"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Оксид углерода(IV), или углекислый газ CO₂, получают в лаборатории действием кислоты на карбонат. Его собирают вытеснением воздуха, потому что он тяжелее воздуха, но не собирают над водой: газ растворяется в ней. Проверить CO₂ помогает известковая вода — она мутнеет из-за осадка карбоната кальция. По выделению такого газа при реакции с кислотой распознают карбонаты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид углерода(IV), или углекислый газ, — бесцветный газ с формулой CO₂. В практической работе его получают и проверяют его свойства, например способность вызывать помутнение известковой воды. Индекс 2 показывает, что в каждой молекуле два атома кислорода.
Карбонаты — соли угольной кислоты, содержащие карбонат-ион CO₃²⁻. К ним относятся, например, карбонат кальция CaCO₃ и карбонат натрия Na₂CO₃. Знание этого состава помогает понять, почему карбонаты при добавлении кислоты выделяют углекислый газ.
Известковая вода — прозрачный раствор гидроксида кальция Ca(OH)₂. При пропускании углекислого газа в ней появляется белая муть. Поэтому этот раствор используют как простой реактив для обнаружения CO₂.
Качественная реакция — реакция, по наблюдаемому признаку которой устанавливают наличие определённого вещества. Таким признаком может быть осадок, изменение окраски или выделение газа. В этой работе появление мути помогает подтвердить, что газ — углекислый.
Для получения CO₂ берут карбонат кальция, например кусочки мрамора, и добавляют к нему кислоту. Карбонат-ионы реагируют с ионами водорода из кислоты, образуя угольную кислоту, которая сразу распадается на воду и углекислый газ. Поэтому видны пузырьки газа. Уравнение реакции с соляной кислотой: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.
Углекислый газ собирают вытеснением воздуха: он плотнее воздуха и опускается в сосуд, постепенно вытесняя из него воздух. Собрать его над водой неудобно, потому что CO₂ растворяется в воде, и часть полученного газа потеряется. При работе закрепляют прибор, не направляют отверстие пробирки на себя или других и осторожно обращаются с кислотой. Если кислота попала на кожу, её сразу смывают большим количеством воды и сообщают учителю.
Чтобы проверить газ, его пропускают через известковую воду. Если раствор становится мутным, значит, образовался нерастворимый карбонат кальция: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Осадок рассеивает свет, поэтому прозрачная жидкость выглядит белёсой. Такое наблюдение служит качественным признаком углекислого газа.
Действие CO₂ на горение можно показать, направив газ на горящую лучинку или свечу: пламя гаснет. Углекислый газ не поддерживает горение, поэтому его используют в некоторых огнетушителях. При растворении CO₂ в воде часть молекул взаимодействует с водой, образуя угольную кислоту H₂CO₃. Она неустойчива, поэтому реакцию часто записывают как обратимую: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃.
Карбонаты распознают добавлением кислоты к образцу: если выделяются пузырьки газа, его направляют в известковую воду. Помутнение подтверждает, что выделившийся газ — CO₂, а значит, исходный образец содержит карбонат. Одного появления пузырьков недостаточно для надёжного вывода: при таком способе распознавания газ дополнительно проверяют. Если CO₂ пропускать слишком долго, осадок может исчезнуть, поскольку превращается в растворимый гидрокарбонат кальция: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂.
В таблице собраны способы получения и проверки газа, ожидаемые наблюдения и соответствующие уравнения. Сначала сопоставляйте наблюдение с реакцией, а затем делайте вывод: например, муть в известковой воде указывает на образование CaCO₃. В последней строке прослеживается вся цепочка распознавания карбоната.
| Что исследуют | Реагенты и условия | Наблюдение | Вывод или уравнение реакции |
|---|---|---|---|
| Получение CO₂ в лаборатории | CaCO₃ и раствор соляной кислоты | Выделяются пузырьки газа | CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O |
| Действие CO₂ на горение | Газ направляют к горящей лучинке | Пламя гаснет | CO₂ не поддерживает горение |
| Взаимодействие CO₂ с водой | Растворение газа в воде | В растворе образуется угольная кислота | CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ |
| Обнаружение CO₂ известковой водой | CO₂ пропускают через Ca(OH)₂ | Раствор мутнеет | CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O |
| Распознавание карбонатов кислотой | К образцу добавляют кислоту; газ пропускают через известковую воду | Выделяется газ, известковая вода мутнеет | Образец содержит карбонат, выделившийся газ — CO₂ |
Составьте уравнение реакции карбоната кальция с соляной кислотой и укажите, какой газ выделяется. Здесь нужно учесть, что кислота вытесняет угольную кислоту из её соли. Эта кислота неустойчива и распадается на воду и газ.
