Учебно-методическое пособие. Диоксид углерода: формула, свойства и области применения Что является качественной реакцией на углекислый газ
Углерод
Элемент углерод 6 С находится во 2-м периоде, в главной подгруппе IV группы ПС.
Валентные возможности углерода обусловлены строением внешнего электронного слоя его атома в основном и в возбужденном состояниях:
Находясь в основном состоянии, атом углерода может образовать две ковалентные связи по обменному механизму и одну донорно-акцепторную связь, использую свободную орбиталь. Однако в большинстве соединений атомы углерода находятся в возбужденном состоянии и проявляют валентность IV.
Наиболее характерные степени окисления углерода: в соединениях с более электроотрицательными элементами +4 (реже +2); в соединениях с менее электроотрицательными элементами -4.
Нахождение в природе
Содержание углерода в земной коре 0,48% по массе. Свободный углерод находится в виде алмаза и графита. Основная масса углерода встречается в виде природных карбонатов, а также в горючих ископаемых: торфе, угле, нефти, природном газе (смесь метана и его ближайших гомологов). В атмосфере и гидросфере углерод находится в виде углекислого газа СО 2 (в воздухе 0,046% по массе).
CaCO 3 – известняк, мел, мрамор, исландский шпат
CaCO 3 ∙MgCO 3 – доломит
SiC – карборунд
CuCO 3 ∙Cu(OH) 2 – малахит
Физические свойства
Алмаз имеет атомную кристаллическую решетку, тетраэдрическое расположение атомов в пространстве (валентный угол равен 109°), очень твердый, тугоплавкий, диэлектрик, бесцветный, прозрачный, плохо проводит теплоту.
Графит имеет атомную кристаллическую решетку, его атомы расположены слоями по вершинам правильных шестиугольников (валентный угол 120°), темно-серый, непрозрачный, с металлическим блеском, мягкий, жирный на ощупь, проводит тепло и электрический ток, как и алмаз имеет очень высокие температуры плавления (3700°С) и кипения (4500°С). Длина связи углерод-углерод в алмазе (0,537 нм) больше, чем в графите (0,142 нм). Плотность алмаза больше, чем графита.
Карбин – линейный полимер, состоит из цепочек двух типов: –C≡C–C≡C– или =С=С=С=С=, валентный угол равен 180°, порошок черного цвета, полупроводник.
Фуллерены – кристаллические вещества черного цвета с металлическим блеском, состоят из полых шарообразных молекул (имеет молекулярное строение) состава С 60 , С 70 и др. Атомы углерода на поверхности молекул соединены между собой в правильные пятиугольники и шестиугольники.
Алмаз Графит Фуллерены
Химические свойства
Углерод - малоактивен, на холоде реагирует только со фтором; химическая активность проявляется при высоких температурах.
Оксиды углерода
Углерод образует несолеобразующий оксид СО и Солеобразующий оксид СО 2 .
Оксид углерода (II) СО, угарный газ, монооксид углерода – газ без цвета и запаха, малорастворим в воде, ядовит. Связь в молекуле тройная , очень прочная. Для угарного газа характерны восстановительные свойства в реакциях с простыми и сложными веществами.
CuO + CO = Cu + CO 2
Fe 2 O 3 + 3CO = 2FeO + 3CO 3
2CO + O 2 = 2CO 2
CO + Cl 2 = COCl 2
CO + H 2 O = H 2 + CO 2
Оксид углерода (II) реагирует с Н 2 , NаOH и метанолом:
CO + 2H 2 = CH 3 OH
CO + NаOH = HCOONa
CO + CH 3 OH = CH 3 COOH
Получение угарного газа
1) В промышленности (в газогенераторах):
C + O 2 = CO 2 + 402 кДж, затем CO 2 + C = 2CO – 175 кДж
С + Н 2 О = СО + Н 2 – Q,
2) В лаборатории - термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO4(конц.):
HCOOH → H2O + CO
H 2 C 2 O 4 → CO + CO 2 + H2O
Оксид углерода (IV) СО 2 , углекислый газ, диоксид углерода – газ без цвета, запаха и вкуса, растворим в воде, в больших количествах вызывает удушье, под давление превращается в белую твердую массу – «сухой лед», который используется для охлаждения скоропортящихся продуктов.
Молекула СО 2 неполярна, имеет линейное строение O=C=O.
Получение
1. Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка – в промышленности:
CaCO 3 → CaO + CO 2
2. Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты – в лаборатории:
CaCO 3 (мрамор) + 2HCl → CaCl 2 + H 2 O + CO 2
NaHCO 3 + HCl → NaCl + H 2 O + CO 2
Способы собирания
вытеснением воздуха
3. Сгорание углеродсодержащих веществ:
СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2
4. При медленном окислении в биохимических процессах (дыхание, гниение, брожение)
Химические свойства
1) С водой даёт непрочную угольную кислоту:
СО 2 + Н 2 О ↔ Н 2 СО 3
2) Реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты
Na 2 O + CO 2 → Na 2 CO 3
2NaOH + CO 2 → Na 2 CO 3 + H 2 O
NaOH + CO 2 (избыток) → NaHCO 3
3) При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства – окисляет металлы
СO 2 + 2Mg → 2MgO + C
4) Реагирует с пероксидами и надпероксидами:
2Na 2 O 2 + 2CO 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2
4KO 2 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 2O 2
Качественная реакция на углекислый газ
Помутнение известковой воды Ca(OH) 2 за счёт образования белого осадка – нерастворимой соли CaCO 3:
Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓+ H 2 O
Угольная кислота
Н 2 СО 3 существует только в растворах, неустойчива, слабая, двухосновная, диссоциирует ступенчато, образует средние (карбонаты) и кислые (гидрокарбонаты) соли, раствор СО 2 в воде окрашивает лакмус не в красный, а в розовый цвет.
Химические свойства
1) с активными металлами
H 2 CO 3 + Ca = CaCO 3 + H 2
2) с основными оксидами
H 2 CO 3 + CaO = CaCO 3 + H 2 O
3) с основаниями
H 2 CO 3 (изб) + NaOH = NaHCO 3 + H 2 O
H 2 CO 3 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + 2H 2 O
4) Очень непрочная кислота – разлагается
Н 2 СО 3 = Н 2 О + СО 2
Соли угольной кислоты получают с использованием СО 2:
CO 2 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O
CO 2 + KOH = KHCO 3
или по реакции обмена:
K 2 CO 3 + BaCl 2 = 2KCl + BaCO 3
При взаимодействии в водном растворе с СО 2 карбонаты превращаются в гидрокарбонаты:
Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O = 2NaHCO 3
CаCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2
Напротив, при нагревании (или под действием щелочей) гидрокарбонаты превращаются в гидрокарбонаты:
2NaHCO 3 = Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O
KHCO 3 + KOH = K 2 CO 3 + H 2 O
Карбонаты щелочных металлов (кроме лития) к нагреванию устойчивы, карбонаты остальных металлов при нагревании разлагаются:
MgCO = MgO + CO 2
Особенно легко разлагаются аммонийные соли угольной кислоты:
(NH 4) 2 CO 3 = 2NH 3 + CO 2 + H 2 O
NH 4 HCO 3 = NH 3 + CO 2 + H 2 O
Применение
Углерод используют для получения сажи, кокса, металлов из руд, смазочных материалов, в медицине, как поглотитель газов, для изготовления наконечников сверл (алмаз).
Na 2 CO 3 ∙10H 2 O – кристаллическая сода (кальцинированная сода) ; используется для получения мыла, стекла, красителей, соединений натрия;
NaHCO 3 – питьевая сода ; используется в пищевой промышленности;
CaCO 3 используется в строительстве, для полученияСО 2 , СаО;
K 2 CO 3 – поташ; используется для получения стекла, мыла, удобрений;
CO – как восстановитель, топливо;
СО 2 – для хранения продуктов питания, газирования воды, производства соды, сахара.
Продолжение. См. 21, 22, 23, 24, 25-26, 27-28, 29/2003
6. Подгруппа углерода
Знать
: аллотропные модификации
углерода, зависимость их свойств от строения
кристаллической решетки; важнейшие свойства и
применение углерода, оксидов углерода, угольной
кислоты, карбонатов, кремния, оксидов кремния,
кремниевой кислоты; состав и получение
строительных материалов – стекла, цемента,
бетона, керамики, условия их рационального
хранения и использования; качественную реакцию
на карбонат-ион; способы обнаружения углекислого
газа.
