Koja je kvalitativna reakcija na ugljični dioksid. Fizička i hemijska svojstva ugljičnog dioksida

Ugljični dioksid, ugljični monoksid, ugljični dioksid - sve su to nazivi za jednu supstancu koja nam je poznata kao ugljični dioksid. Koja svojstva ima ovaj plin i koja su područja njegove primjene?

Ugljični dioksid i njegova fizička svojstva

Ugljični dioksid se sastoji od ugljika i kisika. Formula za ugljični dioksid izgleda ovako – CO₂. U prirodi nastaje tokom sagorevanja ili raspadanja organskih materija. Sadržaj gasova u vazduhu i mineralnim izvorima je takođe prilično visok. Osim toga, ljudi i životinje također ispuštaju ugljični dioksid prilikom izdisanja.

Rice. 1. Molekula ugljičnog dioksida.

Ugljični dioksid je potpuno bezbojan plin i ne može se vidjeti. Takođe nema miris. Međutim, s visokim koncentracijama, osoba može razviti hiperkapniju, odnosno gušenje. Nedostatak ugljičnog dioksida također može uzrokovati zdravstvene probleme. Kao rezultat nedostatka ovog plina može se razviti stanje suprotno gušenju - hipokapnija.

Ako ugljični dioksid stavite u uslove niske temperature, onda na -72 stepena kristalizira i postaje poput snijega. Stoga se ugljični dioksid u čvrstom stanju naziva "suh snijeg".

Rice. 2. Suvi snijeg – ugljični dioksid.

Ugljični dioksid je 1,5 puta gušći od zraka. Njegova gustina je 1,98 kg/m³.. Hemijska veza u molekulu ugljen-dioksida je polarna kovalentna. Polarna je zbog činjenice da kisik ima veću vrijednost elektronegativnosti.

Važan koncept u proučavanju supstanci je molekularna i molarna masa. Molarna masa ugljičnog dioksida je 44. Ovaj broj se formira od zbira relativnih atomskih masa atoma koji čine molekul. Vrijednosti relativnih atomskih masa preuzete su iz tabele D.I. Mendeljejeva i zaokruženi su na cijele brojeve. Prema tome, molarna masa CO₂ = 12+2*16.

Za izračunavanje masenih udjela elemenata u ugljičnom dioksidu potrebno je slijediti formulu za izračunavanje masenih udjela svakog kemijskog elementa u tvari.

n– broj atoma ili molekula.
A r– relativna atomska masa hemijskog elementa.
gospodin– relativna molekulska masa supstance.
Izračunajmo relativnu molekulsku masu ugljičnog dioksida.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 ili 27% Budući da formula ugljičnog dioksida uključuje dva atoma kisika, tada je n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 ili 73%

Odgovor: w(C) = 0,27 ili 27%; w(O) = 0,73 ili 73%

Hemijska i biološka svojstva ugljičnog dioksida

Ugljični dioksid ima kisela svojstva jer je kiseli oksid, a kada se otopi u vodi stvara ugljičnu kiselinu:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Reaguje sa alkalijama, što rezultira stvaranjem karbonata i bikarbonata. Ovaj gas ne gori. U njemu sagorevaju samo određeni aktivni metali, kao što je magnezijum.

Kada se zagrije, ugljični dioksid se razlaže na ugljični monoksid i kisik:

2CO₃=2CO+O₃.

Kao i drugi kiseli oksidi, ovaj plin lako reagira s drugim oksidima:

SaO+Co₃=CaCO₃.

Ugljični dioksid je dio svih organskih tvari. Kruženje ovog gasa u prirodi odvija se uz pomoć proizvođača, potrošača i razlagača. U procesu života osoba proizvodi približno 1 kg ugljičnog dioksida dnevno. Kada udišemo, primamo kisik, ali u ovom trenutku u alveolama nastaje ugljični dioksid. U ovom trenutku dolazi do razmjene: kisik ulazi u krv, a ugljični dioksid izlazi.

Ugljični dioksid nastaje tokom proizvodnje alkohola. Ovaj plin je također nusproizvod u proizvodnji dušika, kisika i argona. Upotreba ugljičnog dioksida neophodna je u prehrambenoj industriji, gdje ugljični dioksid djeluje kao konzervans, a ugljični dioksid u tekućem obliku nalazi se u aparatima za gašenje požara.

