Qual è la reazione qualitativa all'anidride carbonica. Proprietà fisiche e chimiche dell'anidride carbonica

Anidride carbonica, monossido di carbonio, anidride carbonica: tutti questi sono nomi per una sostanza a noi nota come anidride carbonica. Quali proprietà ha quindi questo gas e quali sono i suoi campi di applicazione?

Anidride carbonica e sue proprietà fisiche

L’anidride carbonica è costituita da carbonio e ossigeno. La formula per l'anidride carbonica è simile a questa: CO₂. In natura si forma durante la combustione o il decadimento delle sostanze organiche. Anche il contenuto di gas nell'aria e nelle sorgenti minerali è piuttosto elevato. Inoltre, anche gli esseri umani e gli animali emettono anidride carbonica quando espirano.

Riso. 1. Molecola di anidride carbonica.

L'anidride carbonica è un gas completamente incolore e non può essere visto. Inoltre non ha odore. Tuttavia, con concentrazioni elevate, una persona può sviluppare ipercapnia, cioè soffocamento. La mancanza di anidride carbonica può anche causare problemi di salute. A causa della mancanza di questo gas si può sviluppare la condizione opposta al soffocamento: l'ipocapnia.

Se metti l'anidride carbonica in condizioni di bassa temperatura, a -72 gradi si cristallizza e diventa come la neve. Pertanto, l’anidride carbonica allo stato solido è chiamata “neve secca”.

Riso. 2. Neve secca – anidride carbonica.

L’anidride carbonica è 1,5 volte più densa dell’aria. La sua densità è di 1,98 kg/m³.Il legame chimico nella molecola di anidride carbonica è covalente polare. È polare perché l'ossigeno ha un valore di elettronegatività più elevato.

Un concetto importante nello studio delle sostanze è la massa molecolare e molare. La massa molare dell'anidride carbonica è 44. Questo numero è formato dalla somma delle masse atomiche relative degli atomi che compongono la molecola. I valori delle masse atomiche relative sono presi dalla tabella di D.I. Mendeleev e sono arrotondati a numeri interi. Di conseguenza, la massa molare di CO₂ = 12+2*16.

Per calcolare le frazioni di massa degli elementi nell'anidride carbonica, è necessario seguire la formula per calcolare le frazioni di massa di ciascun elemento chimico in una sostanza.

N– numero di atomi o molecole.
UN R– massa atomica relativa di un elemento chimico.
Sig– massa molecolare relativa della sostanza.
Calcoliamo la massa molecolare relativa dell'anidride carbonica.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 o 27% Poiché la formula dell'anidride carbonica include due atomi di ossigeno, allora n = 2 w(O) = 2 * 16 /44 = 0,73 o 73%

Risposta: w(C) = 0,27 o 27%; w(O) = 0,73 o 73%

Proprietà chimiche e biologiche dell'anidride carbonica

L'anidride carbonica ha proprietà acide perché è un ossido acido e quando disciolto in acqua forma acido carbonico:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Reagisce con gli alcali causando la formazione di carbonati e bicarbonati. Questo gas non brucia. Solo alcuni metalli attivi, come il magnesio, bruciano al suo interno.

Quando riscaldata, l'anidride carbonica si scompone in monossido di carbonio e ossigeno:

2CO₃=2CO+O₃.

Come altri ossidi acidi, questo gas reagisce facilmente con altri ossidi:

СaO+Co₃=CaCO₃.

L'anidride carbonica fa parte di tutte le sostanze organiche. La circolazione di questo gas in natura viene effettuata con l'aiuto di produttori, consumatori e decompositori. Nel corso della vita, una persona produce circa 1 kg di anidride carbonica al giorno. Quando inspiriamo riceviamo ossigeno, ma in questo momento negli alveoli si forma anidride carbonica. In questo momento avviene uno scambio: l'ossigeno entra nel sangue e l'anidride carbonica esce.

L'anidride carbonica viene prodotta durante la produzione di alcol. Questo gas è anche un sottoprodotto nella produzione di azoto, ossigeno e argon. L'uso dell'anidride carbonica è necessario nell'industria alimentare, dove l'anidride carbonica funge da conservante e l'anidride carbonica in forma liquida si trova negli estintori.

DEFINIZIONE

Diossido di carbonio(anidride carbonica, anidride carbonica, anidride carbonica) – monossido di carbonio (IV).

Formula – CO2. Massa molare – 44 g/mol.

Proprietà chimiche dell'anidride carbonica

L’anidride carbonica appartiene alla classe degli ossidi acidi, cioè Quando interagisce con l'acqua, forma un acido chiamato acido carbonico. L'acido carbonico è chimicamente instabile e al momento della formazione si scompone immediatamente nei suoi componenti, ad es. La reazione tra anidride carbonica e acqua è reversibile:

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

Quando riscaldata, l'anidride carbonica si scompone in monossido di carbonio e ossigeno:

2CO2 = 2CO + O2.

