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:
В
рубрике «Главная тема» нового номера журнала «ЭнергоЭксперт»
№3 за 2021 год опубликованы четыре статьи. Рецензия на первую статью опубликована
на этой
странице моего персонального сайта.
При чтении статьи я обратил
внимание на терминологию, которую ранее в энергетике в этом значении не использовали,
а именно – декарбонизация. Ранее этот термин применяли и применяют сейчас для
обозначения процесса удаления углерода (в металлургии) или же для обозначения
процесса удаления диоксида углерода из воды.
Теперь
же им обозначают и процесс перехода к низкоуглеродной экономике. В начале
статьи авторы приводят примеры конкурентоспособности проектов с использованием
ВИЭ.
Авторы правильно обращают внимание на существование косвенных
выбросов парниковых газов при изготовлении оборудования и сообщают, что такие
выбросы при изготовлении оборудования для в пересчете на
кВт•ч отпускаемой энергии составляют десятки грамм.
На мой взгляд, в данном утверждении много лукавства. Ведь для нужны такие же электрические генераторы, аккумуляторы, кабели, металлы и
многое другое, что находит применение и в традиционной энергетике. Но об этом
авторы не говорят, зато приводят утверждение, что косвенные выбросы могут быть снижены
за счет повышения энергоэффективности. Но ведь и традиционное оборудования,
производимое для традиционной энергетики, отличается высокой
энергоэффективностью, даже по сравнению с оборудованием, выпускаемым пару
десятилетий назад.
Учитывая сказанное, такое сравнение «косвенных выбросов» для
традиционной и энергетики нельзя считать корректным.
Не могу не обратить внимания на приведенную авторами на рис. 1
диаграмму выброса парниковых газов.
Если сравнивать среднее значение выбросов от угольных
электростанций с выбросами от ВЭС, то уменьшение выбросов получается существенным
– в 85 раз (945/11). По сравнению с ГЭС это уменьшение составляет всего 2,72, а
по сравнению с АЭС оно оказывается совсем незначительным – всего в 1,27 раза
(14/11). Выводы сможет сделать каждый читатель.
Естественно, что некоторые страны стали ограничивать добычу
угля и прекратили строительство ЭС на угольном топливе. И вот первые
результаты. Сегодня, 29.09.2021 прошли сообщения о том, что в 20 регионах Китая
ограничили подачу электроэнергии для предприятий и домохозяйств. Отказ от
строительства новых ЭС представить несложно. Но представить то, что нужно будет
сделать с построенными ранее ЭС, например плотинами ГЭС, в частности такой, как
самая высокогорная плотина
в Европе – Гранд-Диксенс значительно сложнее!
Дальше – больше. Стремление к снижению выбросов повернулось в
неожиданную сторону. Фактически квоты на выброс превратились в товар. В мире
стали зарабатывать не на реальном сокращении выбросов, а на торговле
выбросами. Кроме этого, ЕС ввел углеродный налог,
что приведет к росту цен практически на всё.
Реальное
развитие событий при внедрении наводит меня на печальные
выводы.
Потому
я уверен, что вопреки утверждению авторов статьи, широкое использование водорода
везде, в том числе и для сезонного регулирования выработки ВИЭ, не станет
панацеей, не приведёт к радикальному снижению углеродных выбросов.
Кстати,
необходимость регулирования сезонной выработки ВИЭ подтверждает, на мой взгляд,
недостаточное совершенство источников электроэнергии, использующих солнечную и
ветровую энергию.
Приведенный
в статье рисунок 2 наглядно показывает, что текущая стоимость
производства в России минимум в 3-4 раза превышает стоимость
производства водорода любого другого «цвета».
Читая
статью, обращаешь внимание на то, что приведенная в таблице
2 информация по энергозатратам и углеродному следу при производстве водорода
различных «цветов» не содержит сведений о реальных выбросах углекислого газа. В
этой таблице нет информации о том, какие выбросы в атмосферу были при
производстве 50 кВт•ч электроэнергии (для и
водорода), 3,4 кг природного газа (для и водорода) и
7,8 кг угля, используемого для газификации.
Например,
информация, приведенная на рисунке 1, подсказывает,
что использование 50 кВт•ч электроэнергии, произведенной на АЭС должно добавить
к как минимум 14 г выбросов СО2 на каждый киловатт электроэнергии,
использованной при производстве оранжевого водорода.
Что касается налога на выбросы парникового газа, то такой его
введение преследует совсем другие цели, о чем уже говорят многие эксперты.
Поэтому прогнозы авторов о цене водорода и неминуемости перехода с «голубого»
на «зеленый» водород кажутся мне недостаточно обоснованными.
Рассматривая секторы потребления водорода в мире, авторы
обращают внимание на транспортный сектор экономики. Чтобы исключить повторения,
отсылаю читателей к опубликованной ранее работе «Распределенная
генерация и водородная энергетика».
Предлагаю читателям обратить внимание на рисунок
3, где показано количество водородных проектов, объявленных к созданию с
2010. Таких проектов, которые должны быть были выполнены до 2021 года, я
насчитал 479 штук. Сколько же из них выполнено в 2021 году из статьи узнать не
удалось.
Один из разделов статьи назван «Нерешенные проблемы». Но в
этом разделе рассказано только о том, что можно в принципе сделать, но ни слова
о том, что же на самом деле реализовано в промышленных масштабах. Нерешенные
проблемы так и остались нерешенными.
Заключительный раздел авторы назвали «Есть ли у России
водородное будущее?». Как оптимист, я сразу отвечаю – есть. И оно (будущее)
ничуть не хуже, чем у других стран. Но вот только использовать водород в будущем
будут совсем не так, как предполагают авторы. И конечно же, никаких
бестопливных (так в статье), экологичных и надежных источников электроэнергии
не будет. Источник энергии для производства может быть любой, в том числе и
водород. Ведь в топливных (!) элементах
топливом выступает водород, который прямым методом преобразуется в
электрическую энергию.
Развивая
водородную энергетику, не следует забывать, что и старые, дедовские методы
позволяют получать электроэнергию без нанесения вреда окружающей среде. Достаточно
вспомнить про ГЭС на Соловецких
островах, построенную в начале 20 века. ГЭС которая при перепаде воды в 5
метров обеспечивала электроэнергией все острова до 1950 года.
И, наконец, удаление СО2 из выбросов производства
необходимо не только для производства водорода.
Другие обзоры журнала «ЭнергоЭксперт»
№3 за 2021 год:
Первый
обзор нового номера журнала «ЭнергоЭксперт» №3 2021
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.