"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Углерод образует два важных оксида: ядовитый CO и кислотный CO₂. Углекислый газ участвует в образовании карбонатов и гидрокарбонатов, а его свойства связаны с молекулярным строением. Оксид кремния(IV) SiO₂, напротив, построен как прочная пространственная сеть атомов, поэтому он твёрдый и тугоплавкий. Силикаты — природные соли кремниевых кислот — составляют значительную часть земной коры. Разобрав строение этих веществ и реакции их превращений, можно объяснить свойства минералов и научиться решать задачи на карбонаты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид углерода(II) — соединение состава CO, в котором углерод имеет степень окисления +2. Молекула состоит из двух атомов, связанных прочной ковалентной связью. CO ядовит: он прочно связывается с гемоглобином крови и мешает переносу кислорода. В химических реакциях угарный газ может отнимать кислород у оксидов металлов, то есть выступать восстановителем.
Оксид углерода(IV), или углекислый газ, — соединение состава CO₂ со степенью окисления углерода +4. Его линейная молекула устроена как O=C=O. CO₂ проявляет свойства кислотного оксида: при взаимодействии с основаниями образует соли угольной кислоты — карбонаты и гидрокарбонаты. Это понятие помогает объяснить образование известняка, мела и других карбонатных пород.
Оксид кремния(IV) — соединение состава SiO₂, в котором кремний и кислород образуют пространственную ковалентную структуру. В кварце нет отдельных молекул SiO₂: атомы связаны в протяжённую сеть. Чтобы разрушить её, нужно затратить много энергии, поэтому вещество твёрдое и плавится при высокой температуре. Такое строение важно учитывать при сравнении SiO₂ с молекулярным CO₂.
Силикаты — соли кремниевых кислот, например Na₂SiO₃ и CaSiO₃. К природным силикатам относятся полевые шпаты, слюды и многие минералы, входящие в состав горных пород. Состав силикатов различен, но их объединяет наличие соединений кремния с кислородом. Знание о силикатах помогает понимать состав земной коры и происхождение распространённых минералов.
При взаимодействии углерода с кислородом могут образоваться CO или CO₂. Если кислорода достаточно, углерод окисляется полностью: C + O₂ → CO₂. При недостатке кислорода или избытке углерода возможно неполное окисление: 2C + O₂ → 2CO. Поэтому состав продукта зависит не только от самого углерода, но и от соотношения реагентов и условий реакции; при горении в реальности могут образовываться оба оксида.
Линейное строение молекулы CO₂ объясняет, почему это молекулярное вещество, а химические свойства — почему его относят к кислотным оксидам. При растворении в воде лишь часть CO₂ взаимодействует с ней: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Со щёлочью возможны разные продукты: при избытке основания образуется карбонат, например CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O, а при избытке CO₂ — гидрокарбонат: CO₂ + NaOH → NaHCO₃. Выбор продукта зависит от соотношения реагентов.
Угольная кислота неустойчива, потому что равновесие её превращения смещено в сторону воды и CO₂: H₂CO₃ ⇄ H₂O + CO₂. Карбонат при добавлении кислоты сначала связывает ионы водорода, а затем выделяет газ; например, CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂. Гидрокарбонаты тоже реагируют с кислотами с выделением CO₂: NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂. В обратном направлении CO₂ при наличии воды может образовать гидрокарбонаты, а при удалении CO₂ они переходят в карбонаты.
В молекуле CO₂ атомы соединены внутри отдельной частицы, а между молекулами сравнительно слабое притяжение. Поэтому при обычных условиях углекислый газ — газ, а его частицы могут свободно перемещаться. В SiO₂ каждый атом входит в прочную ковалентную сеть, продолжающуюся во всех направлениях. Для разрушения этой сети нужно разорвать множество связей, поэтому твёрдый SiO₂ обладает высокой твёрдостью и температурой плавления.
Кремниевые кислоты можно получить из растворимых силикатов действием более сильных кислот. Например, Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl; образующаяся кремниевая кислота выпадает в осадок. Силикаты широко распространены в земной коре и входят в состав многих минералов и горных пород. Их состав и свойства связаны с тем, что атомы кремния и кислорода образуют устойчивые структуры; природные силикаты важны также для производства стекла и других материалов.
| Характеристика | Оксид углерода(IV), CO₂ | Оксид кремния(IV), SiO₂ |
|---|---|---|
| Тип строения | Молекулярное; отдельные линейные молекулы | Атомное; пространственная ковалентная структура |
| Физические свойства при обычных условиях | Бесцветный газ | Твёрдое вещество, например кварц |
| Взаимодействие с водой | Частично образует H₂CO₃, реакция обратима | С водой при обычных условиях не реагирует |
| Взаимодействие со щелочами | Образует карбонаты или гидрокарбонаты | При нагревании реагирует со щелочами с образованием силикатов |
| Соответствующие кислоты и соли | Угольная кислота H₂CO₃; карбонаты и гидрокарбонаты | Кремниевые кислоты; силикаты |
Сначала сравните строение: молекулярное вещество обычно легче переходит в газообразное состояние, чем прочная атомная сеть. Затем проследите, как строение связано с реакциями с водой и щелочами. Последняя строка показывает, какие кислоты и соли соответствуют каждому оксиду.
Условие. Запишите уравнение реакции полного сгорания углерода и укажите тип образующегося оксида. Слово «полное» означает, что кислорода хватает для образования высшего оксида углерода. Поэтому продуктом будет CO₂, а не CO.
Ответ. C + O₂ → CO₂; образуется кислотный оксид углерода(IV). Если бы кислорода было недостаточно, мог бы образоваться CO.
Условие. Какой объём CO₂ при н. у. выделится при действии избытка кислоты на 10,0 г CaCO₃? Избыток кислоты означает, что весь карбонат прореагирует. По уравнению реакции один моль CaCO₃ даёт один моль CO₂.
Ответ. Выделится 2,24 л CO₂. Перед вычислением объёма мы сначала нашли количество вещества газа по уравнению реакции.
Условие. Смесь Na₂CO₃ и NaHCO₃ массой 20,0 г обработали избытком кислоты; выделилось 4,48 л CO₂ при н. у. Нужно найти массовые доли солей. Каждая формульная единица каждой соли даёт один моль CO₂, поэтому количество газа равно сумме количеств солей.
Ответ. Массовая доля Na₂CO₃ — примерно 77%, NaHCO₃ — примерно 23%. Проверка: доли в сумме дают 100%, а найденные количества вещества — около 0,200 моль.
Считать CO и CO₂ одинаковыми по свойствам. У них разный состав и разные степени окисления углерода: +2 в CO и +4 в CO₂. Путаница возникает из-за того, что оба вещества состоят из углерода и кислорода. Проверяйте формулу, степень окисления и характер оксида: CO ядовит и восстановитель, CO₂ — кислотный оксид.
Записывать CO₂ как вещество с ионной решёткой. Молекулы CO₂ состоят из атомов, связанных ковалентными связями; между собой они не образуют ионную решётку. Ошибка появляется, если переносить свойства солей на любой твёрдый или газообразный химический оксид. Чтобы проверить себя, определите, есть ли у вещества отдельные молекулы: у CO₂ они есть.
Представлять твёрдый SiO₂ как совокупность молекул. В кварце атомы образуют единую пространственную сеть, а запись SiO₂ показывает соотношение атомов, не состав отдельной молекулы. Такую ошибку допускают, перенося запись CO₂ на оксид кремния. Проверка простая: именно прочная сеть объясняет твёрдость и высокую температуру плавления SiO₂.
Считать, что весь растворённый CO₂ превращается в угольную кислоту. В воде устанавливается равновесие, причём большая часть растворённого вещества остаётся в виде CO₂, а H₂CO₃ неустойчива. Упрощённая запись реакции с водой может создать впечатление полного превращения. Проверяйте знак равновесия ⇄ и помните о разложении H₂CO₃ на воду и CO₂.
Для понимания темы нужны знания о степенях окисления, химической связи и кристаллических решётках, а также о кислотных оксидах и составлении уравнений. Реакции CO₂, карбонатов и гидрокарбонатов опираются на свойства кислот и солей. Расчёты по этим реакциям тренируют применение количества вещества и стехиометрических соотношений. Силикаты связывают химию с минералами, составом земной коры и производством стекла и цемента; превращения соединений углерода помогают изучать его круговорот в природе.
Чем оксид углерода(II) отличается от оксида углерода(IV)?
CO содержит один атом кислорода на атом углерода, а CO₂ — два; степени окисления углерода в них равны +2 и +4. CO ядовит и проявляет восстановительные свойства, тогда как CO₂ — кислотный оксид, образующий соли с основаниями.
Почему углекислый газ называют кислотным оксидом?
CO₂ соответствует угольной кислоте H₂CO₃. Он реагирует со щелочами, образуя карбонаты или гидрокарбонаты, поэтому его относят к кислотным оксидам.
Почему угольную кислоту нельзя выделить в устойчивом чистом виде?
Угольная кислота неустойчива и распадается на воду и углекислый газ: H₂CO₃ ⇄ CO₂ + H₂O. Поэтому в растворе устанавливается равновесие, а при удалении CO₂ разложение продолжается.
Почему CO₂ — газ, а SiO₂ — твёрдое вещество?
CO₂ состоит из отдельных молекул, между которыми действуют сравнительно слабые притяжения. В SiO₂ атомы соединены в протяжённую прочную ковалентную структуру, поэтому для её разрушения требуется много энергии.
Как отличить карбонат от гидрокарбоната по реакции с кислотой?
При добавлении кислоты и карбонат, и гидрокарбонат выделяют CO₂, поэтому самого появления пузырьков недостаточно для различения. Для распознавания сравнивают количество выделившегося газа при известном количестве вещества или применяют дополнительные реакции.
§ 34. Соединения углерода 183 § 35. Кремний
