Какими свойствами обладает оксид углерода

Урок посвящен изучению свойств и способов получения некоторых неорганических соединений углерода. В нем рассмотрены такие вещества, как оксид углерода (II) (или угарный газ), оксид углерода (IV) (или углекислый газ), угольная кислота, а также карбонаты и гидрокарбонаты.

I. 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. 

Строение молекулы:

Формальная степень окисления углерода +2 не отражает строение молекулы СО, в которой помимо двойной связи, обра­зованной обобществлением электронов С и О, имеется дополнительная, образованная по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов кислорода (изображена стрелкой):

В связи с этим молекула СО очень прочна и способна вступать в реакции окисления-восстановления только при высоких темпера­турах. При обычных условиях СО не взаимодействует с водой, щелочами или кислотами.

Получение:

Основным антропогенным источником угарного газа CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Угарный газ образуется при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха (подается недостаточное количество кислорода для окисления угарного газа CO в углекислый газ CO2). В естественных условиях, на поверхности Земли, угарный газ CO образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений и при сгорании биомассы, в основном в ходе лесных и степных пожаров.

1) В промышленности (в газогенераторах):

Видео – опыт: “Получение угарного газа”

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) Взаимодействие с кислородом: 2C+2O + O2 t˚C →   2C+4O2↑

2) Взаимодействие с оксидами металлов: CO + MexOy = CO2 + Me

C+2O + CuO t˚C →    Сu + C+4O2↑ 

3) Взаимодействие с хлором (на свету)

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

4)* Взаимодействие 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.

II. Оксид углерода (IV) СO2 – углекислый газ

Учебный видео-фильм: “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. При обычной темпера­ту­ре и вы­со­ком дав­ле­нии ди­ок­сид уг­ле­ро­да сжи­жа­ет­ся. При его ис­па­ре­нии по­гло­ща­ет­ся так много теп­ло­ты, что часть ок­си­да уг­ле­ро­да (IV)пре­вра­ща­ет­ся в сне­го­об­раз­ную массу – «сухой лед» (Рис. 1).

Рис. 1. Сухой лед

Бла­го­да­ря тому, что оксид уг­ле­ро­да (IV) не под­дер­жи­ва­ет го­ре­ния, им за­пол­ня­ют ог­не­ту­ши­те­ли.

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 – 

Опыт: “Получение углекислого газа в лаборатории”

CaCO3 (мрамор) + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2­

NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2­

Способы собирания: вытеснением воздуха

3. Сгорание углеродсодержащих веществ:

СН4 + 2О2 → 2H2O + CO2­

4. При медленном окислении в биохимических процессах (дыхание, гниение, брожение)

Химические свойства:

Видео: “Химические свойства углекислого газа”

Кислотный оксид:

1) С водой даёт непрочную угольную кислоту:

СО2 + Н2О ↔ Н2СО3

2)Рреагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты: 

Na2O + CO2 → Na2CO3

2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O

NaOH + CO2 (избыток) → NaHCO3 

3) При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства – окисляет металлы:  -СO2 + Me = MexOy + C

С+4O2 + 2Mg  t˚C→ 2Mg+2O + C0

Видео: “Горение магния в углекислом газе”

Качественная реакция на углекислый газ:

Помутнение известковой воды Ca(OH)2 за счёт образования белого осадка – нерастворимой соли  CaCO3:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 ↓+ H2O

Применение углекислого газа:

Видео: “Тушение пламени углекислым газом”

III. Угольная кислота и её соли

Химическая формула – H2CO3

Структурная формула – все связи ковалентные полярные: 

Кислота слабая, существует только в водном растворе, очень непрочная, разлагается на углекислый газ и воду:

CO2 + H2O ↔ H2CO3 

Опыт: “Разложение угольной кислоты”

Опыт: “Получение угольной кислоты”

Химические свойства:

Для угольной кислоты характерны все свойства кислот.

1) Диссоциация – двухосновная кислота, диссоциирует слабо в две ступени, индикатор – лакмус краснеет в водном растворе:

H2CO3 ↔ H+ + HCO3-(гидрокарбонат-ион)

HCO3- ↔ H+ + CO32- (карбонат-ион)

2) с активными металлами

H2CO3 + Ca = CaCO3 + H2↑

3) с основными оксидами

H2CO3 + CaO = CaCO3 + H2O

4) с основаниями

H2CO3(изб) + NaOH = NaHCO3 + H2O

H2CO3 + 2NaOH = Na2CO3 + 2H2O

5) Очень непрочная кислота – разлагается

Соли угольной кислоты – карбонаты и гидрокарбонаты

Угольная кислота образует два ряда солей: 

• Средние соли – карбонаты Na2СO3, (NH4)2CO3
• Кислые соли – бикарбонаты, гидрокарбонаты NaHCO3 , Ca(HCO3)2

В природе встречаются:

CaCO3

Мел                                                                    Мрамор                                    Известняк

NaHCO3 – питьевая сода

K2CO3(поташ, в золе растений)

Na2CO3 – сода, кальцинированная сода

Na2CO3 x 10H2O – кристаллическая сода

Физические свойства:

Все карбонаты – твёрдые кристаллические вещества. Большинство из них в воде не растворяются. Гидрокарбонаты растворяются в воде.

Химические свойства солей угольной кислоты:

Общие свойства солей:

1) Вступают в реакции обмена с другими растворимыми солями                  

Na2CO3 + CaCl2 = CaCO3↓ + 2NaCl

2) Разложение гидрокарбонатов при нагревании

NaHCO3 t˚C → Na2CO3 + H2O + CO2↑

3) Разложение нерастворимых карбонатов при нагревании

CaCO3 t˚C → CaO+ CO2↑

4) Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

Опыт: “Взаимопревращение карбонатов и гидрокарбонатов”

гидрокарбонаты в карбонаты

Me(HCO3)n + Me(OH)n → MeCO3+H2O

Me(HCO3)n t˚C → MeCO3↓+H2O+CO2↑

карбонаты в гидрокарбонаты

MeCO3+H2O+CO2= Me(HCO3)n

Специфические свойства:

1) Качественная реакция на CO32-  карбонат – ион “вскипание” при действии сильной кислоты: 

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2­↑

IV. Задания для закрепления

Задание №1. Закончите уравнения реакций, составьте электронный баланс для каждой из реакций, укажите процессы окисления и восстановления; окислитель и восстановитель:

CO2 + C = 

C + H 2 O =

С O + O2 =

CO + Al2O3 =
 

Задание №2. Вычислите количество энергии, которое необходимо для получения 448 л угарного газа согласно термохимическому уравнению 

CO2 + C = 2CO – 175 кДж

Задание №3.  Закончите уравнения осуществимых химических реакций:

CO 2+ KOH =

CO + Al =

H2CO3+ K2SO4 =

CO2( изб ) + NaOH =

С O2+ Na2O =

CaCO3+ CO2 + H2O =

CO2+ Ca(OH)2 =

CO + CaO =

CO2+ H2SO4 =

Ca(HCO3)2+ Ca(OH)2=

H2CO3+ NaCl =

1) Al4C3→ CH4→ CO2→ CaCO3→ Ca(HCO3)2→ CaCO3

2) Ca → CaC2→ Ca(OH)2→ CaCO3→ CO2→ C

3) CO2 → H2CO3 → Na2CO3 → CO2

4) CaCO3 → CO2 → NaHCO3 → Na2CO3

Задание №5. Решите задачи

1.Какой объём углекислого газа выделится при обжиге карбоната кальция массой 200 г

2. Сколько угольной кислоты можно получить при взаимодействии 2 л углекислого газа (н.у.) с водой, если выход кислоты составил 90% по сравнению с теоретическим.

Интерактивное задание LearningApps.org по теме:“Соединения углерода”

ЦОРы

Видео – опыт: “Получение угарного газа”

Учебный видео-фильм: “Углекислый газ”

Видео-опыт: ”Получение углекислого га в лаборатории”

Видео:“Химические свойства углекислого газа”

Видео:“Горение магния в углекислом газе”

Видео:“Тушение пламени углекислым газом”

Опыт: “Разложение угольной кислоты”

Опыт:“Получение угольной кислоты”

Опыт: “Взаимопревращение карбонатов и гидрокарбонатов”