"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Углерод образует два главных оксида — CO и CO₂, свойства которых резко различаются из-за разного содержания кислорода и степени окисления углерода. Угарный газ CO ядовит и восстанавливает металлы из их оксидов, а углекислый газ CO₂ — кислотный оксид, не поддерживающий горение. В воде CO₂ частично образует неустойчивую угольную кислоту, соли которой называют карбонатами и гидрокарбонатами. Эти вещества важны для дыхания растений, промышленности, быта и распознавания химических реакций.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид углерода(II), CO, — соединение углерода с кислородом, в котором углерод имеет степень окисления +2. Молекула состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода. Это бесцветный ядовитый газ без запаха, поэтому его особенно опасно обнаружить не сразу.
Оксид углерода(IV), CO₂, содержит один атом углерода и два атома кислорода; степень окисления углерода равна +4. Молекула линейная, а сам газ бесцветен, тяжелее воздуха и не поддерживает горение. CO₂ относят к кислотным оксидам, потому что он реагирует с водой, основаниями и основными оксидами.
Угольная кислота, H₂CO₃, образуется при взаимодействии углекислого газа с водой: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Кислота существует в растворе только частично и легко распадается обратно на CO₂ и H₂O. Это объясняет обратимость реакции и связь углекислого газа с его солями.
Карбонаты и гидрокарбонаты — соли угольной кислоты. Карбонаты содержат кислотный остаток CO₃²⁻, например CaCO₃, а гидрокарбонаты — HCO₃⁻, например Ca(HCO₃)₂. Различие в составе влияет на свойства солей и их превращения при нагревании или взаимодействии с кислотами.
У углерода в кислородных соединениях могут быть разные степени окисления, поэтому образуются CO и CO₂. В CO на один атом углерода приходится один атом кислорода, а степень окисления углерода равна +2. В CO₂ кислорода вдвое больше, и углерод достигает степени окисления +4.
При недостатке кислорода углерод окисляется не полностью, поэтому появляется CO: 2C + O₂ → 2CO. Если кислорода достаточно или он поступает в избытке, CO дополнительно окисляется до CO₂: 2CO + O₂ → 2CO₂. Так состав продуктов зависит не только от вещества, но и от условий горения.
В молекуле CO углерод ещё может повысить степень окисления с +2 до +4. Поэтому CO отдаёт кислород оксидам металлов и восстанавливает металл при нагревании: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. В этой реакции CO является восстановителем, а оксид железа — веществом, которое восстанавливается.
CO₂ проявляет свойства кислотного оксида, потому что при соединении с водой образует кислоту: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. С основаниями он даёт соль и воду, например CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O. С основными оксидами также образуется соль: CO₂ + CaO → CaCO₃.
Эти реакции образуют единую цепочку превращений: CO₂ ⇄ H₂CO₃ → карбонаты и гидрокарбонаты. При избытке CO₂ и воды карбонат кальция может переходить в растворимый гидрокарбонат: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂. При удалении CO₂ или нагревании равновесие смещается обратно, и карбонат может выпадать в осадок.
| Свойство | Оксид углерода(II) CO | Оксид углерода(IV) CO₂ | Угольная кислота H₂CO₃ |
|---|---|---|---|
| Степень окисления углерода | +2 | +4 | +4 |
| Физическое состояние и основные физические свойства | Бесцветный газ без запаха, мало растворим в воде | Бесцветный газ, тяжелее воздуха, растворим в воде | Существует в водном растворе, неустойчива |
| Получение | Неполное сгорание углерода или топлива | Полное сгорание углерода, разложение карбонатов | Растворение CO₂ в воде |
| Характер соединения | Несолеобразующий оксид, восстановитель | Кислотный оксид | Слабая двухосновная кислота |
| Основные химические свойства | Горит, восстанавливает оксиды металлов | Реагирует с водой, основаниями и основными оксидами | Распадается на CO₂ и H₂O, образует соли |
| Качественная реакция или признак | Горит голубым пламенем, но ядовит | Мутнит известковую воду | Обнаруживается по выделению CO₂ из раствора |
| Практическое значение и опасность | Металлургия; смертельно опасен при вдыхании | Огнетушители, газирование; опасен в больших концентрациях | Промежуточная форма при образовании карбонатов |
Таблица помогает сравнить вещества по одному и тому же набору признаков. Сначала обращайте внимание на степень окисления и получение, а затем связывайте их с химическими свойствами. Например, высокая степень окисления углерода в CO₂ объясняет его превращение в угольную кислоту и карбонаты.
