Монооксид углерода (угарный газ)
Диоксид углерода (углекислый газ)
Угольная кислота и карбонаты
Способы получения угарного газа
В промышленности угарный газ получают:
• при пропускании воздуха через раскаленный уголь:
C + O→ CO
CO+ C → 2CO
• паровая конверсия метана – взаимодействие перегретого водяного пара (температура – 800-900ºС) с метаном. В качестве катализаторов используют Ni, MgO, AlO:
СН+ НO → СО + 3Н
• взаимодействие метана с углекислым газом (температура – 800-900ºС, кат. – Ni, MgO, AlO):
СН+ CO→ 2СО + 2Н
• горение углерода в недостатке кислорода (неполное окисление углерода):
2C + O→ 2CO
• неполное окисление метана:
2СН4 + О→ 2СО + 4Н
В лаборатории угарный газ можно получить:
• Нагреванием муравьиной кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты:
НСООН → CO + HO
• Нагреванием щавелевой кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты:
HCO→ CO + CO+ HO
СО – несолеобразующий оксид
• Формально СО можно рассматривать как ангидрид муравьиной кислоты, т.к. он образуется при дегидратации муравьиной кислоты:
НСООН → CO + HO
А также образование формиата натрия в реакции с гидроксидом натрия при высоком давлении:
CO + NaOH → HCOONa
Однако при обычных условиях он не вступает в реакции с водой, кислотами и щелочами, поэтому относится к типу несолеобразующих оксидов.
Является сильным восстановителем, поэтому реагирует с окислителями:
• Горит синим пламенем в атмосфере кислорода:
2СO + O→ 2CO
• Окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием ядовитого газа фосгена:
CO + Cl→ COCl
• Окисляется другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов:
CO + NaO→ NaCO
• Восстанавливает металлы из оксидов (при Т~300 — 1500ºС):
СО + CuO → Cu + CO
СО + NiO → Ni + CO
4CO + FeO→ 3Fe + 4CO
• из воды в присутствии катализатора Fe, Cr при температуре 400-500 ºС:
СО + НО= CO+ Н
• некоторых благородных металлов из солей:
СО + PdCl + НО→ Pd + CO+ 2HCl
• Взаимодействие с водородом при повышенном давлении. Из синтез-газа (смеси угарного газа и водорода) при определенных условиях (P, T, kt) можно получить метанол, метан, или другие углеводороды:
СО + 2Н → СНОН
СО + 3Н → СН+ НО
nСО + (2n+1)Н → СnНn+ nНО
• Образование карбонилов металлов при нагревании:
4СO + Ni = [Ni(СO)]
4СO + Fe = [Fe(СO)]
• Образование карбоксигемоглобина при связывании угарного газа с гемоглобином крови подобно кислороду:
HbO + CO = HbCO + O
Этим свойством СО и объясняется его высокая токсичность для организма человека.
Способы получения углекислого газа
• CO – Конечный продукт окисления органических веществ в клетках аэробных организмов
• Образуется при действии сильных кислот на карбонаты (растворимые и нерастворимыеи гидрокарбонаты металлов:
CaCO+ 2HCl → CaCl+ HO + CO
NaHCO+ HBr → NaBr +HO +CO
2AlCl + 3KCO + 3HO → 2Al(OH)↓ + CO↑ + 6KCl
• При термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов:
CaCO→ CaO + CO
2NaHCO→ NaCO + HO +CO
• При сжигании всех видов топлив:
СxHy + O = HO + CO
• При спиртовом брожении глюкозы под действием ферментов:
СHO → 2CO + 2CHOH
Химические свойства углекислого газа
Углекислый газ — типичный кислотный оксид. Проявляет слабые окислительные свойства
• Качественная реакция на углекислый газ — помутнение известковой воды:
Ca(OH)+ CO→ CaCO+ HO
• Взаимодействует с водой, но реакция сильно обратима, и с водой соединяется лишь 1% молекул угольной кислоты:
CO+ HO ↔ HCO
• С основными оксидами и сильными основаниями (щелочами), с образованием карбонатов или гидрокарбонатов. При этом возможно образование как кислых, так и средних солей:
NaO + CO→ 2NaCO
KOH + CO → KHCO
2KOH + CO → KCO+ HO
• С карбонатами, с образованием гидрокарбонатов:
NaCO + CO+ HO → 2NaHCO
• С водными растворами солей, образованными кислотами, слабее угольной (очень слабые кислоты):
NaSiO + CO + HO = HSiO + NaCO
CHOK + CO+ HO → CHOH + KHCO
• С некоторыми восстановителями:
CO+ 3H→ 2CНOН + HO
CO+ C → 2CO
2Мg + CO→ C + 2MgO
Внимание! Магний горит в атмосфере углекислого газа, поэтому горящий магний нельзя тушить углекислотными огнетушителями.
