Mục đích thí nghiệm: Điều chế khí oxygen để thực hiện các phản ứng với kim loại và phi kim

1. Chuẩn bị

• Potassium permanganate (KMnO4) rắn; hoặc potassium chlorate (KClO3) và manganese(IV) oxide (MnO2); hoặc dung dịch hydrogen peroxide 30% (H2O2)

• Dây sắt, dây magnesium, dây đồng, bột lưu huỳnh (sulfur), phosphorus đỏ, carbon

• Ống nghiệm chịu nhiệt, bình thu khí, nút có ống dẫn khí, chậu, đèn cồn, kẹp sắt, muỗng sắt

• Găng tay, kính bảo hộ, áo blouse

2. Điều chế oxygen

a) Điều chế oxygen từ hydrogen peroxide

• Chuẩn bị chậu nước và các bình thu khí như Hình 1 (chưa đưa ống dẫn khí vào bình)

• Cho khoảng nửa muỗng MnO2 vào bình tam giác chứa 20 mL dung dịch H2O2 30%, nhanh chóng đậy bình bằng nút có ống dẫn khí.

• Chờ khoảng 30 giây kể từ khi bắt đầu thấy bọt khí (để không khí có sẵn trong bình và ống được đẩy ra hết), sau đó mới đưa đầu ống vào bình thu khí. 

• Khi thu gần đầy bình, đậy nắp bình và giữ một ít nước trong bình (để thực hiện các phản ứng đốt cháy an toàn). Chuyển ống dẫn khí sang bình tiếp theo để tiếp tục thu khí.

b) Điều chế oxygen từ phản ứng nhiệt phân

• Chuẩn bị chậu nước và các bình thu khí như Hình 2 (chưa đưa ống dẫn khí vào bình)

• Cho một ít bột KMnO4 (hoặc hỗn hợp KClO3 & MnO2 theo tỉ lệ 4:1) vào đáy ống nghiệm. Đậy ống nghiệm bằng nút có ống dẫn khí. Lắp ống nghiệm như hình 2, hướng miệng ống lên để tránh chất rắn chạm nút cao su (do KMnO4 và KClO3 có thể phân huỷ nút cao su).

• Hơ đều ống nghiệm, sau đó đun tập trung ở đáy ống. Chờ khoảng 30 giây kể từ khi bắt đầu thấy bọt khí (để không khí có sẵn trong bình và ống được đẩy ra hết), sau đó mới đưa đầu ống vào bình thu khí.

• Khi chất rắn tràn lên gần miệng ống, cần đưa ngọn lửa ra xa để chất rắn không tràn lên nút cao su. Việc này sẽ tránh ăn mòn nút cao su và tránh chất rắn tràn vào ống dẫn khí.

• Khi thu gần đầy bình, đậy nắp bình và giữ một ít nước trong bình (để thực hiện các phản ứng đốt cháy an toàn). Chuyển ống dẫn khí sang bình tiếp theo để tiếp tục thu khí.

• Khi kết thúc phản ứng, lấy ống dẫn khí ra khỏi chậu nước trước khi tắt lửa, tránh việc nước rút vào ống nghiệm (do giảm nhiệt độ, không khí co lại làm giảm áp suất) gây vỡ ống. Khi ống nghiệm nguội, mở nút và rửa ống.

Tài liệu tham khảo: Department of Physical Sciences, Kingsborough Community College, The City University of New York

3. Phản ứng với oxygen

a) Phản ứng với kim loại sắt

• Chuẩn bị bình chứa khí oxygen (có sẵn một ít nước hoặc cát ở đáy để tránh vỡ bình do sản phẩm cháy rơi xuống).

• Kẹp dây sắt bằng kẹp sắt, nung trên ngọn lửa đến khi dây sắt nóng đỏ thì đưa nhanh vào bình chứa oxygen. Quan sát hiện tượng.

b) Phản ứng với magnesium

Kẹp dây magnesium bằng kẹp sắt, nung dây trên ngọn lửa đến khi cháy sáng. Lưu ý không thực hiện đốt cháy dây magnesium trong bình oxygen do phản ứng toả nhiệt mạnh gây nguy hiểm.

c) Phản ứng với carbon

• Chuẩn bị bình chứa khí oxygen (có sẵn một ít nước hoặc cát ở đáy để tránh vỡ bình do sản phẩm cháy rơi xuống).

• Kẹp mẩu than bằng kẹp sắt (hoặc cuộn vào sợi dây thép dài), nung trên ngọn lửa đến khi mẩu than nóng đỏ thì đưa nhanh vào bình chứa oxygen.

d) Phản ứng với lưu huỳnh (sulfur)

• Thực hiện thí nghiệm trong tủ hút.

• Chuẩn bị bình chứa khí oxygen (có sẵn một ít nước ở đáy để tránh vỡ bình do sản phẩm cháy rơi xuống).

• Cách 1: Cho một ít bột lưu huỳnh vào muỗng sắt, nung trên ngọn lửa đến khi lưu huỳnh nóng chảy và cháy nhẹ thì đưa nhanh vào bình chứa oxygen. Quan sát màu ngọn lửa.

