Каква е качествената реакция на въглеродния диоксид. Физични и химични свойства на въглеродния диоксид

Въглероден диоксид, въглероден оксид, въглероден диоксид - всичко това са имена на едно вещество, известно ни като въглероден диоксид. И така, какви свойства има този газ и какви са неговите области на приложение?

Въглероден диоксид и неговите физични свойства

Въглеродният диоксид се състои от въглерод и кислород. Формулата за въглероден диоксид изглежда така – CO₂. В природата се образува при изгаряне или гниене на органични вещества. Съдържанието на газ във въздуха и минералните извори също е доста високо. В допълнение, хората и животните също отделят въглероден диоксид, когато издишват.

Ориз. 1. Молекула въглероден диоксид.

Въглеродният диоксид е напълно безцветен газ и не може да се види. Освен това няма мирис. Въпреки това, при високи концентрации, човек може да развие хиперкапния, тоест задушаване. Липсата на въглероден диоксид също може да причини здравословни проблеми. В резултат на липсата на този газ може да се развие обратното на задушаване състояние - хипокапния.

Ако поставите въглероден диоксид в условия на ниска температура, тогава при -72 градуса той кристализира и става като сняг. Следователно въглеродният диоксид в твърдо състояние се нарича "сух сняг".

Ориз. 2. Сух сняг – въглероден диоксид.

Въглеродният диоксид е 1,5 пъти по-плътен от въздуха. Плътността му е 1,98 kg/m³ Химическата връзка в молекулата на въглеродния диоксид е полярна ковалентна. Той е полярен поради факта, че кислородът има по-висока стойност на електроотрицателност.

Важна концепция в изучаването на веществата е молекулната и моларната маса. Моларната маса на въглеродния диоксид е 44. Това число се образува от сумата на относителните атомни маси на атомите, които изграждат молекулата. Стойностите на относителните атомни маси са взети от таблицата на D.I. Менделеев и са закръглени до цели числа. Съответно, моларната маса на CO₂ = 12+2*16.

За да се изчислят масовите дялове на елементите във въглеродния диоксид, е необходимо да се следва формулата за изчисляване на масовите дялове на всеки химичен елемент в дадено вещество.

н– брой атоми или молекули.
А r– относителна атомна маса на химичен елемент.
г-н– относителна молекулна маса на веществото.
Нека изчислим относителната молекулна маса на въглеродния диоксид.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27% Тъй като формулата на въглеродния диоксид включва два кислородни атома, тогава n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73%

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

Химични и биологични свойства на въглеродния диоксид

Въглеродният диоксид има киселинни свойства, тъй като е киселинен оксид и когато се разтвори във вода, образува въглеродна киселина:

CO₂+H2O=H2CO3

Реагира с алкали, което води до образуване на карбонати и бикарбонати. Този газ не гори. Само някои активни метали, като магнезий, горят в него.

При нагряване въглеродният диоксид се разпада на въглероден оксид и кислород:

2CO3=2CO+O3.

Подобно на други киселинни оксиди, този газ лесно реагира с други оксиди:

СaO+Co₃=CaCO₃.

Въглеродният диоксид е част от всички органични вещества. Циркулацията на този газ в природата се осъществява с помощта на производители, консуматори и разложители. В процеса на живот човек произвежда приблизително 1 kg въглероден диоксид на ден. Когато вдишваме, получаваме кислород, но в този момент в алвеолите се образува въглероден диоксид. В този момент се извършва обмен: кислородът влиза в кръвта и въглеродният диоксид излиза.

Въглеродният диоксид се получава при производството на алкохол. Този газ също е страничен продукт при производството на азот, кислород и аргон. Използването на въглероден диоксид е необходимо в хранително-вкусовата промишленост, където въглеродният диоксид действа като консервант, а въглеродният диоксид в течна форма се намира в пожарогасителите.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Въглероден двуокис(въглероден диоксид, въглероден анхидрид, въглероден диоксид) – въглероден оксид (IV).

Формула – CO 2. Моларна маса – 44 g/mol.

Химични свойства на въглеродния диоксид

Въглеродният диоксид принадлежи към класа на киселинните оксиди, т.е. Когато взаимодейства с вода, той образува киселина, наречена въглена киселина. Въглеродната киселина е химически нестабилна и в момента на образуване веднага се разпада на компонентите си, т.е. Реакцията между въглероден диоксид и вода е обратима:

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

При нагряване въглеродният диоксид се разпада на въглероден оксид и кислород:

2CO 2 = 2CO + O 2.

Както всички киселинни оксиди, въглеродният диоксид се характеризира с реакции на взаимодействие с основни оксиди (образувани само от активни метали) и основи:

CaO + CO 2 = CaCO 3;

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

CO 2 + NaOH (разреден) = NaHCO 3;

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

Въглеродният диоксид не поддържа горенето, в него горят само активни метали:

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

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

Въглеродният диоксид реагира с прости вещества като водород и въглерод:

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

CO 2 + C = 2CO (t).

Когато въглеродният диоксид реагира с пероксиди на активни метали, се образуват карбонати и се отделя кислород:

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

Качествена реакция на въглероден диоксид е реакцията на взаимодействието му с варовита вода (мляко), т.е. с калциев хидроксид, в който се образува бяла утайка - калциев карбонат:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Физични свойства на въглеродния диоксид

Въглеродният диоксид е газообразно вещество без цвят и мирис. По-тежки от въздуха. Термично стабилен. При компресиране и охлаждане лесно преминава в течно и твърдо състояние. Въглеродният диоксид в твърдо агрегатно състояние се нарича "сух лед" и лесно се сублимира при стайна температура. Въглеродният диоксид е слабо разтворим във вода и частично реагира с нея. Плътност – 1.977 g/l.

Производство и използване на въглероден диоксид

Има промишлени и лабораторни методи за производство на въглероден диоксид. Така в промишлеността се получава чрез изгаряне на варовик (1), а в лабораторията чрез действието на силни киселини върху соли на въглена киселина (2):

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

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O (2).

Въглеродният диоксид се използва в хранително-вкусовата (газирана лимонада), химическата (контрол на температурата при производството на синтетични влакна), металургичната (опазване на околната среда, като утаяване на кафяв газ) и други индустрии.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Качествена реакция за откриване на въглероден диоксид е мътността на варовата вода:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.

В началото на реакцията се образува бяла утайка, която изчезва при продължително преминаване на CO2 през варовита вода, т.к. неразтворимият калциев карбонат се превръща в разтворим бикарбонат:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2.

Касова бележка.Въглеродният диоксид се получава чрез термично разлагане на соли на въглеродна киселина (карбонати), например чрез изгаряне на варовик:

CaCO3 = CaO + CO2,

или чрез действието на силни киселини върху карбонати и бикарбонати:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2,

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.

Въглеродни емисии, серните съединения в атмосферата в резултат на промишлената дейност, функционирането на енергийните и металургичните предприятия водят до появата на парников ефект и свързаното с него затопляне на климата.

Учените изчисляват, че глобалното затопляне без мерки за намаляване на емисиите на парникови газове ще варира от 2 до 5 градуса през следващия век, което ще бъде безпрецедентно явление за последните десет хиляди години. Затоплянето на климата и повишаването на морското равнище с 60-80 см до края на следващия век ще доведе до екологична катастрофа от безпрецедентен мащаб, която заплашва деградацията на човешката общност.

Въглена киселина и нейните соли.Въглеродната киселина е много слаба, съществува само във водни разтвори и леко се разпада на йони. Следователно водните разтвори на CO2 имат слабо киселинни свойства. Структурна формула на въглеродна киселина:

Като двуосновен, той се дисоциира стъпаловидно: H2CO3H++HCO-3 HCO-3H++CO2-3

При нагряване се разлага на въглероден окис (IV) и вода.

Като двуосновна киселина образува два вида соли: средни соли - карбонати, киселинни соли - бикарбонати. Те проявяват общите свойства на солите. Карбонатите и бикарбонатите на алкалните метали и амония са силно разтворими във вода.

Соли на въглеродна киселина- съединенията са стабилни, въпреки че самата киселина е нестабилна. Те могат да бъдат получени чрез взаимодействие на CO2 с разтвори на основи или чрез обменни реакции:

NaOH+CO2=NaHCO3

KHCO3+KOH=K2CO3+H2O

BaCl2+Na2CO3=BaCO3+2NaCl

Карбонатите на алкалоземните метали са слабо разтворими във вода. Хидрокарбонатите, от друга страна, са разтворими. Хидрокарбонатите се образуват от карбонати, въглероден оксид (IV) и вода:

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

При нагряване карбонатите на алкални метали се топят, без да се разлагат, а останалите карбонати при нагряване лесно се разлагат на оксид на съответния метал и CO2:

CaCO3=CaO+CO2

При нагряване хидрокарбонатите се превръщат в карбонати:

2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O

Карбонатите на алкални метали във водни разтвори имат силно алкална реакция поради хидролиза:

Na2CO3+H2O=NaHCO3+NaOH

Качествена реакция към карбонатния йон C2-3 и бикарбонатния HCO-3 е взаимодействието им с по-силни киселини. Отделянето на въглероден окис (IV) с характерно "кипене" показва наличието на тези йони.

