30. Оксиды углерода

Определения и обозначения

Оксиды углерода — бинарные соединения углерода с кислородом, то есть вещества, состоящие из атомов двух химических элементов. Главные представители этой группы — CO и CO₂. Их формулы показывают разное соотношение атомов углерода и кислорода, поэтому вещества имеют неодинаковые свойства.

Угарный газ, или оксид углерода(II), имеет формулу CO. Это бесцветный газ без запаха, чрезвычайно токсичный для человека. Название связано с тем, что он образуется при неполном сгорании топлива и вызывает отравление, хотя обнаружить его органами чувств невозможно.

Углекислый газ, или оксид углерода(IV), записывают формулой CO₂. Он образуется при полном окислении углерода и органических веществ, когда кислорода достаточно. Газ бесцветен, а его важнейшие признаки — способность тушить пламя и взаимодействовать с основаниями.

Неполное горение — окисление вещества при недостатке кислорода, при котором вместе с CO₂ или вместо него образуется CO. Такое явление возможно в плохо проветриваемой печи, двигателе или при слабом доступе воздуха к топливу. Понимание этого термина помогает объяснить появление угарного газа и предотвратить отравление.

Как это устроено

При горении атомы углерода соединяются с кислородом. Если кислорода достаточно, каждый атом углерода может присоединить два атома кислорода, поэтому образуется CO₂: C + O₂ → CO₂. При недостатке кислорода окисление останавливается на соединении CO, а не доводится до более полного продукта.

В реальном пламени доступ кислорода может различаться даже рядом расположенных участках. Поэтому при горении одного и того же топлива нередко одновременно образуются CO₂ и CO. Чем хуже перемешиваются топливо и воздух, тем выше вероятность неполного горения и накопления угарного газа.

Молекула CO состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, а молекула CO₂ — из одного атома углерода и двух атомов кислорода. В CO атомы соединены прочной химической связью, но углерод способен дополнительно окислиться до CO₂. В линейной молекуле CO₂ атом углерода находится между двумя атомами кислорода, что связано с устойчивостью и характерными реакциями этого газа.

CO является восстановителем, потому что углерод в нём может перейти в более высокую степень окисления. При нагревании CO отнимает кислород у некоторых оксидов металлов: CuO + CO → Cu + CO₂. В этой реакции оксид меди восстанавливается до меди, а CO окисляется до углекислого газа.

CO₂ — кислотный оксид, так как при взаимодействии с водой образует угольную кислоту: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. С основаниями он даёт соль и воду, например CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O, а с основными оксидами — соль: CO₂ + CaO → CaCO₃. Получают CO неполным сжиганием углерода или природного газа и используют как восстановитель, а CO₂ — при разложении карбонатов, сжигании топлива и в промышленности для тушения пожаров, производства напитков и получения соды.

Сравнение оксида углерода(II) и оксида углерода(IV)

Таблицу удобно использовать для сравнения по одной строке: например, сначала установить различие в образовании, а затем проверить химические свойства. При распознавании неизвестного газа особенно полезны строки о реакции с известковой водой, горении и токсичности. Нельзя определять CO пробой на запах: он не имеет запаха.

Разбор задач

Полное и неполное горение углерода

Условие: записать уравнения горения углерода при достаточном и недостаточном количестве кислорода. Нужно определить продукты и расставить коэффициенты. Количество атомов каждого элемента слева и справа должно совпадать.

1. При достатке кислорода продуктом является CO₂: C + O₂ → CO₂. Уравнение уже сбалансировано.
2. При недостатке кислорода образуется CO: 2C + O₂ → 2CO. Перед углеродом и CO ставим коэффициент 2.
3. Проверяем кислород: в левой части два атома O, в правой также два.

Ответ: при полном горении образуется CO₂, а при неполном — CO. Коэффициенты в уравнениях равны 1:1:1 и 2:1:2 соответственно.

Расчёт массы и объёма CO₂

Условие: при разложении 100 г карбоната кальция определить массу и объём углекислого газа при нормальных условиях. Реакция имеет вид CaCO₃ → CaO + CO₂. Молярные массы: M(CaCO₃) = 100 г/моль, M(CO₂) = 44 г/моль.

1. Находим количество CaCO₃: n = m/M = 100/100 = 1 моль.
2. По уравнению 1 моль CaCO₃ даёт 1 моль CO₂, значит n(CO₂) = 1 моль.
3. Масса газа: m = nM = 1 · 44 = 44 г. Объём при н. у.: V = n · 22,4 = 22,4 л.

Ответ: образуется 44 г, или 22,4 л, углекислого газа. Соотношение веществ берём из коэффициентов уравнения, а не из одинаковых молярных масс.

Определение состава смеси CO и CO₂

Условие: смесь объёмом 10 л пропустили через избыток известковой воды; после поглощения CO₂ осталось 4 л газа. Определить объёмы обоих газов. Известковая вода реагирует с CO₂, а CO при этих условиях не поглощается.

1. Оставшийся газ — CO, поэтому V(CO) = 4 л.
2. Объём углекислого газа равен разности: V(CO₂) = 10 − 4 = 6 л.
3. Проверяем результат: 4 л + 6 л = 10 л, то есть получен исходный объём смеси.

Ответ: смесь содержит 4 л CO и 6 л CO₂. Помутнение известковой воды подтверждает наличие CO₂, но для точного расчёта нужно измерить объём газа после его удаления.

Типичные ошибки

CO и CO₂ иногда считают одинаковыми газами, потому что оба состоят из углерода и кислорода. На самом деле у них разное число атомов кислорода, разная токсичность и разные реакции. Проверяйте формулу и название: (II) соответствует CO, а (IV) — CO₂.

Некоторые записывают образование CO₂ при любом горении, не учитывая количество воздуха. При недостатке кислорода образуется CO, иногда вместе с CO₂. Сверяйте продукт с условием: «полное» горение означает CO₂, «неполное» — CO.

Ошибка считать CO₂ горючим газом возникает из-за того, что он образуется при горении. Сам углекислый газ не горит и не поддерживает горение, поэтому применяется в огнетушителях. Проверка проста: внесённое в CO₂ пламя гаснет.

В уравнениях с CO₂ иногда получают неверные продукты, не определив тип реагента. С основаниями и основными оксидами образуются соли, а с водой — угольная кислота. Перед записью реакции определите, является ли второе вещество основанием, водой или основным оксидом.

Связь с другими темами

Для изучения оксидов углерода нужны понятия оксида, степени окисления, валентности, реакций соединения и разложения. Закон сохранения массы помогает расставлять коэффициенты и проверять уравнения. Без этих основ трудно выполнять расчёты по химическим реакциям.

Тема связана с горением топлива, дыханием и фотосинтезом. CO₂ образуется при дыхании и используется растениями, а CO появляется при недостаточном доступе воздуха. Оба процесса входят в круговорот углерода и влияют на состав атмосферы.

Знания пригодятся при изучении карбонатов и угольной кислоты, окислительно-восстановительных реакций и расчётов по уравнениям. Свойства CO объясняют его роль в металлургии, а свойства CO₂ — применение в пожаротушении и промышленности.

Что запомнить

• Основные оксиды углерода — CO и CO₂.
• При полном горении углерода образуется CO₂, при недостатке кислорода — CO.
• CO — ядовитый газ без цвета и запаха.
• CO обладает восстановительными свойствами и реагирует с некоторыми оксидами металлов.
• CO₂ — кислотный оксид, не поддерживающий горение.
• CO₂ реагирует с водой, основаниями и основными оксидами.
• Наличие CO₂ можно обнаружить с помощью известковой воды.