Как получить угарный газ


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



Информация получена с сайтов:
, ,