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O

Като прекарате освободения CO2 през варовита вода, можете да наблюдавате помътняване на разтвора поради образуването на калциев карбонат:

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

При продължително преминаване на CO2 разтворът отново става прозрачен поради

образуване на бикарбонат: CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2

Взаимодействието на въглерода с въглеродния диоксид протича според реакцията

Разглежданата система се състои от две фази - твърд въглерод и газ (f = 2). Три взаимодействащи вещества са свързани помежду си с едно уравнение на реакцията, следователно броят на независимите компоненти k = 2. Съгласно правилото за фазата на Гибс, броят на степените на свобода на системата ще бъде равен на

C = 2 + 2 – 2 = 2.

Това означава, че равновесните концентрации на CO и CO 2 са функции на температурата и налягането.

Реакцията (2.1) е ендотермична. Следователно, според принципа на Le Chatelier, повишаването на температурата измества равновесието на реакцията в посока на образуването на допълнително количество CO.

Когато протича реакция (2.1), се изразходва 1 mol CO 2, който при нормални условия има обем 22400 cm 3, и 1 mol твърд въглерод с обем 5,5 cm 3. В резултат на реакцията се образуват 2 мола CO, чийто обем при нормални условия е 44800 cm 3.

От горните данни за промяната в обема на реагентите по време на реакцията (2.1) следва:

1. Разглежданата трансформация е придружена от увеличаване на обема на взаимодействащите вещества. Следователно, в съответствие с принципа на Льо Шателие, повишаването на налягането ще насърчи реакцията към образуване на CO2.
2. Промяната в обема на твърдата фаза е незначителна в сравнение с промяната в обема на газа. Следователно, за хетерогенни реакции, включващи газообразни вещества, можем да приемем с достатъчна точност, че промяната в обема на взаимодействащите вещества се определя само от броя на моловете газообразни вещества от дясната и лявата страна на уравнението на реакцията.

Равновесната константа на реакцията (2.1) се определя от израза

Ако вземем графит като стандартно състояние при определяне на активността на въглерода, тогава C = 1

Числената стойност на равновесната константа на реакцията (2.1) може да се определи от уравнението

Данните за влиянието на температурата върху стойността на константата на равновесието на реакцията са дадени в таблица 2.1.

Таблица 2.1– Стойности на равновесната константа на реакцията (2.1) при различни температури

От дадените данни става ясно, че при температура около 1000K (700 o C) равновесната константа на реакцията е близка до единица. Това означава, че в областта на умерените температури реакцията (2.1) е почти напълно обратима. При високи температури реакцията протича необратимо към образуване на CO, а при ниски температури в обратна посока.

Ако газовата фаза се състои само от CO и CO 2, чрез изразяване на парциалните налягания на взаимодействащите вещества по отношение на техните обемни концентрации, уравнение (2.4) може да се редуцира до формата

В промишлени условия CO и CO 2 се получават в резултат на взаимодействието на въглерода с кислорода във въздуха или взрива, обогатен с кислород. В същото време в системата се появява още един компонент - азот. Въвеждането на азот в газовата смес влияе върху съотношението на равновесните концентрации на CO и CO 2 по начин, подобен на намаляването на налягането.

От уравнение (2.6) става ясно, че съставът на равновесната газова смес е функция на температурата и налягането. Следователно решението на уравнение (2.6) се интерпретира графично, като се използва повърхност в триизмерно пространство в координати T, Ptot и (%CO). Възприемането на такава зависимост е трудно. Много по-удобно е да се изобрази под формата на зависимост на състава на равновесна смес от газове от една от променливите, като вторият от параметрите на системата е постоянен. Като пример, Фигура 2.1 показва данни за влиянието на температурата върху състава на равновесната газова смес при Ptot = 10 5 Pa.

Като се има предвид известният първоначален състав на газовата смес, може да се прецени посоката на реакцията (2.1), като се използва уравнението

Ако налягането в системата остане непроменено, съотношението (2.7) може да се сведе до вида

Фигура 2.1– Зависимост на равновесния състав на газовата фаза за реакцията C + CO 2 = 2CO от температурата при P CO + P CO 2 = 10 5 Pa.

За газова смес, чийто състав съответства на точка а на фигура 2.1, . При което

и G > 0. По този начин точките над кривата на равновесието характеризират системи, чийто подход към състоянието на термодинамично равновесие протича чрез реакцията

По подобен начин може да се покаже, че точките под кривата на равновесието характеризират системи, които се доближават до равновесното състояние чрез реакция

Нека си представим тази ситуация:

Работите в лаборатория и сте решили да проведете експеримент. За да направите това, отворихте шкафа с реактиви и внезапно видяхте следната снимка на един от рафтовете. Етикетите на два буркана с реактиви бяха отлепени и безопасно останаха да лежат наблизо. В същото време вече не може да се определи точно кой буркан на кой етикет отговаря, а външните признаци на веществата, по които биха могли да бъдат разпознати, са едни и същи.

В този случай проблемът може да се реши с помощта на т.нар качествени реакции.

Качествени реакцииТова са реакции, които позволяват да се разграничи едно вещество от друго, както и да се установи качественият състав на непознати вещества.

Например, известно е, че катионите на някои метали, когато техните соли се добавят към пламъка на горелката, го оцветяват в определен цвят:

Този метод може да работи само ако разграничаваните вещества променят цвета на пламъка по различен начин или едно от тях изобщо не променя цвета си.

Но, да речем, за късмет, определяните вещества не оцветяват пламъка или го оцветяват в същия цвят.

В тези случаи ще е необходимо да се разграничат веществата с помощта на други реактиви.

В какъв случай можем да различим едно вещество от друго с помощта на реактив?

Има две възможности:

• Едно вещество реагира с добавения реагент, но второто не. В този случай трябва ясно да се вижда, че реакцията на едно от изходните вещества с добавения реагент наистина е протекла, тоест наблюдава се някакъв външен признак за това - образува се утайка, отделя се газ, настъпва промяна на цвета и т.н.

Например, невъзможно е да се разграничи водата от разтвор на натриев хидроксид с помощта на солна киселина, въпреки факта, че алкалите реагират добре с киселини:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

Това се дължи на липсата на външни признаци на реакция. Бистър, безцветен разтвор на солна киселина, когато се смеси с безцветен разтвор на хидроксид, образува същия бистър разтвор:

Но от друга страна, можете да различите вода от воден разтвор на алкали, например, като използвате разтвор на магнезиев хлорид - при тази реакция се образува бяла утайка:

2NaOH + MgCl 2 = Mg(OH) 2 ↓+ 2NaCl

2) веществата също могат да бъдат разграничени едно от друго, ако и двете реагират с добавения реагент, но го правят по различни начини.

Например, можете да различите разтвор на натриев карбонат от разтвор на сребърен нитрат, като използвате разтвор на солна киселина.

Солната киселина реагира с натриев карбонат, за да освободи безцветен газ без мирис - въглероден диоксид (CO 2 ):

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

и със сребърен нитрат, за да се образува бяла сиренеста утайка AgCl

HCl + AgNO 3 = HNO 3 + AgCl↓

Таблиците по-долу представят различни опции за откриване на конкретни йони:

Качествени реакции към катиони

Качествени реакции към аниони

Анион	Удар или реагент	Знак за реакция. Уравнение на реакцията
SO 4 2-	Ба 2+	Утаяване на бяла утайка, неразтворима в киселини: Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4 ↓
НЕ 3 −	1) Добавете H2SO4 (конц.) и Cu, загрейте 2) Смес от H 2 SO 4 + FeSO 4	1) Образуване на син разтвор, съдържащ Cu 2+ йони, освобождаване на кафяв газ (NO 2) 2) Появата на цвят на нитрозо-железен (II) сулфат 2+. Цветът варира от виолетов до кафяв (реакция на кафяв пръстен)
PO 4 3-	Ag+	Утаяване на светложълта утайка в неутрална среда: 3Ag + + PO 4 3- = Ag 3 PO 4 ↓
CrO 4 2-	Ба 2+	Образуване на жълта утайка, неразтворима в оцетна киселина, но разтворима в HCl: Ba 2+ + CrO 4 2- = BaCrO 4 ↓
S 2-	Pb 2+	Черна утайка: Pb 2+ + S 2- = PbS↓
CO 3 2-		1) Утаяване на бяла утайка, разтворима в киселини: Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 ↓ 2) Отделянето на безцветен газ („кипене“), причиняващо помътняване на варовата вода: CO 3 2- + 2H + = CO 2 + H 2 O
CO2	Варовита вода Ca(OH) 2	Утаяване на бяла утайка и нейното разтваряне с по-нататъшно преминаване на 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+	Емисии на газ SO 2 с характерна остра миризма (SO 2): 2H + + SO 3 2- = H 2 O + SO 2
F −	Ca2+	Бяла утайка: Ca 2+ + 2F − = CaF 2 ↓
Cl −	Ag+	Утаяване на бяла сиренеста утайка, неразтворима в HNO 3, но разтворима в NH 3 ·H 2 O (конц.): Ag + + Cl − = AgCl↓ AgCl + 2(NH3 ·H2O) = ) Последни материали в раздела: