Глава III. Неметаллы и их соединения. § 21. Кислородные соединения углерода — с. 114
§ 21. Проверьте свои знания.
1. Какие оксиды образует углерод? Какие группы оксидов они представляют?
1. Какие оксиды образует углерод? Какие группы оксидов они представляют?
Углерод образует два оксида.
1) Оксид углерода(II) CO (угарный газ) — несолеобразующий оксид: ему не соответствуют ни кислота, ни основание, и с водой, кислотами и щелочами в обычных условиях он не реагирует.
2) Оксид углерода(IV) CO₂ (углекислый газ) — кислотный оксид; ему соответствует угольная кислота H₂CO₃. Он реагирует с основными оксидами и щелочами с образованием солей: Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃; Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O.
1) Оксид углерода(II) CO (угарный газ) — несолеобразующий оксид: ему не соответствуют ни кислота, ни основание, и с водой, кислотами и щелочами в обычных условиях он не реагирует.
2) Оксид углерода(IV) CO₂ (углекислый газ) — кислотный оксид; ему соответствует угольная кислота H₂CO₃. Он реагирует с основными оксидами и щелочами с образованием солей: Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃; Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O.
§ 21. Проверьте свои знания.
2. Охарактеризуйте получение и свойства оксида углерода(II). Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
Оксид углерода(II) CO — бесцветный газ без запаха, очень ядовитый (угарный газ): соединяясь с гемоглобином крови, он образует прочный карбоксигемоглобин и вызывает кислородное голодание.
Получение.
1) При недостатке кислорода углерод сгорает до CO: 2C + O₂ = 2CO (при нагревании).
2) Углекислый газ восстанавливается раскалённым углеродом: C + CO₂ = 2CO (при нагревании).
Свойства. CO — несолеобразующий оксид (с водой, кислотами и щелочами не реагирует). Углерод в нём имеет промежуточную степень окисления +2, поэтому CO — сильный восстановитель:
1) горит на воздухе синеватым пламенем: 2CO + O₂ = 2CO₂;
2) восстанавливает металлы из оксидов (в доменной печи): 4CO + Fe₃O₄ = 4CO₂↑ + 3Fe (при нагревании).
Получение.
1) При недостатке кислорода углерод сгорает до CO: 2C + O₂ = 2CO (при нагревании).
2) Углекислый газ восстанавливается раскалённым углеродом: C + CO₂ = 2CO (при нагревании).
Свойства. CO — несолеобразующий оксид (с водой, кислотами и щелочами не реагирует). Углерод в нём имеет промежуточную степень окисления +2, поэтому CO — сильный восстановитель:
1) горит на воздухе синеватым пламенем: 2CO + O₂ = 2CO₂;
2) восстанавливает металлы из оксидов (в доменной печи): 4CO + Fe₃O₄ = 4CO₂↑ + 3Fe (при нагревании).
§ 21. Проверьте свои знания.
3. Охарактеризуйте получение, свойства и применение оксида углерода(IV). Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
Оксид углерода(IV) CO₂ (углекислый газ) — бесцветный газ без запаха, тяжелее воздуха, малорастворим в воде (около 1 объёма на 1 объём воды), не поддерживает горение.
Получение.
1) В промышленности — разложением известняка (мела): CaCO₃ = CaO + CO₂↑ (при высокой температуре).
2) В лаборатории — действием соляной кислоты на мрамор: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.
Свойства. CO₂ — типичный кислотный оксид (ему соответствует слабая угольная кислота):
1) с водой (обратимо): CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃;
2) с основными оксидами: Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃;
3) со щелочами: Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O (помутнение известковой воды — качественная реакция на CO₂).
Степень окисления +4 — высшая, поэтому восстановительных свойств нет; есть слабые окислительные: CO₂ + 2Mg = 2MgO + C (при нагревании); C + CO₂ = 2CO.
Применение: производство газированных напитков и соды, огнетушители (не поддерживает горение), «сухой лёд» для охлаждения, создание защитной атмосферы при сварке.
Получение.
1) В промышленности — разложением известняка (мела): CaCO₃ = CaO + CO₂↑ (при высокой температуре).
2) В лаборатории — действием соляной кислоты на мрамор: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.
Свойства. CO₂ — типичный кислотный оксид (ему соответствует слабая угольная кислота):
1) с водой (обратимо): CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃;
2) с основными оксидами: Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃;
3) со щелочами: Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O (помутнение известковой воды — качественная реакция на CO₂).
Степень окисления +4 — высшая, поэтому восстановительных свойств нет; есть слабые окислительные: CO₂ + 2Mg = 2MgO + C (при нагревании); C + CO₂ = 2CO.
