Оксиды ⭐️ углерода: физические и химические свойства, с какими веществами взаимодействует, плотность

Урок посвящен изучению свойств и способов получения некоторых неорганических соединений углерода. В нем рассмотрены такие вещества, как оксид углерода (II) (или угарный газ), оксид углерода (IV) (или углекислый газ), угольная кислота, а также карбонаты и гидрокарбонаты.

I. Оксид углерода(II) – СО (угарный газ, окись углерода, монооксид углерода)

Физические свойства: 

Бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха, горит голубоватым пламенем, легче воздуха, плохо растворим в воде. Концентрация угарного газа в воздухе 12,5—74 % взрывоопасна. 

Строение молекулы:

Формальная степень окисления углерода 2 не отражает строение молекулы СО, в которой помимо двойной связи, обра­зованной обобществлением электронов С и О, имеется дополнительная, образованная по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов кислорода (изображена стрелкой):

В связи с этим молекула СО очень прочна и способна вступать в реакции окисления-восстановления только при высоких темпера­турах. При обычных условиях СО не взаимодействует с водой, щелочами или кислотами.

Получение:

Основным антропогенным источником угарного газа CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Угарный газ образуется при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха (подается недостаточное количество кислорода для окисления угарного газа CO в углекислый газ CO2). В естественных условиях, на поверхности Земли, угарный газ CO образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений и при сгорании биомассы, в основном в ходе лесных и степных пожаров.

1) В промышленности (в газогенераторах):

Видео — опыт: «Получение угарного газа»

C O₂ = CO₂  402 кДж

CO₂  C = 2CO – 175 кДж

В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар:

С Н₂О = СО Н₂ – Q,

смесь СО Н₂ – называется синтез – газом.

2) В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H₂SO₄(конц.): 

HCOOH  ^{t˚C, H2SO4} → H₂O CO­

H₂C₂O₄ ^t˚C,H2SO4→  CO­ CO₂­ H₂O

Химические свойства:

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель;  

CO — несолеобразующий оксид. 

1) Взаимодействие с кислородом: 2C ²O   O₂ ^t˚C →   2C ⁴O₂↑

2) Взаимодействие с оксидами металлов: CO   Me_xO_y = CO₂   Me

C ²O CuO ^t˚C →    Сu C ⁴O₂↑ 

3) Взаимодействие с хлором (на свету)

CO Cl₂  ^свет → COCl₂ (фосген – ядовитый газ)

4)* Взаимодействие с расплавами щелочей (под давлением)

CO NaOH ^P →  HCOONa (формиат натрия)

Влияние угарного газа на живые организмы:

Угарный газ опасен, потому что он лишает возможности кровь нести кислород к жизненно важным органам, таким как сердце и мозг. Угарный газ объединяется с гемоглобином, который переносит кислород к клеткам организма, в следствии чего тот становится непригодным для транспортировки кислорода. В зависимости от вдыхаемого количества, угарный газ ухудшает координацию, обостряет сердечно-сосудистые заболевания и вызывает усталость, головную боль, слабость, Влияние угарного газа на здоровье человека зависит от его концентрации и времени воздействия на организм. Концентрация угарного газа в воздухе более 0,1% приводит к смерти в течение одного часа, а концентрация более 1,2% в течении трех минут.

Применение оксида углерода:

Главным образом угарный газ применяют, как горючий газ в смеси с азотом, так называемый генераторный или воздушный газ, или же в смеси с водородом водяной газ. В металлургии для восстановления металлов из их руд. Для получения металлов высокой чистоты при разложении карбонилов.

II. Оксид углерода (IV) СO₂ – углекислый газ

Учебный видео-фильм: “Углекислый газ”

Физические свойства: 

Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H₂O растворяется 0,9V CO₂ (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO₂ называется «сухой лёд»); не поддерживает горение. При обычной темпера­ту­ре и вы­со­ком дав­ле­нии ди­ок­сид уг­ле­ро­да сжи­жа­ет­ся. При его ис­па­ре­нии по­гло­ща­ет­ся так много теп­ло­ты, что часть ок­си­да уг­ле­ро­да (IV)пре­вра­ща­ет­ся в сне­го­об­раз­ную массу – «сухой лед» (Рис. 1).

Рис. 1. Сухой лед

Бла­го­да­ря тому, что оксид уг­ле­ро­да (IV) не под­дер­жи­ва­ет го­ре­ния, им за­пол­ня­ют ог­не­ту­ши­те­ли.

Строение молекулы:

Углекислый газ имеет следующие электронную и структурную формулы —     O=C=O

Все четыре связи ковалентые полярные. 

Получение: 

1. Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка – в промышленности: 

CaCO₃  ^t=1200˚C→ CaO   CO₂­ 

2. Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты – 

Опыт: “Получение углекислого газа в лаборатории”

CaCO_{3 (мрамор)}  2HCl → CaCl₂  H₂O CO₂­

NaHCO₃   HCl → NaCl   H₂O   CO₂­

Способы собирания: вытеснением воздуха

3. Сгорание углеродсодержащих веществ:

СН₄  2О₂ → 2H₂O   CO₂­

4. При медленном окислении в биохимических процессах (дыхание, гниение, брожение)

Химические свойства:

Видео: «Химические свойства углекислого газа»

Кислотный оксид:

1) С водой даёт непрочную угольную кислоту:

СО₂  Н₂О ↔ Н₂СО₃

2)Рреагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты: 

Na₂O CO₂ → Na₂CO₃

2NaOH CO₂ → Na₂CO₃  H₂O

NaOH CO_{2 (избыток)} → NaHCO₃ 

3) При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства – окисляет металлы:  -СO₂   Me = Me_xO_y   C

С ⁴O₂  2Mg  ^t˚C→ 2Mg ²O C⁰

Видео: «Горение магния в углекислом газе»

Качественная реакция на углекислый газ:

Помутнение известковой воды Ca(OH)₂ за счёт образования белого осадка – нерастворимой соли  CaCO₃:

Ca(OH)₂   CO₂ → CaCO₃ ↓  H₂O

Применение углекислого газа:

Видео: «Тушение пламени углекислым газом»

III. Угольная кислота и её соли

Химическая формула — H₂CO₃

Структурная формула – все связи ковалентные полярные: 

Кислота слабая, существует только в водном растворе, очень непрочная, разлагается на углекислый газ и воду:

CO₂   H₂O ↔ H₂CO₃ 

Опыт: «Разложение угольной кислоты»

Опыт: «Получение угольной кислоты»

Химические свойства:

Для угольной кислоты характерны все свойства кислот.

1) Диссоциация – двухосновная кислота, диссоциирует слабо в две ступени, индикатор — лакмус краснеет в водном растворе:

H₂CO₃ ↔ H    HCO₃^—_{(гидрокарбонат-ион)}

HCO₃^— ↔ H    CO₃^2- _{(карбонат-ион)}

2) с активными металлами

H₂CO₃   Ca = CaCO₃   H₂↑

3) с основными оксидами

H₂CO₃   CaO = CaCO₃   H₂O

4) с основаниями

H₂CO_3(изб)  NaOH = NaHCO₃  H₂O

H₂CO₃  2NaOH = Na₂CO₃  2H₂O

5) Очень непрочная кислота – разлагается

Соли угольной кислоты – карбонаты и гидрокарбонаты

Угольная кислота образует два ряда солей: 

• Средние соли — карбонаты Na₂СO₃, (NH₄)₂CO₃
• Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты NaHCO₃ , Ca(HCO₃)₂

В природе встречаются:

CaCO₃

Мел                                                                    Мрамор                                    Известняк

NaHCO₃ – питьевая сода

K₂CO₃(поташ, в золе растений)

Na₂CO₃ – сода, кальцинированная сода

Na₂CO₃ x 10H₂O – кристаллическая сода

Физические свойства:

Все карбонаты – твёрдые кристаллические вещества. Большинство из них в воде не растворяются. Гидрокарбонаты растворяются в воде.

Химические свойства солей угольной кислоты:

Общие свойства солей:

1) Вступают в реакции обмена с другими растворимыми солями                  

Na₂CO₃   CaCl₂ = CaCO₃↓ 2NaCl

2) Разложение гидрокарбонатов при нагревании

NaHCO₃ ^t˚C → Na₂CO₃   H₂O   CO₂↑

3) Разложение нерастворимых карбонатов при нагревании

CaCO₃ ^t˚C → CaO  CO₂↑

4) Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

Опыт: «Взаимопревращение карбонатов и гидрокарбонатов»

гидрокарбонаты в карбонаты

Me(HCO₃)_n  Me(OH)_n → MeCO₃ H₂O

Me(HCO₃)_n ^t˚C → MeCO₃↓ H₂O CO₂↑

карбонаты в гидрокарбонаты

MeCO₃ H₂O CO₂= Me(HCO₃)_n

Специфические свойства:

1) Качественная реакция на CO₃^2-  карбонат – ион «вскипание» при действии сильной кислоты: 

Na₂CO₃  2HCl = 2NaCl   H₂O   CO₂­↑

IV. Задания для закрепления

Задание №1. Закончите уравнения реакций, составьте электронный баланс для каждой из реакций, укажите процессы окисления и восстановления; окислитель и восстановитель:

CO₂  C = 

C H ₂ O =

С O O₂ =

CO Al₂O₃ =

Задание №2. Вычислите количество энергии, которое необходимо для получения 448 л угарного газа согласно термохимическому уравнению 

CO₂  C = 2CO – 175 кДж

Задание №3.  Закончите уравнения осуществимых химических реакций:

CO ₂ KOH =

CO Al =

H₂CO₃ K₂SO₄ =

CO₂( изб ) NaOH =

С O₂ Na₂O =

CaCO₃ CO₂  H₂O =

CO₂ Ca(OH)₂ =

CO CaO =

CO₂ H₂SO₄ =

Ca(HCO₃)₂ Ca(OH)₂=

H₂CO₃ NaCl =

C ZnO =

Задание №4. Осуществите превращения по схеме:

1) Al₄C₃→ CH₄→ CO₂→ CaCO₃→ Ca(HCO₃)₂→ CaCO₃

2) Ca → CaC₂→ Ca(OH)₂→ CaCO₃→ CO₂→ C

3) CO₂ → H₂CO₃ → Na₂CO₃ → CO₂

4) CaCO₃ → CO₂ → NaHCO₃ → Na₂CO₃

Задание №5. Решите задачи

1.Какой объём углекислого газа выделится при обжиге карбоната кальция массой 200 г

2. Сколько угольной кислоты можно получить при взаимодействии 2 л углекислого газа (н.у.) с водой, если выход кислоты составил 90% по сравнению с теоретическим.

Интерактивное задание LearningApps.org по теме:“Соединения углерода”

ЦОРы

Видео — опыт: «Получение угарного газа»

Учебный видео-фильм: “Углекислый газ”

Видео-опыт: ”Получение углекислого га в лаборатории”

Видео:«Химические свойства углекислого газа»

Видео:«Горение магния в углекислом газе»

Видео:«Тушение пламени углекислым газом»

Опыт: «Разложение угольной кислоты»

Опыт:«Получение угольной кислоты»

Опыт: «Взаимопревращение карбонатов и гидрокарбонатов»