"Химия", Габриелян О.С.
Углерод образует два разных оксида: ядовитый угарный газ CO и углекислый газ CO₂. Их состав отличается числом атомов кислорода, поэтому различны и свойства веществ: CO может быть горючим и проявляет восстановительные свойства, а CO₂ — кислотный оксид, не поддерживающий горение. При растворении CO₂ в воде возникает неустойчивая угольная кислота, соли которой называются карбонатами и гидрокарбонатами. Эти вещества важны в природе, промышленности и быту.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид углерода(II), или угарный газ, CO, состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода. Римская цифра II показывает степень окисления углерода в соединении. Это не углекислый газ: у него другой состав и другие свойства.
Оксид углерода(IV), или углекислый газ, CO₂, содержит один атом углерода и два атома кислорода. Индекс 2 относится только к кислороду, поэтому соотношение атомов C и O равно 1:2. По формуле можно отличить это вещество от CO и правильно записать его реакции.
Угольная кислота, H₂CO₃, образуется, когда углекислый газ растворяется в воде: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Она неустойчива и легко разлагается обратно на воду и CO₂. Это объясняет, почему углекислый газ может выходить из раствора.
Карбонаты и гидрокарбонаты — соли угольной кислоты. В карбонатах есть анион CO₃²⁻, а в гидрокарбонатах — HCO₃⁻, в котором сохраняется атом водорода. Различие анионов помогает распознавать тип соли и составлять формулы, например CaCO₃ и Ca(HCO₃)₂.
Углерод соединяется с кислородом в разных соотношениях, образуя CO и CO₂. В CO на один атом углерода приходится один атом кислорода, а в CO₂ — два; это меняет степень окисления углерода и поведение вещества в реакциях. CO горит и может отнимать кислород у некоторых оксидов металлов, а CO₂ уже содержит больше кислорода и обычно выступает кислотным оксидом.
При достатке кислорода углерод сгорает полностью: C + O₂ → CO₂. Уравнение уже уравнено: по одному атому углерода и по два атома кислорода с обеих сторон. Углекислый газ можно получить и из карбоната, добавив кислоту: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O; газ выделяется, потому что угольная кислота, возникающая в растворе, распадается на воду и CO₂.
Углекислый газ — бесцветный газ без запаха, плотнее воздуха и растворяется в воде. Он не горит, а большинство горящих веществ в нём гаснет, поскольку газ не обеспечивает горение так, как кислород. Поэтому CO₂ используют в огнетушителях: он вытесняет воздух от пламени и уменьшает доступ кислорода; однако некоторые вещества способны гореть и в CO₂.
CO₂ — кислотный оксид, поэтому при растворении в воде он образует угольную кислоту: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. С основным оксидом кальция получается соль: CaO + CO₂ → CaCO₃. С основанием гидроксидом натрия реакция зависит от соотношения веществ; при избытке основания образуются соль и вода: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.
Угарный газ опасен: он ядовит, не имеет заметного запаха и образуется, когда топлива сгорает недостаточно полно из-за нехватки кислорода. В отличие от CO₂, CO может гореть: 2CO + O₂ → 2CO₂. Он также восстанавливает некоторые оксиды металлов, забирая у них кислород, например CuO + CO → Cu + CO₂; это свойство используют в металлургии.
| Признак | Оксид углерода(II), CO | Оксид углерода(IV), CO₂ | Угольная кислота и её соли |
|---|---|---|---|
| Формула и название | CO, угарный газ | CO₂, углекислый газ | H₂CO₃; соли содержат CO₃²⁻ или HCO₃⁻ |
| Степень окисления углерода | +2 | +4 | В H₂CO₃ и солях углерод имеет +4 |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха | Бесцветный газ без запаха, тяжелее воздуха, растворим в воде | H₂CO₃ существует в водном растворе; свойства солей различны |
| Характер химических свойств | Горит, проявляет восстановительные свойства | Кислотный оксид | Кислота неустойчива; соли вступают в реакции с кислотами |
| Получение | Неполное сгорание топлива | Полное сгорание углерода; действие кислот на карбонаты | Растворение CO₂ в воде |
| Характерные реакции | 2CO + O₂ → 2CO₂; CuO + CO → Cu + CO₂ | CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃; CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O | CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O |
| Практическое значение и опасность | Ядовит; применяется как восстановитель | Тушение пожаров; образуется при дыхании и горении | Карбонаты распространены в природе и используются в быту и промышленности |
Сначала сравните формулы и степени окисления: это помогает не смешивать два оксида. Затем по строкам свойств и получения проверьте, какое вещество участвует в реакции. Последние строки показывают, почему соединения углерода важны в практике и какие меры предосторожности нужны.