• В листьях растений на свету из CO и HO образуются углеводы и кислород:
nCO + mHO = Cn(HO)m + nO
• С пероксидом натрия, с образованием карбоната натрия:
2CO+ 2NaO→ 2NaCO+ O
• Синтез карбамида (мочевины):
CO+ 2NH= CO(NH) + HO
• Получение питьевой соды по методу Сольвэ:
NaCl + CO+ NH + HO= NaHCO + NHCl
Химические свойства угольной кислоты и карбонатов
Угольная кислота – слабая двухосновная кислота
Угольная кислота существует только в водном растворе, где количество ее молекул и анионов в сотни раз меньше, чем количество растворенных молекул углекислого газа CO
• Диссоциирует по 2-м ступеням с образованием гидрокарбонат- и карбонат ионов:
HCO↔ H+ + НCO—
НCO— ↔ H+ + CO2-
HCO как индивидуальное соединение неустойчиво и не имеет практического значения, но ее соли устойчивы и нашли широкое применение.
• Растворимыми являются карбонаты щелочных металлов. Высокая степень гидролиза является причиной щелочной реакции их водных растворов рН(0,1 М р-ра) ~ 11,7:
NaCO + HO = NaOH + NaHCO
CO2-+ HO = OH— + HCO—
• Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония при нагревании (более 900ºС) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV):
CaCO→ CaO + CO
Карбонат аммония при нагревании разлагается иначе:
(NH)CO→ 2NH + 2HO + CO
• Качественной реакцией является взаимодействие с кислотами является на ионы СО2─ и НСО− в результате которой происходит выделение СО:
NaCO + 2HCl → 2NaCl + CO2 ↑ + HO
• при взаимодействии с разбавленными растворами соляной или серной кислот происходит выделение углекислого газа, который затем пропускают через раствор известковой воды. При этом наблюдается помутнение раствора:
NaHCO + HCl → NaCl + CO2 ↑ + HO
CO + Сa(OH) = CaCO↓ + HO
При дальнейшем пропускании раствор вновь становится прозрачным, помутнение исчезает:
CaCO+ CO2 + HO = Сa(НCO)
• Переход в гидрокарбонаты при пропускании CO через растворы карбонатов или постепенном добавлении кислот:
NaCO+ CO2 + HO = 2NaНCO3
NaCO + HCl → NaНCO3 + NaCl
• Гидрокарбонаты все, кроме NaНCOлегко растворяются в воде. Водные растворы также имеют щелочную реакцию вследствие гидролиза:
НCO—+ HO = OH— + HCO
2NaHCO → NaCO + CO↑+ HO
Mg(HCO) = Mg(OH)↓ + 2CO↑+ HO
Углерод
Углерод
Углерод - неметаллический элемент IV группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, является важнейшей частью всех органических веществ в природе.
Общая характеристика элементов IVa группы
От C к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.
Из элементов IVа группы углерод и кремний относятся к неметаллам, германий, олово и свинец - металлы.
Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула nsnp:
• C - 2s2p
• Si - 3s3p
• Ge - 4s4p
• Sn - 5s5p
• Pb - 6s6p
Природные соединения
В природе углерод встречается в виде следующих соединений:
• Аллотропных модификаций - графит, алмаз, фуллерен
• MgCO - магнезит
• CaCO - кальцит (мел, мрамор)
• CaCO*MgCO - доломит
Получение
Углерод получают в ходе пиролиза углеводородов (пиролиз - нагревание без доступа кислорода). Также применяется получение углеродистых соединений: древесины и каменного угля.
CH → (t) C + H (пиролиз этана)
Химические свойства
• Реакции с неметаллами
При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.
C + H → (t) CH (метан)
2С + O → (t) 2CO (угарный газ - продукт неполного окисления углерода, образуется при недостатке кислорода)
С + O → (t) CO (углекислый газ - продукт полного окисления углерода, образуется при достаточном количестве кислорода)
С + F → (t) CF
• Реакции с металлами
При нагревании углерод реагирует с металлами, проявляя свои окислительные свойства. Напомню, что металлы могут принимать только положительные степени окисления.
Ca + C → CaC (карбид кальция, СО углерода = -1)
Al + C → AlC (карбид алюминий, СО углерода -4)
Очевидно, что степень окисления углерода в соединении с различными металлами может отличаться.
