Что является качественной реакцией на углекислый газ. Физические и химические свойства углекислого газа

Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?

Углекислый газ и его физические свойства

Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.

Рис. 1. Молекула углекислого газа.

Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.

Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».

Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.

Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.

Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.

Чтобы вычислить массовые доли элементов в углекислом газе необходимо следовать формулерасчета массовых долей каждого химического элемента в веществе.

n – число атомов или молекул.
Ar – относительная атомная масса химического элемента.
Mr – относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27 % Так как в формулу углекислого газа входит два атома кислорода, то n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73 %

Ответ: w(C) = 0,27 или 27 %; w(O) = 0,73 или 73 %

Химические и биологические свойства углекислого газа

Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO₃=2CO+O₃.

Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:

СaO+Co₃=CaCO₃.

Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.

Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углекислый газ (двуокись углерода, угольный ангидрид, диоксид углерода) – оксид углерода (IV).

Формула – СО 2 . Молярная масса – 44 г/моль.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ относится к классу кислотных оксидов, т.е. при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется угольная. Угольная кислота химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие, т.е. реакция взаимодействия углекислого газа с водой носит обратимый характер:

CO 2 + H 2 O ↔ CO 2 ×H 2 O(solution) ↔ H 2 CO 3 .

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO 2 = 2CO + O 2 .

Как и для всех кислотных оксидов, для углекислого газа характерны реакции взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:

CaO + CO 2 = CaCO 3 ;

Al 2 O 3 + 3CO 2 = Al 2 (CO 3) 3 ;

CO 2 + NaOH (dilute) = NaHCO 3 ;

CO 2 + 2NaOH (conc) = Na 2 CO 3 + H 2 O.

Углекислый газ не поддерживает горения, в нем горят только активные металлы:

CO 2 + 2Mg = C + 2MgO (t);

CO 2 + 2Ca = C + 2CaO (t).

Углекислый газ вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами, такими как водород и углерод:

CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O (t, kat = Cu 2 O);

CO 2 + C = 2CO (t).

При взаимодействии углекислого газа с пероксидами активных металлов образуются карбонаты и выделяется кислород:

2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2 .

Качественной реакцией на углекислый газ является реакция его взаимодействия с известковой водой (молоком), т.е. с гидроксидом кальция, в которой образуется осадок белого цвета – карбонат кальция:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Физические свойства углекислого газа

Углекислый газ – газообразное вещество без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Термически устойчив. При сжатии и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое состояния. Углекислый газ в твердом агрегатном состоянии носит название «сухой лед» и легко возгоняется при комнатной температуре. Углекислый газ плохо растворим в воде, частично реагирует с ней. Плотность – 1,977 г/л.

Получение и применение углекислого газа

Выделяют промышленные и лабораторные способы получения углекислого газа. Так, в промышленности его получают обжигом известняка (1), а в лаборатории – действием сильных кислот на соли угольной кислоты (2):

CaCO 3 = CaO + CO 2 (t) (1);

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O (2).

Углекислый газ используется в пищевой (газирование лимонада), химической (регулировка температур при производстве синтетических волокон), металлургической (защита окружающей среды, например, осаждение бурого газа) и других отраслях промышленности.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

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

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:

1. 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 .
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

Представим себе такую ситуацию:

Вы работаете в лаборатории и решили провести какой-либо эксперимент. Для этого вы открыли шкаф с реактивами и неожиданно увидели на одной из полок следующую картину. У двух баночек с реактивами отклеились этикетки, которые благополучно остались лежать неподалеку. При этом установить точно какой банке соответствует какая этикетка уже невозможно, а внешние признаки веществ, по которым их можно было бы различить, одинаковы.

В таком случае проблема может быть решена с использованием, так называемых, качественных реакций .

Качественными реакциями называют такие реакции, которые позволяют отличить одни вещества от других, а также узнать качественный состав неизвестных веществ.

Например, известно, что катионы некоторых металлов при внесении их солей в пламя горелки окрашивают его в определенный цвет:

Данный метод может сработать только в том случае, если различаемые вещества по разному меняют цвет пламени, или же одно из них не меняет цвет вовсе.

