Оксиды углерода (II) и (IV)

Интегрированный урок по химии и биологии

Задачи: изучить и систематизировать знания об оксидах углерода (II) и (IV); раскрыть взаимосвязь живой и неживой природы; закрепить знания о влиянии оксидов углерода на организм человека; закрепить навыки умения работать с лабораторным оборудованием.

Оборудование: раствор НСl, лакмус, Ca(OH) 2 , CaCO 3 , стеклянная палочка, самодельные таблицы, переносная доска, шаростержневая модель.

ХОД УРОКА

Учитель биологии сообщает тему и задачи урока.

Учитель химии. Основываясь на учении о ковалентной связи, составьте электронную и структурную формулы оксидов углерода (II) и (IV).

Химическая формула оксида углерода (II) – СО, атом углерода находится в нормальном состоянии.

За счет спаривания неспаренных электронов образуются две ковалентные полярные связи, а третья ковалентная связь образуется по донорно-акцепторному механизму. Донором является атом кислорода, т.к. он предоставляет свободную пару электронов; акцептором – атом углерода, т.к. предоставляет свободную орбиталь.

В промышленности оксид углерода (II) получают, пропуская СО 2 над раскаленным углем при высокой температуре. Он образуется также в процессе сгорания угля при недостатке кислорода. (Ученик записывает уравнение реакции на доске )

В лаборатории СО получают действием концентрированной Н 2 SО 4 на муравьиную кислоту. (Уравнение реакции записывает учитель .)

Учитель биологии. Итак, вы познакомились с получением оксида углерода (II). А какими физическими свойствами обладает оксид углерода (II)?

Ученик. Это бесцветный газ, ядовитый, без запаха, легче воздуха, плохо растворяется в воде, температура кипения –191,5 °C, затвердевает при –205 °С.

Учитель химии. Угарный газ в количествах, опасных для жизни человека, содержится в выхлопных газах автомобилей. Поэтому гаражи должны хорошо проветриваться, особенно при запуске двигателя.

Учитель биологии. Какое влияние оказывает угарный газ на организм человека?

Ученик. Угарный газ крайне ядовит для человека – это объясняется тем, что он образует карбоксигемоглобин. Карбоксигемоглобин – очень прочное соединение. В результате его образования гемоглобин крови не взаимодействует с кислородом, и при сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания.

Учитель биологии. Какую первую помощь необходимо оказать человеку при отравлении угарным газом?

Ученики. Надо вызвать «скорую помощь», пострадавшего надо вынести на улицу, сделать искусственное дыхание, помещение хорошо проветрить.

Учитель химии. Напишите химическую формулу оксида углерода (IV) и, используя шаростержневую модель, постройте его структуру.

Атом углерода находится в возбужденном состоянии. Все четыре ковалентные полярные связи образовались за счет спаривания неспаренных электронов. Однако из-за линейного строения молекула его в целом неполярна.
В промышленности СО 2 получают при разложении карбоната кальция в производстве извести.
(Ученик записывает уравнение реакции .)

В лаборатории СО 2 получают при взаимодействии кислот с мелом или мрамором.
(Учащиеся выполняют лабораторный опыт. )

Учитель биологии. В результате каких процессов образуется углекислый газ в организме?

Ученик. Углекислый газ образуется в организме в результате реакций окисления органических веществ, входящих в состав клетки.

(Учащиеся выполняют лабораторный опыт. )

Известковый раствор стал мутным, т.к. образуется карбонат кальция. Кроме процесса дыхания, СО2 выделяется в результате брожения, гниения.

Учитель биологии. Влияет ли физическая нагрузка на процесс дыхания?

Ученик. При чрезмерной физической (мышечной) нагрузке мышцы используют кислород быстрее, чем кровь успевает его доставить, и тогда они синтезируют необходимую для их работы АТФ путем брожения. В мышцах образуется молочная кислота C 3 H 6 O 3 , которая поступает в кровь. Накопление большого количества молочной кислоты вредно для организма. После тяжелой физической нагрузки мы еще некоторое время тяжело дышим – выплачиваем «кислородную задолженность».

