§ 30. Адсорбция. Химические свойства углерода

Определения и обозначения

Адсорбция — поглощение веществ поверхностью твёрдого тела. Вещество при этом удерживается у поверхности, а не распределяется по всему объёму поглотителя. Это отличие помогает понять, почему адсорбция особенно эффективна у мелких пористых частиц.

Адсорбент — вещество, на поверхности которого происходит адсорбция. Например, активированный уголь может быть адсорбентом при очистке жидкости. Название указывает на того, кто удерживает частицы, а не на то, что поглощается.

Адсорбат — вещество, которое удерживается на поверхности адсорбента. В окрашенном растворе адсорбатом может быть вещество, придающее раствору цвет. Различая эти два термина, легко определить роль каждого участника процесса.

Активированный уголь — пористый углеродный материал с большой поверхностью, благодаря которой он хорошо адсорбирует вещества. Его поры создают много участков для удерживания частиц. Поэтому небольшое количество угля может очищать заметный объём раствора или газа.

Как это устроено

Адсорбция происходит на поверхности, потому что именно там частицы твёрдого тела соприкасаются с окружающим газом или раствором. Частицы некоторых веществ притягиваются к поверхности и задерживаются на ней. В отличие от поглощения всем объёмом, им не требуется проникать внутрь всего тела адсорбента. Поэтому для процесса особенно важна площадь поверхности.

Пористые вещества способны удерживать много веществ, потому что их поверхность не ограничена внешней оболочкой. Внутренние стенки многочисленных пор тоже соприкасаются с частицами газа или жидкости. У активированного угля таких участков очень много, поэтому его суммарная поверхность велика. Чем больше доступная поверхность, тем больше частиц может на ней удержаться.

Адсорбцию используют для очистки растворов и газов: адсорбент удерживает часть нежелательных примесей на своей поверхности. В противогазах активированный уголь помогает задерживать некоторые вредные вещества из проходящего через него воздуха. В медицине его применяют как средство, которое может связывать определённые вещества в пищеварительном тракте. Эффективность зависит от вида примеси и условий применения.

Углерод горит в кислороде, но продукт зависит от того, сколько кислорода доступно. При избытке кислорода образуется оксид углерода(IV), или углекислый газ: C + O₂ → CO₂. Если кислорода недостаточно, возникает оксид углерода(II): 2C + O₂ → 2CO. В обоих случаях углерод соединяется с кислородом, то есть окисляется.

При нагревании углерод может взаимодействовать с оксидами металлов. Он связывает содержащийся в оксиде кислород, и металл освобождается: например, CuO + C → Cu + CO. Удаление кислорода из оксида означает восстановление металла. Поэтому в такой реакции углерод называют восстановителем: он помогает восстановиться другому веществу, сам превращаясь в оксид.

При высокой температуре углерод реагирует и с углекислым газом, и с водяным паром. В обоих случаях он отнимает кислород у исходного вещества, а сам превращается в оксид углерода(II): C + CO₂ → 2CO; C + H₂O → CO + H₂. Во второй реакции кроме CO образуется водород. Нагревание необходимо, чтобы реакция шла.

Химические свойства углерода

Сначала найдите в таблице реагент и условия: именно они подсказывают, какой продукт образуется. Затем проверьте уравнение по числу атомов каждого элемента слева и справа. Последний столбец показывает, окисляется углерод или выступает восстановителем.

Разбор задач

1. Очистка окрашенного раствора

Условие. Объясните, почему активированный уголь используют для очистки окрашенного раствора, и назовите участвующие в процессе вещества. Здесь нужно определить роли веществ и связать действие угля с его строением. Химическое уравнение для адсорбции составлять не требуется.

1. Активированный уголь — адсорбент, потому что именно его поверхность удерживает частицы.
2. Окрашивающее раствор вещество — адсорбат: оно задерживается на поверхности угля.
3. Пористость угля обеспечивает большую суммарную площадь поверхности и множество мест, где могут удерживаться частицы.
4. При отделении угля от раствора вместе с ним удаляется часть окрашивающего вещества, поэтому раствор становится менее окрашенным.

