Оксид углерода (IV) СO2 – углекислый газ

Углерод

В свободном состоянии углерод образует 3 аллотропные модификации: алмаз, графит и искусственно получаемый карбин.

В кристалле алмаза каждый атом углерода связан прочными ковалентными связями с четырьмя другими, размещенными вокруг него на одинаковых расстояниях.

Все атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации. Атомная кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение.

Алмаз - бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Отличается самой большой твердостью среди всех известных веществ. Алмаз хрупкий, тугоплавкий, плохо проводит тепло и электрический ток. Небольшие расстояния между соседними атомами углерода (0,154 нм) обусловливают довольно большую плотность алмаза (3,5 г/см³).

В кристаллической решетке графита каждый атом углерода находится в состоянии sp²-гибридизации и образует три прочные ковалентные связи с атомами углерода, расположенными в том же слое. В образовании этих связей участвуют по три электрона каждого атома, углерода, а четвертые валентные электроны образуют л-связи и являются относительно свободными (подвижными). Они обусловливают электро- и теплопроводность графита.

Длина ковалентной связи между соседними атомами углерода в одной плоскости равна 0,152 нм, а расстояние между атомами С в различных слоях больше в 2,5 раза, поэтому связи между ними слабые.

Графит - непрозрачное, мягкое, жирное на ощупь вещество серо-черного цвета с металлическим блеском; хорошо проводит тепло и электрический ток. Графит имеет меньшую плотность по сравнению с алмазом, легко расщепляется на тонкие чешуйки.

Разупорядоченная структура мелкокристаллического графита лежит в основе строения различных форм аморфного углерода, важнейшими из которых являются кокс, бурые и каменные угли, сажа, активированный (активный) уголь.

Эту аллотропную модификацию углерода получают каталитическим окислением (дегидрополиконденсацией) ацетилена. Карбин - цепочечный полимер, имеющий две формы:

..-С=С-С=С-... и ...=С=С=С=

Карбин обладает полупроводниковыми свойствами.

При обычной температуре обе модификации углерода (алмаз и графит) химически инертны. Мелкокристаллические формы графита - кокс, сажа, активированный уголь - более реакционноспособны, но, как правило, после их предварительного нагревания до высокой температуры.

1. Взаимодействие с кислородом

С + O₂ = СO₂ + 393,5 кДж (в избытке O₂)

2С + O₂ = 2СО + 221 кДж (при недостатке O₂)

Сжигание угля - один из важнейших источников энергии.

2. Взаимодействие с фтором и серой.

С + 2F₂ = CF₄ тетрафторид углерода

С + 2S = CS₂ сероуглерод

3. Кокс - один из важнейших восстановителей, используемых в промышленности. В металлургии с его помощью получают металлы из оксидов, например:

ЗС + Fe₂O₃ = 2Fe + ЗСО

С + ZnO = Zn + СО

4. При взаимодействии углерода с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов восстановленный металл, соединяясь с углеродом, образует карбид. Например: ЗС + СаО = СаС₂ + СО карбид кальция

5. Кокс применяется также для получения кремния:

2С + SiO₂ = Si + 2СО

6. При избытке кокса образуется карбид кремния (карборунд) SiC.

Получение «водяного газа» (газификация твердого топлива)

Пропусканием водяного пара через раскаленный уголь получают горючую смесь СО и Н₂, называемую водяным газом:

С + Н₂О = СО + Н₂

7. Реакции с окисляющими кислотами.

Активированный или древесный уголь при нагревании восстанавливает анионы NO₃^- и SO₄^2- из концентрированных кислот:

С + 4HNO₃ = СO₂ + 4NO₂↑ + 2Н₂О

С + 2H₂SO₄ = СO₂↑ + 2SO₂↑ + 2Н₂О

8. Реакции с расплавленными нитратами щелочных металлов

В расплавах KNO₃ и NaNO₃ измельченный уголь интенсивно сгорает с образованием ослепительного пламени:

5С + 4KNO₃ = 2К₂СO₃ + ЗСO₂↑ + 2N₂↑

1. Образование солеобразных карбидов с активными металлами.

Значительное ослабление неметаллических свойств у углерода выражается в том, что функции его как окислителя проявляются в гораздо меньшей степени, чем восстановительные функции.

2. Только в реакциях с активными металлами атомы углерода переходят в отрицательно заряженные ионы С^-4 и (С=С)^2- , образуя солеобразные карбиды:

ЗС + 4Al = Аl₄С₃ карбид алюминия

2С + Са = СаС₂ карбид кальция

3. Карбиды ионного типа - очень нестойкие соединения, они легко разлагаются под действием кислот и воды, что свидетельствует о неустойчивости отрицательно заряженных анионов углерода:

Аl₄С₃ + 12Н₂О = ЗСН₄ + 4Аl(ОН)₃

СаС₂ + 2Н₂О = С₂Н₂↑ + Са(ОН)₂

4. Образование ковалентных соединений с металлами

В расплавах смесей углерода с переходными металлами образуются карбиды преимущественно с ковалентный типом связи. Молекулы их имеют переменный состав, а вещества в целом близки к сплавам. Такие карбиды отличаются высокой устойчивостью, они химически инертны по отношению к воде, кислотам, щелочам и многим другим реагентам.

5. Взаимодействие с водородом

При высоких Т и Р, в присутствии никелевого катализатора, углерод соединяется с водородом:

С + 2Н₂ → СН₄

Реакция очень обратима и не имеет практического значения.

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.

Получение:

1) В промышленности

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) с кислородом

2C⁺²O + O₂ ^t^˚^C→ 2C⁺⁴O₂↑

2) с оксидами металлов CO + Me_xO_y = CO₂ + Me

C⁺²O + CuO ^t^˚^C→ Сu + C⁺⁴O₂↑

3) с хлором (на свету)

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

4)* реагирует 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.

Оксид углерода (IV) СO2 – 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.

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 –

в лаборатории:

CaCO₃ _{(мрамор)} + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂

Способы собирания