Применение оксида углерода 4. Оксид углерода (IV), угольная кислота и их соли

(IV ) (СО 2 , диоксид углерода, углекислый газ) представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха, который тяжелее воздуха и растворим в воде .

В обычных условиях твердый диоксид углерода переходит сразу в газообразное состояние, минуя состояние жидкости.

При большом количестве оксид углерода люди начинают задыхаться. Концентрация более 3% приводит к учащенному дыханию, а свыше 10 % наблюдается потеря сознания и смерть.

Химические свойства оксида углерода.

Оксид углерода - это ангидрид угольной кислоты Н 2 СО 3 .

Если пропускать оксид углерода через гидроксид кальция (известковая вода), то наблюдается выпадение осадка белого цвета:

Ca (OH ) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O,

Если углекислый газ взят в избытке, то наблюдается образование гидрокарбонатов, которые растворяются в воде:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 ,

Которые потом распадаются при нагревании:

2KNCO 3 = K 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Применение оксида углерода.

Используют диоксид углерода в различных областях промышленности. В химическом производстве - как хладагент.

В пищевой промышленности используют его как консервант Е290. Хоть ему и присвоили «условно безопасный», на самом деле это не так. Медики доказали, что частое употребление в пищу Е290 приводит к накоплению токсичного ядовитого соединения. Поэтому надо внимательнее читать этикетки на продуктах.

Углекислый газ, известный также как 4, реагирует с рядом веществ, образуя самые различные по своему составу и химическим свойствам соединения. Состоящий из неполярных молекул, он имеет очень слабые межмолекулярные связи и может находиться только в если температура выше, чем 31 градус по Цельсию. Углекислый газ представляет собой химическое соединение, состоящее из одного атома углерода и двух атомов кислорода.

Оксид углерода 4: формула и основная информация

Углекислый газ присутствует в атмосфере Земли при низкой концентрации и действует как парниковый газ. Его химическая формула СО 2 . При высокой температуре он может существовать исключительно в газообразном состоянии. В своем твердом состоянии его называют сухим льдом.

Углекислый газ является важным компонентом углеродного цикла. Он исходит из множества природных источников, включая вулканическую дегазацию, сжигание органического вещества и дыхательные процессы живых аэробных организмов. Антропогенные источники углекислого газа в основном связаны с сжиганием различных ископаемых видов топлива для производства электроэнергии и транспорта.

Он также продуцируется различными микроорганизмами из ферментации и клеточного дыхания. Растения превращают углекислый газ в кислород во время процесса, называемого фотосинтезом, используя как углерод, так и кислород для образования углеводов. Кроме того, растения также выделяют кислород в атмосферу, который затем используется для дыхания гетеротрофными организмами.

Углекислый газ (СО2) в организме

Оксид углерода 4 реагирует с разными веществами и является газообразным продуктом отходов от метаболизма. Существует более чем 90% его в крови в форме бикарбоната (НСО 3). Остальное - это либо растворенный СО 2, либо угольная кислота (H2CO 3). За балансирование этих соединений в крови отвечают такие органы, как печень и почки. Бикарбонат - это химическое вещество, которое действует как буфер. Она удерживает уровень рН крови на необходимом уровне, избегая повышения кислотности.

Структура и свойства углекислого газа

Двуокись углерода (CO 2) представляет собой химическое соединение, которое является газом при комнатной температуре и выше. Он состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Люди и животные выделяют углекислый газ, когда выдыхают. Кроме того, он образуется всегда, когда что-то органическое сжигается. Растения используют углекислый газ для производства продуктов питания. Этот процесс называется фотосинтезом.

Свойства углекислого газа изучались шотландским ученым Джозефом Блэком еще в 1750-х годах. способный улавливать тепловую энергию и оказывать воздействие на климат и погоду на нашей планете. Именно он является причиной глобального потепления и повышения температуры поверхности Земли.

Биологическая роль

Оксид углерода 4 реагирует с разными веществами и является конечным продуктом в организмах, которые получают энергию от разрушения сахаров, жиров и аминокислот. Это процесс известен как характерное для всех растений, животных, многих грибов и некоторых бактерий. У высших животных углекислый газ перемещается в крови из тканей тела в легкие, где он выдыхается. Растения получают его из атмосферы для использования при фотосинтезе.

Сухой лед

Сухой лед или твердый диоксид углерода представляет собой твердое состояние газа CO 2 с температурой -78,5 °C. В естественном виде это вещество не встречается в природе, но производится человеком. Оно бесцветно и может использоваться для приготовления газированных напитков, как охлаждающий элемент в емкостях с мороженым и в косметологии, например для замораживания бородавок. Пары сухого льда вызывают удушье и могут привести к смерти. При использовании сухого льда стоит проявлять осторожность и профессионализм.

