Apa reaksi kualitatif terhadap karbon dioksida. Sifat fisik dan kimia karbon dioksida

Karbon dioksida, karbon monoksida, karbon dioksida - semua ini adalah nama untuk satu zat yang kita kenal sebagai karbon dioksida. Jadi sifat apa yang dimiliki gas ini, dan apa saja bidang penerapannya?

Karbon dioksida dan sifat fisiknya

Karbon dioksida terdiri dari karbon dan oksigen. Rumus karbon dioksida terlihat seperti ini – CO₂. Di alam, terbentuk selama pembakaran atau pembusukan zat organik. Kandungan gas di udara dan mata air mineral juga cukup tinggi. Selain itu, manusia dan hewan juga mengeluarkan karbon dioksida saat menghembuskan napas.

Beras. 1. Molekul karbon dioksida.

Karbon dioksida adalah gas yang tidak berwarna dan tidak dapat dilihat. Itu juga tidak berbau. Namun, dengan konsentrasi tinggi, seseorang dapat mengalami hiperkapnia, yaitu mati lemas. Kekurangan karbon dioksida juga dapat menyebabkan masalah kesehatan. Akibat kekurangan gas ini, kondisi yang berlawanan dengan mati lemas dapat terjadi - hipokapnia.

Jika Anda menempatkan karbon dioksida dalam kondisi suhu rendah, maka pada -72 derajat ia mengkristal dan menjadi seperti salju. Oleh karena itu, karbon dioksida padat disebut “salju kering”.

Beras. 2. Salju kering – karbon dioksida.

Karbon dioksida 1,5 kali lebih padat dari udara. Massa jenisnya adalah 1,98 kg/m³. Ikatan kimia dalam molekul karbon dioksida adalah kovalen polar. Sifatnya polar karena oksigen mempunyai nilai keelektronegatifan yang lebih tinggi.

Konsep penting dalam studi zat adalah massa molekul dan molar. Massa molar karbon dioksida adalah 44. Bilangan ini terbentuk dari penjumlahan massa atom relatif atom-atom penyusun molekul. Nilai massa atom relatif diambil dari tabel D.I. Mendeleev dan dibulatkan menjadi bilangan bulat. Oleh karena itu, massa molar CO₂ = 12+2*16.

Untuk menghitung fraksi massa unsur-unsur dalam karbon dioksida, perlu mengikuti rumus menghitung fraksi massa setiap unsur kimia dalam suatu zat.

N– jumlah atom atau molekul.
A R– massa atom relatif suatu unsur kimia.
Tn– massa molekul relatif suatu zat.
Mari kita hitung massa molekul relatif karbon dioksida.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 atau 27% Karena rumus karbon dioksida mengandung dua atom oksigen, maka n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 atau 73%

Jawaban: w(C) = 0,27 atau 27%; w(O) = 0,73 atau 73%

Sifat kimia dan biologi karbon dioksida

Karbon dioksida mempunyai sifat asam karena merupakan oksida asam, dan bila dilarutkan dalam air akan membentuk asam karbonat:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Bereaksi dengan basa, menghasilkan pembentukan karbonat dan bikarbonat. Gas ini tidak terbakar. Hanya logam aktif tertentu, seperti magnesium, yang terbakar di dalamnya.

Saat dipanaskan, karbon dioksida terurai menjadi karbon monoksida dan oksigen:

2CO₃=2CO+O₃.

Seperti oksida asam lainnya, gas ini mudah bereaksi dengan oksida lain:

CaO+Co₃=CaCO₃.

Karbon dioksida adalah bagian dari semua zat organik. Peredaran gas ini di alam dilakukan dengan bantuan produsen, konsumen, dan pengurai. Dalam proses kehidupannya, seseorang menghasilkan kurang lebih 1 kg karbon dioksida per hari. Saat kita menghirup, kita menerima oksigen, tetapi saat ini karbon dioksida terbentuk di alveoli. Pada saat ini terjadi pertukaran: oksigen masuk ke dalam darah, dan karbon dioksida keluar.

Karbon dioksida dihasilkan selama produksi alkohol. Gas ini juga merupakan produk sampingan dalam produksi nitrogen, oksigen, dan argon. Penggunaan karbon dioksida diperlukan dalam industri makanan, dimana karbon dioksida bertindak sebagai pengawet, dan karbon dioksida dalam bentuk cair terdapat pada alat pemadam kebakaran.

