§ 32. Углерод и его неорганические соединения

Определения и обозначения

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Алмаз, графит и фуллерены — разные формы углерода, а не разные элементы. Это понятие помогает понять, почему один и тот же элемент может быть и очень твёрдым, и мягким.

Угарный газ — оксид углерода(II), формула CO. Его молекула состоит из атомов углерода и кислорода, газ бесцветен и не имеет запаха. CO ядовит, горит и способен отнимать кислород у некоторых веществ, поэтому его считают восстановителем.

Углекислый газ — оксид углерода(IV), формула CO₂. Это бесцветный газ, который образуется, например, при дыхании и горении топлива, а растения используют его при фотосинтезе. Его свойства объясняют и участие в круговороте углерода, и применение для обнаружения углекислого газа.

Угольная кислота H₂CO₃ — слабая и неустойчивая кислота, возникающая при растворении CO₂ в воде. Она легко разлагается обратно на воду и углекислый газ. Её соли называют карбонатами, а соли с гидрокарбонат-ионом HCO₃⁻ — гидрокарбонатами; эти названия нужны для описания реакций углекислого газа и минералов.

Как это устроено

У атома углерода четыре электрона на внешнем энергетическом уровне, поэтому он может образовывать несколько ковалентных связей — связей за счёт общих электронных пар. Углерод соединяется как с атомами других элементов, так и сам с собой, создавая цепи, кольца и сетчатые структуры. Прочные связи между атомами объясняют огромное разнообразие соединений углерода и существование многих его форм.

Свойства алмаза и графита различаются не из-за разного состава, а из-за разного расположения атомов. В алмазе каждый атом соединён с четырьмя соседями в жёсткую пространственную структуру, поэтому алмаз очень твёрдый. В графите атомы образуют плоские слои; слои легко сдвигаются, а некоторые электроны могут перемещаться, поэтому графит мягкий и проводит электрический ток. У фуллеренов атомы углерода образуют замкнутые полые молекулы.

В соединениях углерод может иметь разные степени окисления — условные заряды атомов, которые определяют по распределению электронов в связях. В CO степень окисления углерода равна +2, а в CO₂ — +4: во втором оксиде на атом углерода приходится больше связанного кислорода. Поэтому оксиды отличаются не только формулами, но и свойствами: CO — нейтральный оксид и восстановитель, а CO₂ — кислотный оксид.

CO возникает, когда для полного окисления углерода не хватает кислорода: C + O₂ → CO₂, а при недостатке кислорода 2C + O₂ → 2CO. Угарный газ горит при нагревании, превращаясь в CO₂: 2CO + O₂ → 2CO₂. Он опасен тем, что связывается с гемоглобином крови и мешает переносу кислорода; отсутствие цвета и запаха делает его особенно коварным. Восстановительное действие проявляется, например, в реакции CuO + CO → Cu + CO₂.

CO₂ растворяется в воде с образованием слабой угольной кислоты: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Как кислотный оксид, он реагирует с основными оксидами и щелочами: CO₂ + CaO → CaCO₃; CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O. С карбонатами в присутствии воды он может образовывать гидрокарбонаты: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂. При пропускании газа через известковую воду появляется белый осадок CaCO₃, поэтому этот опыт используют как качественную реакцию на CO₂.

Углерод и его важнейшие неорганические соединения

Сравнивайте вещества по формуле и способу получения, а затем связывайте их свойства с применением или значением. Стрелка вверх в уравнении обычно показывает выделение газа, а стрелка вниз — выпадение осадка. Таблица помогает не смешивать свойства CO и CO₂ и быстро выбрать подходящее уравнение реакции.

Разбор задач

1. Полное и неполное горение

Запишите уравнения полного и неполного горения углерода и определите, какой оксид образуется при недостатке кислорода. При полном сгорании образуется CO₂, а при недостатке кислорода — CO. Проверим баланс атомов в обоих уравнениях.

1. При избытке кислорода записываем C + O₂ → CO₂. Слева и справа по одному атому углерода и по два атома кислорода, поэтому коэффициенты уже расставлены.
2. При недостатке кислорода сначала записываем C + O₂ → CO. Чтобы уравнять кислород, ставим 2 перед CO, затем 2 перед C: 2C + O₂ → 2CO.
3. Сверяем количество атомов: во втором уравнении с каждой стороны два атома C и два атома O. Значит, при недостатке кислорода получается угарный газ.

Ответ: C + O₂ → CO₂; 2C + O₂ → 2CO. При недостатке кислорода образуется CO.

2. Углекислый газ и известковая вода

Через известковую воду пропустили CO₂, а затем продолжили пропускание газа. Сначала ожидаем помутнение: возникает малорастворимый карбонат кальция. При избытке CO₂ осадок превращается в растворимый гидрокарбонат кальция, и смесь снова становится прозрачной.

1. Записываем исходные вещества первой реакции: CO₂ и гидроксид кальция Ca(OH)₂. Продукты — CaCO₃ и вода: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.
2. Проверяем состав: по одному атому Ca и C, четыре атома H и четыре атома O с каждой стороны. Белый осадок CaCO₃ объясняет помутнение.
3. Для избытка газа учитываем воду и уже образовавшийся осадок: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂. Продукт растворим, поэтому осадок исчезает, а раствор проясняется.

Ответ: сначала появляется белый осадок CaCO₃, затем он растворяется с образованием Ca(HCO₃)₂. Уравнения: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O; CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂.

3. Расчёт объёма углекислого газа

При обжиге 20 г CaCO₃ рассчитайте количество вещества CO₂ и его объём при нормальных условиях. Сначала найдём количество исходного карбоната, затем воспользуемся соотношением веществ в уравнении и молярным объёмом газа. Молярная масса CaCO₃ равна 40 + 12 + 3 · 16 = 100 г/моль.

1. Записываем реакцию обжига: CaCO₃ → CaO + CO₂. Соотношение количеств веществ CaCO₃ и CO₂ равно 1:1.
2. Находим количество карбоната: n(CaCO₃) = m/M = 20 г / 100 г/моль = 0,20 моль. Значит, образуется столько же CO₂: n(CO₂) = 0,20 моль.
3. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Поэтому V(CO₂) = n · 22,4 = 0,20 · 22,4 = 4,48 л.

Ответ: количество углекислого газа — 0,20 моль, объём при нормальных условиях — 4,48 л.

Типичные ошибки

• Считать алмаз и графит разными элементами. Это две аллотропные формы углерода: состав у них одинаковый, но строение различается. Ошибку допускают, потому что вещества выглядят и ведут себя неодинаково. Проверьте себя: в обеих формулах стоит один и тот же символ C.
• Путать свойства CO и CO₂. CO ядовит, горюч и может восстанавливать оксиды, а CO₂ не горит и обнаруживается известковой водой. Путаница возникает из-за сходных названий и общего элемента в составе. Сверяйте формулу: реакцию с известковой водой записывают для CO₂, а не для CO.
• Называть CO₂ кислотой. Углекислый газ — кислотный оксид, а H₂CO₃ — кислота, возникающая при его растворении в воде. Ошибку провоцирует связь этих веществ между собой. Проверьте формулу: в кислоте есть водород, которого нет в CO₂.
• Не учитывать количество кислорода при горении. В избытке кислорода образуется CO₂, а при недостатке — CO. Одинаковые продукты записывают, если забывают, что окисление может быть неполным. Сопоставьте условие задачи с уравнением и проверьте баланс атомов.

Связь с другими темами

Для работы с темой нужны знания о степенях окисления, формулах бинарных соединений, типах оксидов и расстановке коэффициентов. Свойства угольной кислоты и её солей помогают изучать кислоты, основания, соли, реакции обмена и качественные реакции на карбонат-ионы. Углеродные соединения будут встречаться и в органической химии, а CO₂ связывает химию с круговоротом веществ в природе и экологическими проблемами.

Что запомнить

• Углерод образует несколько аллотропных форм, наиболее известные — алмаз и графит.
• При полном горении углерода образуется CO₂, при недостатке кислорода — CO.
• CO — ядовитый горючий газ и восстановитель.
• CO₂ — бесцветный негорючий газ и кислотный оксид.
• CO₂ мутнит известковую воду из-за образования CaCO₃.
• Угольная кислота образуется в водном растворе CO₂ и легко разлагается.
• Карбонаты при взаимодействии с кислотами обычно выделяют CO₂.