10. Оксиды углерода

Определения и обозначения

Оксид углерода(II) — соединение углерода с кислородом, формула которого CO. В одной молекуле на один атом углерода приходится один атом кислорода. Римская цифра II указывает валентность углерода: она совпадает с валентностью кислорода, поэтому атомы соединяются в отношении 1:1.

Оксид углерода(IV) — соединение углерода с кислородом, обозначаемое формулой CO₂. В его молекуле один атом углерода и два атома кислорода, а валентность углерода равна IV. Это помогает понять индекс 2: две связи кислорода по валентности II уравновешивают валентность углерода IV.

Угарный газ — бытовое название CO. Он не имеет цвета и запаха, но ядовит: попадая в организм, мешает крови переносить кислород. Поэтому его нельзя распознать по ощущениям, а утечка при неисправной печи или работающем двигателе в помещении особенно опасна.

Углекислый газ — бытовое название CO₂. Он встречается в воздухе, образуется при дыхании организмов и горении топлива; его используют, например, в некоторых огнетушителях. Обнаружить CO₂ можно известковой водой: при пропускании газа раствор мутнеет.

Как это устроено

При горении углерод соединяется с кислородом, но результат зависит от того, сколько кислорода доступно. Если его достаточно, окисление идёт до CO₂: углерод получает два атома кислорода. Если кислорода мало, часть углерода окисляется не полностью и образуется CO; в реальном пламени могут одновременно присутствовать оба газа.

Формулы CO и CO₂ различаются, потому что углерод способен проявлять разные валентности. Валентность кислорода обычно равна II: при валентности углерода II достаточно одного атома кислорода, а при валентности IV нужны два. Поэтому индексы в формулах показывают не произвольное количество атомов, а соотношение, которое соответствует валентностям элементов.

Оба газа при обычных условиях бесцветны, но различаются по плотности и воздействию на организм. CO немного легче воздуха и особенно опасен тем, что ядовит даже при сравнительно небольшом содержании: его невозможно заметить по цвету или запаху. CO₂ тяжелее воздуха, не поддерживает горение и при высокой концентрации может вытеснить кислород, из-за чего человеку становится трудно дышать.

Химические реакции тоже помогают различать эти оксиды. CO горит в кислороде, образуя CO₂: 2CO + O₂ → 2CO₂. Углекислый газ взаимодействует с водой с образованием слабой угольной кислоты, а с известковой водой даёт осадок карбоната кальция: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O; именно осадок вызывает помутнение.

В природе CO₂ возникает при дыхании организмов, разложении органических остатков и горении, а растения поглощают его при фотосинтезе. В лаборатории CO₂ часто получают действием кислоты на карбонат, например мел или мрамор; CO может появиться при неполном сгорании топлива. С угарным газом нельзя экспериментировать без специального оборудования: работы с газами проводят только под контролем взрослого, при хорошей вентиляции и с соблюдением правил безопасности.

Сравнение оксидов углерода

Сначала сравнивайте формулы и валентность: они объясняют, почему оксиды имеют разный состав. Затем смотрите на условия образования и характерные реакции — это помогает определить газ в задаче или опыте. Строки об опасности напоминают, что отсутствие цвета и запаха не означает безопасность.

Разбор задач

Задача 1. Запишите формулы оксида углерода(II) и оксида углерода(IV), используя валентности углерода и кислорода.

Валентность показывает, сколько связей может образовать атом элемента. У кислорода в оксидах валентность II, а в названиях уже указана валентность углерода. Нужно подобрать наименьшее соотношение атомов, при котором валентности уравновешиваются.

1. Для оксида углерода(II) запишем C(II) и O(II). Валентности равны, поэтому атомы берём в отношении 1:1.
2. Получаем формулу CO: единицу у элементов не записывают.
3. Для оксида углерода(IV) запишем C(IV) и O(II). Одному атому углерода соответствуют два атома кислорода: 1 × IV = 2 × II.
4. Получаем CO₂. Проверка: суммарные валентности углерода и кислорода равны.

Ответ: оксид углерода(II) — CO, оксид углерода(IV) — CO₂.

Задача 2. Запишите и уравняйте реакции полного и неполного горения углерода.

При полном горении достаточно кислорода, поэтому углерод переходит в CO₂. При недостатке кислорода образуется CO. Запишем продукты, а затем подберём коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпало.

1. Полное горение: C + O₂ → CO₂. Слева и справа по одному атому углерода и по два атома кислорода, уравнение уже сбалансировано.
2. Неполное горение: C + O₂ → CO. Слева два атома кислорода, поэтому поставим коэффициент 2 перед CO.
3. Теперь справа два атома углерода, значит, поставим коэффициент 2 перед C. Получаем 2C + O₂ → 2CO.
4. Проверим: по обе стороны два атома C и два атома O.

Ответ: полное горение — C + O₂ → CO₂; неполное — 2C + O₂ → 2CO. В реальных условиях при ограниченном доступе воздуха могут образовываться оба оксида.

Задача 3. При сгорании 12 г углерода в избытке кислорода образовался CO₂. Рассчитайте количество вещества и массу углекислого газа.

Избыток кислорода означает, что углерод сгорает полностью. По уравнению C + O₂ → CO₂ одному молю углерода соответствует один моль углекислого газа. Сначала найдём количество углерода, затем используем это соотношение и молярную массу CO₂.

1. Молярная масса углерода M(C) = 12 г/моль. Количество вещества: n(C) = m/M = 12 г / 12 г/моль = 1 моль.
2. Коэффициенты C и CO₂ в уравнении равны единице, значит, n(CO₂) = n(C) = 1 моль.
3. Молярная масса углекислого газа: M(CO₂) = 12 + 2 × 16 = 44 г/моль.
4. Масса газа: m(CO₂) = n × M = 1 моль × 44 г/моль = 44 г.

Ответ: образовался 1 моль CO₂ массой 44 г. Проверка единиц показывает, что количество вещества измеряется в молях, а масса — в граммах.

Типичные ошибки

Путать CO и CO₂. Это разные вещества: у них не совпадают ни состав, ни свойства, ни опасность. Их легко смешать из-за похожих названий и общего элемента углерода. Проверяйте индекс у кислорода: в CO его нет, а в CO₂ указан один атом кислорода сверх первого.

Считать CO продуктом полного горения углерода. При достатке кислорода углерод полностью окисляется до CO₂, а CO возникает при его недостатке. Ошибка появляется, если запомнить только формулу угарного газа, не связывая её с условиями реакции. Проверьте себя по балансу кислорода: полное горение записывают C + O₂ → CO₂.

Считать бесцветный CO безопасным. Его действительно нельзя увидеть, но он ядовит и не имеет запаха. Люди иногда ошибочно полагаются на органы чувств, хотя они не позволяют заметить опасную концентрацию. Безопасность обеспечивают исправные датчики, вентиляция и отказ от использования горящих двигателей в закрытом помещении.

Использовать помутнение известковой воды для обнаружения CO. Эта реакция характерна для CO₂, который образует с известковой водой нерастворимый карбонат кальция. Путаница возникает потому, что оба газа содержат углерод и кислород. Уравнение проверки CO₂ — CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O; CO так не обнаруживают.

Связь с другими темами

Чтобы понять формулы CO и CO₂, нужно знать, что такое оксид, валентность, химическая формула и уравнение реакции. Условия образования этих газов связаны с горением и окислением веществ: количество кислорода влияет на продукт реакции. CO₂ участвует в круговороте углерода в природе, а его реакции пригодятся при изучении кислотных оксидов и карбонатов. Свойство CO восстанавливать некоторые вещества связано с реакциями восстановления, а опасность газов — с экологической безопасностью.

Что запомнить

• Формулы оксидов углерода — CO и CO₂.
• При недостатке кислорода углерод может образовать CO, при достатке — CO₂.
• CO — ядовитый угарный газ без цвета и запаха.
• CO₂ не поддерживает горение и мутит известковую воду.
• При горении CO в кислороде образуется CO₂.
• Оксиды одного элемента могут иметь разные состав и свойства.