§ 35. Угарный и углекислый газы

Определения и обозначения

Угарный газ — это оксид углерода(II), его формула CO. В каждой молекуле один атом углерода связан с одним атомом кислорода, а число II в названии показывает степень окисления углерода. Формула помогает отличать CO от других соединений углерода и записывать реакции, в которых участвует этот газ.

Углекислый газ — оксид углерода(IV), формула CO₂. Его молекула содержит один атом углерода и два атома кислорода; индекс 2 относится только к кислороду. Углерод имеет степень окисления +4, поэтому обозначение (IV) входит в название вещества и помогает не спутать его с угарным газом.

Оксиды — это сложные вещества из двух химических элементов, один из которых кислород. CO и CO₂ — оксиды одного и того же элемента, но с разным соотношением атомов. Это определение нужно, чтобы понимать, почему похожие по составу газы обладают неодинаковыми свойствами.

Как это устроено

Угарный газ возникает, когда углеродсодержащее топливо горит при недостатке кислорода. Кислорода не хватает для образования CO₂, поэтому часть углерода соединяется только с одним атомом кислорода: 2C + O₂ → 2CO. При достаточном доступе кислорода углерод окисляется полнее: C + O₂ → CO₂. Поэтому неполное сгорание возможно в плохо проветриваемых местах, например при неисправной печи.

CO опасен не только как продукт горения, но и своим действием на организм. Он связывается с гемоглобином — белком крови, который переносит кислород, — и мешает ему выполнять эту работу. В результате ткани получают меньше кислорода, хотя человек может не заметить газ: CO бесцветен и не имеет запаха. Поэтому при подозрении на утечку нельзя искать источник по запаху; нужно выйти на свежий воздух и вызвать помощь.

Углекислый газ получается при полном сгорании углерода и топлива, а также при дыхании организмов. Его молекула содержит больше кислорода, чем молекула CO, и углерод в ней окислен сильнее. В природе CO₂ поглощается растениями при фотосинтезе, а в промышленности его применяют, например, для получения газированных напитков и в огнетушителях. Сам по себе газ не поддерживает горение, поэтому его используют для вытеснения кислорода из зоны пламени.

CO₂ относится к кислотным оксидам, потому что при взаимодействии с водой образует угольную кислоту: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. С основаниями он тоже реагирует, образуя соль и воду; например, с гидроксидом кальция получается нерастворимый карбонат кальция. Это объясняет, почему известковая вода мутнеет при пропускании углекислого газа. Угарный газ ведёт себя иначе: он может отнимать кислород у некоторых оксидов металлов, то есть выступать восстановителем.

Различие в составе отражается и на химических превращениях. При горении CO в кислороде образуется CO₂: 2CO + O₂ → 2CO₂. Напротив, при некоторых условиях CO₂ может участвовать в реакциях восстановления, но его обычное распознавание в школьном опыте основано на реакции с известковой водой. Сравнение реакций помогает определить, какой именно газ образовался.

Сравнение угарного и углекислого газов

Пользуйся таблицей, чтобы сначала проверить формулу, а затем сопоставить её с условиями образования и химическими свойствами. Особенно важно не определять газ только по внешнему виду: оба вещества бесцветны. Для распознавания CO₂ применяют качественную реакцию с известковой водой, а CO определяют по подходящим химическим методам и приборам.

Разбор задач

Задача. При сгорании углерода получили 11,2 л угарного газа при нормальных условиях. Какой объём кислорода израсходовался? Считаем, что объёмы газов измерены при одинаковых условиях. Нужно выбрать уравнение именно неполного сгорания, поскольку продуктом указан CO, а не CO₂.

1. Запишем реакцию образования угарного газа: 2C + O₂ → 2CO. Коэффициенты показывают, что на одну молекулу, или один моль, кислорода образуются две молекулы, или два моля, CO.

2. При одинаковых температуре и давлении объёмы газов относятся так же, как количества вещества. Значит, объёмное отношение O₂ к CO равно 1 : 2. Это позволяет найти объём кислорода без перевода литров в моли.

3. Обозначим объём израсходованного кислорода через V(O₂). По уравнению реакции V(O₂) : 11,2 = 1 : 2, поэтому V(O₂) = 11,2 ÷ 2 = 5,6 л. Проверка: кислорода должно быть вдвое меньше, чем образовавшегося CO.

Ответ: израсходовалось 5,6 л кислорода. Если бы в условии речь шла о полном сгорании углерода, следовало бы записать C + O₂ → CO₂, и соотношение объёмов кислорода и углекислого газа было бы 1 : 1. Поэтому перед вычислениями нужно внимательно прочитать название продукта и уравнять реакцию.

Типичные ошибки

• Смешивать формулы CO и CO₂. Ошибка возникает потому, что оба газа состоят из углерода и кислорода. Сверь индекс: в CO атом кислорода один, а в CO₂ — два; затем проверь название оксида.

• Считать, что угарный газ образуется при полном сгорании. Так думают, запоминая только, что горит углерод. Проверь количество кислорода в условии и продукт реакции: при его недостатке возможно образование CO, при достаточном доступе кислорода образуется CO₂.

• Пытаться распознать CO по запаху или цвету. Оба газа бесцветны, а угарный газ не имеет запаха, поэтому органы чувств не дают надёжной проверки. Используй изученную химическую реакцию для CO₂ или предназначенный для обнаружения CO прибор.

• Называть CO₂ ядовитым так же, как CO. Их действие на организм различается, хотя избыток углекислого газа тоже опасен. Сверь ответ с причинами опасности: CO нарушает перенос кислорода гемоглобином, а высокая концентрация CO₂ вытесняет кислород из воздуха.

Связь с другими темами

Свойства CO и CO₂ опираются на темы «оксиды», «степени окисления» и «химические уравнения»: по формуле вещества устанавливают его состав, а по коэффициентам — соотношение реагентов и продуктов. Реакция CO₂ с известковой водой связана с кислотными оксидами и солями. Образование двух газов при разном доступе кислорода показывает роль условий реакции и связывает тему с горением и окислительно-восстановительными процессами.

Что запомнить

• CO — угарный газ, оксид углерода(II); CO₂ — углекислый газ, оксид углерода(IV).
• При недостатке кислорода углерод может образовать CO, при полном сгорании — CO₂.
• Угарный газ ядовит и мешает гемоглобину переносить кислород; он не имеет цвета и запаха.
• CO₂ — кислотный оксид: с водой образует угольную кислоту, а с известковой водой даёт осадок CaCO₃.
• Уравнения образования: 2C + O₂ → 2CO; C + O₂ → CO₂. Горение CO: 2CO + O₂ → 2CO₂.