Ответ: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O; выделяется углекислый газ CO₂. Стрелка вверх отмечает выделение газа. Проверка баланса показывает по одному атому кальция, углерода и кислорода в карбонате, а также равное число атомов водорода и хлора.
Газ пропускают через известковую воду; нужно описать наблюдение, записать реакцию и сделать вывод. Известковая вода содержит гидроксид кальция, а CO₂ при взаимодействии с ним образует малорастворимый карбонат кальция. Именно появление твёрдых частиц делает раствор мутным.
Ответ: известковая вода мутнеет; CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Осадок CaCO₃ подтверждает присутствие углекислого газа. Вывод основан не просто на появлении мути, а на известной реакции CO₂ с известковой водой.
К двум неизвестным порошкам добавили кислоту: один порошок выделил газ, который помутнил известковую воду. Нужно определить, какая проба содержит карбонат, и обосновать ответ уравнениями. Начинаем с наблюдения при добавлении кислоты, затем проверяем выделившийся газ отдельной реакцией. Так мы не принимаем любое газовыделение за доказательство карбоната.
Ответ: карбонат содержится в том порошке, при реакции которого с кислотой выделился газ, помутнивший известковую воду. Первое уравнение показывает получение CO₂ из карбоната, второе подтверждает природу газа. Если состав порошка неизвестен, по этим опытам устанавливают наличие карбоната, но не определяют, какой именно это карбонат.
Ошибка — собирать CO₂ над водой так же, как газ, почти не растворимый в ней. Так поступают, потому что многие газы действительно удобно собирать этим способом, но углекислый газ растворяется и частично теряется. Проверьте себя: учитывайте сразу два свойства газа — плотность выше плотности воздуха и растворимость в воде; для этой работы выбирайте вытеснение воздуха.
Помутнение известковой воды ошибочно считают признаком любого газа. Его принимают за универсальную проверку, хотя в данном опыте помутнение связано с образованием CaCO₃ при реакции с CO₂. Проверяйте, какая именно реакция даёт наблюдаемый признак, и не делайте вывод о составе неизвестного газа по одним пузырькам.
При записи реакции карбоната с кислотой иногда забывают воду или ставят неверные коэффициенты. Причина в том, что реакцию записывают по шаблону, не учитывая распад образующейся угольной кислоты. Чтобы проверить себя, запишите все продукты и пересчитайте атомы: например, CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O.
Некоторые считают, что известковая вода мутнеет при любом количестве пропущенного CO₂ и осадок останется навсегда. Однако избыток газа взаимодействует с осадком и водой, образуя растворимый гидрокарбонат кальция. Если муть исчезла после длительного пропускания газа, это не опровергает начальную реакцию: проверьте уравнение CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂.
Для этой работы нужны знания о кислотах, основаниях, оксидах и солях, а также о составе карбонат-иона CO₃²⁻. С ними проще предсказать продукты реакции и понять, почему кислота вытесняет CO₂ из карбоната. При составлении уравнений пригодятся правила реакций обмена, расстановка коэффициентов и умение распознавать осадки.
Качественные реакции на CO₂ и карбонаты помогают изучать круговорот углерода и процессы в природных водах. Карбонаты входят в состав многих минеральных веществ и горных пород, а растворение и образование соединений углерода влияют на состав воды. Поэтому лабораторная проверка связана с явлениями, которые происходят в природе.
Почему углекислый газ в лаборатории собирают вытеснением воздуха?
CO₂ плотнее воздуха, поэтому при подаче в сосуд он постепенно вытесняет воздух и скапливается внизу. Над водой его обычно не собирают: углекислый газ растворяется в воде.
Как доказать, что полученный газ — это CO₂?
Пропустите газ через известковую воду. Если она помутнеет, образовался нерастворимый карбонат кальция — это характерный признак CO₂.
Почему известковая вода мутнеет при пропускании углекислого газа?
Углекислый газ реагирует с гидроксидом кальция в растворе. Возникает нерастворимый карбонат кальция, частицы которого образуют белую муть: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.
Почему осадок в известковой воде может исчезнуть при избытке CO₂?
При дальнейшем пропускании CO₂ осадок реагирует с газом и водой. Образуется растворимый гидрокарбонат кальция, поэтому муть исчезает: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂.
Как отличить карбонат от другого вещества с помощью кислоты?
Добавьте к пробе немного кислоты: карбонат выделит газ. Пропустите этот газ через известковую воду; её помутнение подтвердит, что выделился CO₂, а значит, в исходном веществе был карбонат.
§ 36. Практическая работа 6. Получение оксида углерода(IV) и изучение его свойств. Распознавание карбонатов