• Восстановительные свойства
Углерод - хороший восстановитель. С помощью него металлургическая промышленность справляется с задачей получения чистых металлов из их оксидов:
FeO + C → Fe + CO
ZnO + C → Zn + CO
FeO + C → Fe + CO
Углерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:
SiO + C → (t) Si + CO
Может восстановить и собственный оксид:
CO + C → CO
• Реакция с водой
Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца - крайне важна в промышленности:
C + HO → CO↑ + H↑
• Реакции с кислотами
В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:
C + HNO3(конц.) → (t) CO + NO + HO
C + HNO → CO + NO + HO
C + HSO4(конц.) → CO + SO + HO
Оксид углерода II - СO
Оксид углерода II - продукт неполного окисления углерода. Несолеобразующий оксид. Это чрезвычайно опасное вещество часто образуется при пожарах в замкнутых помещениях, при прогревании машины в гараже.
Растворяясь в крови угарный газ (имеющий в 300 раз большее сродство к гемоглобину, чем кислород) легко выигрывает конкуренцию у кислорода и занимает его место в эритроцитах. Отравление угарным газом нередко заканчивается летальным исходом.
Получение
CO + C → (t) CO
C + HO → (t) CO + H
В лаборатории угарный газ получают при разложении муравьиной кислоты в присутствии серной:
HCOOH → (HSO) CO + HO
Химические свойства
Полностью окисляется до углекислого газа в реакции с кислородом, восстанавливает оксиды металлов.
CO + O → CO
FeO + CO → Fe + CO
FeO + CO → Fe + CO
Образование карбонилов - чрезвычайно токсичных веществ.
Fe + CO → (t) Fe(CO)
Оксид углерода IV - CO
Продукт полного окисления углерода. Относится к кислотным оксидам, соответствует угольной кислоте HCO. Бесцветный газ, без запаха.
Получение
В промышленности углекислый газ получают при разложении известняка, в ходе производства алкоголя, при спиртовом брожении глюкозы.
CaCO → (t) CaO + CO↑
CHO → CHOH + CO↑
В лабораторных условиях используют реакцию мела (мрамора) с соляной кислотой.
CaCO + HCl → CaCl + HO + CO↑
Углекислый газ образуется при горении органических веществ:
CH + O → CO + HO
Химические свойства
• Реакция с водой
В результате реакции с водой образуется нестойкая угольная кислота, которая сразу же распадается на воду и углекислый газ.
CO + HO ⇄ HCO
• Реакции с основными оксидами и основаниями
В ходе реакций с основаниями и основными оксидами углекислый газ образует соли угольной кислоты: средние - карбонаты (при избытке основания), кислые - гидрокарбонаты (при избытке кислотного оксида).
2KOH + CO → KCO + HO (соотношение основание - кислотный оксид 2:1)
KOH + CO → KHCO (соотношение основание - кислотный оксид 1:1)
NaO + CO → NaCO
• Окислительные свойства
При нагревании способен окислять металлы до их оксидов.
Zn + CO → (t) ZnO + CO
Угольная кислота
Слабая двухосновная кислота, существующая только в растворах, разлагается на воду и углекислый газ.
Химические свойства
• Качественная реакция
Определить наличие карбонат-иона можно с помощью кислоты: такая реакция сопровождается "закипанием" - появлением пузырьков бесцветного газа без запаха.
MgCO + HCl → MgCl + CO↑ + HO
Я не раз встречал описание реакций, связанных с этой кислотой, которое заслуживает нашего внимания. В задании было сказано, что при добавлении к раствору гидроксида кальция углекислого газа осадок появлялся, при дальнейшем пропускании углекислого газа - помутнение исчезало.
Это можно легко объяснить, вспомнив про способность угольной кислоты образовывать кислые соли, которые растворимы.
Ca(OH) + CO → CaCO (осадок выпадает)
CaCO + HO + CO → Ca(HCO) (осадок растворяется)
• Средние и кислые соли
Чтобы сделать из средней соли (карбоната) - кислую соль (гидрокарбонат) нужно добавить угольную кислоту. Однако написать ее формулу HCO - ошибка. Ее следует записать в виде воды и углекислого газа.
LiCO + CO + HO → LiHCO (средняя соль + кислота = кислая соль)
Чтобы вернуть среднюю соль, следует добавить к кислой соли щелочь.
LiHCO + LiOH → LiCO + HO
• Нагревание солей угольной кислоты
При нагревании карбонаты распадаются на соответствующий оксид металла и углекислый газ, гидрокарбонаты - на карбонат металла, углекислый газ и воду.
MgCO → (t) MgO + CO
KHCO → (t) KCO + CO↑ + HO
Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Беллевичу Юрию