Условие: составить уравнение полного сгорания CO в кислороде и определить продукт реакции. Полное сгорание означает, что углерод должен перейти в наиболее окисленную форму — CO₂. Нужно подобрать коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента совпало.
Ответ: образуется углекислый газ CO₂. Уравнение реакции: 2CO + O₂ → 2CO₂.
Условие: через известковую воду пропустили CO₂, требуется записать реакцию и объяснить помутнение. Известковая вода — раствор Ca(OH)₂, а кислотный оксид с основанием образует соль и воду. Нерастворимая соль появляется в виде белого осадка.
Ответ: раствор мутнеет из-за образования белого нерастворимого карбоната кальция. Эта реакция служит качественным признаком CO₂.
Условие: найти объём CO₂, полученного при реакции CaCO₃ с соляной кислотой, если известно количество вещества карбоната кальция n(CaCO₃). Искомый газ связан с исходным веществом уравнением реакции. При нормальных условиях молярный объём газа принимают равным 22,4 л/моль.
Ответ: объём углекислого газа равен V(CO₂) = 22,4 · n(CaCO₃) л при нормальных условиях. Если количество вещества дано в молях, подставьте его непосредственно в эту формулу.
Путают CO и CO₂. Ошибка возникает из-за похожих названий, хотя у веществ разный состав и разные степени окисления углерода. Проверьте индекс у кислорода и вычислите степень окисления: в CO она +2, а в CO₂ +4.
Называют CO₂ горючим газом. Углекислый газ не горит и обычно не поддерживает горение, поэтому его используют при тушении. Проверить себя можно по опыту: пламя в атмосфере CO₂ гаснет.
Считают угольную кислоту устойчивой. В растворе она образуется лишь частично и легко распадается на CO₂ и H₂O. Если в записи реакции между газом и водой забыта обратимость, вспомните неустойчивость H₂CO₃.
Неправильно записывают реакцию с известковой водой. Иногда забывают осадок CaCO₃ или принимают реакцию за горение. Проверка проста: CO₂ реагирует с Ca(OH)₂, а признаком служит помутнение из-за CaCO₃↓.
Для понимания темы нужны степени окисления, составление формул бинарных соединений и уравнивание реакций. Без этих навыков трудно различить CO и CO₂ и подобрать коэффициенты.
Свойства CO₂ опираются на знания о кислотных оксидах, основаниях, кислотах и солях. Поэтому реакции углекислого газа удобно объяснять уже знакомой схемой взаимодействия этих классов веществ.
Тема пригодится при изучении карбонатов, круговорота углерода и металлургии. Расчёты по реакциям CO₂ тренируют применение уравнений и молярного объёма газа.
Почему при горении углерода иногда образуется CO, а иногда CO₂?
При достаточном количестве кислорода углерод окисляется полностью, поэтому образуется CO₂. При недостатке кислорода происходит неполное сгорание и появляется CO.
Почему угарный газ особенно опасен для человека?
CO связывается с гемоглобином крови намного прочнее кислорода. Поэтому кровь хуже переносит кислород, что может привести к тяжёлому отравлению и удушью.
Почему углекислый газ тушит пламя?
CO₂ не горит и обычно не поддерживает горение. Он вытесняет воздух и уменьшает содержание кислорода около пламени, поэтому горение прекращается.
Как доказать присутствие углекислого газа?
Газ пропускают через известковую воду, то есть раствор гидроксида кальция. При наличии CO₂ образуется белый осадок карбоната кальция, и раствор мутнеет.
Чем карбонаты отличаются от гидрокарбонатов?
В карбонатах содержится кислотный остаток CO₃²⁻, а в гидрокарбонатах — HCO₃⁻. Поэтому в формулах гидрокарбонатов есть атомы водорода, например CaCO₃ и Ca(HCO₃)₂.
§ 21. Кислородные соединения углерода
