Карбонат кальция, характеристика, свойства и получение, химические реакции

Карбонат кальция, характеристика, свойства и получение, химические реакции.

Карбонат кальция – неорганическое вещество, имеет химическую формулу СаСО3.

Краткая характеристика карбоната кальция

Физические свойства карбоната кальция

Получение карбоната кальция

Химические свойства карбоната кальция

Химические реакции карбоната кальция

Применение и использование карбоната кальция

Краткая характеристика карбоната кальция:

Карбонат кальция – неорганическое вещество белого цвета.

Химическая формула карбоната кальция СаСО3.

Карбонат кальция(углекислый кальций) – неорганическое химическое соединение, соль угольной кислоты и кальция.

Практически не растворяется в воде. Не растворяется в этаноле. Легко растворяется в кислотах с выделением углекислого газа.

Карбонат кальция при прокаливании разлагается. Однако при избыточном давлении углекислого газа (СО2) плавится без разложения.

Карбонат кальция – основная составная часть осадочных и горных пород (известняк, мел, мрамор, доломит, травертин, арагонит, известковые туфы), а также входит в состав скорлупы яиц птиц. Природные запасы карбоната кальция огромны, является распространенным минералом, обнаружен на всех континентах Земли. Некоторые из указанных горных пород практически полностью состоят из карбоната кальция с небольшими примесями.

Встречается в виде трех кристаллических модификаций:

– кальцита (известняк, мел, мрамор);

– арагонита;

– фатерита или ватерита.

Кальцит и арагонит являются устойчивыми кристаллическими модификациями. Фатерит является наименее стабильной разновидностью карбоната кальция, и очень быстро превращается в воде либо в кальцит, либо в арагонит. Фатерит в природе встречается относительно редко.

Зарегистрирован как белый пищевой краситель E170.

Положение в периодической системе химических элементов

Кислород расположен в главной подгруппе VI группы  (или в 16 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Получение карбоната кальция:

Промышленный способ получения карбоната кальция заключается в разработке его месторождений в природе.

В лаборатории карбонат кальция получают гашением негашеной извести и последующим продуванием углекислого газа.

Оксид кальция (негашеная известь) смешивается с водой. В результате образуется так называемое известковое молоко (гидроксид кальция).

CaO H2O → Ca(OH)2.

Так как гидроксид кальция растворяется в воде в небольшом количестве, то после отфильтровывания известкового молока получается прозрачный раствор – известковая вода, которая мутнеет при пропускании через неё диоксида углерода (углекислого газа). В результате образуется карбонат кальция, который выпадает в осадок.

Ca(OH)2 CO2 → CaCO3.

Применение и использование карбоната кальция:

Карбонат кальция используется во множестве отраслей промышленности и для бытовых нужд:

– для письма на досках;

– в быту для побелки потолков, покраски стволов деревьев;

– в целлюлозно-бумажной промышленности – в производстве бумаги  в качестве отбеливателя, наполнителя, а также раскислителя;

– в качестве пищевой добавки в пищевой промышленности;

– в качестве наполнителя при производстве пластмасс, красок, резины, продукции бытовой химии и пр.;

– при производстве предметов гигиены (например, зубной пасты) и лекарственных средств;

– в медицине;

– при производстве силикатного стекла;

– в качестве наполнителя при производстве шпаклёвок и герметиков,

– в сельском хозяйстве для раскисления кислых почв.

Разложение гидроксидов

Как правило, при нагревании разлагаются нерастворимые гидроксиды. Исключением является гидроксид лития, он растворим, но при нагревании в твердом виде разлагается на оксид и воду:

2LiOH = Li2O H2O

Гидроксиды других щелочных металлов при нагревании не разлагаются.

Гидроксиды серебра (I) и меди (I) неустойчивы:

2AgOH = Ag2O H2O

2CuOH = Cu2O H2O

Гидроксиды большинства металлов при нагревании разлагаются на оксид и воду.

В инертной атмосфере (в отсутствии кислорода воздуха) гидроксиды хрома (III) марганца (II) и железа (II) распадаются на оксид и воду:

2Cr(OH)3 = Cr2O3 3H2O

Mn(OH)2 = MnO H2O

Fe(OH)2 = FeO H2O

Большинство остальных нерастворимых гидроксидов металлов также при нагревании разлагаются:

2Fe(OH)3 = Fe2O3 3H2O

2Al(OH)3 = Al2O3 3H2O

Разложение кислот

При нагревании разлагаются нерастворимые кислоты.

Например, кремниевая кислота:

H2SiO3 = H2O SiO2

Некоторые кислоты неустойчивы и подвергаются разложению в момент образования. Большая часть молекул сернистой кислоты и угольной кислоты распадаются на оксид и воду в момент образования:

H2SO3 = H2O SO2↑

H2CO3 = H2O CO2↑

В ЕГЭ по химии лучше эти кислоты записывать в виде оксида и воды.

Например, при действии водного раствора углекислого газа на карбонат калия в качестве реагента мы указываем не угольную кислоту, а оксид углерода (IV) и воду, но подразумеваем угольную кислоту при этом:

K2CO3 H2O CO2 = 2KHCO3

Азотистая кислота на холоде или при комнатной температуре частично распадается уже в водном растворе, реакция протекает обратимо:

2HNO2 = H2O NO2↑ NO↑

При нагревании выше 100оС продукты распада несколько отличаются:

3HNO2 = H2O HNO3↑ 2NO↑

Азотная кислота под действием света или при нагревании частично обратимо разлагается:

4HNO3 = 2H2O 4NO2  O2

Разложение нитратов

Нитраты щелочных металлов при нагревании разлагаются до нитрита металла и кислорода.

Например, разложение нитрата калия:

2KNO3 → 2KNO2 O2

Видеоопыт разложения нитрата калия можно посмотретьздесь.

Нитраты магния, стронция, кальция и бария разлагаются до нитрита и кислорода при нагревании до 500 оС:

Ca(NO3)2 → Ca(NO2)2  O2

Mg(NO3)2 → Mg(NO2)2  O2

Ba(NO3)2 → Ba(NO2)2  O2

Sr(NO3)2 → Sr(NO2)2  O2

При более сильном нагревании (выше 500оС)  нитраты магния, стронция, кальция и бария разлагаются до оксида металла, оксида азота (IV) и кислорода:

2Ca(NO3)2 → 2CaО 4NO2 O2

2Mg(NO3)2 → 2MgО 4NO2 O2

2Sr(NO3)2 → 2SrО 4NO2 O2

2Ba(NO3)2 → 2BaО 4NO2 O2

Нитраты металлов, расположенных в ряду напряжений после магния и до меди (включительно) нитрат лития разлагаются при нагревании до оксида металла, диоксида азота и кислорода:

2Cu(NO3)2 → 2CuО 4NO2 O2

2Pb(NO3)2 → 2PbО 4NO2 O2

4Al(NO3)3 → 2Al2O3 12NO2 3O2

4LiNO3 → 2Li2O 4NO2 O2

Нитраты серебра и ртути разлагаются при нагревании до металла, диоксида азота и кислорода:

2AgNO3 → 2Ag 2NO2 O2

Hg(NO3)2 → Hg 2NO2 O2

Нитрат аммония разлагается при небольшом нагревании до 270оС оксида азота (I) и воды:

NH4NO3 → N2O 2H2O

При более высокой температуре образуются азот и кислород:

2NH4NO3 → 2N2  O2 4H2O

Разложение оксидов

При нагревании разлагаются оксиды тяжелых металлов:

2Ag2O = 4Ag O2

2HgO = 2Hg O2

4CrO3 = 2Cr2O3 O2

2Mn2O7 = 4MnO2 3O2

Разложение перманганата калия

2KMnO4 → K2MnO4 MnO2 O2

Разложение солей аммония

Некоторые соли аммония, не содержащие анионы кислот-сильных окислителей, обратимо разлагаются при нагревании без изменения степени окисления. Это хлорид, бромид, йодид, дигидрофосфат аммония:

NH4Cl →  NH3 HCl

NH4Br →  NH3 HBr

NH4l →  NH3 Hl

NH4H2PO4 →  NH3 H3PO4

Cоли аммония, образованные кислотами-окислителями, при нагревании также разлагаются. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция. Это дихромат аммония, нитрат и нитрит аммония:

NH4NO3 → N2O 2H2O

NH4NO2 → N2  2H2O

Видеоопыт разложения нитрита аммония можно посмотретьздесь.

(NH4)2Cr2O7 → N2 Cr2O3 4H2O

Разложение сульфатов

Сульфаты щелочных металлов при нагревании не разлагаются.

Сульфаты алюминия, щелочноземельных металлов, меди, железа и магния разлагаются до оксида металла, диоксида серы и кислорода:

2MgSO4 → 2MgO 2SO2 O2

2CuSO4 → 2CuO 2SO2 O2

2BaSO4 → 2BaO 2SO2 O2

2Al2(SO4)3 → 2Al2O3 6SO2 3O2

2Fe2(SO4)3 → 2Fe2O3 6SO2 3O2

Сульфаты серебра и ртути разлагаются до металла, диоксида серы и кислорода:

Ag2SO4 → 2Ag SO2 O2

2HgSO4 → 2Hg 2SO2 O2

Разложение сульфитов

Сульфиты щелочных металлов разлагаются до сульфидов и сульфатов:

4Na2SO3 →  Na2S 3Na2SO4

Разложение фосфатов, гидрофосфатов и дигидрофосфатов

Эти реакции, скорее всего, в ЕГЭ по химии не встретятся! Гидрофосфаты щелочных и щелочноземельных металлов разлагаются до пирофосфатов:

2Na2HPO4 →  H2O Na4P2O7

2K2HPO4 →  H2O K4P2O7

2CaHPO4 →  H2O Ca2P2O7

Ортофосфаты при нагревании не разлагаются (кроме фосфата аммония).

Разложение хлоридов

Хлориды щелочных, щелочноземельных металлов, магния, цинка, алюминия и хрома при нагревании не разлагаются.

Хлорид серебра (I) разлагается под действием света:

2AgCl → Ag Cl2

Хлорид аммония при нагревании выше 340 оС разлагается:

NH4Cl → NH3 HCl

Распределение стабильных изотопов углерода и кислорода в карбонатах из осадков центральной части баренцева моря

Соединения кислорода

Основные степени окисления кислород 2, 1, 0, -1 и -2.

Соединения кислорода:

Способ получения

1.Карбонат калия можно получить путем взаимодействия при комнатной температуре пероксида калия и влажного углекислого газа. В результате реакции образуется карбонат калия и кислород:

4KO2 2CO2 = 2K2CO3 3O2

2. В результате взаимодействия пероксида калия и угарного газа при 50º С образуется карбонат калия и кислород:

2KO2 CO = K2CO3 O2

3. При взаимодействии концентрированного гидроксида калия и  углекислого газа образуется карбонат калия и вода:

2KOH СO2 = K2СO3 H2O

4. Взаимодействуя с углеродом (графитом) при 30º С надпероксид калия карбонат калия и углекислый газ:

4KO2 3C = 2K2CO3 CO2

5.Разлагаясь при температуре 100 — 400 ºС гидрокарбонат калия образует карбонат калия, углекислый газ и воду:

2KHCO3 = K2CO3 CO2 H2O

6. В результате реакции между гидрокарбонатом калия и гидроксидом калия образуется карбонат калия и вода:

KHCO3 KOH = K2CO3 H2O

Способы получения кислорода

В промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха.

Лабораторные способы получения кислорода:

• Разложение некоторых кислородосодержащих веществ:

Разложение перманганата калия:

2KMnO4 → K2MnO4 MnO2 O2

Разложение бертолетовой соли в присутствии катализатора  MnO2:

2KClO3 → 2KCl 3O2

Разложение пероксида водорода в присутствии оксида марганца (IV):

2H2O2 →  2H2O O2

2HgO → 2Hg O2

2KNO3 → 2KNO2 O2

Физические свойства и нахождение в природе

Кислород О2 — газ без цвета, вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха. Плохо растворим в воде. Жидкий кислород – голубоватая жидкость, кипящая при -183оС.

Озон О3 — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода.

Кислород — это самый распространённый в земной коре элемент. Кислород входит в состав многих минералов — силикатов, карбонатов и др. Массовая доля элемента кислорода в земной коре —  около 47 %. Массовая доля элемента кислорода в морской и пресной воде составляет 85,82 %. 

В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе.

Физические свойства карбоната кальция:

Химические свойства

При нормальных условиях чистый кислород — очень активное вещество, сильный окислитель. В составе воздуха окислительные свойства кислорода не столь явно выражены.

1. Кислород проявляет свойства окислителя(с большинством химических элементов) и свойства восстановителя(только с более электроотрицательным фтором). В качестве окислителя кислород реагирует и с металлами, и с неметаллами. Большинство реакций сгорания простых веществ в кислороде протекает очень бурно, иногда со взрывом.

1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:

O2   2F2  →  2OF2

С хлором и бромом кислород практически не реагирует, взаимодействует только в специфических очень жестких условиях.

1.2. Кислород реагирует с серой и кремниемс образованием оксидов:

S O2 → SO2

  Si O2 → SiO2

1.3.Фосфоргорит в кислороде с образованием оксидов:

При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):

4P      3O2  →   2P2O3

Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):

4P      5O2  →   2P2O5

1.4.С азотомкислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000оС), образуя оксид азота (II):

    N2  O2→  2NO

1.5. В реакциях с щелочноземельными металлами, литием  и алюминием кислород  также проявляет свойства окислителя. При этом образуются оксиды:

2Ca       O2 → 2CaO

Однако при горении натрияв кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:

    2Na O2→  Na2O2

А вот калий, рубидий и цезий при сгорании образуют смесь продуктов, преимущественно надпероксид:

    K O2→  KO2

Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.

Цинк окисляется до оксида цинка (II):

2Zn O2→  2ZnO

Железо, в зависимости от количества кислорода, образуется либо оксид железа (II), либо оксид железа (III), либо железную окалину:

2Fe O2→  2FeO

4Fe 3O2→  2Fe2O3

3Fe 2O2→  Fe3O4

1.6. При нагревании с избытком кислорода графит горит, образуя оксид углерода (IV):

C     O2  →  CO2

 при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C     O2  →  2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Кислород окисляет бинарные соединения металлов и неметаллов: сульфиды, фосфиды, карбиды, гидриды. При этом образуются оксиды:

4FeS 7O2→  2Fe2O3 4SO2

Al4C3 6O2→  2Al2O3 3CO2

Ca3P2 4O2→  3CaO P2O5

2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:

• летучие водородные соединения (сероводород, аммиак, метан, силан гидриды. При этом также образуются оксиды: 

2H2S 3O2→  2H2O 2SO2

Аммиакгорит с образованием простого вещества, азота:

4NH3 3O2→  2N2 6H2O

Аммиакокисляется на катализаторе (например, губчатое железо) до оксида азота (II):

4NH3 5O2→  4NO 6H2O

• прочие бинарные соединения неметаллов — как правило, соединения серы, углерода, фосфора (сероуглерод, сульфид фосфора и др.):

CS2 3O2→  CO2 2SO2

• некоторые оксиды элементов в промежуточных степенях окисления (оксид углерода (II), оксид железа (II) и др.):

2CO O2→  2CO2

2.3. Кислород окисляет гидроксиды и соли металлов в промежуточных степенях окисления в водных растворах.

Например, кислород окисляет гидроксид железа (II):

4Fe(OH)2 O2 2H2O → 4Fe(OH)3

Кислород окисляет азотистую кислоту:

2HNO2 O2 → 2HNO3

2.4. Кислород окисляет большинство органических веществ. При этом возможно жесткое окисление (горение) до углекислого газа, угарного газа или углерода:

CH4 2O2→  CO2 2H2O

2CH4 3O2→  2CO 4H2O

CH4 O2→  C  2H2O

Также возможно каталитическое окисление многих органических веществ (алкенов, спиртов, альдегидов и др.)

2CH2=CH2 O2 → 2CH3-CH=O

Химические свойства карбоната кальция. химические реакции карбоната кальция:

Карбонат кальция – это средняя соль, образованная сильным основанием (гидроксид кальция Ca(OH)2) и слабой кислотой (угольная кислота H2CO3).

Водные растворы CaCO3 имеют слабую щелочную реакцию.

Химические свойства карбоната кальция аналогичны свойствам карбонатов других металлов. Поэтому для него характерны следующие химические реакции:

1. реакция термического разложения карбоната кальция – обжиг известняка:

CaCO3  → CaO CO2 (t = 900-1200 °C).

В результате реакции образуются оксида кальция и оксид углерода (IV). Обжиг известняка – это промышленный способ получения углекислого газа. Технологически этот процесс в промышленности реализуют в специальных шахтных печах.

2. реакция карбоната кальция и углерода (графита, кокса):

CaCO3 C → CaO 2CO (t = 800-850 °C).

В результате реакции образуются оксид кальция и оксида углерода (II).

3. реакция карбоната кальция и фтороводорода:

CaCO3 2HF → CaF2 CO2 H2O.

В результате реакции образуются фторид кальция, оксид углерода (IV) и вода. При этом фтороводород в качестве исходного вещества используется в виде разбавленного раствора.

4. реакция взаимодействия карбоната кальция и сероводорода:

CaCO3 H2S → CaS H2O CO2 (t = 900 °C).

В результате реакции образуются сульфид кальция, вода и оксид углерода (IV).

Аналогичные реакции протекают и с другими галогеноводородами.

5. реакция взаимодействия карбоната кальция и азотной кислоты:

CaCO3 2HNO3 → Ca(NO3)2 CO2 H2O.

В результате реакции образуются нитрат кальция, оксид углерода (IV) и вода.

6. реакция взаимодействия карбоната кальция и угольной кислоты:

CaCO3 H2CO3 → Ca(HCO3)2.

В результате реакции образуется гидрокарбонат кальция.

7. реакция взаимодействия карбоната кальция и бромной кислоты:

CaCO3 2HBrO3 → Ca(BrO3)2 H2O CO2.

В результате реакции образуются бромат кальция, вода и оксид углерода (IV).

Аналогично проходят реакции карбоната кальция и с другими кислотами. 

8. реакция взаимодействия карбоната кальция, оксида углерода (IV) и воды:

CaCO3 CO2 H2O → Ca(HCO3)2.

В результате реакции образуется гидрокарбонат кальция. Реакция протекает при комнатной температуре.

9. реакция взаимодействия карбоната кальция и оксида кремния:

CaCO3 SiO2 → CaSiO3 CO2 (t ≈ 800 °C).

В результате реакции образуются метасиликат кальция и оксида углерода (IV).

10. реакция взаимодействия карбоната кальция и оксида титана:

CaCO3 TiO2 → CaTiO3 CO2 (t = 800-1100 °C).

В результате реакции образуются титанат кальция и оксида углерода (IV). Реакция протекает при сплавлении реакционной смеси.

11. реакция взаимодействия карбоната кальция, оксида серы и кислорода:

2CaCO3 2SO2 O2 → 2CaSO4 2CO2.

В результате реакции образуются сульфат кальция и оксида углерода (IV). Данная реакция представляет собой метод очистки смеси газов от SO2.

12. реакция взаимодействия карбоната кальция, оксида свинца и кислорода:

4CaCO3 2PbO O2 → 2Ca2PbO4 4CO2 (t ≈ 800 °C).

В результате реакции образуются ортоплюмбат кальция и оксида углерода (IV). Первоначально карбонат кальция и оксид свинца хорошо смешивают друг с другом. Смесь нагревают в трубке для сожжения в потоке воздуха, свободного от диоксида углерода, до среднекрасного каления (около 800°C). Температура не должна превышать 850°C.

13. реакция взаимодействия карбоната кальция и гидроксида натрия:

CaCO3 2NaOH → Na2CO3 Ca(OH)2.

В результате реакции образуются карбонат натрия и гидроксид кальция. При этом гидроксид натрия в качестве исходного вещества используется в виде водного раствора.

14. реакция взаимодействия карбоната кальция и хлорида аммония:

CaCO3 2NH4Cl → CaCl2 2NH3 H2O CO2 (to).

В результате реакции образуются хлорид кальция, аммиак, вода и оксид углерода (IV). Реакция протекает при кипении.

15. реакция взаимодействия карбоната кальция и сульфида калия:

CaCO3 K2S → K2CO3 CaS (t ≈ 1200 °C).

В результате реакции образуются карбонат калия и сульфид кальция.

16. реакция взаимодействия карбоната кальция и сульфида натрия:

Na2S CaCO3 →  Na2CO3 CaS (t ≈ 1200 °C).

В результате реакции образуются карбонат натрия и сульфид кальция.

Электронное строение кислорода

Электронная конфигурация  кислорода в основном состоянии:

😯 1s²2s²2p⁴     1s   2s   2s  2p 

Атом кислорода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 2 неподеленные электронные пары в основном энергетическом состоянии.