§ 35. Угарный и углекислый газы

Определения и обозначения

Угарный газ, или оксид углерода(II), — бесцветный газ без запаха, очень токсичный для человека. Его формула — CO, а степень окисления углерода равна +2. Определение важно связывает состав газа с его опасностью и химической активностью.

Углекислый газ, или оксид углерода(IV), — бесцветный газ с формулой CO₂, который образуется при полном сгорании углерода и многих органических веществ. Углерод в нём имеет степень окисления +4. Это помогает отличать CO₂ от CO и понимать, почему углекислый газ уже почти полностью окислен.

Неполное сгорание — горение при недостатке кислорода. В таких условиях углерод топлива окисляется не до CO₂, а часто до CO. Термин нужен для объяснения появления угарного газа в неисправных печах, каминах и двигателях.

Парниковый эффект — повышение температуры атмосферы из-за поглощения углекислым газом и другими газами теплового излучения Земли. Сам естественный парниковый эффект необходим для жизни, но увеличение содержания CO₂ усиливает нагрев. Поэтому свойства этого газа важны не только для химии, но и для экологии.

Как это устроено

При достатке кислорода углерод топлива успевает окислиться полностью: C + O₂ → CO₂. При недостатке кислорода атомам углерода не хватает атомов кислорода, поэтому образуется CO: 2C + O₂ → 2CO. При смешанном доступе воздуха в пламени могут одновременно возникать оба оксида.

В молекуле CO атомы углерода и кислорода связаны очень прочной тройной связью, поэтому газ достаточно устойчив, но способен отдавать кислород более активным веществам. Молекула CO₂ линейна: атом углерода находится между двумя атомами кислорода. Углерод в CO₂ достиг высокой степени окисления +4, поэтому этот оксид обычно проявляет кислотные свойства, а не свойства восстановителя.

В лаборатории CO можно получить при неполном сгорании углерода или восстановлением оксида углерода(IV) раскалённым углеродом: CO₂ + C → 2CO. В промышленности угарный газ получают в составе генераторного газа при пропускании воздуха или водяного пара через раскалённый уголь. CO₂ получают сжиганием топлива, обжигом известняка CaCO₃ → CaO + CO₂ и действием кислот на карбонаты.

Угарный газ — восстановитель, потому что углерод в нём может повысить степень окисления с +2 до +4. Например, он отнимает кислород у оксида меди(II): CuO + CO → Cu + CO₂. Сам CO при этом окисляется и горит голубоватым пламенем: 2CO + O₂ → 2CO₂.

Опасность CO объясняется не цветом и не запахом, а его действием на кровь. Он прочно соединяется с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин, и блокирует перенос кислорода к тканям. CO₂ не поддерживает горение, растворяется в воде с образованием угольной кислоты и реагирует с основаниями, поэтому его свойства заметны в лабораторных опытах.

Сравнение угарного и углекислого газов

Таблица помогает сравнивать вещества по одному признаку: сначала определите формулу и степень окисления, затем сопоставьте получение и реакции. Для решения задач особенно полезны строки о плотности, уравнениях получения и качественных реакциях. Нельзя определять CO по цвету или запаху: для безопасности используют специальные газоанализаторы.

Разбор задач

Задача 1

Условие: запишите уравнения получения CO₂ из карбоната кальция и его взаимодействия с известковой водой. Сначала определяем тип каждой реакции: карбонат разлагается при нагревании, а затем углекислый газ реагирует с основанием.

1. При нагревании карбоната кальция образуются оксид кальция и углекислый газ: CaCO₃ → CaO + CO₂.
2. Известковая вода — раствор Ca(OH)₂. При пропускании CO₂ образуется нерастворимый карбонат кальция: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.

Ответ: CaCO₃ → CaO + CO₂; CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.

Задача 2

Условие: какую массу CaCO₃ нужно разложить соляной кислотой, чтобы получить 4,48 л CO₂ при н. у.? Используем молярный объём газа 22,4 л/моль и уравнение CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂.

1. Находим количество CO₂: n(CO₂) = 4,48 / 22,4 = 0,20 моль.
2. По уравнению 1 моль CaCO₃ даёт 1 моль CO₂, значит n(CaCO₃) = 0,20 моль.
3. Молярная масса CaCO₃ равна 100 г/моль. Тогда m = nM = 0,20 · 100 = 20 г.

Ответ: необходимо взять 20 г карбоната кальция, если кислота в избытке и вещество чистое.

Задача 3

Условие: смесь CO и CO₂ объёмом 11,2 л пропустили через избыток известковой воды и получили 20 г осадка. Осадок образует только CO₂, поэтому сначала рассчитываем его количество, а затем вычитаем его объём из общего.

1. n(CaCO₃) = 20 / 100 = 0,20 моль, следовательно, n(CO₂) = 0,20 моль.
2. Объём CO₂ при н. у.: V = 0,20 · 22,4 = 4,48 л.
3. Объём CO: 11,2 − 4,48 = 6,72 л.

Ответ: в смеси 4,48 л CO₂ и 6,72 л CO.

Типичные ошибки

Первая ошибка — путать CO и CO₂, добавляя или убирая индекс 2 случайно. Разная формула означает разную степень окисления углерода и разные свойства. Проверьте себя по названию: CO — оксид углерода(II), CO₂ — оксид углерода(IV).

Некоторые считают, что любое горение углерода даёт только CO₂. Это верно лишь при достаточном доступе кислорода, а при его нехватке образуется CO. В уравнении сначала оцените, хватает ли O₂ для полного окисления.

Ошибочно записывать реакцию CO₂ с известковой водой без осадка или забывать о его растворении в избытке газа. Сначала образуется CaCO₃↓, а затем при избытке CO₂ он превращается в растворимый гидрокарбонат. Проверяйте, какое вещество пропускают и в каком количестве.

Нельзя искать угарный газ по запаху или цвету. Он бесцветен и не имеет запаха, а его молекулы нарушают перенос кислорода кровью. При подозрении на CO нужно покинуть помещение и вызвать специалистов, а не пытаться распознать газ самостоятельно.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны формулы оксидов, степени окисления, типы реакций, правила горения и расчёты по уравнениям. Особенно важны молярный объём газа и соотношения коэффициентов.

Тема продолжает изучение углерода и карбонатов, кислотных оксидов и качественных реакций. Реакция CO₂ с известковой водой показывает связь между составом вещества и способом его обнаружения.

Знания пригодятся при изучении топлива, фотосинтеза, круговорота углерода и состава атмосферы. Они также объясняют правила безопасного использования печей, колонок и газовых приборов.

Что запомнить

• CO — угарный газ, оксид углерода(II); CO₂ — углекислый газ, оксид углерода(IV).
• При недостатке кислорода образуется CO, при достатке кислорода — CO₂.
• Угарный газ бесцветен, не имеет запаха, ядовит и горит с образованием CO₂.
• Углекислый газ не горит и не поддерживает горение.
• CO₂ мутнит известковую воду из-за образования карбоната кальция.
• CO₂ реагирует с водой, щелочами и основными оксидами.
• Углекислый газ необходим растениям для фотосинтеза, но его избыток усиливает парниковый эффект.