Но, допустим, как назло, вам определяемые вещества цвет пламени не окрашивают, или окрашивают его в один и тот же цвет.

В этих случаях придется отличать вещества с применением других реагентов.

В каком случае мы можем отличить одно вещество от другого с помощью какого-либо реагента?

Возможны два варианта:

• Одно вещество реагирует с добавленным реагентом, а второе нет. При этом обязательно, должно быть ясно видно, что реакция одного из исходных веществ с добавленным реагентом действительно прошла, то есть наблюдается какой-либо ее внешний признак — выпадал осадок, выделился газ, произошло изменение цвета и т.п.

Например, нельзя отличить воду от раствора гидроксида натрия с помощью соляной кислоты, не смотря на то, что щелочи с кислотами прекрасно реагируют:

NaOH + HCl = NaCl + H 2 O

Связано это с отсутствием каких-либо внешних признаков реакции. Прозрачный бесцветный раствор соляной кислоты при смешении с бесцветным раствором гидроксида образует такой же прозрачный раствор:

Но зато, можно воду от водного раствора щелочи можно различить, например, с помощью раствора хлорида магния – в данной реакции выпадает белый осадок:

2NaOH + MgCl 2 = Mg(OH) 2 ↓+ 2NaCl

2) также вещества можно отличить друг от друга, если они оба реагируют с добавляемым реагентом, но делают это по-разному.

Например, различить раствор карбоната натрия от раствора нитрата серебра можно с помощью раствора соляной кислоты.

с карбонатом натрия соляная кислота реагирует с выделением бесцветного газа без запаха — углекислого газа (СО 2):

2HCl + Na 2 CO 3 = 2NaCl + H 2 O + CO 2

а с нитратом серебра с образованием белого творожистого осадка AgCl

HCl + AgNO 3 = HNO 3 + AgCl↓

Ниже в таблицах представлены различные варианты обнаружения конкретных ионов:

Качественные реакции на катионы

Качественные реакции на анионы

Анион	Воздействие или реактив	Признак реакции. Уравнение реакции
SO 4 2-	Ba 2+	Выпадение белого осадка, не растворимого в кислотах: Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4 ↓
NO 3 −	1) Добавить H 2 SO 4 (конц.) и Cu, нагреть 2) Смесь H 2 SO 4 + FeSO 4	1) Образование раствора синего цвета, содержащего ионы Cu 2+ , выделение газа бурого цвета (NO 2) 2) Возникновение окраски сульфата нитрозо-железа (II) 2+ . Окраска от фиолетовой до коричневой (реакция «бурого кольца»)
PO 4 3-	Ag +	Выпадение светло-желтого осадка в нейтральной среде: ­3Ag + + PO 4 3- = Ag 3 PO 4 ↓
CrO 4 2-	Ba 2+	Выпадение желтого осадка, не растворимого в уксусной кислоте, но растворимого в HCl: Ba 2+ + CrO 4 2- = BaCrO 4 ↓
S 2-	Pb 2+	Выпадение черного осадка: Pb 2+ + S 2- = PbS↓
CO 3 2-		1) Выпадение белого осадка, растворимого в кислотах: Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 ↓ 2) Выделение бесцветного газа («вскипание»), вызывающее помутнение известковой воды: CO 3 2- + 2H + = CO 2 + H 2 O
CO 2	Известковая вода Ca(OH) 2	Выпадение белого осадка и его растворение при дальнейшем пропускании CO 2: Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2
SO 3 2-	H +	Выделение газа SO 2 с характерным резким запахом (SO 2): 2H + + SO 3 2- = H 2 O + SO 2
F −	Ca 2+	Выпадение белого осадка: Ca 2+ + 2F − = CaF 2 ↓
Cl −	Ag +	Выпадение белого творожистого осадка, не растворимого в HNO 3 , но растворимого в NH 3 ·H 2 O (конц.) : Ag + + Cl − = AgCl↓ AgCl + 2(NH 3 ·H 2 O) = } Последние материалы раздела: