Оксид углерода цвет и запах

.
.

Монооксид углерода (лат. ; другие названия — уга́рный газ, окись углерода, моноокись углерода, оксид углерода (II)) — бесцветный газ без вкуса и запаха. Химическая формула CO.

• Класс опасности ООН 2,3
• Вторичная опасность по классификации ООН 2,1

Монооксид углерода был впервые получен французским химиком Жаком де Лассоном в 1776 при нагревании оксида цинка с углём, но первоначально его ошибочно приняли за водород, так как он сгорал синим пламенем. То, что в состав этого газа входит углерод и кислород, выяснил в 1800 английский химик Вильям Крукшэнк. Моноксид углерода вне атмосферы Земли впервые был обнаружен бельгийским ученым М. Мижотом (M. Migeotte) в 1949 году по наличию основной колебательно-вращательной полосы в ИК спектре Солнца.

Молекула CO, так же, как и изоэлектронная ей молекула азота, имеет тройную связь. Так как эти молекулы сходны по строению, то и свойства их также схожи — очень низкие температуры плавления и кипения, близкие значения стандартных энтропий и т. п.

В рамках метода валентных связей строение молекулы CO можно описать формулой :C≡O:, причём третья связь образована по донорно-акцепторному механизму, где углерод является акцептором электронной пары, а кислород — донором.

Согласно методу молекулярных орбиталей электронная конфигурация невозбуждённой молекулы CO σ2Oσ2zπ4x, yσ2C. Тройная связь образована σ—связью, образованной за счёт σz электронной пары, а электроны дважды вырожденного уровня πx, y соответствуют двум σ—связям. Электроны на несвязывающих σC—орбитали и σO—орбитали соответствуют двум электронным парам, одна из которых локализована у атома углерода, другая — у атома кислорода.

Благодаря наличию тройной связи молекула CO весьма прочна (энергия диссоциации 1069 кДж/моль, или 256 ккал/моль, что больше, чем у любых других двухатомных молекул) и имеет малое межъядерное расстояние (dC≡O=0,1128 нм или 1,13Å).

1. Образуется при горении углерода или соединений на его основе (например, бензина) в условиях недостатка кислорода:

2. или при восстановлении диоксида углерода раскалённым углём:

CO2 + C ↔ 2CO↑ (ΔH=172 кДж, ΔS=176 Дж/К).

Эта реакция часто происходит при печной топке, когда слишком рано закрывают печную заслонку (пока окончательно не прогорели угли). Образующийся при этом монооксид углерода, вследствие своей ядовитости, вызывает физиологические расстройства («угар») и даже смерть (см. ниже), отсюда и одно из тривиальных названий — «угарный газ». Картина протекающих в печи реакций приведена на схеме.

Реакция восстановления диоксида углерода обратимая, влияние температуры на состояние равновесия этой реакции приведено на графике. Протекание реакции вправо обеспечивает энтропийный фактор, а влево — энтальпийный. При температуре ниже 400°C равновесие практически полностью сдвинуто влево, а при температуре выше 1000°C вправо (в сторону образования CO). При низких температурах скорость этой реакции очень мала, поэтому монооксид углерода при нормальных условиях вполне устойчив. Это равновесие носит специальное название равновесие Будуара.

3. Смеси монооксида углерода с другими веществами получают при пропускании воздуха, водяного пара и т. п. сквозь слой раскалённого кокса, каменного или бурого угля и т. п. (см. генераторный газ, водяной газ, смешанный газ, синтез-газ).

1. Разложение жидкой муравьиной кислоты под действием горячей концентрированной серной кислоты, либо пропуская муравьиную кислоту над оксидом фосфора P2O5. Схема реакции:

Можно также обработать муравьиную кислоту хлорсульфоновой. Эта реакция идёт уже при обычной температуре по схеме:

2. Нагревание смеси щавелевой и концентрированной серной кислот. Реакция идёт по уравнению:

Выделяющийся совместно с CO диоксид углерода можно удалить, пропустив смесь через баритовую воду.

3. Нагревание смеси гексацианоферрата (II) калия с концентрированной серной кислотой. Реакция идёт по уравнению:

Токсическое действие CO на человека

Оксид углерода (II) 
 1. Строение молекулы и физические свойства 
 2. Способы получения 
3. Химические свойства
3.1. Взаимодействие с кислородом
3.2. Взаимодействие с хлором
3.3. Взаимодействие с водородом
3.4. Взаимодействие с щелочами
3.5. Взаимодействие с оксидами металлов
3.6. Взаимодействие с прочими окислителями

Оксид углерода (II)

Оксид углерода (II) («угарный газ») –  это газ без цвета и запаха. Сильный яд. Небольшая концентрация угарного газа в воздухе может вызвать сонливость и головокружение. Большие концентрации угарного газа вызывают удушье.

Строение молекулы оксида углерода (II) – линейное. Между атомами углерода и кислорода образуется тройная связь, за счет дополнительной донорно-акцепторной связи:

В лаборатории угарный газ  можно получить действием концентрированной серной кислоты на муравьиную или щавелевую кислоты:

угарный газ получают в газогенераторах при пропускании воздуха через раскаленный уголь:

Еще один важный получения угарного газа — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

Также возможна паровая конверсия угля:

Угарный газ в промышленности также можно получать неполным окислением метана:

Оксид углерода (II) –  . За счет углерода со степенью окисления +2 проявляет свойства.

Угарный газ горит в атмосфере . Пламя окрашено в синий цвет:

Оксид углерода (II) окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием фосгена. Фосген – ядовитый газ.

Угарный газ взаимодействует с водородом при повышенном давлении. Смесь угарного газа и водорода называется синтез-газ. В зависимости от условий из синтез-газа можно получить метанол, метан, или другие углеводороды.

, под давлением больше 20 атмосфер, при температуре 350°C и под действием катализатора угарный газ реагирует с водородом с образованием метанола:

4. Под давлением оксид углерода (II) реагирует с щелочами. При этом образуется формиат – соль муравьиной кислоты.

, угарный газ реагирует с гидроксидом натрия с образованием формиата натрия:

Оксид восстанавливает металлы из .

, оксид углерода (II) реагирует с оксидом железа (III) с образованием железа и углекислого газа:

Оксиды меди (II) и никеля (II)  также восстанавливаются угарным газом:

Угарный газ окисляется и другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов.

, пероксидом натрия:

Монооксид углерода представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха. Так называемый «запах угарного газа» на самом деле представляет собой запах органических примесей.

Основными типами химических реакций, в которых участвует монооксид углерода, являются реакции присоединения и окислительно-восстановительные реакции, в которых он проявляет восстановительные свойства.

Окисление СО в растворе часто идёт с заметной скоростью лишь в присутствии катализатора. При подборе последнего основную роль играет природа окислителя. Так, KMnO4 быстрее всего окисляет СО в присутствии мелкораздробленного серебра, K2Cr2O7 — в присутствии солей ртути, KClO3 — в присутствии OsO4. В общем, по своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный водород.

Ниже 830°C более сильным восстановителем является CO, — выше — водород. Поэтому равновесие реакции:

H2O + CO ↔ CO2 + H2 + 42 кДж

до 830°С смещено вправо, выше 830°C влево.

Интересно, что существуют бактерии, способные за счёт окисления СО получать необходимую им для жизни энергию.

Монооксид углерода горит синим пламенем (температура начала реакции 700°C) на воздухе:

Температура горения CO может достигать 2100°C, она является цепной, причём инициаторами служат небольшие количества водородсодержащих соединений (вода, аммиак, сероводород и др.)

Благодаря такой хорошей теплотворной способности, CO является компонентом разных технических газовых смесей (см., например генераторный газ), используемых, в том числе, для отопления.

Монооксид углерода реагирует с галогенами. Наибольшее практическое применение получила реакция с хлором:

Реакция экзотермическая, её тепловой эффект 113 кДж, в присутствии катализатора (активированный уголь) она идёт уже при комнатной температуре. В результате реакции образуется фосген — вещество, получившее широкое распространение в разных отраслях химии (а также как боевое отравляющее вещество). По аналогичным реакцииям могут быть получены COF2 (карбонилфторид) и COBr2 (карбонилбромид). Карбонилиодид не получен. Экзотермичность реакций быстро снижается от F к I (для реакций с F2 тепловой эффект 481 кДж, с Br2 — 4 кДж). Можно также получать и смешанные производные, например COFCl (подробнее см. галогенпроизводные угольной кислоты).

Реакцией CO с F2, кроме карбонилфторида можно получить перекисное соединение (FCO)2O2. Его характеристики: температура плавления −42°C, кипения +16°C, обладает характерным запахом (похожим на запах озона), при нагревании выше 200°C разлагается со взрывом (продукты реакции CO2, O2 и COF2), в кислой среде реагирует с иодидом калия по уравнению:

Монооксид углерода реагирует с халькогенами. С серой образует сероксид углерода COS, реакция идёт при нагревании, по уравнению:

Получены также аналогичные селеноксид COSe и теллуроксид COTe.

C переходными металлами образует очень летучие, горючие и ядовитые соединения — карбонилы, такие как Cr(CO)6, Ni(CO)4, Mn2CO10, Co2(CO)9 и др.

Как указано выше, монооксид углерода незначительно растворяется в воде, однако не реагирует с ней. Также он не вступает в реакции с растворами щелочей и кислот. Однако с расплавами щелочей вступает в реакцию:

Интересна реакция монооксида углерода с металлическим калием в аммиачном растворе. При этом образуется взрывчатое соединение диоксодикарбонат калия:

Реакцией с аммиаком при высоких температурах можно получить важное для промышленности соединение — циановодород HCN. Реакция идёт в присутствии катализатора (оксид тория ThO2) по уравнению:

ОКСИД УГЛЕРОДА (окись углерода, угарный газ — CO) — газ без цвета и запаха; почти не поглощается активированным углем; горит синим пламенем с образованием CO2 и выделением тепла; концентрационные пределы взрываемости (КПВ) в смеси с воздухом 12,5—74,2%; смесь CO : O2 = 2 : 1 (по объему) взрывается при зажигании. CO образуется при сгорании органических видов топлива (древесина, уголь, бумага, масла, бензины, газы, взрывчатые вещества и др.) в условиях недостатка О2; при взаимодействии CO2 с раскаленным углем, при конверсии метана в присутствии различных катализаторов.

Естественный уровень CO в атмосфере 0,01—0,9 мг/м3 (в северном полушарии в 3 раза выше); 90% атмосферного CO образуется в результате естественных процессов (вулканические и болотные газы, лесные и степные пожары, жизнедеятельность наземной и океанической флоры и фауны, окисление метана в тропосфере). Сотни миллионов тонн CO поступают в атмосферу ежегодно в результате деятельности человека: автотранспорт, железнодорожный и морской транспорт; неисправность газопроводов и газоаппаратуры; металлургия, химическая индустрия (крекинг-процесс, производство формалина, углеводородов, аммиака, соды, фосгена, метилового спирта, муравьиной и щавелевой кислот, метана и др., производство и переработка синтетических волокон), угледобывающая промышленность (добыча угля и углеподающие трассы, поверхностное окисление угля в шахтах, тление терриконов); производство табака, хлеба; светокопирование; переработка отходов; сжигание топлива в быту.

В промышленности CO получают путем неполного окисления природного газа или газификацией угля и кокса. CO является одним из исходных соединений в органическом синтезе, используется как восстановитель в металлургии, производстве карбонилов, ароматических альдегидов, формамида, гексагидроксибензола, хлорида алюминия, метанола, синтетического бензина, синтола.

В основе биологического действия CO лежит образование карбоксигемоглобина (HbCO), при этом CO занимает место кислорода. В результате синтезируется HbCO вместо оксигемоглобина (HbO2). Сродство гемоглобина (Hb) человека к CO приблизительно в 240 раз выше, чем к О2. HbCO затрудняет подачу кислорода к тканям и высвобождение кислорода, доставленного молекулами Hb в ткани. CO связывается также с мышечным гемоглобином (миоглобином), что приводит к образованию карбоксимиоглобина и существенно влияет на обмен веществ в мышцах (особенно сердечной мышцы). В обычных условиях в организме человека образуется небольшое количество CO и уровень эндогенного HbCO составляет 0—0,7%. Нормой для разных категорий населения принято считать следующие уровни HbCO: беременные женщины — 0,4—2,6%, здоровые дети — 0,5—4,7%, взрослые — 1—5%, пациенты с гемолитической анемией — до 6%, курильщики (1 пачка в день) — 3—7%.

Тяжесть отравления зависит от концентрации и длительности воздействия CO, наличия сопутствующих хронических заболеваний и особенностей состояния здоровья человека, интенсивности дыхания. К группам риска при отравлении угарным газом относятся: беременные женщины, курильщики, лица с повышенной легочной вентиляцией (дети и подростки, лица, связанные с тяжелым физическим трудом или работающие в условиях нагревающего микроклимата, с высокой температурой тела), лица, страдающие заболеваниями сердечно-сосудистой системы (напр., ишемической болезнью сердца, церебральным или общим атеросклерозом), системной гипоксией, анемией, гипертиреозом. Мужчины более чувствительны к отравлению CO, чем женщины.

Концентрация карбоксигемоглобина HbCO в крови
и симптомы отравления угарным газом

Легкие отравления протекают без потери сознания или с кратковременным обмороком, могут сопровождаться сонливостью, тошнотой, рвотой. Отравления средней тяжести характеризуются потерей сознания различной длительности, после чего сохраняется общая слабость; могут быть провалы памяти, двигательные расстройства, судороги. При тяжелых отравлениях потеря сознания длится более 2 ч, происходят клонические и тонические судороги, непроизвольное мочеиспускание и дефекация.

Первые признаки типичной картины отравления при вдыхании угарного газа в концентрациях до 1000 мг/м3 появляются уже через 5—10 мин: тяжесть и ощущение сдавливания головы, боль в лобных и височных областях, головокружение, затем присоединяются слабость, чувство страха и жажды, ощущение недостатка воздуха, пульсация височных артерий, тошнота, рвота. В дальнейшем, при сохранении сознания — мышечная слабость, оцепенелость и безучастность (или даже ощущение приятной истомы), из-за чего человек вскоре не может покинуть опасную зону; сонливость, спутанность и потеря сознания. В редких случаях наблюдаются атипические формы отравления — внезапная потеря сознания без предварительных симптомов либо острые психические расстройства во время или через 2—3 недели после воздействия высоких концентраций CO.

Последствиями острого отравления могут быть: продолжительные головные боли и головокружения, обмороки, энцефалопатии, психозы (редко), паркинсонизм; стойкие нарушения функции кишечника и мочевого пузыря; расстройства периферической нервной системы (двигательные, чувствительные и трофические); снижение остроты зрения и слуха, нарушение функции вестибулярного аппарата; трофические расстройства кожи, ногтей, волос; поражение органов дыхания, мышц, суставов; нарушение работы сердца (гипотония, тахикардия, экстрасистолия, стенокардия, инфаркт миокарда); гипертиреоз; поражение печени, надпочечников, почек; снижение иммунитета. Кроме того, у молодых пострадавших — хореоидные гиперкинезы, у пожилых — депрессия, деменция, амнезия, прогрессирующая кахексия.

Повторное воздействие. CO не накапливается в организме. Существует определенная адаптация к хроническому воздействию CO (увеличение концентрации гемоглобина и гематокрита). Хроническое отравление диагностируют по профессиональному анамнезу, клинической картине, содержанию HbCO в крови. Жалобы и симптомы интоксикации многообразны и неспецифичны: физическая и психическая астения, нарушения со стороны кардиореспираторной системы (одышка, сердцебиение, боли в области сердца, аритмия, экстрасистолия, стенокардия, гипотония), нервной системы (красный дермографизм, тремор, вялость рефлексов, невриты, расстройства речи, парезы, энцефалопатии и др.); эритроцитоз и ретикулоцитоз крови позже переходят в анемию; нарушаются все виды обмена. Признаки нарушения др. органов и систем в целом сходны с признаками острого отравления CO.

Профилактика. Локализация источников выделения CO путем герметизации оборудования, организации эффективного воздухообмена. Применение средств индивидуальной защиты — фильтрующих противогазов марки CO или М (время защитного действия при концентрации CO в воздухе 6200 мг/м3 — 150 или 90 мин соответственно) — допускается лишь при наличии в воздухе 18% кислорода и не более 0,5% углекислого газа. Следует применять также кислородные изолирующие противогазы.

О. у. — основной загрязнитель воздуха жилых помещений, опасный фактор пожара. Особенно высокая концентрация CO наблюдается в жилых помещениях с печным отоплением с использованием твердого топлива при нарушении правил эксплуатации печей. Для предохранения образования и проникновения CO в помещение вьюшечную задвижку можно полностью закрывать только тогда, когда дрова целиком прогорят, угли начинают темнеть и над ними уже не появляются голубые огоньки. Если печь топится углем, то для предохранения образования CO окончание топки производят так: убедившись, что стенки печи прогрелись в достаточной степени, полностью очищают топливник от остатков топлива, а затем закрывают вьюшечную задвижку. Остатки топлива дожигают во время следующей топки. У детей, живущих в домах с газовыми плитами, отмечено сокращение объема легких и увеличение числа респираторных заболеваний по сравнению с детьми, живущими в домах с электрическими плитами. Если нет возможности заменить газовую плиту на электрическую, то, по крайней мере, необходимо тщательно следить за исправностью конфорок у плиты, правильно регулировать доступ воздуха, не включать на полную мощность газовую плиту, желательно избегать ставить низко на конфорку кастрюли и сковородки больших размеров. Но в любом случае необходимо использовать кухонные воздухоочистители. Средства защиты: фильтрующие противогазы марки CO, самоспасатели СПИ-20, ПДУ-3 и др.

ОКСИД УГЛЕРОДА (окись углерода, угарный газ – CO) – это газ без цвета и запаха; почти не поглощается активированным углем; горит синим пламенем с образованием CO2 и выделением тепла; концентрационные пределы взрываемости (КПВ) в смеси с воздухом 12,5–74,2%; смесь CO : O2 = 2 : 1 (по объему) взрывается при зажигании. CO образуется при сгорании органических видов топлива (древесина, уголь, бумага, масла, бензины, газы, взрывчатые вещества и др.) в условиях недостатка О2; при взаимодействии CO2 с раскаленным углем, при конверсии метана в присутствии различных катализаторов.

Естественный уровень CO в атмосфере 0,01–0,9 мг/м3 (в северном полушарии в 3 раза выше); 90% атмосферного CO образуется в результате естественных процессов (вулканические и болотные газы, лесные и степные пожары, жизнедеятельность наземной и океанической флоры и фауны, окисление метана в тропосфере). Сотни миллионов тонн CO поступают в атмосферу ежегодно в результате деятельности человека: автотранспорт, железнодорожный и морской транспорт; неисправность газопроводов и газоаппаратуры; металлургия, химическая индустрия (крекинг-процесс, производство формалина, углеводородов, аммиака, соды, фосгена, метилового спирта, муравьиной и щавелевой кислот, метана и др., производство и переработка синтетических волокон), угледобывающая промышленность (добыча угля и углеподающие трассы, поверхностное окисление угля в шахтах, тление терриконов); производство табака, хлеба; светокопирование; переработка отходов; сжигание топлива в быту.

В основе биологического действия CO лежит образование карбоксигемоглобина (HbCO), при этом CO занимает место кислорода. В результате синтезируется HbCO вместо оксигемоглобина (HbO2). Сродство гемоглобина (Hb) человека к CO приблизительно в 240 раз выше, чем к О2. HbCO затрудняет подачу кислорода к тканям и высвобождение кислорода, доставленного молекулами Hb в ткани. CO связывается также с мышечным гемоглобином (миоглобином), что приводит к образованию карбоксимиоглобина и существенно влияет на обмен веществ в мышцах (особенно сердечной мышцы). В обычных условиях в организме человека образуется небольшое количество CO и уровень эндогенного HbCO составляет 0–0,7%. Нормой для разных категорий населения принято считать следующие уровни HbCO: беременные женщины – 0,4–2,6%, здоровые дети – 0,5–4,7%, взрослые – 1–5%, пациенты с гемолитической анемией – до 6%, курильщики (1 пачка в день) – 3–7%.

Первые признаки типичной картины отравления при вдыхании угарного газа в концентрациях до 1000 мг/м3 появляются уже через 5–10 мин: тяжесть и ощущение сдавливания головы, боль в лобных и височных областях, головокружение, затем присоединяются слабость, чувство страха и жажды, ощущение недостатка воздуха, пульсация височных артерий, тошнота, рвота. В дальнейшем, при сохранении сознания – мышечная слабость, оцепенелость и безучастность (или даже ощущение приятной истомы), из-за чего человек вскоре не может покинуть опасную зону; сонливость, спутанность и потеря сознания. В редких случаях наблюдаются атипические формы отравления – внезапная потеря сознания без предварительных симптомов либо острые психические расстройства во время или через 2–3 недели после воздействия высоких концентраций CO.

Последствиями острого отравления могут быть: продолжительные головные боли и головокружения, обмороки, энцефалопатии, психозы (редко), паркинсонизм; стойкие нарушения функции кишечника и мочевого пузыря; расстройства периферической нервной системы (двигательные, чувствительные и трофические); снижение остроты зрения и слуха, нарушение функции вестибулярного аппарата; трофические расстройства кожи, ногтей, волос; поражение органов дыхания, мышц, суставов; нарушение работы сердца (гипотония, тахикардия, экстрасистолия, стенокардия, инфаркт миокарда); гипертиреоз; поражение печени, надпочечников, почек; снижение иммунитета. Кроме того, у молодых пострадавших – хореоидные гиперкинезы, у пожилых – депрессия, деменция, амнезия, прогрессирующая кахексия.

Профилактика. Локализация источников выделения CO путем герметизации оборудования, организации эффективного воздухообмена. Применение средств индивидуальной защиты – фильтрующих противогазов марки CO или М (время защитного действия при концентрации CO в воздухе 6200 мг/м3 – 150 или 90 мин соответственно) – допускается лишь при наличии в воздухе 18% кислорода и не более 0,5% углекислого газа. Следует применять также кислородные изолирующие противогазы.

О. у. – основной загрязнитель воздуха жилых помещений, опасный фактор пожара. Особенно высокая концентрация CO наблюдается в жилых помещениях с печным отоплением с использованием твердого топлива при нарушении правил эксплуатации печей. Для предохранения образования и проникновения CO в помещение вьюшечную задвижку можно полностью закрывать только тогда, когда дрова целиком прогорят, угли начинают темнеть и над ними уже не появляются голубые огоньки. Если печь топится углем, то для предохранения образования CO окончание топки производят так: убедившись, что стенки печи прогрелись в достаточной степени, полностью очищают топливник от остатков топлива, а затем закрывают вьюшечную задвижку. Остатки топлива дожигают во время следующей топки. У детей, живущих в домах с газовыми плитами, отмечено сокращение объема легких и увеличение числа респираторных заболеваний по сравнению с детьми, живущими в домах с электрическими плитами. Если нет возможности заменить газовую плиту на электрическую, то, по крайней мере, необходимо тщательно следить за исправностью конфорок у плиты, правильно регулировать доступ воздуха, не включать на полную мощность газовую плиту, желательно избегать ставить низко на конфорку кастрюли и сковородки больших размеров. Но в любом случае необходимо использовать кухонные воздухоочистители. Средства защиты: фильтрующие противогазы марки CO, самоспасатели СПИ-20, ПДУ-3 и др.

1. Положение углерода в периодической системе химических элементов
2. Электронное строение углерода
3. Физические свойства и нахождение в природе
4. Качественные реакции
5. Химические свойства
5.1. Взаимодействие с простыми веществами
5.1.1. Взаимодействие с галогенами
5.1.2. Взаимодействие с серой и кремнием
5.1.3. Взаимодействие с водородом и фосфором 
5.1.4. Взаимодействие с азотом
5.1.5. Взаимодействие с активными металлами
5.1.6. Горение
5.2. Взаимодействие со сложными веществами
5.2.1. Взаимодействие с водой
5.2.2. Взаимодействие с оксидами металлов
5.2.3. Взаимодействие с серной кислотой
5.2.4. Взаимодействие с азотной кислотой
5.2.5. Взаимодействие с солями

Бинарные соединения углерода — карбиды

Оксид углерода (IV) 
 1. Строение молекулы и физические свойства 
 2. Способы получения 
3. Химические свойства 
3.1. Взаимодействие с основными оксидами и основаниями 
2.3. Взаимодействие с карбонатами и гидрокарбонатами
2.4. Взаимодействие с восстановителями

Карбонаты и гидрокарбонаты

Положение в периодической системе химических элементов

Углерод расположен в главной подгруппе IV группы  (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и во  периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение углерода

Электронная конфигурация  углерода в :

+6С 1s22s22p2     1s    2s   2p

+6С* 1s22s12p3  1s    2s   2p

Атом углерода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома углерода — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Углерод в природе существует в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

— это модификация углерода с атомной кристаллической решеткой. Алмаз — самое твердое минеральное кристаллическое вещество, прозрачное, плохо проводит электрический ток и тепло. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp3-гибридизации.

— это аллотропная модификация, в которой атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. При этом атомы связаны в плоские слои, состоящие из шестиугольников, как пчелиные соты. Слои удерживаются между собой слабыми связями. Это наиболее устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода.

Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.

— вещество, в составе которого атомы углерода находятся в sp-гибридизации. Состоит из цепочек и циклов, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями. Карбин — мелкокристаллический порошок серого цвета.

— это искусственно полученная модифицикация углерода. Молекулы фуллерена — выпуклые многогранники С60, С70 и др. Многогранники образованы пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Фуллерены — черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников.

В природе углерод встречается как в виде простых веществ (алмаз, графит), так и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).

Качественная реакция на — взаимодействие  солей-карбонатов с сильными кислотами. Более сильные кислоты вытесняют угольную кислоту из солей. При этом выделяется бесцветный газ, не поддерживающий горение – углекислый газ.

, карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:

взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Качественная реакция на CO2 – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется, т.к. карбонат кальция под действием избытка углекислого газа переходит в растворимый гидрокарбонат кальция:

взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом (качественная реакция на углекислый газ) можно посмотреть здесь.

Углекислый газ СО2 не поддерживает горение. Угарный газ CO горит голубым пламенем.

Основные степени окисления углерода — +4, +2, 0, -1 и -4.

Наиболее типичные соединения углерода:

При нормальных условиях углерод существует, как правило, в виде атомных кристаллов (алмаз, графит), поэтому химическая активность углерода — невысокая.

Углерод проявляет свойства (с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства (с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому углерод реагирует и с , и с .

Из галогенов углерод при комнатной температуре реагирует с

При сильном нагревании углерод реагирует  и с образованием бинарного соединения сероуглерода и карбида кремния соответственно:

Углерод не взаимодействует

При взаимодействии углерода  образуется метан. Реакция идет в присутствии катализатора (никель) и при нагревании:

1.4. С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:

В реакциях с углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются карбиды:

При нагревании с избытком воздуха графит , образуя оксид углерода (IV):

при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

Углерод взаимодействует со

Раскаленный уголь взаимодействует с с образованием угарного газа и водорода:

Углерод восстанавливает многие металлы из основных и амфотерных . При этом образуются металл и угарный газ. Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.

, углерод взаимодействует с оксидом цинка с образованием металлического цинка и угарного газа:

Также углерод восстанавливает железо из железной окалины:

При взаимодействии с углерод образует карбиды.

, углерод взаимодействует с оксидом кальция с образованием карбида кальция и угарного газа. Таким образом, углерод диспропорционирует в данной реакции:

2.3. Концентрированная серная кислота окисляет углерод при нагревании. При этом образуются оксид серы (IV), оксид углерода (IV) и вода:

Концентрированная азотная кислотой окисляет углерод также при нагревании. При этом образуются оксид азота (IV), оксид углерода (IV) и вода:

Углерод проявляет свойства восстановителя и при сплавлении с некоторыми , в которых содержатся неметаллы с высокой степенью окисления.

, углерод восстанавливает сульфат натрия до сульфида натрия:

Карбиды  это соединения элементов с углеродом. Карбиды разделяют на ковалентные и ионные в зависимости от типа химической связи между атомами.

Все карбиды проявляют свойства восстановителей и могут быть окислены .

, карбид кремния окисляется концентрированной азотной кислотой при нагревании до углекислого газа, оксида кремния (IV) и оксида азота (IV):

4. Под давлением оксид углерода (II) реагирует с  При этом образуется формиат – соль муравьиной кислоты.

Оксид углерода (IV)

Оксид углерода (IV) (углекислый газ) — газ без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Замороженный углекислый газ называют также «сухой лед». Сухой лед легко подвергается сублимации — переходит из твердого состояния в газообразное.

Смешивая сухой лед и различные вещества, можно получить интересные эффекты. Например, сухой лед в пиве:

Углекислый газ не горит, поэтому его применяют при пожаротушении.

Молекула углекислого газа , атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации, образует две двойных связи с атомами кислорода:

Обратите внимание! Молекула углекислого газа не полярна. Каждая химическая связь С=О по отдельности полярна, а вся молекула не будет полярна. Объяснить это очень легко. Обозначим направление смещения электронной плотности в полярных связях стрелочками (векторами):

Теперь давайте сложим эти векторы. Сделать это очень легко. Представьте, что атом углерода — это покупатель в магазине. А атомы кислорода — это консультанты, которые тянут его в разные стороны. В данном опыте консультанты одинаковые, и тянут покупателя в разные стороны с одинаковыми силами. Несложно увидеть, что покупатель двигаться не будет ни влево, ни вправо. Следовательно, сумма этих векторов равна нулю. Следовательно, полярность молекулы углекислого газа равна нулю.

В лаборатории углекислый газ можно получить разными способами:

Углекислый газ образуется при действии на карбонаты  и гидрокарбонаты металлов. При этом взаимодействуют с кислотами и нерастворимые карбонаты, и растворимые.

взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Еще один : гидрокарбонат натрия реагирует с бромоводородной кислотой:

Растворимые карбонаты реагируют с растворимыми солями алюминия, железа (III) и хрома (III). Карбонаты трехвалентных металлов  необратимо  гидролизуются в водном растворе.

хлорид алюминия реагирует с карбонатом калия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется хлорид калия:

Углекислый газ также образуется при термическом разложении и при разложении

, карбонат кальция разлагается при нагревании на оксид кальция и углекислый газ:

Углекислый газ — типичный . За счет углерода со степенью окисления +4 проявляет слабые .

Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с . Реакция очень сильно обратима, поэтому мы считаем, что в реакциях угольная кислота распадается почти полностью при образовании.

CO2   +    H2O  ↔  H2CO3

2. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с основными оксидами и основаниями. При этом углекислый газ реагирует только с сильными основаниями (щелочами) и их оксидами. При взаимодействии углекислого газа с щелочами возможно образование как кислых, так и средних солей.

, гидроксид калия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат калия:

При избытке щелочи образуется средняя соль, карбонат калия:

Помутнение известковой воды — на углекислый газ:

взаимодействия гидроксида кальция (известковая вода) с углекислым газом можно посмотреть здесь.

Углекислый газ взаимодействует с . При пропускании СО2 через раствор карбонатов образуются гидрокарбонаты.

, карбонат натрия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат натрия:

4. Как слабый окислитель, углекислый газ взаимодействует с  некоторыми .

, углекислый газ взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа:

Магний горит в атмосфере углекислого газа:

взаимодействия магния с углекислым газом можно посмотреть здесь.

Поэтому углекислый газ нельзя применять для пожаротушения горящего магния.

Углекислый газ взаимодействует с пероксидом натрия. При этом пероксид натрия диспропорционирует:

Карбонаты и гидрокарбонаты

При нагревании карбонаты (все, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония) до оксида металла и оксида углерода (IV).

Карбонат аммония при нагревании разлагается на аммиак, воду и углекислый газ:

Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:

на ионы СО32─  и НСО3− является их взаимодействие с более сильными кислотами, последние вытесняют угольную кислоту из солей, а та разлагается с выделением СО2.

, карбонат натрия взаимодействует с соляной кислотой:

Гидрокарбонат натрия также взаимодействует с соляной кислотой:

Гидролиз карбонатов и гидрокарбонатов

Растворимые карбонаты и гидрокарбонаты гидролизуются по аниону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:

I ступень: CO32- + H2O = HCO3— + OH—

II ступень: HCO3— + H2O = H2CO3 + OH—

Однако  карбонаты  и гидрокарбонаты алюминия, хрома (III) и железа (III) гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.

Физиологическое действие, токсичность

Угарный газ очень опасен, так как не имеет запаха и вызывает отравление и даже смерть. Признаками отравления служат головная боль, головокружение и потеря сознания. Токсическое действие монооксида углерода основано на том, что он связывается с гемоглобином крови прочнее, чем кислород (при этом образуется карбоксигемоглобин), таким образом, блокируя процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания. Предельно допустимая концентрация монооксида углерода в воздухе промышленных предприятий составляет 0,02 мг/л. Концентрация более 0,1 % — смертельна. В выхлопе бензинового автомобиля допускается до 1,5-3 %.

Опытами на молодых крысах выяснено, что 0,02-процентная концентрация CO в воздухе замедляет их рост и снижает активность по сравнению с контрольной группой. Интересно то, что крысы, живущие в атмосфере с повышенным содержанием CO, предпочитали воде и раствору глюкозы спиртовой раствор в качестве питья (в отличие от контрольной группы, особи в которой предпочитали воду).

Помощь при отравлении монооксидом углерода: пострадавшего следует вынести на свежий воздух, полезно также кратковременное вдыхание паров нашатырного спирта.

TLV (предельная пороговая концентрация, США): 25 ПДКр.з. по Гигиеническим нормативам ГН 2.2.5.1313—03 составляет 20 мг/м³

Защита от монооксида углерода

CO очень слабо поглощается активированным углём обычных фильтрующих противогазов, поэтому для защиты от него применяется специальный фильтрующий элемент (он может также подключаться дополнительно к основному) — гопкалитовый патрон. Гопкалит представляет собой катализатор, способствующий окислению CO в CO2 при нормальных температурах. Недостатком использования гопкалита является то, что при его применении приходится вдыхать нагретый в результате реакции воздух.

Определение монооксида углерода

Качественно можно определить наличие CO по потемнению растворов хлорида палладия (или пропитанной этим раствором бумаги). Потеменение связано с выделением мелкодисперсного металлического палладия по схеме:

Эта реакция очень чувствительная. Стандартный раствор 1 грамма хлорида палладия на литр воды.

Количественное определение монооксида углерода основано на иодометрической реакции:

Монооксид углерода в атмосфере Земли

Содержание CO в атмосфере Земли по данным MOPITT

Различают природные и антропогенные источники поступления в атмосферу Земли. В естественных условиях, на поверхности Земли, CO образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений и при сгорании биомассы, в основном в ходе лесных и степных пожаров. Монооксид углерода образуется в почве как биологическим путём (выделение живыми организмами), так и небиологическим. Экспериментально доказано выделение монооксида углерода за счёт обычных в почвах фенольных соединений, содержащих группы OCH3 или OH в орто- или пара-положениях по отношению к первой гидроксильной группе.

Общий баланс продуцирования небиологического CO и его окисления микроорганизмами зависит от конкретных экологических условий, в первую очередь от влажности и значения pH. Например, из аридных почв монооксид углерода выделяется непосредственно в атмосферу, создавая таким образом локальные максимумы концентрации этого газа.

В атмосфере СО является продуктом цепочек реакций с участием метана и других углеводородов (в первую очередь, изопрена).

Основным антропогенным источником CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Оксид углерода образуется при сгорании углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха (подается недостаточное количество кислорода для окисления CO в CO2). В прошлом значительную долю антропогенного поступления CO в атмосферу обеспечивал светильный газ, использовавшийся для освещения помещений в XIX веке. По составу он примерно соответствовал водяному газу, то есть содержал до 45 % монооксида углерода. В настоящее время в коммунальной сфере этот газ вытеснен гораздо менее токсичным природным газом (низшие представители гомологического ряда алканов — пропан и др.)

Поступление CO от природных и антропогенных источников примерно одинаково.

Монооксид углерода в атмосфере находится в быстром круговороте: среднее время его пребывания составляет около 0,1 года, окисляясь гидроксилом до диоксида углерода.