DEFINISI

Karbon dioksida(karbon dioksida, karbonat anhidrida, karbon dioksida) – karbon monoksida (IV).

Rumus – CO2. Massa molar – 44 g/mol.

Sifat kimia karbon dioksida

Karbon dioksida termasuk dalam kelas oksida asam, yaitu. Ketika berinteraksi dengan air, ia membentuk asam yang disebut asam karbonat. Asam karbonat secara kimia tidak stabil dan pada saat pembentukannya segera terurai menjadi komponen-komponennya, yaitu. Reaksi antara karbon dioksida dan air bersifat reversibel:

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

Saat dipanaskan, karbon dioksida terurai menjadi karbon monoksida dan oksigen:

2CO 2 = 2CO + O 2.

Seperti semua oksida asam, karbon dioksida dicirikan oleh reaksi interaksi dengan oksida basa (hanya dibentuk oleh logam aktif) dan basa:

CaO + CO 2 = CaCO 3;

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

CO 2 + NaOH (encer) = NaHCO 3 ;

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

Karbon dioksida tidak mendukung pembakaran; hanya logam aktif yang terbakar di dalamnya:

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

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

Karbon dioksida bereaksi dengan zat sederhana seperti hidrogen dan karbon:

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

CO 2 + C = 2CO (t).

Ketika karbon dioksida bereaksi dengan peroksida logam aktif, karbonat terbentuk dan oksigen dilepaskan:

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

Reaksi kualitatif terhadap karbon dioksida adalah reaksi interaksinya dengan air kapur (susu), yaitu. dengan kalsium hidroksida, di mana endapan putih terbentuk - kalsium karbonat:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Sifat fisik karbon dioksida

Karbon dioksida adalah zat gas yang tidak berwarna dan tidak berbau. Lebih berat dari udara. Stabil secara termal. Ketika dikompresi dan didinginkan, ia dengan mudah berubah menjadi cair dan padat. Karbon dioksida dalam bentuk agregat padat disebut “es kering” dan mudah menyublim pada suhu kamar. Karbon dioksida sulit larut dalam air dan sebagian bereaksi dengannya. Kepadatan – 1,977 g/l.

Produksi dan penggunaan karbon dioksida

Ada metode industri dan laboratorium untuk memproduksi karbon dioksida. Jadi, dalam industri diperoleh dengan membakar batu kapur (1), dan di laboratorium dengan aksi asam kuat pada garam asam karbonat (2):

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

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

Karbon dioksida digunakan dalam makanan (karbonasi limun), kimia (pengaturan suhu dalam produksi serat sintetis), metalurgi (perlindungan lingkungan, seperti pengendapan gas coklat) dan industri lainnya.

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1

Reaksi kualitatif untuk mendeteksi karbon dioksida adalah kekeruhan air kapur:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.

Pada awal reaksi terbentuk endapan putih yang hilang bila CO2 dilewatkan melalui air kapur dalam waktu lama, karena kalsium karbonat yang tidak larut berubah menjadi bikarbonat yang larut:

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

Kuitansi. Karbon dioksida diperoleh melalui dekomposisi termal garam asam karbonat (karbonat), misalnya dengan membakar batu kapur:

CaCO3 = CaO + CO2,

atau melalui aksi asam kuat pada karbonat dan bikarbonat:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2,

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.

Emisi karbon, senyawa belerang yang masuk ke atmosfer sebagai akibat dari aktivitas industri, berfungsinya perusahaan energi dan metalurgi menyebabkan terjadinya efek rumah kaca dan pemanasan iklim terkait.

Para ilmuwan memperkirakan bahwa pemanasan global tanpa tindakan untuk mengurangi emisi gas rumah kaca akan berkisar antara 2 hingga 5 derajat pada abad mendatang, yang akan menjadi fenomena yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam sepuluh ribu tahun terakhir. Pemanasan iklim dan kenaikan permukaan laut sebesar 60-80 cm pada akhir abad mendatang akan menyebabkan bencana lingkungan dalam skala yang belum pernah terjadi sebelumnya, yang mengancam degradasi komunitas manusia.

Asam karbonat dan garamnya. Asam karbonat sangat lemah, hanya ada dalam larutan air dan sedikit terdisosiasi menjadi ion. Oleh karena itu, larutan CO2 dalam air mempunyai sifat sedikit asam. Rumus struktur asam karbonat:

Sebagai dibasic, ia berdisosiasi bertahap: H2CO3H++HCO-3 HCO-3H++CO2-3

Saat dipanaskan, ia terurai menjadi karbon monoksida (IV) dan air.

Sebagai asam dibasa, ia membentuk dua jenis garam: garam sedang - karbonat, garam asam - bikarbonat. Mereka menunjukkan sifat umum garam. Karbonat dan bikarbonat dari logam alkali dan amonium sangat larut dalam air.

Garam asam karbonat- senyawanya stabil, meskipun asamnya sendiri tidak stabil. Mereka dapat diperoleh dengan mereaksikan CO2 dengan larutan basa atau dengan reaksi pertukaran:

NaOH+CO2=NaHCO3

KHCO3+KOH=K2CO3+H2O

BaCl2+Na2CO3=BaCO3+2NaCl

Karbonat logam alkali tanah sedikit larut dalam air. Hidrokarbonat, sebaliknya, larut. Hidrokarbonat terbentuk dari karbonat, karbon monoksida (IV) dan air:

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

Ketika dipanaskan, karbonat logam alkali meleleh tanpa terurai, dan sisa karbonat, ketika dipanaskan, mudah terurai menjadi oksida dari logam yang sesuai dan CO2:

CaCO3=CaO+CO2

Ketika dipanaskan, hidrokarbonat berubah menjadi karbonat:

2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O

Karbonat logam alkali dalam larutan berair memiliki reaksi yang sangat basa karena hidrolisis:

Na2CO3+H2O=NaHCO3+NaOH

Reaksi kualitatif terhadap ion karbonat C2-3 dan bikarbonat HCO-3 adalah interaksinya dengan asam kuat. Pelepasan karbon monoksida (IV) dengan karakteristik “mendidih” menunjukkan adanya ion-ion tersebut.

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O

Dengan melewatkan CO2 yang dilepaskan melalui air kapur, Anda dapat mengamati larutan menjadi keruh akibat pembentukan kalsium karbonat:

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

Dengan pelepasan CO2 yang berkepanjangan, larutan menjadi transparan kembali karena

pembentukan bikarbonat: CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2

Interaksi karbon dengan karbon dioksida berlangsung sesuai dengan reaksinya

Sistem yang dipertimbangkan terdiri dari dua fase - karbon padat dan gas (f = 2). Tiga zat yang berinteraksi saling berhubungan melalui satu persamaan reaksi, sehingga jumlah komponen bebas k = 2. Menurut aturan fase Gibbs, jumlah derajat kebebasan sistem akan sama dengan

C = 2 + 2 – 2 = 2.

Artinya konsentrasi kesetimbangan CO dan CO 2 merupakan fungsi suhu dan tekanan.

Reaksi (2.1) bersifat endotermik. Oleh karena itu, menurut prinsip Le Chatelier, peningkatan suhu menggeser kesetimbangan reaksi ke arah pembentukan tambahan CO2.

Ketika reaksi (2.1) terjadi, 1 mol CO 2 dikonsumsi, yang dalam kondisi normal memiliki volume 22400 cm 3, dan 1 mol karbon padat dengan volume 5,5 cm 3. Sebagai hasil reaksi, terbentuk 2 mol CO, yang volumenya pada kondisi normal adalah 44800 cm 3.

Dari data perubahan volume reagen selama reaksi (2.1) di atas, sebagai berikut:

1. Transformasi yang dimaksud disertai dengan peningkatan volume zat yang berinteraksi. Oleh karena itu, sesuai dengan prinsip Le Chatelier, peningkatan tekanan akan mendorong reaksi menuju pembentukan CO2.
2. Perubahan volume fasa padat dapat diabaikan jika dibandingkan dengan perubahan volume gas. Oleh karena itu, untuk reaksi heterogen yang melibatkan zat gas, kita dapat berasumsi dengan cukup akurat bahwa perubahan volume zat yang berinteraksi hanya ditentukan oleh jumlah mol zat gas di ruas kanan dan kiri persamaan reaksi.

