Оксиды углерода. Угольная кислота

Оксид углерода (II). СО образуется в процессе сгорания угля при недостатке кислорода:

2С + О₂ = 2СО.

В молекуле монооксида тройная химическая связь, поэтому СО характеризуется низкой температурой плавления и малой растворимостью в воде. В промышленности СО получают пропусканием диоксида углерода над раскаленным углем при высокой температуре:

СО₂ + С = 2СО.

В лаборатории оксид углерода (II) получают, добавляя по каплям муравьиную кислоту к концентрированной серной кислоте, которая отнимает от нее воду:

H₂SO₄

НСООН → СО + Н₂О.

Щавелевая кислота при нагревании дает смесь двух оксидов:

Н₂С₂О₄ = СО + СО₂ + Н₂О.

Угарный газ очень ядовит, смертельная доза СО в воздухе 0,2%. С гемоглобином крови СО связывается прочнее, чем кислород, тем самым блокирует перенос кислорода в организме.

Оксид углерода (II) – бесцветный газ, тяжелее воздуха, мало растворим в воде. Поглощается активированным углем, а также фильтрующим слоем, содержащим I₂O₅. СО при обычных температурах химически инертен, однако при участии катализаторов реагирует с водородом с образованием углеводородов. Из-за наличия неподеленных электронных пар у углерода и кислорода монооксид углерода является лигандом и образует прочные комплексы (карбонилы) с переходными металлами, например, Ni(CO)₄, Co₂(CO)₉, Fe(CO)₅. при высоких температурах СО восстанавливает многие металлы из их оксидов:

СО + CuO = Cu + CO₂.

Это свойство оксида углерода (II) используется при выплавке металлов из руд. Соединяясь с серой, образует тиооксид:

СО + S = COS.

С хлором образует фосген:

CO + Cl₂ = COCl₂.

Фосген (СОCl₂) – бесцветный газ со слабым сенным запахом. Очень ядовит. Фосген медленно гидролизуется водой:

COCl₂ + HOH = CO₂ + 2HCl.

Диоксид углерода (СО₂) – образуется в природе при сгорании и гниении органических веществ. В воздухе его концентрация составляет 0,03%, содержится также во многих минеральных источниках (нарзан, боржоми). Диоксид углерода ассимилируется в процессе фотосинтеза зелеными растениями с помощью имеющегося у них хлорофилла; при поглощении солнечной энергии в растениях образуются органические вещества (в первую очередь глюкоза), а кислород высвобождается и выделяется в атмосферу. Поглощенная энергия при диссимиляции в живых организмах животных и растений снова высвобождается. Диссимиляция органических веществ в организмах – это процесс их окисления в присутствии ферментов с образованием диоксида углерода и воды:

ассимиляция

6СО₂ + 6Н₂О ↔ С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

диссимиляция

глюкозы

Оксид углерода (IV) – бесцветное газообразное вещество, тяжелее воздуха, поэтому его можно переливать из сосуда в сосуд. Не поддерживает дыхания и горения. Зажженная лучина в нем гаснет, человек и животные при большой концентрации СО₂ задыхаются.

СО₂ сжижается при комнатной температуре под давлением 6 МПа. В жидком состоянии хранится и транспортируется в стальных баллонах. При понижении температуры кристаллизуется в виде молекулярных кристаллов, которые сублимируются при температуре -78 ⁰С. Твердый СО₂ называется сухим льдом; используется как хладоген.

Получение диоксида углерода:

а) полное сгорание кокса:

С + О₂ = СО₂.

Полученный газ очищают, пропуская через раствор К₂СО₃, в результате происходит реакция:

К₂СО₃ + СО₂ + Н₂О = 2КНСО₃.

Примеси проходят через раствор, а СО₂ выделяют из раствора кипячением (термическое разложение гидрокарбоната):

2КНСО₃ → К₂СО₃ + СО₂ + Н₂О.

б) обжиг известняка и других карбонатов:

СаСО₃ → СаО + СО₂.

в) обработка карбонатов (например, мрамора) сильной кислотой:

СаСО₃ + 2НСl = СаСl₂ + Н₂О + СО₂.

г) спиртовое брожение:

С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂.

Диоксид углерода взаимодействует с основными гидроксидами, образуя соли – карбонаты и гидрокарбонаты:

СО₂ + 2NaOH_{(избыт.)} = Na₂CO₃ + H₂O;

CO₂ + NaOH_{(недост.)} = NaHCO₃.

Восстанавливается магнием до углерода:

СО₂ + 2Mg = C + 2MgO.

СО₂ – кислотный оксид, при взаимодействии с водой образует угольную кислоту Н₂СО₃:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃.

Равновесие смещено влево, поэтому большая часть растворенного диоксида находится в виде СО₂, а не Н₂СО₃. Угольная кислота – слабая кислота, при небольшом нагревании она разлагается:

Н₂СО₃ → Н₂О + СО₂.

Угольная кислота – двухосновная кислота, которая диссоциирует ступенчато:

Н₂СО₃ ↔ НСО₃^- + Н⁺; К_д1 = 4,2∙10^-7,

НСО₃^- ↔ СО₃^2- + Н⁺; К_д2 = 4,8∙10^-11.

Соли угольной кислоты называются карбонатами. Существуют средние карбонаты с анионом СО₃^2- и кислые – гидрокарбонаты (HCO₃^-).

Соли угольной кислоты могут быть получены или действием диоксида углерода на щелочи, или путем обменных реакций между растворимыми солями угольной кислоты и солями других кислот. Например,

NaOH + CO₂ = NaHCO₃;

NaHCO₃ + NaOH = Na₂CO₃ + H₂O;

BaCl₂ + Na₂CO₃ = BaCO₃↓ + 2NaCl

Со слабыми основаниями угольная кислота в большинстве случаев дает только основные соли, примером которых может служить гидроксокарбонат меди (CuOH)₂CO₃. Встречающийся в природе минерал такого состава называется малахитом.

При действии кислот, даже таких слабых, как уксусная, все карбонаты разлагаются с выделением оксида углерода (IV). Этой реакцией часто пользуются для открытия карбонатов, так как выделяющийся CO₂ легко обнаружить по характерному шипению.

При нагревании все карбонаты, кроме солей щелочных металлов, разлагаются с выделением СО₂. Продуктами разложения в большинстве случаев являются оксиды соответствующих металлов:

MgCO₃ = MgO + CO₂↑

При нагревании гидрокарбонаты легко переходят в карбонаты:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O.

При пропускании СО₂ через известковую воду происходит помутнение раствора вследствие образования карбоната кальция:

Сa(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O.

Соли угольной кислоты устойчивы, хотя сама и неустойчива. Большинство карбонатов нерастворимы в воде. Растворимы карбонаты щелочных металлов и (NH₄)₂CO₃, Tl₂CO₃. Гидрокарбонаты в воде растворяются.

Растворы карбонатов щелочных металлов вследствие гидролиза имеют сильнощелочную реакцию:

Na₂CO₃ + H₂O ↔ NaHCO₃ + NaOH

CO₃^2- + H₂O ↔ HCO₃^- + OH^-.