Применение: производство газированных напитков и соды, огнетушители (не поддерживает горение), «сухой лёд» для охлаждения, создание защитной атмосферы при сварке.
§ 21. Примените свои знания.
4. Какой из газов — углекислый или угарный — тяжелее воздуха?
Ответ подтвердите расчётом плотности обоих газов по воздуху.
Дано: M(CO₂) = 44 г/моль; M(CO) = 28 г/моль; M(воздуха) = 29 г/моль.
Найти: D(возд.) для CO₂ и CO.
Решение: относительная плотность по воздуху D = M(газа) / M(воздуха).
D(возд.)(CO₂) = 44 / 29 ≈ 1,52 (больше 1, газ тяжелее воздуха);
D(возд.)(CO) = 28 / 29 ≈ 0,97 (чуть меньше 1, газ немного легче воздуха; практически имеет почти ту же плотность и свободно смешивается с ним).
Ответ: тяжелее воздуха углекислый газ (в 1,52 раза); угарный газ немного легче воздуха (D ≈ 0,97).
Найти: D(возд.) для CO₂ и CO.
Решение: относительная плотность по воздуху D = M(газа) / M(воздуха).
D(возд.)(CO₂) = 44 / 29 ≈ 1,52 (больше 1, газ тяжелее воздуха);
D(возд.)(CO) = 28 / 29 ≈ 0,97 (чуть меньше 1, газ немного легче воздуха; практически имеет почти ту же плотность и свободно смешивается с ним).
Ответ: тяжелее воздуха углекислый газ (в 1,52 раза); угарный газ немного легче воздуха (D ≈ 0,97).
§ 21. Примените свои знания.
5. Вспомните, какое строение имеют молекулы CO и CO₂. Нарисуйте в тетради схемы образования этих молекул.
CO₂. Атом углерода (4 внешних электрона) образует с каждым из двух атомов кислорода (6 внешних электронов) по две общие электронные пары: у каждого атома кислорода остаются две неподелённые пары. Молекула линейная, связи ковалентные полярные, двойные, но из-за симметрии сама молекула неполярна: O=C=O, электронная формула O::C::O.
CO. Атом углерода и атом кислорода связаны тремя общими парами (тройная связь), как в молекуле азота: две пары образованы по обменному механизму (по одному электрону от каждого атома), третья — по донорно-акцепторному (оба электрона даёт кислород, а у углерода есть свободная орбиталь). На углероде и на кислороде остаётся по одной неподелённой паре: :C≡O:. Связь ковалентная полярная, очень прочная.
Схемы показаны на рисунке.
CO. Атом углерода и атом кислорода связаны тремя общими парами (тройная связь), как в молекуле азота: две пары образованы по обменному механизму (по одному электрону от каждого атома), третья — по донорно-акцепторному (оба электрона даёт кислород, а у углерода есть свободная орбиталь). На углероде и на кислороде остаётся по одной неподелённой паре: :C≡O:. Связь ковалентная полярная, очень прочная.
Схемы показаны на рисунке.
§ 21. Примените свои знания.
6. Запишите молекулярные уравнения реакций, соответствующие каждому из приведённых ионных уравнений:
а) Ca²⁺ + CO₃²⁻ = CaCO₃↓
б) CO₂ + OH⁻ = HCO₃⁻
в) CO₂ + 2OH⁻ = CO₃²⁻ + H₂O
г) HCO₃⁻ + H⁺ = H₂O + CO₂↑
д) MgCO₃ + 2H⁺ = Mg²⁺ + CO₂↑ + H₂O
е) CO₃²⁻ + 2H⁺ = CO₂↑ + H₂O
а) Ca²⁺ + CO₃²⁻ = CaCO₃↓
б) CO₂ + OH⁻ = HCO₃⁻
в) CO₂ + 2OH⁻ = CO₃²⁻ + H₂O
г) HCO₃⁻ + H⁺ = H₂O + CO₂↑
д) MgCO₃ + 2H⁺ = Mg²⁺ + CO₂↑ + H₂O
е) CO₃²⁻ + 2H⁺ = CO₂↑ + H₂O
а) CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl (или Ca(NO₃)₂ + K₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2KNO₃)
б) CO₂ + NaOH = NaHCO₃ (щёлочь в недостатке, CO₂ в избытке)
в) CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O (щёлочь в избытке)
г) NaHCO₃ + HCl = NaCl + H₂O + CO₂↑
д) MgCO₃ + 2HCl = MgCl₂ + CO₂↑ + H₂O (карбонат магния нерастворим, в ионном уравнении записан формулой)
е) Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂↑ + H₂O (или K₂CO₃ + H₂SO₄ = K₂SO₄ + CO₂↑ + H₂O)
Оговорка: реакции подобраны как пример; возможны другие растворимые соли и сильные кислоты.
