§ 39. Углерод и его неорганические соединения

Определения и обозначения

Аллотропия углерода — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ с разным строением и свойствами. Алмаз и графит состоят только из атомов углерода, но их атомные структуры различны. Поэтому алмаз твёрдый и прозрачный, а графит мягкий и проводит электрический ток.

Угарный газ — оксид углерода(II) CO. Его молекула состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода; газ бесцветен, не имеет запаха и очень ядовит. Токсичность CO связана с тем, что он мешает крови переносить кислород.

Углекислый газ — оксид углерода(IV) CO₂. Это кислотный оксид: при растворении в воде он частично образует угольную кислоту, а с основаниями даёт соли. CO₂ не поддерживает горение и обнаруживается с помощью известковой воды.

Карбонаты — соли угольной кислоты H₂CO₃, например карбонат кальция CaCO₃ и карбонат натрия Na₂CO₃. Их состав связан с остатком CO₃²⁻, который можно рассматривать как часть угольной кислоты после отщепления атомов водорода. При действии кислот многие карбонаты выделяют CO₂.

Как это устроено

Атом углерода способен образовывать несколько прочных связей с соседними атомами. В алмазе каждый атом соединён с четырьмя другими, поэтому возникает жёсткая трёхмерная решётка и вещество становится очень твёрдым. В графите атом связан с тремя соседями в плоских слоях, а между слоями действуют слабые силы, поэтому они легко сдвигаются; свободные электроны объясняют электропроводность графита.

При горении углерод соединяется с кислородом и выступает восстановителем: он отдаёт электроны кислороду. Если кислорода достаточно, происходит полное окисление: C + O₂ → CO₂. При недостатке кислорода окисление неполное и образуется CO: 2C + O₂ → 2CO.

CO₂ называют кислотным оксидом, потому что он проявляет свойства ангидрида кислоты. В воде устанавливается равновесие CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃, причём устойчивой является лишь небольшая часть молекул угольной кислоты. С основаниями CO₂ образует карбонат при избытке щёлочи: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O, а при недостатке щёлочи или избытке газа — гидрокарбонат: CO₂ + NaOH → NaHCO₃.

CO и CO₂ различаются и составом, и свойствами. В CO один атом кислорода, газ токсичен и может быть восстановителем, а в CO₂ два атома кислорода, он не поддерживает горение и опасен главным образом при большой концентрации, когда вытесняет воздух. CO₂ пропускают через известковую воду: появляется белый CaCO₃, поэтому раствор мутнеет.

Карбонаты связывают CO₂ с другими соединениями углерода. При действии кислоты на карбонат сначала образуется угольная кислота, которая распадается на воду и углекислый газ: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. При нагревании некоторые карбонаты также разлагаются, например CaCO₃ → CaO + CO₂↑, поэтому углерод переходит из соли в газообразный оксид.

Сравнение простых веществ и оксидов углерода

В таблице сначала сравнивают простые вещества углерода, а затем его оксиды. Формула показывает состав, а сведения о строении помогают объяснить свойства. Реакция или качественный признак позволяет распознать вещество или подтвердить его химическое поведение.

Разбор задач

1. Составьте уравнение реакции полного сгорания углерода и укажите тип реакции.

Полное сгорание означает, что углерод окисляется до высшей степени окисления в соединении с кислородом. Поэтому продуктом будет CO₂, а не CO. Нужно проверить, совпадает ли число атомов каждого элемента в обеих частях уравнения.

1. Записываем схему: C + O₂ → CO₂.
2. Слева и справа один атом углерода и два атома кислорода, поэтому коэффициенты равны единице.
3. Это реакция соединения и одновременно окислительно-восстановительная реакция: углерод окисляется, а кислород восстанавливается.

Ответ: C + O₂ → CO₂; реакция соединения, горения и окислительно-восстановительная.

2. Определите объём CO₂, образующегося при сгорании 12 г углерода при нормальных условиях.

Сначала по массе углерода найдём количество вещества, затем используем соотношение из уравнения реакции. Молярная масса углерода равна 12 г/моль, а при нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль.

1. n(C) = m/M = 12 г : 12 г/моль = 1 моль.
2. По уравнению C + O₂ → CO₂ из 1 моль C получается 1 моль CO₂, значит n(CO₂) = 1 моль.
3. V(CO₂) = n · Vₘ = 1 · 22,4 = 22,4 л.

Ответ: образуется 22,4 л углекислого газа.

3. Через избыток раствора гидроксида кальция пропустили CO₂, полученный при сжигании 6 г углерода. Найдите массу осадка.

Избыток известковой воды означает, что весь образовавшийся CO₂ прореагирует по уравнению CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Количество вещества CO₂ сначала связываем с количеством сгоревшего углерода. Затем находим массу осадка по молярной массе CaCO₃ = 100 г/моль.

1. n(C) = 6 г : 12 г/моль = 0,5 моль.
2. Из уравнения горения 1 моль C даёт 1 моль CO₂, поэтому n(CO₂) = 0,5 моль.
3. По реакции с известковой водой n(CaCO₃) = 0,5 моль.
4. m(CaCO₃) = 0,5 · 100 = 50 г.

Ответ: масса образовавшегося осадка равна 50 г.

Типичные ошибки

Алмаз и графит иногда считают разными химическими элементами. Ошибка появляется из-за их резко различающихся свойств, но оба вещества состоят из атомов углерода. Проверка: одинаковый символ C означает один элемент, а различие строения — аллотропные формы.

Нельзя смешивать CO и CO₂ или утверждать, что углерод всегда образует только CO₂. При недостатке кислорода возникает CO, а при избытке — CO₂. Проверяйте число атомов кислорода и условия горения.

Угарный газ и углекислый газ нельзя одинаково называть ядовитыми. CO особенно токсичен и нарушает перенос кислорода кровью, тогда как CO₂ опасен прежде всего при высокой концентрации. Отличать газы нужно безопасной химической пробой с известковой водой, а не вдыханием.

Запись реакции CO₂ с водой как образования большого количества устойчивой H₂CO₃ тоже неверна. Угольная кислота существует в растворе лишь частично, поэтому корректно использовать равновесие CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Это объясняет, почему свойства раствора связаны и с CO₂, и с кислотой.

Связь с другими темами

Для понимания параграфа нужны знания о строении атома, химическом элементе и простом веществе. Также понадобятся правила составления формул оксидов и уравнивания химических реакций.

Тема подготавливает изучение окислительно-восстановительных реакций, кислотных оксидов, кислот и солей. Свойства CO и CO₂ помогают увидеть, как строение вещества связано с его химическим поведением.

Карбонаты и углекислый газ встречаются при изучении круговорота углерода, природных вод и природных процессов. Эти соединения участвуют в образовании горных пород, составе минералов и газообмене в природе.

Что запомнить

• Алмаз и графит — аллотропные модификации углерода.
• При горении углерода в избытке кислорода образуется CO₂, при недостатке — CO.
• Угарный газ CO токсичен и проявляет восстановительные свойства.
• Углекислый газ CO₂ — кислотный оксид.
• CO₂ мутнит известковую воду, образуя осадок CaCO₃.
• Карбонаты при взаимодействии с кислотами выделяют CO₂.