Уметь
: давать характеристику подгруппе
элементов на основе строения атомов и положения
элементов в периодической системе; описывать
химические свойства изученных веществ
уравнениями реакций; определять на практике
карбонат-ион и углекислый газ; решать
комбинированные задачи.
Основные понятия:
адсорбция, десорбция,
адсорбент, известковая вода, известковое молоко,
карбиды, силициды, кремниевый ангидрид, керамика.
Контрольные вопросы
1. Какова валентность углерода в соединениях?
Почему?
2. Какие аллотропные формы образует углерод?
3. В чем различие свойств графита и алмаза? Почему
свойства этих веществ так различны?
4. Почему активированный уголь способен к
адсорбции?
5. Что называется адсорбцией? Где применяется это
свойство?
6. В какие реакции может вступать углерод?
Напишите уравнения реакций.
7. Какие оксиды образует углерод?
8. Как устроена молекула монооксида углерода,
какой в ней тип химической связи?
9. Как можно получить оксид углерода(II)? Приведите
уравнение химической реакции.
10. Каковы физические свойства угарного газа?
11. В какие реакции может вступать монооксид
углерода? Приведите уравнения химических
реакций.
12. Где применяется оксид углерода(II)?
13. Как влияет угарный газ на живой организм? Как
уберечься от отравления им?
14. Как устроена молекула диоксида углерода, какой
в ней тип химической связи?
15. Как можно получить СО 2 ? Составьте
уравнение реакции.
16. Каковы физические свойства углекислого газа?
17. Какие реакции возможны для диоксида углерода?
Приведите соответствующие уравнения реакций.
18. Как образуются средние и кислые соли в
реакциях СО 2 с щелочами? Напишите уравнения
реакций.
19. Как распознать углекислый газ? Напишите
уравнение качественной реакции на СО 2 .
20. Почему СО 2 не поддерживает горения и
дыхания?
21. Каково расположение атомов в молекуле
угольной кислоты?
22. Какой тип химической связи между атомами в
молекуле угольной кислоты?
23. Как можно получить угольную кислоту? Приведите
уравнение реакции.
24. Как диссоциирует угольная кислота? Сильный ли
это электролит?
25. Как происходит гидролиз карбоната натрия в
растворе? Напишите уравнение реакции.
26. Какова окраска лакмуса в растворе угольной
кислоты? Почему?
27. Какие соли может образовывать угольная
кислота? Приведите примеры формул веществ.
28. Какие соли угольной кислоты встречаются в
природе и как они называются?
29. Какие карбонаты получают в промышленности?
30. Каковы физические свойства солей угольной
кислоты?
31. Как ведут себя карбонаты при нагревании?
Напишите уравнения реакций.
32. Что происходит с гидрокарбонатами при
нагревании?
33. Какие другие реакции (кроме разложения)
возможны для карбонатов?
34. Какова качественная реакция на карбонаты?
Напишите уравнение реакции.
35. Опишите строение атома кремния.
36. Каковы возможные степени окисления кремния в
его соединениях?
37. Каковы физические свойства кремния?
38. Как можно получить чистый кремний? Составьте
уравнение реакции.
39. Какие реакции возможны для кремния? Напишите
уравнения реакций.
40. Как взаимодействует кремний с щелочами?
Составьте уравнение реакции.
41. Где применяется кремний?
42. Какой оксид образует кремний? В каком виде
оксид кремния встречается в природе?
43. Почему диоксид кремния твердый и тугоплавкий?
44. Каковы химические свойства диоксида кремния?
Напишите уравнения реакций.
45. Где применяется диоксид кремния?
46. Какова простейшая формула кремниевой кислоты?
47. Как можно получить кремниевую кислоту?
Приведите уравнение реакции.
48. Каковы физические свойства кремниевой
кислоты?
49. Как получают силикаты? Напишите уравнения
реакций.
50. Каковы химические свойства силикатов?
Составьте уравнения реакций.
51. Где применяется кремниевая кислота?
52. Где применяются силикаты?
53. Какие материалы производит силикатная отрасль
промышленности?
54. Что является сырьем для производства стекла?
55. Как можно изменить свойства стекла?
56. Где применяется стекло?
57. Где применяются изделия из керамики?
58. Что служит сырьем при производстве цемента?
59. Где применяется цемент?
60. Какие элементы составляют семейство углерода?
61. Как изменяются свойства элементов в подгруппе
углерода с увеличением заряда ядра атома? Почему?
62. Где применяют элементы семейства углерода?
6.1. Решение задач по теме «Подгруппа углерода»
Задача 1.
При обработке 3,8 г смеси
карбоната и гидрокарбоната натрия соляной
кислотой образовалось 896 мл газа
(н. у.). Какой объем соляной кислоты (массовая доля
– 20%, плотность – 1,1 г/см 3) был израсходован
и каков состав исходной смеси?
Решение
1. Расчет количества вещества:
(CO 2) = 0,896 (л)/22,4 (л/моль) = 0,04 моль.
Обозначим через х
количество вещества
газа СО 2 , выделившегося в реакции Na 2 CO 3
c cоляной кислотой. Тогда
(CO 2),
выделившегося при реакции NaHCO 3 c HCl, равно (0,04
– х
) моль. Напишем уравнения реакций:
2. Составим запись для определения количественного состава смеси:
106х + 84 (0,04 – х ) = 3,8, отсюда х = 0,02 моль;
m (Na 2 CO 3) = 0,02 106 = 2,12 г,
m (NaНCO 3) = 0,02 84 = 1,68 г.
3. Рассчитаем объем кислоты. В реакции с Na 2 CO 3 расходуется 0,04 моль HCl, а в реакции с NaНCO 3 – 0,02 моль HCl.
Ответ . 9,95 мл кислоты HCl; 2,12 г Na 2 CO 3 и 1,68 г NaНCO 3 .
Задача 2. Какой объем углекислого газа необходимо пропустить (н. у.) через раствор массой 80 г с массовой долей растворенного вещества гидроксида бария 5% для получения гидрокарбоната бария?
Решение
1. Составим уравнение реакции:
2. Рассчитаем количества веществ исходных соединений, вступивших в реакцию:
m (Ва(ОН) 2) = 80 0,05 = 4 г,
(Ва(ОН) 2) = 4/171 = 0,0234 моль;
(СО 2) = 2(Ва(ОН) 2) = 2 0,0234 = 0,0468 моль.
3. Рассчитаем объем газа:
V (СО 2) = 0,0468 22,4 = 1,05 л.
Ответ . 1,05 л СО 2 .
Задача 3.
Через известковую воду
пропустили 1 л смеси оксидов углерода(II) и (IV).
Выпавший осадок отфильтровали и высушили, масса
осадка составила 2,45 г. Установите содержание
газов в исходной смеси в процентах по объему
(н. у.).
Решение
1. Запишем уравнения реакций:
2. Рассчитаем количество вещества СО 2:
(СО 2) = (СаСО 3) = 2,45/100 = 0,0245 моль.
3. Рассчитаем объемы и объемные доли () газов в смеси:
V (СО 2) = 22,4 0,0245 = 0,5488 л, (СО 2) = 54,88%;
V (СО) = 1 – 0,5488 = 0,4512 л, (СО) = 45,12%.
Ответ . Объемные доли (СО 2) = 54,88%; (СО) = 45,12%.
Задания для самоконтроля
1. С какими веществами будет реагировать оксид углерода(IV): гидроксид натрия, вода, карбонат магния, хлорид натрия, оксид кальция, гидроксид меди(II), уголь, известковая вода? Напишите уравнения возможных реакций.
2. В одной пробирке дан раствор карбоната натрия, а в другой – сульфата натрия. В каждую пробирку добавили раствор хлорида бария и в обоих случаях наблюдали выпадение белого осадка. Как определить, в какой пробирке находится карбонат? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций.
3. Объясните окислительно-восстановительные процессы, показав переходы электронов методом электронного баланса:
4. Запишите уравнения реакций следующих превращений:
5. При действии избытка соляной кислоты на образец доломита МgСО 3 СаСО 3 массой 50 г выделяется 11,2 л углекислого газа (н. у.). Определите массовую долю примесей в данном образце доломита.
Ответ . 8%.
6. Известно, что при горении угля выделяется 402 кДж/моль, а при обжиге известняка поглощается 180 кДж/моль теплоты. Используя эти данные, определите массу угля (содержащего 0,98 массовой доли углерода), необходимого для разложения 1 кг известняка, содержащего 5% примесей.
Ответ . 52 г.
7. 1,68 л смеси оксидов углерода(II) и (IV) пропустили при комнатной температуре через 50 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией 2 моль/л, после чего содержание щелочи в растворе уменьшилось вдвое. Определите состав исходной смеси газов в процентах по массе и объему.
Ответ. (СО) = 33,3%, (СО) = 24,1%;
(СО 2) = 66,7%, (СО 2) = 75,9%.
8. Газ, полученный при полном восстановлении 16 г
оксида железа(III) с помощью угарного газа,
пропущен через 98,2 мл 15%-го раствора гидроксида
калия (плотность – 1,14 кг/дм 3). Сколько
литров оксида углерода(II) израсходовано
(н. у.)? Каковы состав и масса образовавшейся соли?
Ответ . 6,72 л СО, 30 г КНСО 3 .
7. Общие свойства металлов
Знать
: положение металлов в
периодической системе химических элементов
Д.И.Менделеева; строение и физические свойства
металлов; нахождение металлов в природе; общие
химические свойства металлов; виды коррозии и
способы защиты от нее; электролиз как
окислительно-восстановительный процесс и его
применение; классификацию сплавов, состав
некоторых сплавов, их свойства и применение;
сущность и значение электрохимического ряда
напряжений металлов.
Уметь
: давать характеристику металлам
на основании положения элементов в
периодической системе и строения атомов;
характеризовать физические свойства металлов;
составлять уравнения реакций, отражающих общие
свойства металлов; составлять схемы и уравнения
электролиза расплавов и растворов солей и
щелочей; решать типовые и комбинированные
задачи.
Основные понятия
: металлическая связь,
металлическая кристаллическая решетка,
гальванический элемент, электрохимический
элемент, коррозия, электролиз, электроэкстрация,
электролитическое рафинирование металлов,
гальванопластика, гальваностегия, сплавы.
Реакции металлов с кислотами
Активные металлы могут реагировать с кислотами
с выделением водорода (реакции замещения).
Малоактивные металлы водород из кислот не
вытесняют.
Контрольные вопросы
1. Каково значение металлов в жизни человека?
2. Каковы особенности строения атомов металлов?
3. Где расположены металлы в периодической
системе химических элементов Д.И.Менделеева?
4. Сколько наружных электронов имеют атомы
металлов главных и побочных подгрупп?
5. В каких формах могут находиться металлы в
природе?
6. Как можно получить металлы из их соединений?
7. Как устроена кристаллическая решетка металлов?
8. Каковы физические свойства металлов?
9. Как ведут себя атомы металлов в химических
реакциях и почему?
10. Какие свойства – окислителей или
восстановителей – проявляют металлы в
химических реакциях?
11. Расскажите об электрохимическом ряде
напряжений металлов.
12. Перечислите реакции, в которые могут вступать
металлы.
13. Как связаны химические активности атомов
металлов и ионов металлов?
14. Пары
какого металла смертельно опасны?
Опишите признаки отравления.
15. Что такое коррозия металла и как уберечь от нее
металл?
16. Перечислите щелочные металлы. Почему они так
называются?
17. Каковы особенности строения атомов щелочных
металлов?
18. Как можно получить щелочные металлы?
19. Каковы физические свойства щелочных металлов?
20. Какие оксиды и пероксиды получаются при
окислении щелочных металлов?
21. Какова степень окисления щелочного металла в
соединении? Почему?
22. Как образуется гидрид щелочного металла?
Какова степень окисления водорода в нем?
23. Как реагирует щелочной металл с раствором
соли?
24. Как окрашивают пламя атомы и ионы щелочных
металлов?
25. Какие реакции характерны для щелочных
металлов?
26. Какие химические связи образуют щелочные
металлы с неметаллами?
27. Как взаимодействует пероксид натрия с
углекислым газом?
28. Где применяются щелочные металлы?
29. Какой из щелочных металлов наиболее активен и
почему?
30. Как надпероксид КО 2 взаимодействует с СО 2 ?
Напишите уравнение реакции.
7.1. Электролиз расплавов
Катод
– восстановитель, на нем
происходит процесс приема электронов катионами
металлов.
Анод
– окислитель, на нем
происходит процесс отдачи электронов анионами
кислотных остатков или гидроксид-ионами.
В случае окисления ионов ОН – составляется схема:
4ОН – – 4e = 2Н 2 O + О 2 .
Электролиз расплавов солей.
(Алгоритм 30.)
Задание 1 . Составьте схему электролиза расплава бромида натрия.
Задание 2. Составьте схему электролиза расплава сульфата натрия.
Электролиз расплавов щелочей.
(Алгоритм 31.)
Задание 1 . Составьте схему электролиза расплава гидроксида натрия.
7.2. Электролиз растворов
Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании через электролит электрического тока. При электролизе катод является восстановителем, т. к. отдает электроны, а анод – окислителем, т. к. принимает электроны от анионов.
Для выбора наиболее вероятного процесса на катоде и аноде при электролизе растворов с использованием инертного (нерастворимого) анода (например, графита, угля, платины, иридия) используют следующие правила .
1. На аноде образуются:
а) при электролизе растворов, содержащих анионы
F – , –
,
, , OH – , – O 2 ;
б) при окислении анионов Сl – , Вr – ,
I – – соответственно Сl 2 , Вr 2 ,
I 2 .
2. На катоде образуются:
а) при электролизе растворов, содержащих ионы,
расположенные в ряду напряжений левее Аl 3+ ,
– Н 2 ;
б) если ионы расположены в ряду напряжений правее
водорода – металлы;
в) если ионы расположены в ряду напряжений между
Аl 3+ и H + , то на катоде могут
протекать конкурирующие процессы –
восстановление как металлов, так и водорода;
г) если водный раствор содержит катионы
различных металлов, то их восстановление
протекает в порядке уменьшения величины
стандартного электродного потенциала (справа
налево по ряду напряжений металлов).
В случае использования активного
(растворимого) анода (из меди, серебра, цинка,
никеля, кадмия) анод сам подвергается окислению
(растворяется) и на катоде кроме катионов металла
соли и ионов водорода восстанавливаются катионы
металла, полученные при растворении анода.
Восстановительные свойства металлов удобно
сравнивать, используя электрохимический ряд
напряжений, в который включен и водород.
Восстановительная способность элементов в этом
ряду уменьшается слева направо, в этом же
направлении увеличивается окислительная
способность соответствующих катионов.
Электролиз водного раствора соли.
(Алгоритм 32.)
Задание 1. Составьте схему электролиза водного раствора хлорида натрия с использованием инертных электродов.
Задание 2. Составьте схему электролиза водного раствора сульфата меди(II) с использованием инертных электродов.
Электролиз водного раствора щелочи.
(Алгоритм 33.)
Задание 1. Составьте схему электролиза водного раствора гидроксида натрия.
Задания для самоконтроля
1. Составьте схемы электролиза:
а) расплавов хлорида кальция, гидроксида калия,
сульфата лития;
б) водных растворов хлорида магния, сульфата
калия, нитрата ртути(II).
2. Какие реакции практически осуществимы:
а) Cu + HCl ... ;
б) Mg + H 2 SO 4 (разб.) ... ;
в) Zn + Pb(NO 3) 2 ... ;
г) Cu + ZnCl 2 ... ;
д) Ca + H 2 O ... ;
е) Fe + Cl 2 ... ?
3. На стальной крышке поставлена медная заклепка. Что раньше разрушится – крышка или заклепка? Почему?
4. Имеется изделие из железа, покрытое защитной пленкой из олова (луженое железо). Что будет происходить при нагревании такого изделия на воздухе? Напишите уравнения протекающих реакций.
5. Какой объем водорода (н. у.) выделится при погружении в воду 20 г изделия из сплава натрия, калия и меди в массовом отношении 1:1:2?
Ответ . 3,86 л.
6. Рассчитайте массу 9,8%-го раствора серной кислоты, которая потребуется для растворения четырех гранул цинка, если масса каждой гранулы 0,2 г.
Ответ . 12,3 г.
7. Рассчитайте, какой будет массовая доля гидроксида калия в растворе, если металлический калий массой 3,9 г растворить в воде объемом 80 мл.
Ответ. 6,68%.
8. При электролизе сульфата некоторого металла на аноде выделилось 176 мл кислорода (н. у.), а на катоде за то же время – 1 г металла. Сульфат какого металла был взят?
Ответ . CuSO 4 .
9. Железная пластинка массой 18 г опущена в раствор сульфата меди(II). Когда она покрылась медью, ее масса стала равной 18,2 г. Какая масса железа перешла в раствор?
Ответ . 1,4 г.
10. Железная пластинка массой 5 г опущена на некоторое время в 50 мл 15%-го раствора сульфата меди(II), плотность которого 1,12 г/см 3 . После того как пластину вынули, ее масса оказалась равной 5,16 г. Какова масса сульфата меди(II) в оставшемся растворе?
Ответ . 5,2 г.
Ответы на задания для самоконтроля
6.1. Решение задач по теме «Подгруппа углерода»
Взаимодействие углерода с углекислым газом протекает по реакции
Рассматриваемая система состоит из двух фаз – твердого углерода и газа (f = 2). Три взаимодействующих вещества связаны между собой одним уравнением реакции, следовательно, количество независимых компонентов k = 2. Согласно правилу фаз Гиббса число степеней свободы системы будет равно
С = 2 + 2 – 2 = 2 .
Это означает, что равновесные концентрации СО и СО 2 являются функциями температуры и давления.
Реакция (2.1) является эндотермической. Поэтому согласно принципу Ле Шателье повышение температуры смещает равновесие реакции в направлении образования дополнительного количества СО.
При протекании реакции (2.1) расходуется 1 моль СО 2 , который при нормальных условиях имеет объем 22400 см 3 , и 1 моль твердого углерода объемом 5,5 см 3 . В результате реакции образуется 2 моля СО, объем которых при нормальных условиях равен 44800 см 3 .
Из приведенных выше данных об изменении объема реагентов при протекании реакции (2.1) следует:
- Рассматриваемое превращение сопровождается увеличением объема взаимодействующих веществ. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье повышение давления будет способствовать протеканию реакции в направлении образования СО 2 .
- Изменение объема твердой фазы пренебрежимо мало в сравнении с изменением объема газа. Поэтому для гетерогенных реакций с участием газообразных веществ с достаточной точностью можно считать, что изменение объема взаимодействующих веществ определяется только количеством молей газообразных веществ в правой и левой частях уравнения реакции.
Константа равновесия реакции (2.1) определяется из выражения
Если в качестве стандартного состояния при определении активности углерода принять графит, то а С = 1
Численное значение константы равновесия реакции (2.1) можно определить из уравнения
Данные о влиянии температуры на величину константы равновесия реакции приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Значения константы равновесия реакции (2.1) при различных температурах
Из приведенных данных видно, что при температуре около 1000К (700 о С) константа равновесия реакции близка к единице. Это означает, что в области умеренных температур реакция (2.1) практически полностью обратима. При высоких температурах реакция необратимо протекает в направлении образования СО, а при низких температурах в обратном направлении.
Если газовая фаза состоит только из СО и СО 2 , выразив парциальные давления взаимодействующих веществ через их объемные концентрации, уравнение (2.4) можно привести к виду
В промышленных условиях СО и СО 2 получают в результате взаимодействия углерода с кислородом воздуха или дутья, обогащенного кислородом. При этом в системе появляется еще один компонент – азот. Введение азота в газовую смесь влияет на соотношение равновесных концентраций СО и СО 2 аналогично уменьшению давления.
Из уравнения (2.6) видно, что состав равновесной газовой смеси является функцией температуры и давления. Поэтому решение уравнения (2.6) графически интерпретируется при помощи поверхности в трехмерном пространстве в координатах Т, P общ и (%СО). Восприятие такой зависимости затруднено. Значительно удобнее изображать ее в виде зависимости состава равновесной смеси газов от одной из переменных при постоянстве второго из параметров системы. В качестве примера на рисунке 2.1 приведены данные о влиянии температуры на состав равновесной газовой смеси при P общ = 10 5 Па.
При известном исходном составе смеси газов судить о направлении протекания реакции (2.1) можно при помощи уравнения
Если давление в системе остается неизменным, соотношение (2.7) можно привести к виду
Рисунок 2.1 – Зависимость равновесного состава газовой фазы для реакции С + СО 2 = 2СО от температуры при P CO +P CO 2 = 10 5 Па.
Для газовой смеси, состав которой отвечает точке а на рисунке 2.1, . При этом
а G > 0. Таким образом, точки выше равновесной кривой характеризуют системы, приближение которых к состоянию термодинамического равновесия протекает по реакции
Аналогичным образом можно показать, что точки ниже равновесной кривой характеризуют системы, которые приближаются к равновесному состоянию по реакции
Газировка, вулкан, Венера, рефрижератор – что между ними общего? Углекислый газ. Мы собрали для Вас самую интересную информацию об одном из самых важных химических соединений на Земле.
Что такое диоксид углерода
Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.
Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.
А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.
Свойства углекислого газа
Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.
Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).
Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.
CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.
Углекислый газ в природе: естественные источники
Углекислый газ в природе образуется из различных источников:
- Дыхание животных и растений.
Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки . Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше. - Вулканическая деятельность.
Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают. - Разложение органических веществ.
Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.
Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.
Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.
Искусственные источники углекислого газа
Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:
- промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
- автомобильный транспорт.
Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.
Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.
CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.
Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.
Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.
Углекислый газ и мы: чем опасен СO2
Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.
Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.
Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.
Согласно выводам некоторых , уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически , мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.
И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.
Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.
Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от , который разрушает клетки нашего организма.
Углекислый газ в атмосфере Земли
В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.
Качественной реакцией для обнаружения углекислого газа является помутнение известковой воды:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.
В начале реакции образуется белый осадок, который исчезает при длительном пропускании CO2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:
CaCO3 + H2O + CO2 = Сa(HCO3)2.
Получение. Получают углекислый газ термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов), например, обжиг известняка:
CaCO3 = CaO + CO2,
или действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2,
NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.
Выбросы углекислого газа , серистых соединений в атмосферу в результате промышленной деятельности, функционирования энергетических, металлургических предприятий ведут к возникновению парникового эффекта и связанному с ним потеплению климата.
По оценкам ученых глобальное потепление без принятия мер по сокращению выбросов парниковых газов составит от 2-х до 5 градусов на протяжении следующего столетия, которое появится беспрецедентным явлением за последние десть тысяч лет. Потепления климата, увеличения уровня океана на 60-80 см до конца следующего столетия приведут к экологической катастрофе невиданного масштаба, который угрожает деградацией человеческому содружеству.
Угольная кислота и ее соли. Угольная кислота очень слабая, существует только в водных растворах и незначительно диссоциирует на ионы. Поэтому водные растворы СО2 обладают слабокислыми свойствами. Структурная формула угольной кислоты:
Как двухосновная, она диссоциирует ступенчато: Н2СO3Н++НСО-3 НСО-3Н++СО2-3
При нагревании она разлагается на оксид углерода (IV) и воду.
Как двухосновная кислота, она образует два типа солей: средние соли - карбонаты, кислые соли - гидрокарбонаты. Они проявляют общие свойства солей. Карбонаты и гидрокарбонаты щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде.
Соли угольной кислоты - соединения устойчивые, хотя сама кислота неустойчива. Они могут быть получены взаимодействием СО2 с растворами оснований или же путем обменных реакций:
NaOH+СO2=NaHCO3
КНСO3+КОН=К2СO3+Н2O
ВаСl2+Na2CO3=BaCO3+2NaCl
Карбонаты щелочноземельных металлов в воде малорастворимы. Гидрокарбонаты, напротив, растворимы. Гидрокарбонаты образуются из карбонатов, оксида углерода (IV) и воды:
СаСO3+СO2+Н2О=Са(НСО3)2
При нагревании карбонаты щелочных металлов плавятся, не разлагаясь, а остальные карбонаты при нагревании легко разлагаются на оксид соответствующего металла и СО2:
СаСO3=СаО+CO2
Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:
2NaHCO3=Na2CO3+CO2+Н2О
Карбонаты щелочных металлов в водных растворах имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза:
Na2CO3+Н2О=NaHCO3+NaOH
Качественной реакцией на карбонат-ион С2-3 и гидрокарбонат НСО-3 является их взаимодействие с более сильными кислотами. Выделение оксида углерода (IV) с характерным «вскипанием» указывает на наличие этих ионов.
СаСO3+2НСl=СаСl2+CO2+Н2О
Пропуская выделяющийся СО2 через известковую воду, можно наблюдать помутнение раствора вследствие образования карбоната кальция:
Са(ОН)2+СO2=CaCO3+Н2O
При длительном пропускании СО2 раствор становится снова прозрачным вследствие
образования гидрокарбоната: СаСО3+Н2O+СO2=Са(НСO3)2