Ответ. Активированный уголь используют как пористый адсорбент с большой поверхностью. Адсорбатом служит вещество, придающее раствору окраску.

2. Горение 12 г углерода

Условие. Составьте уравнения горения 12 г углерода в избытке и в недостатке кислорода. Массу углерода можно использовать для расчёта количества вещества. Это позволяет определить, сколько кислорода потребуется и сколько продукта может образоваться.

1. Выбираем продукт по условию: при избытке кислорода получается CO₂, при недостатке — CO.
2. Записываем уравнения: C + O₂ → CO₂; 2C + O₂ → 2CO. Оба уравнения уже уравнены.
3. Находим количество углерода: n(C) = m/M = 12 г / 12 г/моль = 1 моль.
4. Для избытка кислорода соотношение C и CO₂ равно 1:1, значит, образуется 1 моль CO₂. Для недостатка кислорода соотношение C и CO равно 1:1, поэтому образуется 1 моль CO.

Ответ. Уравнения: C + O₂ → CO₂ и 2C + O₂ → 2CO. В каждом случае 12 г углерода соответствуют 1 моль; при полном превращении образуется 1 моль соответствующего оксида.

3. Восстановление меди из оксида

Условие. При нагревании 24 г углерода прореагировали с избытком оксида меди(II). Найдите массу меди по уравнению 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Избыток CuO означает, что углерод может полностью прореагировать. Массу продукта найдём через соотношение веществ в уравнении.

1. Вычисляем количество углерода: M(C) = 12 г/моль, поэтому n(C) = 24 г / 12 г/моль = 2 моль.
2. По уравнению 1 моль C образует 2 моль Cu. Значит, 2 моль C дадут 4 моль Cu.
3. Используем M(Cu) = 64 г/моль: m(Cu) = n × M = 4 моль × 64 г/моль = 256 г.
4. Проверяем логику: коэффициент перед медью вдвое больше коэффициента перед углеродом, поэтому количество меди вдвое больше количества углерода.

Ответ. Образуется 256 г меди.

Типичные ошибки

Смешивать адсорбцию с поглощением всем объёмом — значит забыть, где именно удерживается вещество. Эту ошибку допускают, потому что оба процесса называют поглощением. Проверьте себя вопросом: частицы остаются на поверхности или распределяются внутри всего поглотителя?

Называть активированный уголь адсорбатом неверно: он служит адсорбентом, а адсорбатом является удерживаемое им вещество. Путаница возникает из-за сходства терминов. Чтобы проверить ответ, определите, что поглощает, а что поглощается.

Считать, что при горении углерода всегда получается CO₂, нельзя: при недостатке кислорода образуется CO. Такая ошибка появляется, если не учитывать условия реакции. Сверьте условие с уравнением и проверьте, какой оксид указан в продуктах.

Записывать углерод только как горючее — значит упустить его способность восстанавливать металлы из оксидов. Это происходит, если обращать внимание лишь на горение. Проверьте себя: если углерод связывает кислород из оксида металла, он выступает восстановителем.

Связь с другими темами

Для работы с темой нужны понятия простого вещества, оксида и химической реакции, а также умение составлять и уравнивать реакции. Горение углерода связывает тему с кислородом и оксидами. Восстановительные свойства относятся к окислительно-восстановительным реакциям, где одни вещества отдают кислород другим.

Адсорбция пригодится при изучении способов разделения и очистки веществ: свойства поверхности помогают удалять примеси. Восстановительные свойства углерода связаны с получением металлов из руд, многие из которых содержат оксиды металлов. Так химические свойства углерода находят применение в металлургии.

Что запомнить

• Адсорбция происходит на поверхности твёрдого вещества.
• Активированный уголь — пористый адсорбент с большой поверхностью.
• Поглощаемое поверхностью вещество называют адсорбатом.
• При избытке кислорода углерод образует CO₂, при недостатке — CO.
• Углерод может быть восстановителем в реакциях с оксидами металлов.
• При нагревании углерод взаимодействует с CO₂ и водяным паром с образованием CO.