszczów roślinnych przy produkcji margaryny, palniki do spawania.

22.Tlenek węgla(IV) $\mathrm{CO_2}$

Potocznie dwutlenek węgla. Stanowi około 0,04% objętości powietrza. Powstaje m.in. podczas spalania węgla i paliw, oddychania i fermentacji, a rośliny zużywają go w fotosyntezie.

23.Właściwości fizyczne tlenku węgla(IV)

Bezbarwny, bezwonny gaz, około 1,5 raza cięższy od powietrza, rozpuszcza się w wodzie. Ochłodzony tworzy ciało stałe zwane suchym lodem, które przechodzi bezpośrednio w gaz (sublimuje).

24.Otrzymywanie tlenku węgla(IV) w laboratorium

Na węglan wapnia (marmur, kredę lub wapień) działa się kwasem chlorowodorowym: $\mathrm{CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2}$. Wydzielający się gaz zbiera się w naczyniu ustawionym wylotem do góry.

25.Inne sposoby powstawania tlenku węgla(IV)

Spalanie węgla: $\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2}$. Prażenie wapienia (rozkład termiczny): $\mathrm{CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2}$. Tlenek węgla(IV) wydziela się też podczas oddychania i fermentacji.

26.Woda wapienna

Klarowny wodny roztwór wodorotlenku wapnia, który służy do wykrywania tlenku węgla(IV). Pod wpływem tego gazu mętnieje, bo powstaje biały osad węglanu wapnia: $\mathrm{Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O}$.

27.Tlenek węgla(IV) a palenie

Tlenek węgla(IV) nie pali się i nie podtrzymuje palenia większości substancji. Jest cięższy od powietrza, więc opada i odcina płomień od tlenu. Dlatego używa się go w gaśnicach.

28.Zastosowania tlenku węgla(IV)

Gaśnice, nasycanie napojów gazowanych, suchy lód do chłodzenia, dokarmianie roślin w szklarniach (fotosynteza).

29.Zagrożenia związane z tlenkiem węgla(IV)

Gromadzi się w nisko położonych miejscach: piwnicach, studniach, jaskiniach i pomieszczeniach, w których zachodzi fermentacja. W dużym stężeniu powoduje utratę przytomności i uduszenie. Jest też gazem cieplarnianym: nadmierna emisja nasila efekt cieplarniany.