Учитель химии. Большое количество оксида углерода (IV) выделяется в атмосферу при сжигании органического топлива. Дома мы в качестве топлива используем природный газ, а он почти на 90% состоит из метана (СН 4). Я предлагаю одному из вас выйти к доске, составить уравнение реакции и разобрать его с точки зрения окисления-восстановления.

Учитель биологии. Почему нельзя использовать газовые печи для отопления помещения?

Ученик. Метан – составная часть природного газа. При его горении содержание углекислого газа в воздухе повышается, а кислорода – понижается. (Работа с таблицей «Содержание СО 2 в воздухе» .)
При содержании в воздухе 0,3% СО 2 у человека наблюдается учащенное дыхание; при 10% – потеря сознания, при 20% – мгновенный паралич и быстрая смерть. Особенно нуждается в чистом воздухе ребенок, потому что потребление кислорода тканями растущего организма больше, чем у взрослого. Следовательно, необходимо регулярно проветривать помещение. Если в крови есть избыток СО 2 , возбудимость дыхательного центра повышается и дыхание становится более частым и глубоким.

Учитель биологии. Рассмотрим роль оксида углерода (IV) в жизни растений.

Ученик. У растений образование органических веществ происходит из СО 2 и Н 2 O на свету, кроме органических веществ образуется кислород.

Фотосинтез регулирует содержание углекислого газа в атмосфере, что препятствует повышению температуры на планете. Ежегодно растения поглощают из атмосферы 300 млрд т углекислого газа. В процессе фотосинтеза в атмосферу ежегодно выделяется 200 млрд т кислорода. Из кислорода во время грозы образуется озон.

Учитель химии. Рассмотрим химические свойства оксида углерода (IV).

Учитель биологии. Какое значение имеет угольная кислота в организме человека в процессе дыхания? (Фрагмент диафильма .)
Содержащиеся в крови ферменты превращают углекислый газ в угольную кислоту, которая диссоциирует на ионы водорода и гидрокарбоната. Если в крови содержится избыток ионов Н + , т.е. если кислотность крови повышена, то часть ионов Н + соединяется с гидрокарбонат-ионами, образуя угольную кислоту и освобождая тем самым кровь от избытка Н + -ионов. Если же в крови слишком мало Н + -ионов, то угольная кислота диссоциирует и концентрация Н + -ионов в крови повышается. При температуре 37 °С рН крови равен 7,36.
В организме углекислый газ переносится кровью в виде химических соединений – гидрокарбонатов натрия и калия.

Закрепление материала

Тест

Из предложенных процессов газообмена в легких и тканях выполняющие первый вариант должны выбрать шифры правильных ответов слева, а второй – справа.

(1) Переход O 2 из легких в кровь. (13)
(2) Переход O 2 из крови в ткани. (14)
(3) Переход СO 2 из тканей в кровь. (15)
(4) Переход СO 2 из крови в легкие. (16)
(5) Поглощение O 2 эритроцитами. (17)
(6) Выделение O 2 из эритроцитов. (18)
(7) Превращение артериальной крови в венозную. (19)
(8) Превращение венозной крови в артериальную. (20)
(9) Разрыв химической связи O 2 с гемоглобином. (21)
(10) Химическое связывание O 2 с гемоглобином. (22)
(11) Капилляры в тканях. (23)
(12) Легочные капилляры. (24)

Вопросы первого варианта

1. Процессы газообмена в тканях.
2. Физические процессы при газообмене.

Вопросы второго варианта

1. Процессы газообмена в легких.
2. Химические процессы при газообмене

Задача

Определите объем оксида углерода (IV), который выделяется при разложении 50 г карбоната кальция.

Углерод

В свободном состоянии углерод образует 3 аллотропные модификации: алмаз, графит и искусственно получаемый карбин.

В кристалле алмаза каждый атом углерода связан прочными ковалентными связями с четырьмя другими, размещенными вокруг него на одинаковых расстояниях.

Все атомы углерода находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Атомная кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение.

