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+; Кд1 = 4,2∙10-7,

НСО3- ↔ СО32- + Н+; Кд2 = 4,8∙10-11.

Соли угольной кислоты называются карбонатами. Существуют средние карбонаты с анионом СО32- 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

CO32- + H2O ↔ HCO3- + OH-.

Наши рекомендации