"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Диоксид углерода CO₂ — бесцветный газ, который можно получить в лаборатории реакцией карбоната с кислотой. Так, при добавлении соляной кислоты к мрамору появляются пузырьки газа, а пропускание газа через известковую воду помогает подтвердить, что это именно углекислый газ. В теме важно научиться узнавать карбонаты по составу, составлять и уравнивать реакцию, соблюдать правила безопасности и использовать уравнение для расчётов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Диоксид углерода, или углекислый газ, — бесцветное вещество в газообразном состоянии с формулой CO₂. Формулу читают «цэ-о-два»: в каждой молекуле один атом углерода и два атома кислорода. Обозначение помогает отличать это соединение от других газов и правильно подсчитывать атомы при составлении уравнений.
Карбонаты — соли угольной кислоты, в состав которых входит карбонат-ион CO₃²⁻. Например, CaCO₃ — карбонат кальция, а Na₂CO₃ — карбонат натрия. Чтобы распознать карбонат среди других веществ, ищут в его формуле группу CO₃, а не только отдельный атом углерода.
Качественная реакция на карбонат-ион — взаимодействие карбоната с кислотой, при котором выделяется углекислый газ. Наблюдаемый признак — пузырьки, выходящие из смеси. Эта реакция помогает обнаружить карбонат, однако газ следует дополнительно проверить: пузырьки могут появляться и при образовании других газов.
Карбонаты подходят для получения CO₂, потому что карбонат-ион реагирует с кислотой. В ходе превращения из него образуются углекислый газ и вода, а оставшиеся частицы кислоты и карбоната формируют соль. Поэтому в продуктах реакции должны быть не только пузырьки газа, но и другие вещества.
В лаборатории к карбонату кальция, например кусочкам мрамора, добавляют разбавленную кислоту. На поверхности твёрдого вещества сразу появляются пузырьки и постепенно отделяются от него. Это происходит потому, что образовавшийся CO₂ плохо удерживается в растворе и выходит наружу; мрамор при этом постепенно расходуется.
Словесная схема опыта: карбонат кальция + соляная кислота → хлорид кальция + углекислый газ + вода. Формулами это записывают так: CaCO₃ + HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O. В левой части нужно поставить коэффициент 2 перед HCl: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O; теперь число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.
Пузырьки говорят о выделении газа, но не определяют его состав: похожее наблюдение возможно и в других реакциях. Чтобы подтвердить наличие CO₂, его пропускают через известковую воду — раствор гидроксида кальция. Раствор мутнеет, потому что возникает нерастворимый карбонат кальция: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O; стрелка вниз обозначает осадок.
При опыте надевают защитные очки, используют разбавленную кислоту и избегают попадания раствора на кожу и одежду. Кислоту добавляют осторожно, а посуду не направляют отверстием на себя или окружающих. Углекислый газ можно собирать вытеснением воздуха: он плотнее воздуха и опускается в сосуд, вытесняя воздух вверх, поэтому сосуд держат отверстием вверх.
Сопоставляйте исходные вещества, наблюдение и результат: таблица показывает, что пузырьки появляются при реакции, а известковая вода подтверждает присутствие углекислого газа. Осадок — это твёрдое вещество, которое образуется в растворе и не растворяется в нём.
| Что рассматриваем | Исходные вещества или действие | Наблюдение | Результат |
|---|---|---|---|
| Реакция карбоната с кислотой | Карбонат + кислота | Выделяются пузырьки газа | Образуются CO₂, соль и вода |
| Опыт с карбонатом кальция и соляной кислотой | CaCO₃ + 2HCl | Мрамор шипит, выделяется газ | CaCl₂, CO₂ и H₂O |
| Подтверждение углекислого газа известковой водой | Пропускание CO₂ через Ca(OH)₂ | Раствор мутнеет | Образуется CaCO₃ |
| Признак образования осадка | Появление CaCO₃ в растворе | Раствор становится мутным | Есть нерастворимое твёрдое вещество |
К кусочку мрамора добавили соляную кислоту. Нужно назвать выделяющийся газ и способ его обнаружения. Мрамор содержит карбонат кальция, поэтому можно применить правило реакции карбонатов с кислотами.