Задача 1. Составить уравнение горения углерода с образованием углекислого газа и определить тип реакции. Сначала запишем формулы: углерод — C, кислород — O₂, продукт — CO₂. Проверим число атомов по обе стороны и определим тип процесса по числу и составу веществ.
Ответ: C + O₂ → CO₂; реакция соединения и горения.
Задача 2. Как получить CO₂ из карбоната кальция и соляной кислоты? Составим уравнение и назовём признак реакции. Карбонаты при взаимодействии с кислотами образуют соль, воду и углекислый газ; соль здесь — хлорид кальция CaCl₂.
Ответ: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O; признак реакции — выделение пузырьков газа.
Задача 3. Через известковую воду пропускали CO₂: сначала раствор помутнел, а затем стал прозрачным. Объясним оба наблюдения: вначале выпадает малорастворимый карбонат кальция, а при избытке газа он превращается в растворимый гидрокарбонат.
Ответ: сначала образуется CaCO₃, затем в избытке CO₂ — растворимый Ca(HCO₃)₂; поэтому раствор мутнеет, а потом становится прозрачным.
Считать CO и CO₂ одним веществом — ошибка: различное число атомов кислорода означает разные формулы и разные свойства. Путаница возникает из-за похожих названий оксидов. Проверьте индекс у кислорода и степень окисления: у CO углерод +2, у CO₂ +4.
Называть CO₂ горючим газом неверно: он сам не горит и обычно не поддерживает горение. Ошибка может появиться из-за наблюдения, что некоторые вещества всё же горят в его атмосфере. Проверяйте формулировку: правильнее сказать, что углекислый газ применяют для тушения большинства пожаров, но исключения существуют.
CO₂ — кислотный оксид, а H₂CO₃ — кислота, поэтому смешивать их нельзя. В воде CO₂ образует неустойчивую угольную кислоту, но формулы веществ остаются разными. Проверьте запись: в уравнении растворения слева стоят CO₂ и H₂O, а справа — H₂CO₃ со знаком обратимости.
В реакции CO₂ с известковой водой нельзя забывать коэффициенты или превращение осадка при избытке газа. Первое уравнение должно сохранять число атомов: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O. При дальнейшей подаче CO₂ записывают вторую реакцию — CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂; проверьте, что формула продукта и все атомы уравнены.
Для изучения кислородных соединений углерода нужны знания об оксидах, степенях окисления и уравнивании реакций. Эти навыки позволяют отличить CO от CO₂ и предсказать, как оксид будет взаимодействовать с водой, кислотой или основанием. Они пригодятся и при изучении кислот, оснований и солей.
Углекислый газ связан с круговоротом углерода: он образуется при дыхании и горении и поглощается растениями при фотосинтезе. Неполное сгорание топлива может приводить к образованию ядовитого CO, поэтому химические знания важны и для безопасности. Карбонаты и гидрокарбонаты встречаются в природных породах и водах.
Чем угарный газ отличается от углекислого газа?
В молекуле CO один атом кислорода, а в CO₂ — два. CO ядовит и может гореть, тогда как CO₂ обычно не поддерживает горение и применяется, например, в огнетушителях.
Почему углекислый газ используют при тушении пожаров?
CO₂ не горит и вытесняет воздух от очага возгорания, уменьшая доступ кислорода. Он тяжелее воздуха, поэтому способен накрывать горящий предмет плотным слоем газа.
Как обнаружить углекислый газ с помощью известковой воды?
Пропустите газ через раствор гидроксида кальция — известковую воду. Она помутнеет из-за образования нерастворимого карбоната кальция CaCO₃.
Почему известковая вода сначала мутнеет, а затем может стать прозрачной?
Сначала CO₂ образует белый осадок CaCO₃. Если продолжать пропускать избыток газа, осадок превращается в растворимый гидрокарбонат кальция, поэтому раствор снова становится прозрачным.
Как образуется угарный газ при горении топлива?
CO возникает при неполном сгорании топлива, когда кислорода недостаточно для образования CO₂. Это происходит, например, при плохом доступе воздуха к горящему топливу; образующийся газ опасен, потому что он ядовит и не имеет запаха.
§ 34. Кислородные соединения углерода