Konstanta kesetimbangan reaksi (2.1) ditentukan dari ekspresi

Jika kita mengambil grafit sebagai keadaan standar saat menentukan aktivitas karbon, maka C = 1

Nilai numerik konstanta kesetimbangan reaksi (2.1) dapat ditentukan dari persamaan

Data pengaruh suhu terhadap nilai konstanta kesetimbangan reaksi disajikan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1– Nilai konstanta kesetimbangan reaksi (2.1) pada temperatur berbeda

Dari data yang disajikan terlihat jelas bahwa pada suhu sekitar 1000K (700 o C) konstanta kesetimbangan reaksi mendekati satu. Artinya, pada suhu sedang, reaksi (2.1) hampir sepenuhnya reversibel. Pada suhu tinggi reaksi berlangsung secara ireversibel menuju pembentukan CO, dan pada suhu rendah berlangsung sebaliknya.

Jika fase gas hanya terdiri dari CO dan CO 2, yang menyatakan tekanan parsial zat yang berinteraksi melalui konsentrasi volumenya, persamaan (2.4) dapat direduksi menjadi bentuk

Dalam kondisi industri, CO dan CO 2 diperoleh sebagai hasil interaksi karbon dengan oksigen di udara atau ledakan yang diperkaya oksigen. Pada saat yang sama, komponen lain muncul dalam sistem - nitrogen. Masuknya nitrogen ke dalam campuran gas mempengaruhi rasio konsentrasi kesetimbangan CO dan CO 2 dengan cara yang mirip dengan penurunan tekanan.

Dari persamaan (2.6) jelas bahwa komposisi campuran gas kesetimbangan merupakan fungsi suhu dan tekanan. Oleh karena itu, penyelesaian persamaan (2.6) diinterpretasikan secara grafis menggunakan permukaan dalam ruang tiga dimensi dalam koordinat T, Ptot dan (%CO). Persepsi ketergantungan seperti itu sulit dilakukan. Jauh lebih mudah untuk menggambarkannya sebagai ketergantungan komposisi campuran gas kesetimbangan pada salah satu variabel, sedangkan parameter sistem kedua adalah konstan. Sebagai contoh, Gambar 2.1 menunjukkan data pengaruh suhu terhadap komposisi campuran gas kesetimbangan pada Ptot = 10 5 Pa.

Mengingat komposisi awal campuran gas yang diketahui, arah reaksi (2.1) dapat dinilai menggunakan persamaan

Jika tekanan dalam sistem tetap tidak berubah, hubungan (2.7) dapat direduksi menjadi bentuk

Gambar 2.1– Ketergantungan komposisi kesetimbangan fasa gas untuk reaksi C + CO 2 = 2CO pada suhu pada P CO + P CO 2 = 10 5 Pa.

Untuk campuran gas yang komposisinya sesuai dengan titik a pada Gambar 2.1, . Di mana

dan G > 0. Jadi, titik-titik di atas kurva kesetimbangan mencirikan sistem yang pendekatannya terhadap keadaan kesetimbangan termodinamika berlangsung melalui reaksi

Demikian pula, dapat ditunjukkan bahwa titik-titik di bawah kurva kesetimbangan mencirikan sistem yang mendekati keadaan setimbang melalui reaksi

Mari kita bayangkan situasi ini:

Anda bekerja di laboratorium dan memutuskan untuk melakukan percobaan. Untuk melakukan ini, Anda membuka lemari berisi reagen dan tiba-tiba melihat gambar berikut di salah satu rak. Dua botol reagen telah terkelupas labelnya dan tetap tergeletak dengan aman di dekatnya. Pada saat yang sama, tidak mungkin lagi untuk menentukan dengan tepat toples mana yang sesuai dengan label yang mana, dan tanda-tanda eksternal dari zat yang dapat digunakan untuk membedakannya adalah sama.

Dalam hal ini, masalahnya dapat diselesaikan dengan menggunakan apa yang disebut reaksi kualitatif.

Reaksi kualitatif Ini adalah reaksi yang memungkinkan untuk membedakan satu zat dari zat lain, serta untuk mengetahui komposisi kualitatif zat yang tidak diketahui.

Misalnya, diketahui bahwa kation dari beberapa logam, ketika garamnya ditambahkan ke nyala api pembakar, akan mewarnainya dengan warna tertentu:

Cara ini hanya dapat berhasil jika zat yang dilepaskan mengubah warna nyala api secara berbeda, atau salah satunya tidak berubah warna sama sekali.

Namun, katakanlah, semoga beruntung, zat yang ditentukan tidak mewarnai nyala api, atau mewarnainya dengan warna yang sama.

Dalam kasus ini, perlu untuk membedakan zat dengan menggunakan reagen lain.

Dalam hal apa kita dapat membedakan suatu zat dari zat lain dengan menggunakan suatu reagen?

Ada dua pilihan:

• Satu zat bereaksi dengan pereaksi yang ditambahkan, tetapi zat kedua tidak. Dalam hal ini, harus terlihat jelas bahwa reaksi salah satu zat awal dengan pereaksi yang ditambahkan benar-benar terjadi, yaitu, beberapa tanda eksternal diamati - terbentuk endapan, gas dilepaskan, terjadi perubahan warna. , dll.

Misalnya, tidak mungkin membedakan air dari larutan natrium hidroksida menggunakan asam klorida, meskipun basa bereaksi baik dengan asam:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

Hal ini disebabkan tidak adanya tanda-tanda reaksi eksternal. Larutan asam klorida yang bening dan tidak berwarna bila dicampur dengan larutan hidroksida yang tidak berwarna akan membentuk larutan bening yang sama:

Namun di sisi lain, Anda dapat membedakan air dari larutan alkali dalam air, misalnya dengan menggunakan larutan magnesium klorida - dalam reaksi ini terbentuk endapan putih:

2NaOH + MgCl 2 = Mg(OH) 2 ↓+ 2NaCl

2) zat juga dapat dibedakan satu sama lain jika keduanya bereaksi dengan pereaksi yang ditambahkan, tetapi cara kerjanya berbeda.

Misalnya, Anda dapat membedakan larutan natrium karbonat dari larutan perak nitrat menggunakan larutan asam klorida.

Asam klorida bereaksi dengan natrium karbonat menghasilkan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau - karbon dioksida (CO 2):

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

dan dengan perak nitrat membentuk endapan AgCl berwarna putih seperti keju

HCl + AgNO 3 = HNO 3 + AgCl↓

Tabel di bawah menyajikan berbagai pilihan untuk mendeteksi ion tertentu:

Reaksi kualitatif terhadap kation

Reaksi kualitatif terhadap anion

Anion	Dampak atau reagen	Tanda reaksi. Persamaan reaksi
JADI 4 2-	Ba 2+	Pembentukan endapan putih, tidak larut dalam asam: Ba 2+ + JADI 4 2- = BaSO 4 ↓
TIDAK 3 -	1) Tambahkan H 2 SO 4 (conc.) dan Cu, panaskan 2) Campuran H 2 SO 4 + FeSO 4	1) Terbentuknya larutan berwarna biru yang mengandung ion Cu 2+, keluarnya gas berwarna coklat (NO 2) 2) Munculnya warna nitroso-besi (II) sulfat 2+. Warna berkisar dari ungu hingga coklat (reaksi cincin coklat)
PO 4 3-	Ag+	Pengendapan endapan kuning muda di lingkungan netral: 3Ag + + PO 4 3- = Ag 3 PO 4 ↓
KrO 4 2-	Ba 2+	Terbentuknya endapan kuning, tidak larut dalam asam asetat, tetapi larut dalam HCl: Ba 2+ + CrO 4 2- = BaCrO 4 ↓
S 2-	Pb 2+	Endapan hitam: Pb 2+ + S 2- = PbS↓
BERSAMA 3 2-		1) Pengendapan endapan putih, larut dalam asam: Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 ↓ 2) Keluarnya gas tidak berwarna (“mendidih”) yang menyebabkan air kapur menjadi keruh: CO 3 2- + 2H + = CO 2 + H 2 O
CO2	Air kapur Ca(OH)2	Pengendapan endapan putih dan pembubarannya dengan pelepasan CO 2 lebih lanjut: Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2
JADI 3 2-	H+	Emisi gas SO 2 dengan ciri khas bau menyengat (SO 2): 2H + + JADI 3 2- = H 2 O + JADI 2
F -	Ca2+	Endapan putih: Ca 2+ + 2F − = CaF 2 ↓
Cl -	Ag+	Pengendapan endapan putih seperti keju, tidak larut dalam HNO 3, tetapi larut dalam NH 3 ·H 2 O (conc.): Ag + + Cl − = AgCl↓ AgCl + 2(NH 3 ·H 2 O) = ) Materi terbaru di bagian: