"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Оксид углерода(II), или угарный газ, — соединение углерода с кислородом формулы CO. Он образуется при недостатке кислорода во время горения, а при дальнейшем окислении превращается в CO₂. В металлургии CO используют как восстановитель для получения металлов из оксидов, а также он входит в состав карбонилов металлов. При этом CO бесцветен, не имеет запаха и очень токсичен: газ связывается с гемоглобином и мешает переносу кислорода. Поэтому важно знать, как он образуется, реагирует и чем опасен.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид углерода(II), CO, — бинарное соединение углерода с кислородом, в котором углерод имеет степень окисления +2. Число в названии показывает именно степень окисления элемента, а не количество атомов в молекуле. Формула CO означает, что в каждой молекуле есть по одному атому углерода и кислорода. Это обозначение помогает отличать вещество от углекислого газа CO₂.
Угарный газ — бытовое название оксида углерода(II), бесцветного токсичного газа без запаха. Поскольку органы чувств не позволяют заметить его присутствие, бытового «обнаружения» по запаху не существует. Для контроля используют специальные датчики и анализ воздуха. Понимание этого свойства необходимо, чтобы оценивать опасность газа не по ощущениям, а по условиям его появления.
Восстановитель — вещество, отдающее электроны и понижающее степень окисления другого элемента; в реакциях с оксидами металлов эту роль выполняет CO. Сам углерод при этом повышает степень окисления с +2 до +4 и входит в состав CO₂. Так можно проверить, кто именно восстановитель: он сам окисляется, пока другой элемент восстанавливается. Это определение помогает разбирать реакции CO с рудами.
Карбонилы металлов — соединения, в которых молекулы CO связаны с атомами металлов. В таких веществах CO не просто находится рядом с металлом, а входит в состав химического соединения. Карбонилы показывают, что оксид углерода(II) способен взаимодействовать не только с кислородом и оксидами. Термин нужен для описания отдельного класса соединений углерода с металлами.
Молекула CO линейна: два атома расположены на одной прямой, потому что в ней всего два атома. Между углеродом и кислородом образуется очень прочная связь, которую в школьной модели рассматривают как тройную. Её прочность связана с общей электронной структурой атомов и тем, что между ними образуются три общие электронные пары. Поэтому CO достаточно устойчив при обычных условиях, хотя может вступать в реакции при нагревании.
Продукт горения зависит от того, сколько кислорода доступно топливу. При достатке кислорода углерод окисляется полностью до CO₂, а при недостатке — лишь до CO; пример неполного горения: 2C + O₂ → 2CO. Углеводороды в тех же условиях тоже могут давать CO, например 2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O. Причина не в особом виде топлива, а в ограниченном количестве окислителя для завершения горения.
При обычных условиях CO — бесцветный газ без запаха и мало растворяется в воде. Эти физические свойства делают утечку особенно опасной: человек не видит газ и не может распознать его по запаху, а растворение в воде не обеспечивает быстрого удаления из воздуха. Поэтому отсутствие тревожных ощущений не означает, что воздух безопасен. Требуются вентиляция и приборный контроль состава воздуха.
В кислороде CO сгорает с образованием CO₂: 2CO + O₂ → 2CO₂. При этой реакции разрываются связи в исходных веществах и образуются новые, более устойчивые связи в углекислом газе. Разность энергии выделяется в виде теплоты, поэтому реакция экзотермическая и может поддерживать горение. При достатке кислорода CO окисляется дальше, чем углерод в нём был окислен изначально.
В оксидах металлов CO отнимает кислород у оксида, превращаясь в CO₂, а металл выделяется в свободном виде. Возможность реакции зависит от природы металла и условий, в частности от температуры и устойчивости его оксида; при нагревании восстановление часто идёт быстрее. В общем виде процесс записывают так: CO + оксид металла → металл + CO₂, но конкретные коэффициенты зависят от формулы оксида. Это свойство используют в металлургии для получения металлов из руд.
Таблица связывает состав CO с его физическими и химическими свойствами, а также с практическим значением. При чтении сначала определите характеристику, затем сопоставьте уравнение с условиями и признаками реакции. Для конкретной реакции восстановления общее выражение нужно заменить уравнением с формулой выбранного оксида металла.
| Характеристика | Содержание или уравнение | Условия, признаки и значение |
|---|---|---|
| Формула и строение | CO; линейная молекула с прочной тройной связью | Углерод имеет степень окисления +2 |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха, мало растворимый в воде | Высокая токсичность; утечку трудно обнаружить без приборов |
| Получение при неполном горении | 2C + O₂ → 2CO; 2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O | Недостаток кислорода |
| Горение | 2CO + O₂ → 2CO₂ | Избыток кислорода; выделение теплоты |
| Восстановительные свойства | CO + оксид металла → металл + CO₂ | Нагревание; применяется при получении металлов |
| Токсическое действие | CO связывается с гемоглобином и препятствует переносу кислорода | Необходимы вентиляция, контроль состава воздуха и быстрое удаление источника газа |
Условие. Составьте уравнения горения углерода при недостатке и избытке кислорода и назовите продукты. Сначала определяем, насколько полно окисляется углерод: недостаток кислорода приводит к CO, а избыток позволяет получить CO₂. Затем проверяем, что число атомов каждого элемента одинаково слева и справа. Такой порядок помогает не перепутать два возможных продукта.