DEFINICIJA

Ugljen-dioksid(ugljični dioksid, ugljični anhidrid, ugljični dioksid) – ugljični monoksid (IV).

Formula – CO 2. Molarna masa – 44 g/mol.

Hemijska svojstva ugljičnog dioksida

Ugljični dioksid spada u klasu kiselih oksida, tj. U interakciji s vodom stvara kiselinu koja se zove ugljična kiselina. Ugljena kiselina je hemijski nestabilna i u trenutku stvaranja odmah se raspada na svoje komponente, tj. Reakcija između ugljičnog dioksida i vode je reverzibilna:

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

Kada se zagrije, ugljični dioksid se razlaže na ugljični monoksid i kisik:

2CO 2 = 2CO + O 2.

Kao i svi kiseli oksidi, ugljični dioksid karakteriziraju reakcije interakcije s bazičnim oksidima (koji nastaju samo od aktivnih metala) i bazama:

CaO + CO 2 = CaCO 3;

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

CO 2 + NaOH (razrijeđen) = NaHCO 3;

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

Ugljični dioksid ne podržava sagorijevanje, u njemu izgaraju samo aktivni metali:

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

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

Ugljični dioksid reagira s jednostavnim tvarima kao što su vodik i ugljik:

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

CO 2 + C = 2CO (t).

Kada ugljični dioksid reagira s peroksidima aktivnih metala, nastaju karbonati i oslobađa se kisik:

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

Kvalitativna reakcija na ugljični dioksid je reakcija njegove interakcije s krečnom vodom (mlijekom), tj. s kalcijevim hidroksidom, u kojem se formira bijeli talog - kalcijev karbonat:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Fizička svojstva ugljičnog dioksida

Ugljični dioksid je plinovita tvar bez boje i mirisa. Teži od vazduha. Termički stabilan. Kada se kompresuje i ohladi, lako prelazi u tečno i čvrsto stanje. Ugljični dioksid u čvrstom agregatnom stanju naziva se "suhi led" i lako sublimira na sobnoj temperaturi. Ugljični dioksid je slabo topiv u vodi i djelomično reagira s njim. Gustina – 1,977 g/l.

Proizvodnja i upotreba ugljičnog dioksida

Postoje industrijske i laboratorijske metode za proizvodnju ugljičnog dioksida. Tako se u industriji dobiva spaljivanjem krečnjaka (1), a u laboratoriji djelovanjem jakih kiselina na soli ugljične kiseline (2):

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

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

Ugljični dioksid se koristi u prehrambenoj (gazirana limunada), kemijskoj (kontrola temperature u proizvodnji sintetičkih vlakana), metalurškoj (zaštita okoliša, poput taloženja smeđih plinova) i drugim industrijama.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Kvalitativna reakcija za otkrivanje ugljičnog dioksida je zamućenje vapnene vode:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.

Na početku reakcije nastaje bijeli talog koji nestaje dugotrajnim propuštanjem CO2 kroz krečnu vodu, jer nerastvorljivi kalcijum karbonat se pretvara u rastvorljivi bikarbonat:

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

Potvrda. Ugljični dioksid se dobiva termičkom razgradnjom soli ugljične kiseline (karbonata), na primjer, spaljivanjem krečnjaka:

CaCO3 = CaO + CO2,

ili djelovanjem jakih kiselina na karbonate i bikarbonate:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2,

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.

Emisije ugljenika, jedinjenja sumpora u atmosferu kao rezultat industrijske aktivnosti, funkcionisanje energetskih i metalurških preduzeća dovode do pojave efekta staklene bašte i povezanog zagrevanja klime.

Naučnici procjenjuju da će se globalno zagrijavanje bez mjera za smanjenje emisije gasova staklene bašte kretati od 2 do 5 stepeni tokom sljedećeg stoljeća, što će biti fenomen bez presedana u posljednjih deset hiljada godina. Zagrevanje klime i povećanje nivoa mora za 60-80 cm do kraja sledećeg veka dovešće do ekološke katastrofe neviđenih razmera, koja preti degradacijom ljudske zajednice.

Ugljena kiselina i njene soli. Ugljena kiselina je vrlo slaba, postoji samo u vodenim rastvorima i blago se disocira na jone. Stoga vodeni rastvori CO2 imaju blago kisela svojstva. Strukturna formula ugljične kiseline:

Kao dvobazni, disocira se postepeno: H2CO3H++HCO-3 HCO-3H++CO2-3

Kada se zagrije, razlaže se na ugljični monoksid (IV) i vodu.

Kao dvobazna kiselina formira dvije vrste soli: srednje soli - karbonate, kisele soli - bikarbonate. Oni pokazuju opšta svojstva soli. Karbonati i bikarbonati alkalnih metala i amonijaka su dobro rastvorljivi u vodi.

Soli ugljične kiseline- jedinjenja su stabilna, iako je sama kiselina nestabilna. Mogu se dobiti reakcijom CO2 sa rastvorima baza ili reakcijama razmene:

NaOH+CO2=NaHCO3

KHCO3+KOH=K2CO3+H2O

BaCl2+Na2CO3=BaCO3+2NaCl

Karbonati zemnoalkalnih metala su slabo rastvorljivi u vodi. Hidrokarbonati su, s druge strane, rastvorljivi. Hidrokarbonati nastaju iz karbonata, ugljičnog monoksida (IV) i vode:

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

Kada se zagrijavaju, karbonati alkalnih metala se tope bez raspadanja, a preostali karbonati, kada se zagrijavaju, lako se raspadaju u oksid odgovarajućeg metala i CO2:

CaCO3=CaO+CO2

Kada se zagreju, hidrokarbonati se pretvaraju u karbonate:

2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O

Karbonati alkalnih metala u vodenim rastvorima imaju visoko alkalnu reakciju zbog hidrolize:

Na2CO3+H2O=NaHCO3+NaOH

Kvalitativna reakcija na karbonatni ion C2-3 i bikarbonat HCO-3 je njihova interakcija sa jačim kiselinama. Oslobađanje ugljičnog monoksida (IV) sa karakterističnim "ključanjem" ukazuje na prisustvo ovih jona.

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O

Propuštanjem oslobođenog CO2 kroz krečnu vodu, možete primijetiti kako otopina postaje mutna zbog stvaranja kalcijevog karbonata:

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

Sa produženim prolazom CO2, rastvor ponovo postaje providan zbog

formiranje bikarbonata: CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2

Interakcija ugljika s ugljičnim dioksidom odvija se prema reakciji

Sistem koji se razmatra sastoji se od dve faze - čvrstog ugljenika i gasa (f = 2). Tri interakcijske supstance su međusobno povezane jednom reakcijskom jednačinom, dakle, broj nezavisnih komponenti k = 2. Prema Gibbsovom faznom pravilu, broj stepeni slobode sistema će biti jednak

C = 2 + 2 – 2 = 2.

To znači da su ravnotežne koncentracije CO i CO 2 funkcije temperature i pritiska.

Reakcija (2.1) je endotermna. Stoga, prema Le Chatelierovom principu, povećanje temperature pomiče ravnotežu reakcije u smjeru stvaranja dodatne količine CO.

Kada dođe do reakcije (2.1), troši se 1 mol CO 2 koji u normalnim uslovima ima zapreminu od 22400 cm 3 i 1 mol čvrstog ugljenika zapremine 5,5 cm 3. Kao rezultat reakcije nastaju 2 mola CO, čija je zapremina u normalnim uvjetima 44800 cm 3.

Iz navedenih podataka o promjeni zapremine reagensa tokom reakcije (2.1) proizilazi:

1. Razmatrana transformacija je praćena povećanjem volumena supstanci koje djeluju. Dakle, u skladu sa Le Chatelierovim principom, povećanje pritiska će podstaći reakciju u pravcu stvaranja CO 2.
2. Promena zapremine čvrste faze je zanemarljiva u poređenju sa promenom zapremine gasa. Stoga, za heterogene reakcije koje uključuju plinovite tvari, možemo s dovoljnom točnošću pretpostaviti da je promjena volumena supstanci u interakciji određena samo brojem molova plinovitih tvari na desnoj i lijevoj strani jednadžbe reakcije.

Konstanta ravnoteže reakcije (2.1) određena je iz izraza

Ako uzmemo grafit kao standardno stanje pri određivanju aktivnosti ugljika, onda je a C = 1

Numerička vrijednost konstante ravnoteže reakcije (2.1) može se odrediti iz jednačine

Podaci o uticaju temperature na vrijednost konstante reakcione ravnoteže dati su u tabeli 2.1.

Tabela 2.1– Vrijednosti konstante ravnoteže reakcije (2.1) na različitim temperaturama

Iz datih podataka jasno je da je na temperaturi od oko 1000K (700 o C) konstanta ravnoteže reakcije bliska jedinici. To znači da je u području umjerenih temperatura reakcija (2.1) gotovo potpuno reverzibilna. Na visokim temperaturama reakcija teče nepovratno prema stvaranju CO, a na niskim temperaturama u suprotnom smjeru.

Ako se gasovita faza sastoji samo od CO i CO 2, izražavanjem parcijalnih pritisaka supstanci u interakciji u smislu njihove zapreminske koncentracije, jednačina (2.4) se može svesti na oblik

U industrijskim uslovima, CO i CO 2 se dobijaju kao rezultat interakcije ugljenika sa kiseonikom u vazduhu ili eksplozijom obogaćenom kiseonikom. Istovremeno, u sistemu se pojavljuje još jedna komponenta - dušik. Unošenje azota u gasnu mešavinu utiče na odnos ravnotežnih koncentracija CO i CO 2 na sličan način kao i smanjenje pritiska.

Iz jednačine (2.6) jasno je da je sastav ravnotežne gasne mešavine funkcija temperature i pritiska. Stoga se rješenje jednadžbe (2.6) grafički interpretira korištenjem površine u trodimenzionalnom prostoru u koordinatama T, Ptot i (%CO). Percepcija takve zavisnosti je teška. Mnogo je pogodnije prikazati u obliku zavisnosti sastava ravnotežne mešavine gasova od jedne od varijabli, pri čemu je drugi parametar sistema konstantan. Kao primjer, na slici 2.1 prikazani su podaci o uticaju temperature na sastav ravnotežne mješavine plinova pri Ptot = 10 5 Pa.

S obzirom na poznati početni sastav mješavine plinova, smjer reakcije (2.1) može se suditi pomoću jednačine

Ako pritisak u sistemu ostane nepromenjen, relacija (2.7) se može svesti na oblik

Slika 2.1– Zavisnost ravnotežnog sastava gasne faze za reakciju C + CO 2 = 2CO o temperaturi na P CO + P CO 2 = 10 5 Pa.

Za gasnu mešavinu čiji sastav odgovara tački a na slici 2.1, . Gde

i G > 0. Dakle, tačke iznad krive ravnoteže karakterišu sisteme čiji se pristup stanju termodinamičke ravnoteže odvija kroz reakciju

Slično, može se pokazati da tačke ispod krive ravnoteže karakteriziraju sisteme koji se ravnotežnom stanju približavaju reakcijom

Zamislimo ovu situaciju:

Radite u laboratoriji i odlučili ste provesti eksperiment. Da biste to učinili, otvorili ste ormarić s reagensima i odjednom na jednoj od polica ugledali sljedeću sliku. Dvije tegle s reagensima su oguljene naljepnice i bezbedno su ostale ležati u blizini. Istovremeno, više nije moguće točno odrediti koja tegla odgovara kojoj etiketi, a vanjski znakovi tvari po kojima se mogu razlikovati su isti.

U ovom slučaju problem se može riješiti korištenjem tzv kvalitativne reakcije.

Kvalitativne reakcije To su reakcije koje omogućavaju razlikovanje jedne tvari od druge, kao i otkrivanje kvalitativnog sastava nepoznatih tvari.

Na primjer, poznato je da kationi nekih metala, kada se njihove soli dodaju u plamen plamenika, oboje ga u određenu boju:

Ova metoda može funkcionirati samo ako tvari koje se razlikuju mijenjaju boju plamena drugačije, ili jedna od njih uopće ne mijenja boju.

Ali, recimo, na sreću, supstance koje se određuju ne boje plamen, niti ga boje istom bojom.

U tim slučajevima bit će potrebno razlikovati tvari pomoću drugih reagensa.

U kom slučaju možemo razlikovati jednu tvar od druge pomoću bilo kojeg reagensa?

Postoje dvije opcije:

• Jedna supstanca reaguje sa dodatim reagensom, ali druga ne. U ovom slučaju mora biti jasno vidljivo da se reakcija jedne od polaznih tvari s dodanim reagensom zaista dogodila, odnosno da se uočava neki njen vanjski znak - formira se talog, oslobađa se plin, dolazi do promjene boje , itd.

Na primjer, nemoguće je razlikovati vodu od otopine natrijevog hidroksida pomoću klorovodične kiseline, unatoč činjenici da alkalije dobro reagiraju s kiselinama:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

To je zbog odsustva bilo kakvih vanjskih znakova reakcije. Bistra, bezbojna otopina hlorovodonične kiseline kada se pomeša sa bezbojnim rastvorom hidroksida formira isti bistri rastvor:

Ali s druge strane, možete razlikovati vodu od vodene otopine alkalija, na primjer, koristeći otopinu magnezijevog klorida - u ovoj reakciji nastaje bijeli talog:

2NaOH + MgCl 2 = Mg(OH) 2 ↓+ 2NaCl

2) supstance se takođe mogu razlikovati jedna od druge ako obe reaguju sa dodatim reagensom, ali to čine na različite načine.

Na primjer, možete razlikovati otopinu natrijevog karbonata od otopine srebrnog nitrata pomoću otopine klorovodične kiseline.

Hlorovodonična kiselina reaguje sa natrijum karbonatom i oslobađa bezbojni gas bez mirisa - ugljen dioksid (CO 2):

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

i sa srebrovim nitratom da formira bijeli sirast talog AgCl

HCl + AgNO 3 = HNO 3 + AgCl↓

Tablice u nastavku predstavljaju različite opcije za detekciju specifičnih jona:

Kvalitativne reakcije na katjone

Kvalitativne reakcije na anjone

Anion	Udar ili reagens	Znak reakcije. Jednačina reakcije
SO 4 2-	Ba 2+	Taloženje bijelog taloga, nerastvorljivog u kiselinama: Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4 ↓
NE 3 −	1) Dodajte H 2 SO 4 (konc.) i Cu, zagrijte 2) Smjesa H 2 SO 4 + FeSO 4	1) Formiranje plavog rastvora koji sadrži Cu 2+ jone, oslobađanje smeđeg gasa (NO 2) 2) Pojava boje nitrozo-gvožđe (II) sulfata 2+. Boja se kreće od ljubičaste do smeđe (reakcija smeđeg prstena)
PO 4 3-	Ag+	Taloženje svijetložutog taloga u neutralnom okruženju: 3Ag + + PO 4 3- = Ag 3 PO 4 ↓
CrO 4 2-	Ba 2+	Formiranje žutog taloga, nerastvorljivog u octenoj kiselini, ali rastvorljivog u HCl: Ba 2+ + CrO 4 2- = BaCrO 4 ↓
S 2-	Pb 2+	crni talog: Pb 2+ + S 2- = PbS↓
CO 3 2-		1) Taloženje belog taloga, rastvorljivog u kiselinama: Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 ↓ 2) Oslobađanje bezbojnog gasa („ključanje”), što uzrokuje zamućenje krečnjačke vode: CO 3 2- + 2H + = CO 2 + H 2 O
CO2	Krečna voda Ca(OH) 2	Taloženje bijelog taloga i njegovo otapanje uz daljnji prolazak 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+	Emisija plina SO 2 karakterističnog oštrog mirisa (SO 2): 2H + + SO 3 2- = H 2 O + SO 2
F −	Ca2+	bijeli talog: Ca 2+ + 2F − = CaF 2 ↓
Cl −	Ag+	Taloženje bijelog sirastog taloga, nerastvorljivog u HNO 3, ali rastvorljivog u NH 3 ·H 2 O (konc.): Ag + + Cl − = AgCl↓ AgCl + 2(NH 3 ·H 2 O) = ) Najnoviji materijali u sekciji: