Практическая работа № 3. Получение оксида углерода (IV) и изучение его свойств. Распознавание карбонатов

Определения и обозначения

Оксид углерода(IV) — соединение углерода с кислородом, формула которого CO₂. Индекс 2 показывает, что на один атом углерода приходятся два атома кислорода. Это бесцветный газ, который плотнее воздуха, растворяется в воде и не поддерживает горение. Эти свойства позволяют выбрать способ его сбора и проверить, что газ получен правильно.

Карбонаты — соли угольной кислоты, содержащие карбонат-ион CO₃²⁻. К этой группе относятся, например, карбонат кальция CaCO₃ и карбонат натрия Na₂CO₃. Карбонаты распознают по взаимодействию с кислотами: при реакции обычно выделяется углекислый газ. Поэтому вещество можно проверить, добавив к нему кислоту.

Известковая вода — прозрачный водный раствор гидроксида кальция Ca(OH)₂. Если через него пропускать CO₂, раствор мутнеет из-за появления твёрдых частиц. Это удобный реактив для проверки углекислого газа: изменение внешнего вида раствора заметно без специальных приборов. Известковую воду не следует путать с известковым молоком — взвесью твёрдого гидроксида кальция в воде.

Качественная реакция на карбонат-ион — реакция, по заметному признаку которой обнаруживают карбонат-ион. При добавлении кислоты карбонат выделяет CO₂, а этот газ мутит известковую воду. Сначала наблюдают выделение пузырьков, затем проверяют газ известковой водой. Такая последовательность помогает подтвердить состав вещества, а не ограничиваться одним признаком.

Как это устроено

Для получения CO₂ к карбонату добавляют разбавленную кислоту. Например, мел и мрамор состоят главным образом из карбоната кальция, который реагирует с соляной кислотой: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O. Пузырьки указывают на выделение газа, а постепенное расходование твёрдого вещества — на протекание реакции. Уравнение показывает, что вместе с газом образуются соль и вода.

Полученный газ собирают вытеснением воздуха, направляя его в сосуд. CO₂ плотнее воздуха, поэтому он может накапливаться в сосуде, вытесняя воздух наружу. Собирать его над водой неудобно: часть газа растворяется, и собранного объёма становится меньше. Значит, способ сбора выбирают с учётом сразу двух свойств — плотности и растворимости.

Отношение газа к горению проверяют осторожно, поднося к сосуду горящую лучинку. В углекислом газе пламя гаснет, потому что CO₂ не поддерживает горение. Из этого не следует, что углекислый газ содержит кислород в доступной для горения форме: состав сложного вещества не равен свойствам входящих в него простых веществ. Поэтому тушение пламени — ожидаемый признак, а не свидетельство ошибки опыта.

Для дополнительной проверки CO₂ пропускают через известковую воду. Она мутнеет, потому что CO₂ реагирует с гидроксидом кальция с образованием твёрдого карбоната кальция: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Обозначение стрелкой вниз показывает, что возникает осадок, то есть нерастворимое вещество. Помутнение объясняется именно появлением частиц CaCO₃, а не просто смешиванием двух растворов.

Чтобы распознать карбонат, к небольшому количеству исследуемого вещества добавляют разбавленную кислоту. Выделение газа — основание проверить, не является ли он CO₂: газ проводят через известковую воду и наблюдают за ней. Например, для карбоната натрия реакция с соляной кислотой записывается так: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂O. Если известковая вода мутнеет, выделение CO₂ подтверждено, а значит, исходная проба содержала карбонат.

Получение CO₂ и проверка его свойств

В таблице сопоставлены действие, наблюдение и вывод: сначала фиксируйте только то, что видите, а затем объясняйте результат свойством газа или реакцией. При распознавании неизвестного вещества особенно полезно разделять два этапа — выделение газа и подтверждение, что это именно CO₂. Не проводите опыты с огнём без разрешения и наблюдения учителя.

Разбор задач

Задача 1

При добавлении кислоты к кусочку мела выделяются пузырьки газа. Определите газ и запишите уравнение реакции.