Ответ. При недостатке кислорода образуется CO, при избытке — CO₂. Оба уравнения сбалансированы по числу атомов. Условия горения определяют, какое из них описывает процесс.
Условие. Какой объём CO образуется при неполном сгорании 12 г углерода при н. у.? Запишите уравнение реакции. Важно сначала найти количество вещества углерода, а затем использовать соотношение частиц из уравнения. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль.
Ответ. 2C + O₂ → 2CO; образуется 22,4 л CO. Расчёт предполагает, что весь углерод прореагировал и кислорода достаточно для указанного неполного горения. При других условиях молярный объём газа будет иным.
Условие. Через нагретый оксид железа(III) пропустили 6,72 л CO при н. у.; найдите теоретическую массу железа и объём CO₂. Сначала составляем уравнение, потому что именно коэффициенты задают соотношение веществ. Затем переводим объём CO в количество вещества. Предполагаем, что CO полностью реагирует, а выход железа равен теоретическому.
Ответ. Теоретически образуется 11,2 г Fe и 6,72 л CO₂. Для расчёта объёма продукта использован тот же молярный объём, поскольку CO₂ рассматривается при нормальных условиях. В реальном процессе выход может быть ниже теоретического.
Путают CO и CO₂, хотя у них различаются состав, степень окисления углерода и химические свойства. Такая путаница возникает из-за похожих названий и общей пары элементов. Проверяйте индекс у кислорода и степень окисления: в CO углерод +2, а в CO₂ — +4. Также не переносите свойства одного вещества на другое без проверки.
Считают, что при любом горении углерода получается только CO₂. Это верно лишь при достатке кислорода, поскольку для полного окисления он необходим. При нехватке кислорода образуется CO, а при горении углеводородов возможны также вода и другие продукты. Перед записью уравнения выясните, какие условия указаны, и проверьте баланс атомов.
Записывают CO как сильный окислитель в типичной реакции с оксидом металла. Ошибка появляется, если судить о роли вещества только по наличию кислорода в его составе. В реакции CO превращается в CO₂, то есть углерод повышает степень окисления, а металл восстанавливается. Сравните степени окисления до и после реакции: окисляющееся вещество здесь CO и оно является восстановителем.
Полагают, что отсутствие запаха означает безопасность газа. Это опасный вывод: органы чувств не обнаруживают CO, а его токсичность связана со связыванием с гемоглобином. Поэтому нельзя проверять воздух «на запах» или считать помещение безопасным из-за отсутствия симптомов. Используйте вентиляцию и датчики, а при подозрении на утечку действуйте по правилам безопасности.
Для понимания CO нужны знания о степенях окисления, формулах веществ и окислительно-восстановительных реакциях. Его горение связывает тему с тепловым эффектом реакций: окисление сопровождается выделением энергии. В металлургии восстановительные свойства CO применяют при получении металлов из руд. Знание условий образования газа и его токсичности полезно при изучении топлива, экологии и правил безопасности.
Почему угарный газ называют угарным, если он не имеет запаха?
Название связано не с запахом, а с действием газа: при попадании в организм CO нарушает снабжение тканей кислородом и вызывает отравление. Сам газ не имеет запаха, поэтому обнаружить его органами чувств нельзя.
Чем CO отличается от CO2 по строению и химическим свойствам?
В молекуле CO один атом углерода связан с одним атомом кислорода, а степень окисления углерода равна +2. В CO₂ углерод связан с двумя атомами кислорода и имеет степень окисления +4; CO легко окисляется до CO₂ и часто выступает восстановителем.
Почему при недостатке кислорода образуется CO, а не только CO2?
Для полного окисления углерода до CO₂ требуется больше кислорода. Если его не хватает, часть углерода окисляется только до CO, поэтому состав продуктов зависит от соотношения топлива и кислорода.
Всегда ли CO является восстановителем?
Нет, это зависит от конкретной реакции. В типичных реакциях с оксидами металлов CO отдаёт электроны, окисляется до CO₂ и восстанавливает металл, поэтому выступает восстановителем.
Почему угарный газ особенно опасен в закрытом помещении?
Он не имеет цвета и запаха, поэтому его концентрация может расти незаметно. CO связывается с гемоглобином и препятствует переносу кислорода, а в закрытом помещении опасный газ может накапливаться.
19.4. Оксид углерода(II)