Алмаз - бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Отличается самой большой твердостью среди всех известных веществ. Алмаз хрупкий, тугоплавкий, плохо проводит тепло и электрический ток. Небольшие расстояния между соседними атомами углерода (0,154 нм) обусловливают довольно большую плотность алмаза (3,5 г/см 3).

В кристаллической решетке графита каждый атом углерода находится в состоянии sp 2 -гибридизации и образует три прочные ковалентные связи с атомами углерода, расположенными в том же слое. В образовании этих связей участвуют по три электрона каждого атома, углерода, а четвертые валентные электроны образуют л-связи и являются относительно свободными (подвижными). Они обусловливают электро- и теплопроводность графита.

Длина ковалентной связи между соседними атомами углерода в одной плоскости равна 0,152 нм, а расстояние между атомами С в различных слоях больше в 2,5 раза, поэтому связи между ними слабые.

Графит - непрозрачное, мягкое, жирное на ощупь вещество серо-черного цвета с металлическим блеском; хорошо проводит тепло и электрический ток. Графит имеет меньшую плотность по сравнению с алмазом, легко расщепляется на тонкие чешуйки.

Разупорядоченная структура мелкокристаллического графита лежит в основе строения различных форм аморфного углерода, важнейшими из которых являются кокс, бурые и каменные угли, сажа, активированный (активный) уголь.

Эту аллотропную модификацию углерода получают каталитическим окислением (дегидрополиконденсацией) ацетилена. Карбин - цепочечный полимер, имеющий две формы:

С=С-С=С-... и...=С=С=С=

Карбин обладает полупроводниковыми свойствами.

При обычной температуре обе модификации углерода (алмаз и графит) химически инертны. Мелкокристаллические формы графита - кокс, сажа, активированный уголь - более реакционноспособны, но, как правило, после их предварительного нагревания до высокой температуры.

1. Взаимодействие с кислородом

С + O 2 = СO 2 + 393,5 кДж (в избытке O 2)

2С + O 2 = 2СО + 221 кДж (при недостатке O 2)

Сжигание угля - один из важнейших источников энергии.

2. Взаимодействие с фтором и серой.

С + 2F 2 = CF 4 тетрафторид углерода

С + 2S = CS 2 сероуглерод

3. Кокс - один из важнейших восстановителей, используемых в промышленности. В металлургии с его помощью получают металлы из оксидов, например:

ЗС + Fe 2 O 3 = 2Fe + ЗСО

С + ZnO = Zn + СО

4. При взаимодействии углерода с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов восстановленный металл, соединяясь с углеродом, образует карбид. Например: ЗС + СаО = СаС 2 + СО карбид кальция

5. Кокс применяется также для получения кремния:

2С + SiO 2 = Si + 2СО

6. При избытке кокса образуется карбид кремния (карборунд) SiC.

Получение «водяного газа» (газификация твердого топлива)

Пропусканием водяного пара через раскаленный уголь получают горючую смесь СО и Н 2 , называемую водяным газом:

С + Н 2 О = СО + Н 2

7. Реакции с окисляющими кислотами.

Активированный или древесный уголь при нагревании восстанавливает анионы NO 3 - и SO 4 2- из концентрированных кислот:

С + 4HNO 3 = СO 2 + 4NO 2 + 2Н 2 О

С + 2H 2 SO 4 = СO 2 + 2SO 2 + 2Н 2 О

8. Реакции с расплавленными нитратами щелочных металлов

В расплавах KNO 3 и NaNO 3 измельченный уголь интенсивно сгорает с образованием ослепительного пламени:

5С + 4KNO 3 = 2К 2 СO 3 + ЗСO 2 + 2N 2

1. Образование солеобразных карбидов с активными металлами.

Значительное ослабление неметаллических свойств у углерода выражается в том, что функции его как окислителя проявляются в гораздо меньшей степени, чем восстановительные функции.

2. Только в реакциях с активными металлами атомы углерода переходят в отрицательно заряженные ионы С -4 и (С=С) 2- , образуя солеобразные карбиды:

ЗС + 4Al = Аl 4 С 3 карбид алюминия

2С + Са = СаС 2 карбид кальция

3. Карбиды ионного типа - очень нестойкие соединения, они легко разлагаются под действием кислот и воды, что свидетельствует о неустойчивости отрицательно заряженных анионов углерода:

Аl 4 С 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4Аl(ОН) 3

СаС 2 + 2Н 2 О = С 2 Н 2 + Са(ОН) 2

4. Образование ковалентных соединений с металлами

В расплавах смесей углерода с переходными металлами образуются карбиды преимущественно с ковалентный типом связи. Молекулы их имеют переменный состав, а вещества в целом близки к сплавам. Такие карбиды отличаются высокой устойчивостью, они химически инертны по отношению к воде, кислотам, щелочам и многим другим реагентам.

5. Взаимодействие с водородом

При высоких Т и Р, в присутствии никелевого катализатора, углерод соединяется с водородом:

С + 2Н 2 → СН 4

Реакция очень обратима и не имеет практического значения.

Оксид углерода(II) – СО

(угарный газ , окись углерода , монооксид углерода )

Физические свойства: бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха, горит голубоватым пламенем, легче воздуха, плохо растворим в воде. Концентрация угарного газа в воздухе 12,5-74 % взрывоопасна.

Получение:

1) В промышленности

C + O 2 = CO 2 + 402 кДж

CO 2 + C = 2CO – 175 кДж

В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар:

С + Н 2 О = СО + Н 2 – Q,

смесь СО + Н 2 – называется синтез – газом .

2) В лаборатории - термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO 4 (конц.):

HCOOH t˚C, H2SO4 → H 2 O + CO­

H 2 C 2 O 4 t˚C,H2SO4 → CO­ + CO 2 ­ + H 2 O

Химические свойства:

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель;

CO - несолеобразующий оксид .

1) с кислородом

2C +2 O + O 2 t ˚ C → 2C +4 O 2

2) с оксидами металлов CO + Me x O y = CO 2 + Me

C +2 O + CuO t ˚ C → Сu + C +4 O 2

3) с хлором (на свету)

CO + Cl 2 свет → COCl 2 (фосген – ядовитый газ)

4)* реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH P → HCOONa (формиат натрия)

Влияние угарного газа на живые организмы:

Угарный газ опасен, потому что он лишает возможности кровь нести кислород к жизненно важным органам, таким как сердце и мозг. Угарный газ объединяется с гемоглобином, который переносит кислород к клеткам организма, в следствии чего тот становится непригодным для транспортировки кислорода. В зависимости от вдыхаемого количества, угарный газ ухудшает координацию, обостряет сердечно-сосудистые заболевания и вызывает усталость, головную боль, слабость, Влияние угарного газа на здоровье человека зависит от его концентрации и времени воздействия на организм. Концентрация угарного газа в воздухе более 0,1% приводит к смерти в течение одного часа, а концентрация более 1,2% в течении трех минут.

Применение оксида углерода:

Главным образом угарный газ применяют, как горючий газ в смеси с азотом, так называемый генераторный или воздушный газ, или же в смеси с водородом водяной газ. В металлургии для восстановления металлов из их руд. Для получения металлов высокой чистоты при разложении карбонилов.

Оксид углерода (IV) СO2 – углекислый газ

Физические свойства: 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.

Строение молекулы:

Углекислый газ имеет следующие электронную и структурную формулы -

3. Сгорание углеродсодержащих веществ:

СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2 ­

4. При медленном окислении в биохимических процессах (дыхание, гниение, брожение)

Химические свойства:

• Обозначение - C (Carbon);
• Период - II;
• Группа - 14 (IVa);
• Атомная масса - 12,011;
• Атомный номер - 6;
• Радиус атома = 77 пм;
• Ковалентный радиус = 77 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 2 ;
• t плавления = 3550°C;
• t кипения = 4827°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 2,55/2,50;
• Степень окисления: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Плотность (н. у.) = 2,25 г/см 3 (графит);
• Молярный объем = 5,3 см 3 /моль.

Соединения углерода:

Углерод в виде древесного угля известен человеку с незапамятных времен, поэтому, о дате его открытия говорить не имеет смысла. Собственно свое название "углерод" получил в 1787 году, когда была опубликована книга "Метод химической номенклатуры", в которой вместо французского названия «чистый уголь» (charbone pur) появился термин «углерод» (carbone).

Углерод обладает уникальной способностью образовывать полимерные цепочки неограниченной длины, порождая тем самым огромный класс соединений, изучением которых занимается отдельный раздел химии - органическая химия. Органические соединения углерода лежат в основе земной жизни, поэтому, о важности углерода, как химического элемента, говорить не имеет смысла - он основа жизни на Земле.

Сейчас рассмотрим углерод с точки зрения неорганической химии.

Рис. Строение атома углерода .

Электронная конфигурация углерода - 1s 2 2s 2 2p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у углерода находятся 4 электрона: 2 спаренных на s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома углерода в возбужденное состояние (требует энергетических затрат) один электрон с s-подуровня "покидает" свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома углерода приобретает следующий вид: 1s 2 2s 1 2p 3 .

Рис. Переход атома углерода в возбужденное состояние.

Такая "рокировка" существенно расширяет валентные возможности атомов углерода, которые могут принимать степень окисления от +4 (в соединениях с активными неметаллами) до -4 (в соединениях с металлами).

В невозбужденном состоянии атом углерода в соединениях имеет валентность 2, например, CO(II), а в возбужденном - 4: CO 2 (IV).

"Уникальность" атома углерода заключается в том, что на его внешнем энергетическом уровне находятся 4 электрона, поэтому, для завершения уровня (к чему, собственно, стремятся атомы любого химического элемента) он может с одинаковым "успехом", как отдавать, так и присоединять электроны с образованием ковалентных связей (см. Ковалентная связь).

Углерод, как простое вещество

Как простое вещество углерод может находиться в виде нескольких аллотропных модификаций:

• Алмаз
• Графит
• Фуллерен
• Карбин

Алмаз

Рис. Кристаллическая решетка алмаза.

Свойства алмаза :

• бесцветное кристаллическое вещество;
• самое твердое вещество в природе;
• обладает сильным преломляющим эффектом;
• плохо проводит тепло и электричество.

Рис. Тетраэдр алмаза.

Исключительная твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки, которая имеет форму тетраэдра - в центре тетраэдра находится атом углерода, который связан равноценно прочными связями с четырьмя соседними атомами, образующими вершины тетраэдра (см. рисунок выше). Такая "конструкция" в свою очередь связана с соседними тетраэдрами.

Графит

Рис. Кристаллическая решетка графита.

Свойства графита:

• мягкое кристаллическое вещество серого цвета слоистой структуры;
• обладает металлическим блеском;
• хорошо проводит электричество.

В графите атомы углерода образуют правильные шестиугольники, лежащие в одной плоскости, организованные в бесконечные слои.

В графите химические связи между соседними атомами углерода образованы за счет трех валентных электронов каждого атома (изображены синим цветом на рисунке ниже), при этом четвертый электрон (изображен красным цветом) каждого атома углерода, расположенный на p-орбитали, лежащей перпендикулярно плоскости слоя графита, не участвует в образовании ковалентных связей в плоскости слоя. Его "предназначение" заключается в другом - взаимодействуя со своим "собратом", лежащим в соседнем слое, он обеспечивает связь между слоями графита, а высокая подвижность p-электронов обусловливает хорошую электропроводность графита.

Рис. Распределение орбиталей атома углерода в графите.

Фуллерен

Рис. Кристаллическая решетка фуллерена.

Свойства фуллерена:

• молекула фуллерена представляет собой совокупность атомов углерода, замкнутых в полые сферы типа футбольного мяча;
• это мелкокристаллическое вещество желто-оранжевого цвета;
• температура плавления = 500-600°C;
• полупроводник;
• входит в состав минерала шунгита.

Карбин

Свойства карбина:

• инертное вещество черного цвета;
• состоит из полимерных линейных молекул, в которых атомы связаны чередующимися одинарными и тройными связями;
• полупроводник.

Химические свойства углерода

При нормальных условиях углерод является инертным веществом, но при нагревании может реагировать с разнообразными простыми и сложными веществами.

Выше уже было сказано, что на внешнем энергетическом уровне углерода находится 4 электрона (ни туда, ни сюда), поэтому углерод может, как отдавать электроны, так и принимать их, проявляя в одних соединениях восстановительные свойства, а в других - окислительные.

Углерод является восстановителем в реакциях с кислородом и другими элементами, имеющими более высокую электроотрицательность (см. таблицу электроотрицательности элементов):

• при нагревании на воздухе горит (при избытке кислорода с образованием углекислого газа; при его недостатке - оксида углерода(II)):
  C + O 2 = CO 2 ;
  2C + O 2 = 2CO.
• реагирует при высоких температурах с парами серы, легко взаимодействует с хлором, фтором:
  C + 2S = CS 2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F 2 + C = CF 4
• при нагревании восстанавливает из оксидов многие металлы и неметаллы:
  C 0 + Cu +2 O = Cu 0 + C +2 O;
  C 0 +C +4 O 2 = 2C +2 O
• при температуре 1000°C реагирует с водой (процесс газификации), с образованием водяного газа:
  C + H 2 O = CO + H 2 ;

Углерод проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и водородом:

• реагирует с металлами с образованием карбидов:
  Ca + 2C = CaC 2
• взаимодействуя с водородом, углерод образует метан:
  C + 2H 2 = CH 4

Углерод получают термическим разложением его соединений или пиролизом метана (при высокой температуре):
CH 4 = C + 2H 2 .

Применение углерода

Соединения углерода нашли самое широкое применение в народном хозяйстве, перечислить все их не представляется возможным, укажем только некоторые:

• графит применяется для изготовления грифелей карандашей, электродов, плавильных тиглей, как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, как смазочный материал;
• алмазы применяются в ювелирном деле, в качестве режущего инструмента, в буровом оборудовании, как абразивный материал;
• в качестве восстановителя углерод используют для получения некоторых металлов и неметаллов (железа, кремния);
• углерод составляет основную массу активированного угля, который нашел широчайшее применение, как в быту (например, в качестве адсорбента для очистки воздуха и растворов), так и в медицине (таблетки активированного угля) и в промышленности (в качестве носителя для каталитических добавок, катализатора полимеризации и проч.).

Оксид углерода (IV), угольная кислота и их соли

Комплексная цель модуля: знать способы получения оксида и гидроксида углерода (IV); описывать их физические свойства; знать характеристику кислотно-основных свойств; давать характеристику окислительно-восстановительных свойств.

Все элементы подгруппы углерода образуют оксиды с общей формулой ЭО 2 . СО 2 и SiО 2 проявляют кислотные свойства, GeО 2 , SnО 2 , PbО 2 проявляют амфотерные свойства с преобладанием кислотных, причем в подгруппе сверху вниз кислотные свойства ослабевают.

Степень окисления (+4) для углерода и кремния очень стабильна, поэтому окислительные свойства соединения проявляют с большим трудом. В подгруппе германия окислительные свойства соединений (+4) усиливаются, в связи с дестабилизацией высшей степени окисления.

Оксид углерода (IV), угольная кислота и их соли

Диоксид углерода СО 2 (углекислый газ) - при обычных условиях это газ без цвета и запаха, слегка кисловатого вкуса, тяжелее воздуха примерно в 1,5 раза, растворим в воде, достаточно легко сжижается - при комнатной температуре его модно превратить в жидкость под давлением около 60 10 5 Па. При охлаждении до?56,2єС жидкий диоксид углерода затвердевает и превращается в снегообразную массу.

Во всех агрегатных состояниях состоит из неполярных линейных молекул. Химическое строение СО 2 определяется sp-гибридизацией центрального атома углерода и образованием дополнительных р р-р -связей: О = С = О

Некоторая часть растворенного в воле СО 2 взаимодействует с ней сообразованием угольной кислоты

СО 2 + Н 2 О - СО 2 Н 2 О - Н 2 СО 3 .

Углекислый газ очень легко поглощается растворами щелочей с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:

СО 2 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O;

СО 2 + NaOH = NaHCO 3 .

Молекулы СО 2 очень устойчивы термически, распад начинается только при температуре 2000єС. Поэтому диоксид углерода не горит и не поддерживает горения обычного топлива. Но в его атмосфере горят некоторые простые вещества, атомы которых проявляют большое сродство к кислороду, например, магний при нагревании загорается в атмосфере СО 2 .

Угольная кислота и ее соли

Угольная кислота H 2 CO 3 - соединение непрочное, существует только в водных растворах. Большая часть растворенного в воде углекислого газа находится в виде гидратированных молекул CO 2 , меньшая - образует угольную кислоту.

Водные растворы, находящиеся в равновесии с CO 2 атмосферы, являются кислыми: = 0,04 М и рН? 4.

Угольная кислота - двухосновная, относится к слабым электролитам, диссоциирует ступенчато (К 1 = 4, 4 10 ?7 ; К 2 = 4, 8 10 ?11). При растворении CO 2 в воде устанавливается следующее динамическое равновесие:

H 2 O + CO 2 - CO 2 H 2 O - H 2 CO 3 - H + + HCO 3 ?

При нагревании водного раствора углекислого газа растворимость газа понижается, CO 2 выделяется из раствора, и равновесие смещается влево.

Соли угольной кислоты

Будучи двухосновной, угольная кислота образует два ряда солей: средние соли (карбонаты) и кислые (гидрокарбонаты). Большинство солей угольной кислоты бесцветны. Из карбонатов растворимы в воде лишь соли щелочных металлов и аммония.

В воде карбонаты подвергаются гидролизу, и поэтому их растворы имеют щелочную реакцию:

Na 2 CO 3 + H 2 O - NaHCO 3 + NaOH.

Дальнейший гидролиз с образованием угольной кислоты в обычных условиях практически не идет.

Растворение в воде гидрокарбонатов также сопровождается гидролизом, но в значительно меньшей степени, и среда создается слабощелочная (рН? 8).

Карбонат аммония (NH 4) 2 CO 3 отличается большой летучестью при повышенной и даже обычной температуре, особенно в присутствии паров воды, которые вызывают сильный гидролиз

Сильные кислоты и даже слабая уксусная кислота вытесняют из карбонатов угольную кислоту:

K 2 CO 3 + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + H 2 O + CO 2 ^.

В отличие от большинства карбонатов, все гидрокарбонаты в воде растворимы. Они менее устойчивы, чем карбонаты тех же металлов и при нагревании легко разлагаются, превращаясь в соответствующие карбонаты:

2KHCO 3 = K 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 ^;

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

Сильными кислотами гидрокарбонаты разлагаются, как и карбонаты:

KHCO 3 + H 2 SO 4 = KHSO 4 + H 2 O + CO 2

Из солей угольной кислоты наибольшее значение имеют: карбонат натрия (сода), карбонат калия (поташ), карбонат кальция (мел, мрамор, известняк), гидрокарбонат натрия (питьевая сода) и основной карбонат меди (CuOH) 2 CO 3 (малахит).

Основные соли угольной кислоты в воде практически нерастворимы и при нагревании легко разлагаются:

(CuOH) 2 CO 3 = 2CuO + CO 2 + H 2 O.

Вообще термическая устойчивость карбонатов зависит от поляризационных свойств ионов, входящих в состав карбоната. Чем больше поляризующее действие оказывает катион на карбонат-ион, тем ниже температура разложения соли. Если катион способен легко деформироваться, то карбонат-ион сам также будет оказывать поляризующее действие на катион, что приведет к резкому снижению температуры разложения соли.

Карбонаты натрия и калия плавятся без разложения, а большинство остальных карбонатов при нагревании разлагаются на оксид металла и углекислый газ.

Углерод (С) – типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6.

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.