б) CO₂ + NaOH = NaHCO₃ (щёлочь в недостатке, CO₂ в избытке)
в) CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O (щёлочь в избытке)
г) NaHCO₃ + HCl = NaCl + H₂O + CO₂↑
д) MgCO₃ + 2HCl = MgCl₂ + CO₂↑ + H₂O (карбонат магния нерастворим, в ионном уравнении записан формулой)
е) Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂↑ + H₂O (или K₂CO₃ + H₂SO₄ = K₂SO₄ + CO₂↑ + H₂O)
Оговорка: реакции подобраны как пример; возможны другие растворимые соли и сильные кислоты.
§ 21. Примените свои знания.
7. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
а) CO₂ → CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂ → CO₂ → CO
б) C → CO₂ → Na₂CO₃ → BaCO₃ → CO₂
Для реакций, протекающих в растворах, запишите ионные уравнения. В уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислители и восстановители.
а) CO₂ → CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂ → CO₂ → CO
б) C → CO₂ → Na₂CO₃ → BaCO₃ → CO₂
Для реакций, протекающих в растворах, запишите ионные уравнения. В уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислители и восстановители.
а)
1) CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O
CO₂ + Ca²⁺ + 2OH⁻ = CaCO₃↓ + H₂O
2) CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂
CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ (осадок растворяется)
3) Ca(HCO₃)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2CO₂↑ + 2H₂O
HCO₃⁻ + H⁺ = CO₂↑ + H₂O (возможен и нагрев: Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O)
4) CO₂ + C = 2CO (при нагревании) — ОВР:
C⁰ − 2e⁻ → C⁺² | 1 — восстановитель (углерод)
C⁺⁴ + 2e⁻ → C⁺² | 1 — окислитель (CO₂)
б)
1) C + O₂ = CO₂ (при нагревании) — ОВР:
C⁰ − 4e⁻ → C⁺⁴ | 1 — восстановитель (углерод)
O₂⁰ + 4e⁻ → 2O⁻² | 1 — окислитель (кислород)
2) CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O
CO₂ + 2OH⁻ = CO₃²⁻ + H₂O
3) Na₂CO₃ + BaCl₂ = BaCO₃↓ + 2NaCl
Ba²⁺ + CO₃²⁻ = BaCO₃↓
4) BaCO₃ + 2HCl = BaCl₂ + CO₂↑ + H₂O
BaCO₃ + 2H⁺ = Ba²⁺ + CO₂↑ + H₂O
1) CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O
CO₂ + Ca²⁺ + 2OH⁻ = CaCO₃↓ + H₂O
2) CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂
CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ (осадок растворяется)
3) Ca(HCO₃)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2CO₂↑ + 2H₂O
HCO₃⁻ + H⁺ = CO₂↑ + H₂O (возможен и нагрев: Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O)
4) CO₂ + C = 2CO (при нагревании) — ОВР:
C⁰ − 2e⁻ → C⁺² | 1 — восстановитель (углерод)
C⁺⁴ + 2e⁻ → C⁺² | 1 — окислитель (CO₂)
б)
1) C + O₂ = CO₂ (при нагревании) — ОВР:
C⁰ − 4e⁻ → C⁺⁴ | 1 — восстановитель (углерод)
O₂⁰ + 4e⁻ → 2O⁻² | 1 — окислитель (кислород)
2) CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O
CO₂ + 2OH⁻ = CO₃²⁻ + H₂O
3) Na₂CO₃ + BaCl₂ = BaCO₃↓ + 2NaCl
Ba²⁺ + CO₃²⁻ = BaCO₃↓
4) BaCO₃ + 2HCl = BaCl₂ + CO₂↑ + H₂O
BaCO₃ + 2H⁺ = Ba²⁺ + CO₂↑ + H₂O
§ 21. Примените свои знания.
8. Какую массу известняка, содержащего 92 % карбоната кальция, необходимо взять для прокаливания, чтобы получить 156,8 л углекислого газа (н. у.)?
Дано: w(CaCO₃) = 92 % = 0,92; V(CO₂) = 156,8 л (н. у.).
Найти: m(известняка) — ?
Решение:
CaCO₃ = CaO + CO₂↑ (при нагревании)
1) n(CO₂) = V / Vm = 156,8 л / 22,4 л/моль = 7 моль.
2) По уравнению n(CaCO₃) = n(CO₂) = 7 моль.
3) M(CaCO₃) = 40 + 12 + 3·16 = 100 г/моль; m(CaCO₃) = 7 моль · 100 г/моль = 700 г.
4) m(известняка) = m(CaCO₃) / w = 700 г / 0,92 ≈ 761 г.
Ответ: m(известняка) ≈ 761 г.
Найти: m(известняка) — ?
Решение:
CaCO₃ = CaO + CO₂↑ (при нагревании)
1) n(CO₂) = V / Vm = 156,8 л / 22,4 л/моль = 7 моль.
2) По уравнению n(CaCO₃) = n(CO₂) = 7 моль.
3) M(CaCO₃) = 40 + 12 + 3·16 = 100 г/моль; m(CaCO₃) = 7 моль · 100 г/моль = 700 г.
4) m(известняка) = m(CaCO₃) / w = 700 г / 0,92 ≈ 761 г.
Ответ: m(известняка) ≈ 761 г.
§ 21. Используйте дополнительную информацию.
9. В сказке В. Ф. Одоевского «Мороз Иванович» Мороз говорит Рукодельнице: «…ведь я знаю, есть такие нерях, что печку истопят, а трубу… закроют, да не вовремя, когда ещё не все угольки прогорели, а оттого в горнице угарно бывает, голова у людей болит, в глазах зелено; даже от угара умереть можно». От какого вещества «в горнице угарно бывает»?
Откуда оно берётся?
Подготовьте презентацию об угарном газе.
«Угарно бывает» от оксида углерода(II) CO — угарного газа.
Откуда берётся. Дрова и уголь состоят в основном из углерода. Пока в печи много воздуха, топливо сгорает полностью до CO₂: C + O₂ = CO₂. Если трубу (заслонку) закрыть рано, когда угольки ещё не прогорели, кислорода поступает мало: горение неполное, образуется CO: 2C + O₂ = 2CO. Кроме того, CO₂ проходит через раскалённые угли и восстанавливается: CO₂ + C = 2CO. Газ не уходит в трубу и попадает в комнату.
План презентации об угарном газе.
1) Состав и строение: CO, тройная связь, бесцветный газ без запаха и вкуса, чуть легче воздуха, плохо растворим в воде.
2) Происхождение названия: «угар» — отравление чадом от неполного сгорания угля и дров.
3) Опасность: CO соединяется с гемоглобином, образуя прочный карбоксигемоглобин; кровь перестаёт переносить кислород, возникает кислородное голодание; признаки — головная боль, шум в ушах, тошнота, потеря сознания; яд коварен, потому что запаха нет.
4) Источники: печи с закрытой раньше времени трубой, выхлопные газы автомобилей (в гараже с закрытыми воротами опасно), пожары, неисправные газовые приборы.
5) Химические свойства: горит голубоватым пламенем 2CO + O₂ = 2CO₂; восстанавливает металлы: 4CO + Fe₃O₄ = 4CO₂ + 3Fe — применяется в доменных печах.
6) Профилактика: не закрывать задвижку, пока не прогорели угли; проветривать; следить за тягой, использовать датчики CO.
7) Первая помощь: вынести пострадавшего на свежий воздух, вызвать скорую помощь.
Откуда берётся. Дрова и уголь состоят в основном из углерода. Пока в печи много воздуха, топливо сгорает полностью до CO₂: C + O₂ = CO₂. Если трубу (заслонку) закрыть рано, когда угольки ещё не прогорели, кислорода поступает мало: горение неполное, образуется CO: 2C + O₂ = 2CO. Кроме того, CO₂ проходит через раскалённые угли и восстанавливается: CO₂ + C = 2CO. Газ не уходит в трубу и попадает в комнату.
План презентации об угарном газе.
1) Состав и строение: CO, тройная связь, бесцветный газ без запаха и вкуса, чуть легче воздуха, плохо растворим в воде.
2) Происхождение названия: «угар» — отравление чадом от неполного сгорания угля и дров.
3) Опасность: CO соединяется с гемоглобином, образуя прочный карбоксигемоглобин; кровь перестаёт переносить кислород, возникает кислородное голодание; признаки — головная боль, шум в ушах, тошнота, потеря сознания; яд коварен, потому что запаха нет.
4) Источники: печи с закрытой раньше времени трубой, выхлопные газы автомобилей (в гараже с закрытыми воротами опасно), пожары, неисправные газовые приборы.
5) Химические свойства: горит голубоватым пламенем 2CO + O₂ = 2CO₂; восстанавливает металлы: 4CO + Fe₃O₄ = 4CO₂ + 3Fe — применяется в доменных печах.
6) Профилактика: не закрывать задвижку, пока не прогорели угли; проветривать; следить за тягой, использовать датчики CO.
7) Первая помощь: вынести пострадавшего на свежий воздух, вызвать скорую помощь.