§ 34. Оксид углерода(IV) — углекислый газ

Определения и обозначения

Оксид углерода(IV) — бинарное соединение углерода с кислородом состава CO₂, в котором углерод имеет степень окисления +4. Это название показывает состав вещества и помогает отличить его от CO, где углерод имеет другую степень окисления.

Углекислый газ — распространённое название оксида углерода(IV), бесцветного газа без запаха. Такое название часто используют в быту и на производстве, а формула CO₂ нужна для записи реакций и расчётов.

Угольная кислота — слабая и нестойкая кислота H₂CO₃, образующаяся при растворении углекислого газа в воде. Она существует главным образом в растворе и легко разлагается обратно на воду и CO₂.

Качественная реакция на углекислый газ — пропускание газа через известковую воду с образованием помутнения. Белый осадок карбоната кальция позволяет обнаружить CO₂ даже среди бесцветных газов.

Как это устроено

Молекула CO₂ состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Углерод образует две двойные связи с кислородом, поэтому вокруг него формируется линейная частица O=C=O. Кислород обычно имеет степень окисления −2, значит, два атома дают −4, а углерод должен иметь +4, чтобы сумма степеней окисления была равна нулю.

Линейное строение и небольшой размер молекул объясняют, почему при обычных условиях CO₂ является газом. Чистый углекислый газ бесцветен и не имеет запаха, поэтому обнаружить его только по внешнему виду нельзя. Его плотность больше плотности воздуха, а в воде он растворяется ограниченно, хотя часть молекул взаимодействует с водой.

При горении углерода и топлива атомы углерода соединяются с кислородом воздуха, поэтому образуется CO₂: C + O₂ → CO₂. При дыхании организмов органические вещества окисляются, и углекислый газ выделяется как один из продуктов этого процесса. Разложение органических остатков также сопровождается образованием CO₂, а растения, наоборот, поглощают его при фотосинтезе и используют углерод для создания органических веществ.

CO₂ является кислотным оксидом, потому что с водой образует кислоту, а с основными веществами — соли. В воде устанавливается равновесие: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. С основным оксидом кальция образуется карбонат: CO₂ + CaO → CaCO₃, а со щёлочами могут получаться карбонаты или гидрокарбонаты.

В лаборатории углекислый газ получают действием кислоты на карбонат, например CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. В промышленности его получают при обжиге известняка и как побочный продукт некоторых производств. Газ собирают вытеснением воздуха, направляя его в сосуд снизу, а распознают известковой водой; негорючесть позволяет применять CO₂ в огнетушителях.

Состав, свойства, получение и применение оксида углерода(IV)

Таблица помогает быстро сопоставить свойство CO₂ с причиной или химическим уравнением. При решении задач сначала находите нужную строку: формулу используют для расчётов, а реакции — для определения веществ и продуктов. Стрелка вверх обозначает выделение газа, а стрелка вниз — выпадение осадка.

Разбор задач

1. Массовая доля кислорода в CO₂

Условие: вычислите относительную молекулярную массу и массовую долю кислорода в углекислом газе. Нужно учесть, что в одной молекуле находятся два атома кислорода. Массовую долю элемента сравнивают с общей относительной молекулярной массой вещества.

1. Находим относительную молекулярную массу: M_r(CO₂) = 12 + 2 · 16 = 44.
2. Определяем массу кислорода в формульной единице: 2 · 16 = 32.
3. Вычисляем массовую долю: w(O) = 32/44 · 100% ≈ 72,7%.

Ответ: M_r(CO₂) = 44, массовая доля кислорода — примерно 72,7%.

2. Распознавание углекислого газа

Условие: как отличить CO₂ от кислорода и воздуха? Используем не цвет газа, а реакцию, в которой появляется заметный признак. Известковая вода содержит Ca(OH)₂, реагирующий с углекислым газом.

1. Пропускаем каждый исследуемый газ через отдельную порцию известковой воды.
2. Для CO₂ записываем реакцию: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.
3. Наблюдаем белое помутнение только в пробирке с углекислым газом, потому что образуется нерастворимый CaCO₃.

Ответ: углекислый газ определяют по помутнению известковой воды; кислород и воздух такого осадка не образуют.

3. Объём CO₂ из карбоната кальция

Условие: пусть с избытком HCl взаимодействует 10 г CaCO₃. Найдём объём выделившегося газа при н. у. Избыток кислоты означает, что ограничивающим реагентом является карбонат кальция.

1. Записываем уравнение: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑.
2. Вычисляем количество CaCO₃: n = m/M = 10 г/100 г/моль = 0,10 моль.
3. По уравнению 1 моль CaCO₃ даёт 1 моль CO₂, значит n(CO₂) = 0,10 моль.
4. При н. у. V_m = 22,4 л/моль, поэтому V = 0,10 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: выделится 2,24 л CO₂ при нормальных условиях.

Типичные ошибки

Путают формулы CO₂ и CO, хотя это разные оксиды углерода. Ошибка появляется из-за похожих названий, но индексы показывают разное число атомов кислорода и разные степени окисления углерода. Проверяйте формулу по названию: углерод(IV) означает +4 и соответствует CO₂.

Называют углекислый газ горючим или поддерживающим горение. В действительности CO₂ не горит и обычно гасит пламя, потому что не даёт кислороду поддерживать реакцию горения. Проверка проста: в атмосфере углекислого газа пламя гаснет.

Записывают реакцию CO₂ с водой как образование устойчивой сильной кислоты. Угольная кислота слабая и нестойкая, поэтому верна обратимая запись CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Если кислота названа сильной, а реакция показана необратимой, решение нужно исправить.

Считают, что помутнение известковой воды всегда сохраняется. При избытке CO₂ CaCO₃ растворяется с образованием растворимого Ca(HCO₃)₂. Поэтому учитывайте количество пропущенного газа и не забывайте о двух последовательных реакциях.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о классификации оксидов, степенях окисления, составлении формул и уравнивании реакций. По формуле CO₂ можно определить состав вещества и степень окисления углерода.

Реакции углекислого газа с водой, основными оксидами и основаниями опираются на свойства кислот, оснований и солей. Поэтому тема связывает изучение оксидов с образованием карбонатов и гидрокарбонатов.

Дальше эти знания пригодятся при изучении круговорота углерода, фотосинтеза, дыхания и экологических последствий увеличения содержания CO₂. Они помогают объяснить образование накипи, свойства природных вод и работу огнетушителей.

Что запомнить

• Формула углекислого газа — CO₂.
• CO₂ — кислотный оксид.
• Углекислый газ бесцветен, не имеет запаха и не поддерживает горение.
• В воде CO₂ образует слабую нестойкую угольную кислоту.
• Известковая вода мутнеет при пропускании через неё CO₂.
• В природе CO₂ образуется при дыхании и горении, а поглощается растениями при фотосинтезе.
• В промышленности углекислый газ используют в производстве напитков, огнетушителях и пищевой промышленности.