При обычном давлении он не будет плавиться из в жидкость, а вместо этого переходит непосредственно из твердого вещества в газ. Это называется сублимацией. Он будет меняться непосредственно от твердого тела к газу при любой температуре, превышающей экстремально низкие температуры. Сухой лед сублимируется при нормальной температуре воздуха. При этом выделяется углекислый газ, который не имеет запаха и цвета. Двуокись углерода может быть сжижена при давлении выше 5,1 атм. Газ, который выделяется из сухого льда, настолько холодный, что при смешивании с воздухом он охлаждает водяной пар в воздухе до тумана, который выглядит как густой белый дым.

Получение, химические свойства и реакции

В промышленности оксид углерода 4 получают двумя способами:

1. Путем сжигания топлива (C + O 2 = CO 2).
2. Путем термического разложения известняка (CaCO 3 = CaO + CO 2).

Полученный объем оксида углерода 4 подвергается очистке, сжижается и закачивается в специальные балоны.

Являясь кислотным, оксид углерода 4 реагирует с такими веществами, как:

• Вода. При растворении образуется угольная кислота (H 2 CO 3).
• Щелочные растворы. Оксид углерода 4 (формула CO 2) вступает в реакцию со щелочами. При этом образуются средние и кислые соли (NaHCO 3).
• При этих реакциях образуются соли карбонаты (CaCO 3 и Na 2 CO 3).
• Углерод. Когда оксид углерода 4 реагирует с горячим углем, образуется оксид углерода 2 (угарный газ), который может вызвать отравление. (CO 2 + C = 2CO).
• Магний. Как правило, углекислый газ не поддерживает горение, только при очень высоких температурах он может реагировать с некоторыми металлами. Например, зажженный магний будет продолжать гореть в CO 2 во время окислительно-восстановительной реакции (2Mg + CO 2 = 2MgO + C).

Качественная реакция оксида углерода 4 проявляется при пропускании его через известняковую воду (Ca(OH) 2 или через баритовую воду (Ba(OH) 2. Можно наблюдать помутнение и выпадение осадка. Если после этого продолжать дальше пропускать углекислый газ, то вода снова станет прозрачной, так как нерастворимые карбонаты преобразуются в растворимые гидрокарбонаты (кислые соли угольной кислоты).

Двуокись углерода также образуется при сжигании всего углеродсодержащего топлива, такого, как метан (природный газ), нефтяные дистилляты (бензин, дизельное топливо, керосин, пропан), уголь или древесина. В большинстве случаев вода также выделяется.

Углекислый газ (двуокись углерода) состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода, которые удерживаются вместе ковалентными связями (или делением электронов). Чистый углерод очень редок. Он встречается в природе только в виде минералов, графита и алмаза. Несмотря на это, он является строительным блоком жизни, который в сочетании с водородом и кислородом образует основные соединения, из которых состоит все на планете.

Такие углеводороды, как уголь, нефть и природный газ - это соединения, состоящие из водорода и углерода. Этот элемент содержится в кальците (CaCo 3), минералах в осадочных и метаморфических породах, известняке и мраморе. Это элемент, который содержит все органические вещества - от ископаемого топлива до ДНК.

Физические свойства: углерод образует множество аллотропных модификаций: алмаз – одно из самых твердых веществ, графит, уголь, сажа .

Атом углерода имеет 6 электронов: 1s 2 2s 2 2p 2 . Последние два электрона располагаются на отдельных р-орбиталях и являются неспаренными. В принципе, эта пара могла бы занимать одну орбиталь, но в таком случае сильно возрастает межэлектронное отталкивание. По этой причине один из них занимает 2р х, а другой, либо 2р у , либо 2р z -орбитали.

Различие энергии s- и р-подуровней внешнего слоя невелико, поэтому атом довольно легко переходит в возбужденное состояние, при котором один из двух электронов с 2s-орбитали переходит на свободную 2р. Возникает валентное состояние, имеющее конфигурацию 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.

Это явление, как известно, называют sp 3 -гибридизацией, а возникающие функции – sp 3 -гибридными. Образование четырех sp 3 -cвязeй обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три р-р- и одна s-s-связи. Помимо sp 3 -гибридизации у атома углерода наблюдается также sp 2 — и sp-гибридизация. В первом случае возникает взаимное наложение s- и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp 2 — гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости sp 2 .

При sp-гибридизации происходит наложение орбиталей s и р. Между двумя образующимися равноценными гибридными орбиталями возникает угол 180°, при этом две р-орбитали у каждого из атомов остаются неизменными.

Аллотрорпия углерода. Алмаз и графит

В кристалле графита атомы углерода расположены в параллельных плоскостях, занимая в них вершины правильных шестиугольников. Каждый из атомов углерода связан с тремя соседними sp 2 -гибридными связями. Между параллельными плоскостями связь осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил. Свободные р-орбитали каждого из атомов направлены перпендикулярно плоскостям ковалентных связей. Их перекрыванием объясняется дополнительная π-связь между атомами углерода. Таким образом, от валентного состояния, в котором находятся атомы углерода в веществе, зависят свойства этого вещества .

Химические свойства углерода

Наиболее характерные степени окисления: +4, +2.

При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает.

Углерод как восстановитель:

— с кислородом
C 0 + O 2 – t° = CO 2 углекислый газ
при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O угарный газ

— со фтором
С + 2F 2 = CF 4

— с водяным паром
C 0 + H 2 O – 1200° = С +2 O + H 2 водяной газ

— с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2

— с кислотами – окислителями:
C 0 + 2H 2 SO 4 (конц.) = С +4 O 2 ­ + 2SO 2 ­ + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (конц.) = С +4 O 2 ­ + 4NO 2 ­ + 2H 2 O

— с серой образует сероуглерод:
С + 2S 2 = СS 2 .

Углерод как окислитель:

— с некоторыми металлами образует карбиды

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

— с водородом — метан (а также огромное количество органических соединений)

C 0 + 2H 2 = CH 4

— с кремнием, образует карборунд (при 2000 °C в электропечи):

Нахождение углерода в природе

Ссвободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО 3 , доломита – MgCO 3 *CaCO 3 ; гидрокарбонатов – Mg(НCO 3) 2 и Са(НCO 3) 2 , СО 2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.

Неорганические соединения углерода

Ни ионы С 4+ , ни С 4- ‑ ни при каких обычных химических процессах не образуются: в соединениях углерода имеются ковалентные связи различной полярности.

Оксид углерода (II) СО

Угарный газ; бесцветный, без запаха, малорастворим в воде, растворим в органических растворителях, ядовит, t°кип = -192°C; t пл. = -205°C.

Получение
1) В промышленности (в газогенераторах):
C + O 2 = CO 2

2) В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO 4 (конц.):
HCOOH = H 2 O + CO­

H 2 C 2 O 4 = CO­ + CO 2 ­ + H 2 O

Химические свойства

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель; несолеобразующий оксид.

1) с кислородом

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) с оксидами металлов

C +2 O + CuO = Сu + C +4 O 2

3) с хлором (на свету)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (фосген)

4) реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)

5) с переходными металлами образует карбонилы

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Оксид углерода (IV) СO 2

Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H 2 O растворяется 0,9V CO 2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO 2 называется «сухой лёд»); не поддерживает горение.

Получение

1. Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

1. Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 ­

NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2 ­

Химические свойства СO 2
Кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства

С +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Качественная реакция

Помутнение известковой воды:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯(белый осадок) + H 2 O

Оно исчезает при длительном пропускании CO 2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Сa(HCO 3) 2

Угольная кислота и её соли

H 2 CO 3 — Кислота слабая, существует только в водном растворе:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Двухосновная:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты
HCO 3 — ↔ H + + CO 3 2- Cредние соли — карбонаты

Характерны все свойства кислот.

Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 ­

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3

Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2 ­

Качественная реакция — «вскипание» при действии сильной кислоты:

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2 ­

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2 ­

Карбиды

Карбид кальция:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2 .

Ацетилен выделяется при реакции с водой карбидов цинка, кадмия, лантана и церия:

2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2 .

Be 2 C и Al 4 C 3 разлагаются водой с образованием метана:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4 .

В технике применяют карбиды титана TiC, вольфрама W 2 C (твердые сплавы), кремния SiC (карборунд – в качестве абразива и материала для нагревателей).

Цианиды

получают при нагревании соды в атмосфере аммиака и угарного газа:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Синильная кислота HCN – важный продукт химической промышленности, широко применяется в органическом синтезе. Ее мировое производство достигает 200 тыс. т в год. Электронное строение цианид-аниона аналогично оксиду углерода (II), такие частицы называют изоэлектронными:

C= O: [:C= N:] –

Цианиды (0,1-0,2%-ный водный раствор) применяют при добыче золота:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

При кипячении растворов цианидов с серой или сплавлении твердых веществ образуются роданиды :
KCN + S = KSCN.

При нагревании цианидов малоактивных металлов получается дициан: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2 . Растворы цианидов окисляются до цианатов :

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

Циановая кислота существует в двух формах:

H-N=C=O; H-O-C= N:

В 1828 г. Фридрих Вёлер (1800-1882) получил из цианата аммония мочевину: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 при упаривании водного раствора.

Это событие обычно рассматривается как победа синтетической химии над «виталистической теорией».

Существует изомер циановой кислоты – гремучая кислота

H-O-N=C.
Ее соли (гремучая ртуть Hg(ONC) 2) используются в ударных воспламенителях.

Синтез мочевины (карбамида):

CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. При 130 0 С и 100 атм.

Мочевина является амидом угольной кислоты, существует и ее «азотный аналог» – гуанидин.

Карбонаты

Важнейшие неорганические соединения углерода – соли угольной кислоты (карбонаты). H 2 CO 3 – слабая кислота (К 1 =1,3·10 -4 ; К 2 =5·10 -11). Карбонатный буфер поддерживает углекислотное равновесие в атмосфере. Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — .

При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .

При повышении кислотности происходит растворение карбонатных пород (раковины, меловые и известняковые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (тв.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует «парниковому эффекту» – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли. Примерно треть мирового производства соды (карбонат натрия Na 2 CO 3) используется в производстве стекла.

Оксид углерода (IV) (диоксид углерода, углекислый газ) в обычных условиях представляет собой бесцветный газ, тяжелее воздуха, термически устойчивый, а при сжатии и охлаждении легко переходящий в жидкое и твердое состояния.

Плотность – 1,997 г/л. Твердый CO2, носящий название «сухой лед», возгоняется при комнатной температуре. Плохо растворяется в воде, частично реагируя с ней. Проявляет кислотные свойства. Восстанавливается активными металлами, водородом и углеродом.

Химическая формула оксида углерода 4
Химическая формула оксида углерода (IV) CO2. Она показывает, что в состав данной молекулы входят один атом углерода (Ar = 12 а.е.м.) и два атома кислорода (Ar = 16 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу оксида углерода (IV):

Mr(CO2) = Ar(C) + 2×Ar(O);

Mr(CO2) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44.

Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Задание При сжигании 26,7 г аминокислоты (CxHyOzNk) в избытке кислорода образуется 39,6 г оксида углерода (IV), 18,9 г воды и 4,2 г азота. Определите формулу аминокислоты.
Решение Составим схему реакции сгорания аминокислоты обозначив количество атомов углерода, водорода, кислорода и азота за «x», «у», «z» и «k» соответственно:
CxHyOzNk+ Oz→CO2 + H2O + N2.

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м., Ar(N) = 14 а.е.м.

M(C) = n(C)×M(C) = n(CO2)×M(C) = ×M(C);

M(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H2O)×M(H) = ×M(H);

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H2O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль.

M(C) = ×12 = 10,8 г;

M(H) = 2×18,9 / 18 ×1= 2,1 г.

M(O) = m(CxHyOzNk) – m(C) – m(H) – m(N)= 26,7 – 10,8 – 2,1 – 4,2 = 9,6 г.

Определим химическую формулу аминокислоты:

X:y:z:k = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O) : m(N)/Ar(N);

X:y:z:k= 10,8/12:2,1/1:9,6/16: 4,2/14;

X:y:z:k= 0,9: 2,1: 0,41: 0,3 = 3: 7: 1,5: 1 = 6: 14: 3: 2.

Значит простейшая формула аминокислоты C6H14O3N2.

Ответ C6H14O3N2
ПРИМЕР 2
Задание Составьте простейшую формулу соединения, в котором массовые доли элементов приближенно равны: углерода – 25,4%, водорода – 3,17%, кислорода – 33,86%, хлора – 37,57%.
Решение Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Обозначим число атомов углерода в молекуле через «х», число атомов азота водорода через «у», число атомов кислорода за «z» и число атомов хлора за «k».

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов углерода, водорода, кислорода и хлора (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Ar(C) = 12; Ar(H) = 14; Ar(O) = 16; Ar(Cl) = 35,5.

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

X:y:z:k = ω(C)/Ar(C) : ω(H)/Ar(H) : ω(O)/Ar(O) : ω(Cl)/Ar(Cl);

X:y:z:k= 25,4/12: 3,17/1: 33,86/16: 37,57/35,5;

X:y:z:k= 2,1: 3,17: 2,1: 1,1 = 2: 3: 2: 1.

Значит простейшая формула соединения углерода, водорода, кислорода и хлора будет иметь вид C2H3O2Cl.