"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Углерод образует два оксида с разными свойствами: ядовитый угарный газ CO и углекислый газ CO₂. В первом углерод имеет степень окисления +2, во втором — +4. При растворении CO₂ в воде возникает слабая неустойчивая угольная кислота, соли которой называют карбонатами и гидрокарбонатами. Понимание этих веществ помогает объяснить горение, лабораторное получение углекислого газа и распознавание карбонатов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид углерода(II), или угарный газ, — соединение углерода с кислородом состава CO; степень окисления углерода в нём равна +2. Это бесцветный газ без запаха, опасный для человека. Формула помогает отличить его от углекислого газа и правильно записывать реакции.
Оксид углерода(IV), или углекислый газ, — соединение состава CO₂, в котором степень окисления углерода равна +4. Он образуется, например, при полном сгорании углерода. Индекс 2 показывает, что на один атом углерода приходится два атома кислорода.
Угольная кислота H₂CO₃ — слабая неустойчивая двухосновная кислота. Слово «двухосновная» означает, что её молекула может отдавать два иона водорода H⁺, а «неустойчивая» — что она легко распадается на CO₂ и H₂O. Это объясняет, почему при растворении углекислого газа в воде образуется лишь небольшое количество кислоты.
Карбонаты и гидрокарбонаты — соли угольной кислоты. В карбонатах есть анион CO₃²⁻, например в CaCO₃, а в гидрокарбонатах — анион HCO₃⁻, например в NaHCO₃. Различие в составе анионов помогает не путать формулы этих двух групп солей.
Углерод соединяется с кислородом в разных соотношениях, поэтому образует CO и CO₂. Кислород в соединениях обычно имеет степень окисления −2, а сумма степеней окисления атомов в нейтральной молекуле равна нулю. Поэтому для CO углерод получает значение +2, а для CO₂ — +4: −2 + 2 = 0 и 2 × (−2) + 4 = 0.
Молекулы CO и CO₂ — газы без цвета и запаха, но химически они ведут себя неодинаково. CO может гореть голубоватым пламенем и окисляться до CO₂: 2CO + O₂ → 2CO₂; он также восстанавливает некоторые металлы из оксидов, например CuO + CO → Cu + CO₂. Угарный газ опасен тем, что прочно связывается с гемоглобином крови и мешает переносу кислорода. CO₂ не горит и обычно не поддерживает горение, поэтому его используют для тушения пожаров, хотя некоторые активные вещества, например магний, способны гореть в нём.
Углекислый газ получают полным сгоранием углерода: C + O₂ → CO₂. В лаборатории его часто выделяют действием кислоты на карбонат, например CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O. Для распознавания CO₂ используют известковую воду — раствор гидроксида кальция: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Белый нерастворимый карбонат кальция образует осадок, поэтому жидкость мутнеет.
Часть CO₂ растворяется в воде и образует H₂CO₃: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Обратная реакция идёт легко, поэтому угольная кислота неустойчива. Её соли образуются, когда кислота взаимодействует с основаниями: H₂CO₃ + 2NaOH → Na₂CO₃ + 2H₂O; при недостатке щёлочи может получиться гидрокарбонат: H₂CO₃ + NaOH → NaHCO₃ + H₂O.
Оксиды углерода связаны с кислотами и солями цепочкой превращений. Например, CO₂ с водой образует слабую кислоту, а с основанием — карбонат или гидрокарбонат; кислота при реакции с карбонатом снова выделяет CO₂. Так можно проследить переходы между веществами: CO при горении превращается в CO₂, CO₂ образует H₂CO₃ в воде, а карбонаты при действии кислот возвращают углекислый газ.
| Признак | CO | CO₂ | H₂CO₃ и её соли |
|---|---|---|---|
| Формула и название | CO, оксид углерода(II), угарный газ | CO₂, оксид углерода(IV), углекислый газ | H₂CO₃ — угольная кислота; соли — карбонаты и гидрокарбонаты |
| Степень окисления углерода | +2 | +4 | +4 в H₂CO₃ и анионах CO₃²⁻, HCO₃⁻ |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха | Бесцветный газ без запаха, тяжелее воздуха | Кислота существует в водном растворе; соли — твёрдые вещества |
| Характерные химические свойства | Горит до CO₂; восстанавливает некоторые оксиды металлов | Не горит и обычно не поддерживает горение; реагирует с водой и основаниями | Кислота неустойчива; карбонаты с кислотами выделяют CO₂ |
| Получение или образование | При неполном сгорании углерода или окислении углеродсодержащих веществ | При полном сгорании углерода; при реакции карбонатов с кислотами | H₂CO₃ образуется при растворении CO₂ в воде; соли — при взаимодействии кислоты с основаниями |
| Качественная реакция или распознавание | Единой простой качественной реакции для школьного опыта нет; газ особенно опасен своей токсичностью | Известковая вода мутнеет из-за осадка CaCO₃ | Карбонат с кислотой выделяет CO₂; различают соли по анионам CO₃²⁻ и HCO₃⁻ |
Сравнивайте вещества по строкам: так видно, что одинаковый набор элементов не означает одинаковые свойства. Формула и степень окисления помогают проверить, о каком оксиде идёт речь. Для распознавания CO₂ ищите наблюдаемый признак — помутнение известковой воды.
Задача: запишите уравнение полного сгорания углерода в кислороде и укажите продукт реакции. Поскольку речь идёт о полном сгорании, углерод окисляется до оксида с наибольшей степенью окисления — CO₂. Проверим, чтобы число атомов каждого элемента совпадало по обе стороны уравнения.
Ответ: C + O₂ → CO₂; продукт реакции — углекислый газ, оксид углерода(IV).
Задача: как получить углекислый газ из карбоната кальция и соляной кислоты? Карбонаты при действии кислот дают соль, воду и углекислый газ. Сначала определим, какая соль образуется из ионов Ca²⁺ и Cl⁻, затем уравняем число атомов и зарядов.
Ответ: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O. Стрелка вверх показывает, что углекислый газ выделяется в виде пузырьков.
Задача: через избыток известковой воды пропустили 4,4 г CO₂. Найдите массу осадка CaCO₃. Избыток известковой воды означает, что гидроксид кальция не ограничивает реакцию, поэтому всё количество CO₂ может вступить в реакцию. Уравнение показывает соотношение веществ один к одному.
Ответ: образуется 10 г осадка CaCO₃.
Ошибка: считать CO и CO₂ одним веществом. Такое смешение возникает, если не обращать внимания на индекс 2 в формуле; но именно он меняет состав и свойства оксида. Проверьте число атомов кислорода и степень окисления углерода: в CO она +2, а в CO₂ — +4.
Ошибка: называть CO₂ угарным газом или приписывать ему токсичность CO. Путаница появляется из-за похожих названий и потому, что оба вещества — газы. Запомните соответствие: угарный газ — CO, углекислый газ — CO₂; угарный газ особенно опасен из-за взаимодействия с гемоглобином.
Ошибка: записывать H₂CO₃ как устойчивое вещество в растворе. Формула верна, но угольная кислота легко распадается на воду и CO₂, поэтому нельзя забывать обратимое равновесие H₂CO₃ ⇄ CO₂ + H₂O. Проверьте, не выделяется ли углекислый газ, когда раствор нагревают или из него удаляют газ.
Ошибка: путать карбонаты и гидрокарбонаты. В названиях различается только часть слова, но состав анионов разный: CO₃²⁻ у карбонатов и HCO₃⁻ у гидрокарбонатов. При проверке формулы посчитайте атомы водорода в кислотном остатке: у гидрокарбоната он есть, у карбоната — нет.
Для изучения кислородных соединений углерода пригодятся знания о формулах и названиях оксидов, степенях окисления, кислотах и основаниях. Они помогают предсказывать продукты реакции и правильно расставлять коэффициенты. Особенно полезно помнить, как кислота взаимодействует с основанием и как составляют формулы солей.
Эти реакции объясняют круговорот углерода в природе: углекислый газ растворяется в воде, а карбонаты входят в состав известняка и других горных пород. Карбонаты и гидрокарбонаты связаны также с жёсткостью природной воды. В лаборатории реакцию карбоната с кислотой используют, чтобы получить CO₂ и проверить его известковой водой.
Чем угарный газ отличается от углекислого газа?
Угарный газ — это CO, а углекислый газ — CO₂; в них углерод имеет степени окисления соответственно +2 и +4. CO ядовит, а CO₂ обычно не горит и не поддерживает горение.
Почему угарный газ опасен для человека?
CO связывается с гемоглобином крови и мешает ему переносить кислород. Поэтому даже при наличии воздуха органы и ткани могут испытывать кислородное голодание.
Как распознать углекислый газ?
Пропустите газ через известковую воду — раствор помутнеет из-за образования нерастворимого CaCO₃. При избытке CO₂ помутнение может исчезнуть, так как образуется растворимый гидрокарбонат кальция.
Почему угольную кислоту называют неустойчивой?
Она существует в водном растворе лишь в небольшом количестве и легко распадается на воду и углекислый газ. Обратный процесс — растворение CO₂ с образованием H₂CO₃ — также возможен.
Как получить углекислый газ в лаборатории?
Обычно на карбонат кальция, например мел, действуют соляной кислотой. Выделяется CO₂: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.
§ 39. Кислородные соединения углерода