1. Мел в основном состоит из карбоната кальция CaCO₃. Карбонаты при взаимодействии с кислотами выделяют углекислый газ, поэтому наиболее вероятный газ — CO₂. Одних пузырьков недостаточно для окончательного подтверждения, но они согласуются с ожидаемой реакцией.
2. Запишем взаимодействие карбоната кальция с соляной кислотой. Проверим состав: кальций образует CaCl₂, а CO₂ и H₂O также входят в продукты. Чтобы уравнять хлор и водород, перед HCl ставим коэффициент 2.

Ответ: выделяется CO₂; CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.

Задача 2

Через известковую воду пропустили полученный газ. Она помутнела. Объясните наблюдение и запишите уравнение.

1. Вспомним состав известковой воды: это раствор Ca(OH)₂. Его помутнение означает, что в растворе возникло малорастворимое или нерастворимое твёрдое вещество. Проверим, может ли им быть карбонат кальция.
2. CO₂ реагирует с гидроксидом кальция с образованием CaCO₃ и воды. В уравнении оно обозначается стрелкой вниз, потому что осадок не растворяется и рассеивает свет. Поэтому исчезновение прозрачности связано с образованием частиц осадка.

Ответ: известковая вода помутнела из-за осадка CaCO₃; CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.

Задача 3

В трёх пробирках находятся карбонат натрия, хлорид натрия и вода. Предложите порядок действий, чтобы определить пробирку с карбонатом.

1. Возьмём небольшие порции веществ в чистые подписанные пробирки и добавим по каплям одинаковое количество разбавленной кислоты. Карбонат натрия прореагирует с кислотой с выделением газа, тогда как хлорид натрия и вода такого признака не дадут. Поэтому пробирку с пузырьками отметим как возможную пробу карбоната.
2. Чтобы проверить природу газа, направим его в известковую воду. Если она мутнеет, образовался CO₂, что подтверждает наличие карбоната. Если проверка не дала помутнения, делать вывод о карбонате только по пузырькам нельзя.

Ответ: добавить кислоту к пробам и проверить выделившийся газ известковой водой. Пробирка, в которой выделяется CO₂ и мутнеет известковая вода, содержит Na₂CO₃.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что CO₂ поддерживает горение из-за кислорода в формуле. Так рассуждают, перенося свойства простого кислорода на сложное вещество. Но свойства соединения зависят от его строения, и углекислый газ не поддерживает горение. Проверьте себя: в опыте пламя в сосуде с CO₂ гаснет.

Ошибка: собирать CO₂ над водой, не учитывая растворимость. Такой способ кажется привычным для газов, но часть углекислого газа растворится и не попадёт в сосуд. Это может привести к меньшему выходу газа и неточному наблюдению. Проверьте себя: учитывайте растворимость вещества и собирайте CO₂ вытеснением воздуха.

Ошибка: считать любые пузырьки доказательством карбоната. Газ может выделяться и в других реакциях, поэтому одно наблюдение не определяет его состав. Проверяйте газ известковой водой: помутнение подтверждает CO₂. Если подтверждающей реакции нет, вывод о карбонате делать нельзя.

Ошибка: записать только, что известковая вода помутнела. Без объяснения остаётся неясным, какое вещество вызвало изменение и почему оно заметно. Причина — образование нерастворимого CaCO₃ при реакции CO₂ с Ca(OH)₂. Проверьте себя: укажите осадок и запишите уравнение CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.

Связь с другими темами

Для этой работы нужно уметь различать кислоты, основания и соли, знать их формулы и составлять уравнения реакций обмена. Понятие признака химической реакции помогает отделить наблюдение от вывода: пузырьки указывают на выделение газа, а помутнение — на образование осадка. Полученные знания пригодятся при изучении круговорота углерода и качественного анализа веществ. В качественном анализе состав неизвестной пробы устанавливают по характерным реакциям.

Что запомнить

• CO₂ можно получить действием кислоты на карбонат.
• Уравнение получения газа из карбоната кальция: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.
• Углекислый газ плотнее воздуха и растворяется в воде.
• CO₂ не поддерживает горение.
• Известковая вода мутнеет при взаимодействии с CO₂.
• При реакции CO₂ с известковой водой образуется осадок CaCO₃.
• Выделение CO₂ при действии кислоты служит признаком карбоната.