• Cách 2: Cho một ít bột lưu huỳnh lên giấy lọc, hơ nóng đầu đũa thuỷ tinh rồi lăn qua giấy lọc để lưu huỳnh nóng chảy bám lên đũa. Đốt lưu huỳnh trên ngọn lửa rồi đưa nhanh vào bình chứa oxygen.

• Sau phản ứng, để nguội bình rồi nhúng quỳ tím vào dung dịch trong bình. Quan sát hiện tượng.

Tài liệu tham khảo: Chem LibreText, UMass.edu, University of Washington

1. Điều chế oxygen

a) Từ hydrogen peroxide: phản ứng xảy ra là 2H2O2 —> 2H2O + O2. Ở điều kiện bình thường, phản ứng xảy ra với tốc độ chậm, tuy nhiên khi có mặt chất xúc tác là MnO2, phản ứng xảy ra nhanh, khí oxygen thoát ra nhiều.

b) Từ phản ứng nhiệt phân:

2KMnO4 —> K2MnO4 + MnO2 + O2

2KClO3 —> 2KCl + 3O2 hoặc 4KClO3 —> KCl + 3KClO4 (muốn điều chế oxygen cần sử dụng xúc tác MnO2 để ưu tiên phản ứng tạo oxygen)

Theo một số quan điểm, ống nghiệm khi nhiệt phân cần hướng miệng ống xuống, sử dụng thêm một lớp bông gòn ở miệng ống, nhằm tránh hơi nước ngưng tụ rơi xuống đáy ống gây vỡ ống nghiệm lúc mới ngừng phản ứng. Theo một số quan điểm khác, ống nghiệm cần hướng miệng lên, để tránh trường hợp các chất nung tiếp xúc nút cao su (làm hỏng nút) và tràn vào ống dẫn khí.

2. Phản ứng với oxygen

Các phản ứng của kim loại và phi kim với oxygen thường phát ra năng lượng ở dạng quang năng và nhiệt năng lớn, nên thường xuất hiện ngọn lửa sáng.

a) Phản ứng với sắt: Fe + O2 —> Fe3O4. Phản ứng cháy sáng với ngọn lửa màu vàng, kèm theo hiện tượng bắn những hạt sáng như pháo hoa. 

b) Phản ứng với magnesium: 2Mg + O2 —> 2MgO. Phản ứng cháy sáng chói trong không khí, toả nhiệt rất lớn. Không nên nhìn lâu vào ngọn lửa do cường độ sáng mạnh có thể gây nguy hại đến mắt.

c) Phản ứng với carbon: C + O2 —> CO2; khi thiếu oxygen: CO2 + C —> 2CO. 

d) Phản ứng với lưu huỳnh: S + O2 —> SO2. Phản ứng này tạo ra khí SO2 độc, do đó cần thực hiện trong tủ hút. Khi nhúng quỳ tím vào dung dịch trong bình sau phản ứng, quỳ tím hoá đỏ do dung dịch chứa SO2 (hoặc H2SO3) có môi trường acid.

Theo một số quan điểm, nếu dùng muôi nung bằng sắt để thực hiện phản ứng này, lượng nhiệt lớn có thể gây ra phản ứng Fe + S —> FeS, do vậy có thể thay thế bằng việc sử dụng đũa thuỷ tinh.

1. Yêu cầu cần đạt trong CT2018

A. Thực hiện được thí nghiệm chứng minh lưu huỳnh đơn chất vừa có tính oxi hoá (tác dụng với kim loại), vừa có tính khử (tác dụng với oxygen). (Lớp 11)

B. Thực hiện được một số thí nghiệm của kim loại tác dụng với phi kim. (Lớp 12)

2. Tổ thức hoạt động dạy học

YCCĐ A: PPDH: Dạy học khám phá

• GV đặt vấn đề khám phá: Núi lửa Kawah Ijen ở Indonesia nổi tiếng là một địa danh có cảnh đẹp thơ mộng, đặc biệt là “dung nham” màu xanh vào ban đêm. Nơi đây cũng là mỏ khai thác lưu huỳnh lớn của khu vực Đông Nam Á. Người ta giải thích rằng “dung nham” màu xanh kia là do lưu huỳnh cháy trong không khí tạo ra ngọn lửa màu xanh. Liệu rằng có thực sự lưu huỳnh khi cháy tạo ra ngọn lửa màu xanh như vậy không?

• GV phát phiếu học tập, hướng dẫn các nhóm HS đề xuất thí nghiệm kiểm chứng, sau đó thực hiện thí nghiệm đốt cháy lưu huỳnh trong bình khí oxygen.

• HS thực hiện thí nghiệm, ghi nhận hiện tượng, dự đoán sản phẩm, trả lời câu hỏi khám phá.

• GV kết luận, nhận xét.

YCCĐ B: PPDH: Dạy học khám phá

• GV đặt vấn đề khám phá: Trước đây, phản ứng cháy của magnesium trong không khí được ứng dụng trong các đèn chiếu sáng ban đêm. Phản ứng này có đặc điểm gì mà được ứng dụng như vậy?

• GV phát phiếu học tập, hướng dẫn các nhóm HS đề xuất thí nghiệm kiểm chứng, sau đó thực hiện thí nghiệm đốt cháy magnesium trong không khí.

• HS thực hiện thí nghiệm, ghi nhận hiện tượng, dự đoán sản phẩm, trả lời câu hỏi khám phá.

• GV kết luận, nhận xét.