Ответ: выделяется CO₂; его наличие подтверждает помутнение известковой воды из-за образования CaCO₃.
Требуется составить и уравнять реакцию CaCO₃ с HCl. Сначала записываем ожидаемые продукты: соль хлорид кальция, углекислый газ и вода. Затем проверяем число атомов каждого элемента и добавляем коэффициенты, не меняя индексы в формулах.
Ответ: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O.
Нужно найти массу CaCO₃, если соляная кислота взята в избытке, а масса полученного CO₂ равна 4,4 г. Из уравнения реакции следует, что одному молю CaCO₃ соответствует один моль CO₂. Значит, сначала найдём количество углекислого газа, а затем такое же количество карбоната кальция.
Ответ: для получения 4,4 г CO₂ требуется 10 г CaCO₃.
Карбонаты иногда путают с карбидами или другими солями. Похожие названия могут сбить с толку, если не проверить состав вещества. Найдите в формуле именно карбонат-ион CO₃²⁻: например, CaCO₃ — карбонат, а вещество без группы CO₃ к карбонатам не относится.
Ещё одна ошибка — ожидать выделения CO₂ при смешивании карбоната с водой. Вода сама по себе не обеспечивает описанную реакцию, потому что для выделения газа требуется кислота. Проверьте, есть ли в исходных веществах карбонат и кислота; только по пузырькам или наличию воды вывод делать нельзя.
В уравнении порой записывают только CO₂, забывая про соль и воду. Так происходит, когда внимание сосредоточено лишь на наблюдаемом газе, а не на всех продуктах реакции. Составьте схему полностью: карбонат + кислота → соль + CO₂ + вода, а затем проверьте баланс атомов.
Пузырьки не являются достаточным доказательством, что выделился именно углекислый газ. Многие газы могут выходить из жидкости пузырьками, поэтому внешний признак неоднозначен. Чтобы проверить себя, пропустите газ через известковую воду: появление мути подтверждает образование карбоната кальция.
Для понимания реакции нужно знать формулы и названия кислот и солей, уметь распознавать карбонаты и уравнивать химические уравнения. Эти знания пригодятся при изучении свойств кислот и солей, качественных реакций на ионы и лабораторных способов получения газов. Связь видна и в природе: известняк и мел содержат карбонат кальция, который при взаимодействии с кислотами может выделять углекислый газ.
Почему при добавлении кислоты к карбонату появляются пузырьки?
Карбонат-ион при взаимодействии с кислотой превращается в углекислый газ и воду. Газ выходит из раствора пузырьками.
Какие карбонаты можно использовать для получения углекислого газа?
Подойдут разные карбонаты, например карбонат кальция CaCO₃ и карбонат натрия Na₂CO₃. Для лабораторного опыта часто берут кусочки мрамора, содержащего карбонат кальция.
Как доказать, что выделившийся газ — именно углекислый газ?
Газ пропускают через известковую воду. Если она мутнеет, значит, образовался нерастворимый карбонат кальция — характерный признак углекислого газа.
Почему известковая вода мутнеет при пропускании через неё CO₂?
Углекислый газ реагирует с гидроксидом кальция, который содержится в известковой воде. В результате образуется плохо растворимый карбонат кальция, поэтому появляется помутнение.
Как собрать углекислый газ в лаборатории?
Его можно собирать вытеснением воздуха, направляя газ в сосуд так, чтобы он вытеснял воздух вверх. Это возможно потому, что CO₂ плотнее воздуха; сосуд держат отверстием вверх.
§ 34. Диоксид углерода получают из карбонатов
