"Химия ", Габриелян О.С, Сивоглазов В.И. и др., Изд. "ДРОФА"
Углерод образует два основных оксида — CO и CO₂, свойства которых различаются из-за состава и степени окисления углерода. Угарный газ CO ядовит и способен восстанавливать некоторые металлы из оксидов, а CO₂ проявляет свойства кислотного оксида. При растворении углекислого газа в воде возникает неустойчивая угольная кислота, образующая карбонаты и гидрокарбонаты. Знание их реакций помогает распознавать соли и получать углекислый газ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид углерода(II) — соединение углерода с кислородом состава CO. Молекула состоит из одного атома каждого элемента, между ними действует прочная ковалентная связь. CO — бесцветный газ без запаха, очень ядовитый: он связывается с гемоглобином крови и мешает переносу кислорода. Поэтому этот газ называют угарным и не допускают его накопления в помещениях.
Оксид углерода(IV) — соединение состава CO₂, в молекуле которого атом углерода связан с двумя атомами кислорода. Это бесцветный газ без запаха, более плотный, чем воздух; он не поддерживает горение. CO₂ считают кислотным оксидом, потому что он образует угольную кислоту с водой и реагирует с основаниями. Это свойство помогает распознавать газ и объяснять образование солей.
Угольная кислота имеет формулу H₂CO₃ и существует в водном растворе в равновесии с CO₂ и водой. Она неустойчива и может разлагаться на эти вещества. Диссоциация — распад кислоты на ионы — идёт в две ступени: сначала возникают H⁺ и HCO₃⁻, затем H⁺ и CO₃²⁻. Так объясняется образование двух видов солей.
Карбонаты — соли угольной кислоты с ионом CO₃²⁻, например CaCO₃ и Na₂CO₃. Гидрокарбонаты содержат ион HCO₃⁻, например NaHCO₃ и Ca(HCO₃)₂. В составе гидрокарбоната сохраняется атом водорода, поэтому его формула отличается от формулы соответствующего карбоната. Это различие важно для записи формул и уравнений реакций.
Кислород способен связываться с углеродом в разных соотношениях, поэтому существуют CO и CO₂. В CO на один атом углерода приходится один атом кислорода, а в CO₂ — два; этим формулам соответствуют степени окисления углерода +2 и +4. Степень окисления показывает условный заряд атома в соединении и помогает объяснить, почему CO может окисляться дальше до CO₂. Различный состав приводит и к разным химическим свойствам оксидов.
Если кислорода недостаточно, углерод окисляется не полностью: 2C + O₂ → 2CO. Увеличение доступа кислорода позволяет реакции идти дальше, до CO₂: C + O₂ → CO₂. Угарный газ горит с образованием углекислого газа: 2CO + O₂ → 2CO₂. Кроме того, CO отнимает кислород у некоторых оксидов металлов, например CuO + CO → Cu + CO₂; поэтому его называют восстановителем.
При полном сгорании углерода или при окислении CO образуется CO₂: 2CO + O₂ → 2CO₂. Его кислотный характер объясняется тем, что при взаимодействии с водой возникает слабая угольная кислота, а с основаниями — соли. Например, CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O. Он реагирует и с основными оксидами, то есть оксидами металлов, например CO₂ + CaO → CaCO₃. Такие реакции показывают, почему CO₂ относят к кислотным оксидам.
При растворении CO₂ в воде устанавливается равновесие: CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃. Стрелка в обе стороны означает, что одновременно идут образование и распад кислоты; из-за этого H₂CO₃ неустойчива. Сначала кислота отдаёт ион водорода и образует HCO₃⁻, затем этот ион может отдать ещё один H⁺ и превратиться в CO₃²⁻. Поэтому при взаимодействии с основаниями могут образовываться гидрокарбонаты или карбонаты, в зависимости от условий и соотношения веществ.
Карбонаты легко узнать по реакции с кислотой: при взаимодействии выделяется CO₂. Например, CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O; пузырьки газа служат заметным признаком реакции. Некоторые карбонаты разлагаются при нагревании: CaCO₃ → CaO + CO₂↑. Разложение известняка используют для получения негашёной извести, а реакция с кислотой подходит для лабораторного получения углекислого газа.
| Вещество | Формула | Характеристика | Характерные реакции |
|---|---|---|---|
| Оксид углерода(II) | CO | Ядовитый несолеобразующий газ; восстановитель | 2CO + O₂ → 2CO₂; CuO + CO → Cu + CO₂ |
| Оксид углерода(IV) | CO₂ | Кислотный оксид, бесцветный газ | CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃; CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O |
| Угольная кислота | H₂CO₃ | Неустойчивая слабая кислота | H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻; HCO₃⁻ ⇌ H⁺ + CO₃²⁻ |
| Карбонаты и гидрокарбонаты | CO₃²⁻ и HCO₃⁻ | Соли угольной кислоты | CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O |
Сначала найдите в таблице формулу вещества, затем сравните его характеристику и типичную реакцию. Так можно отличить CO от CO₂ и определить, какое свойство проявится в конкретном уравнении. Стрелка вверх указывает на выделение газа, а стрелка вниз — на образование осадка.
Условие. Запишите уравнения полного и неполного сгорания углерода и укажите, какой оксид образуется в каждом случае. Сначала определите, достаточно ли кислорода для полного окисления. Затем подберите формулу продукта и проверьте баланс атомов.
При полном сгорании кислорода хватает, поэтому углерод образует CO₂. Записываем C + O₂ → CO₂. Слева и справа по одному атому C и по два атома O, коэффициенты равны единице.
При неполном сгорании кислорода не хватает, поэтому образуется CO. Запишем C + O₂ → CO и уравняем число атомов кислорода: поставим 2 перед CO. Тогда для равенства углерода поставим 2 перед C, получим 2C + O₂ → 2CO.
Ответ: полное сгорание: C + O₂ → CO₂, образуется оксид углерода(IV); неполное: 2C + O₂ → 2CO, образуется оксид углерода(II).
Условие. Через избыток известковой воды пропускают CO₂. Нужно записать реакцию и назвать наблюдаемый признак. Известковая вода — раствор гидроксида кальция Ca(OH)₂, то есть основания; кислотный оксид CO₂ взаимодействует с ним с образованием соли и воды.
Записываем формулы реагентов: CO₂ и Ca(OH)₂. Среди продуктов ожидаем CaCO₃ и H₂O, поскольку кислотный оксид с основанием образует соль и воду.
Записываем уравнение CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O. Проверяем состав: атомы Ca, C, O и H уравнены, дополнительные коэффициенты не нужны.
Ответ: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Появляется белый осадок карбоната кальция, поэтому известковая вода мутнеет.
Условие. 10 г CaCO₃ полностью прореагировали с избытком HCl. Найдите объём CO₂ при нормальных условиях. Избыток кислоты означает, что весь карбонат может вступить в реакцию; количество газа найдём по уравнению реакции.
Составляем уравнение: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O. По уравнению 1 моль CaCO₃ даёт 1 моль CO₂. Молярная масса CaCO₃ равна 40 + 12 + 3 × 16 = 100 г/моль.
Находим количество карбоната: n = m/M = 10/100 = 0,10 моль. По соотношению коэффициентов n(CO₂) = 0,10 моль. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль.
Вычисляем объём: V = n × Vₘ = 0,10 × 22,4 = 2,24 л. Ответ записываем в литрах, поскольку именно в этих единицах дан молярный объём.
Ответ: 2,24 л CO₂.
Ошибка — считать CO и CO₂ одним веществом. Их формулы и степени окисления углерода различаются, поэтому различаются и свойства: CO ядовит и может быть восстановителем, а CO₂ — кислотный оксид. Путаницу часто вызывает то, что оба вещества являются оксидами углерода. Проверьте число атомов кислорода в формуле и степень окисления C.
Неверно называть CO₂ ядовитым так же, как CO. Главная опасность угарного газа — связывание с гемоглобином, тогда как высокая концентрация CO₂ опасна прежде всего тем, что вытесняет кислород из воздуха. Ошибку допускают, смешивая свойства бесцветных газов. Чтобы проверить себя, спросите, какой именно газ нарушает перенос кислорода кровью.
Не следует изображать H₂CO₃ как устойчивое вещество, которое полностью сохраняется в растворе. Угольная кислота неустойчива и связана равновесием с CO₂ и H₂O, поэтому рядом с формулой уместна обратимая стрелка. Путаница возникает из-за привычки записывать кислоты одной формулой. Проверьте, не распадается ли рассматриваемая кислота на воду и газ.
Карбонат и гидрокарбонат — не одно и то же: первый содержит CO₃²⁻, второй — HCO₃⁻. В гидрокарбонате есть дополнительный атом водорода, поэтому может измениться и число катионов в формуле соли. Ошибку легче допустить, если смотреть только на название вещества. Проверьте наличие H перед группой CO₃ и заряд иона.
Для записи формул CO и CO₂ и уравнивания реакций нужны знания о степенях окисления, оксидах и типах химических реакций. Объяснить образование солей помогают свойства кислот, оснований и реакций обмена, а разложение карбонатов связывает тему с реакциями разложения. Реакции CO₂ и карбонатов пригодятся при изучении круговорота углерода, природных вод и качественных реакций. Например, помутнение известковой воды служит признаком углекислого газа.
Почему при горении углерода могут образоваться два разных оксида?
Результат зависит от количества кислорода. При его недостатке углерод окисляется не полностью и образуется CO, а при достаточном доступе кислорода — CO₂.
Чем опасен угарный газ и почему он ядовит?
CO связывается с гемоглобином крови, который переносит кислород, и мешает снабжению им органов. Поэтому даже небольшая концентрация газа опасна; он не имеет цвета и запаха.
Как доказать, что в сосуде находится углекислый газ?
Пропустите газ через известковую воду — раствор Ca(OH)₂. Если появился белый осадок и раствор помутнел, образовался CaCO₃, что указывает на CO₂.
Почему угольную кислоту считают неустойчивой?
В водном растворе она легко распадается обратно на воду и углекислый газ: H₂CO₃ ⇌ H₂O + CO₂. Поэтому её существование связано с равновесием, а не с образованием устойчивого вещества.
Как отличить карбонат от гидрокарбоната по формуле?
В карбонате есть ион CO₃²⁻, например в Na₂CO₃. В гидрокарбонате содержится ион HCO₃⁻ с атомом водорода, например в NaHCO₃.
§ 34. Кислородные соединения углерода