Come tutti gli ossidi acidi, l'anidride carbonica è caratterizzata da reazioni di interazione con ossidi basici (formati solo da metalli attivi) e basi:

CaO + CO2 = CaCO3;

Al2O3 + 3CO2 = Al2(CO3)3;

CO2 + NaOH (diluito) = NaHCO3;

CO2 + 2NaOH (conc) = Na2CO3 + H2O.

L'anidride carbonica non supporta la combustione; brucia solo i metalli attivi:

CO2+2Mg = C+2MgO(t);

CO2 + 2Ca = C + 2CaO (t).

L'anidride carbonica reagisce con sostanze semplici come idrogeno e carbonio:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O (t, kat = Cu2O);

CO2+C = 2CO(t).

Quando l'anidride carbonica reagisce con i perossidi di metalli attivi, si formano carbonati e viene rilasciato ossigeno:

2CO2 + 2Na2O2 = 2Na2CO3 + O2.

Una reazione qualitativa all'anidride carbonica è la reazione della sua interazione con l'acqua di calce (latte), ad es. con idrossido di calcio, in cui si forma un precipitato bianco - carbonato di calcio:

CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 ↓ + H2O.

Proprietà fisiche dell'anidride carbonica

L'anidride carbonica è una sostanza gassosa senza colore né odore. Più pesante dell'aria. Termicamente stabile. Una volta compresso e raffreddato, si trasforma facilmente nello stato liquido e solido. L’anidride carbonica allo stato solido aggregato è chiamata “ghiaccio secco” e sublima facilmente a temperatura ambiente. L'anidride carbonica è scarsamente solubile in acqua e reagisce parzialmente con essa. Densità – 1.977 g/l.

Produzione e utilizzo dell'anidride carbonica

Esistono metodi industriali e di laboratorio per produrre anidride carbonica. Pertanto, nell'industria si ottiene bruciando il calcare (1), e in laboratorio mediante l'azione di acidi forti sui sali dell'acido carbonico (2):

CaCO3 = CaO + CO2 (t) (1);

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

L'anidride carbonica viene utilizzata nell'industria alimentare (gasatura della limonata), chimica (controllo della temperatura nella produzione di fibre sintetiche), metallurgica (protezione ambientale, come la precipitazione del gas bruno) e in altre industrie.

Esempi di risoluzione dei problemi

ESEMPIO 1

Una reazione qualitativa per rilevare l'anidride carbonica è la torbidità dell'acqua di calce:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.

All'inizio della reazione si forma un precipitato bianco, che scompare quando la CO2 viene fatta passare per lungo tempo attraverso l'acqua di calce, perché il carbonato di calcio insolubile si trasforma in bicarbonato solubile:

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

Ricevuta. L'anidride carbonica si ottiene mediante decomposizione termica dei sali dell'acido carbonico (carbonati), ad esempio bruciando il calcare:

CaCO3 = CaO + CO2,

oppure dall'azione di acidi forti su carbonati e bicarbonati:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2,

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.

Emissioni di carbonio, i composti dello zolfo nell'atmosfera a seguito dell'attività industriale, il funzionamento delle imprese energetiche e metallurgiche portano al verificarsi dell'effetto serra e al conseguente riscaldamento climatico.

Gli scienziati stimano che il riscaldamento globale senza misure per ridurre le emissioni di gas serra oscillerà tra 2 e 5 gradi nel prossimo secolo, un fenomeno senza precedenti negli ultimi diecimila anni. Il riscaldamento climatico e l’aumento del livello del mare di 60-80 cm entro la fine del prossimo secolo porteranno a un disastro ambientale di dimensioni senza precedenti, che minaccia il degrado della comunità umana.

Acido carbonico e suoi sali. L'acido carbonico è molto debole, esiste solo in soluzioni acquose e si dissocia leggermente in ioni. Pertanto, le soluzioni acquose di CO2 hanno proprietà leggermente acide. Formula strutturale dell'acido carbonico:

Come dibasico, si dissocia gradualmente: H2CO3H++HCO-3 HCO-3H++CO2-3

Quando riscaldato, si decompone in monossido di carbonio (IV) e acqua.

Come acido dibasico, forma due tipi di sali: sali medi - carbonati, sali acidi - bicarbonati. Presentano le proprietà generali dei sali. Carbonati e bicarbonati di metalli alcalini e ammonio sono altamente solubili in acqua.

Sali dell'acido carbonico- i composti sono stabili, sebbene l'acido stesso sia instabile. Possono essere ottenuti facendo reagire la CO2 con soluzioni di basi o mediante reazioni di scambio:

NaOH+CO2=NaHCO3

KHCO3+KOH=K2CO3+H2O

BaCl2+Na2CO3=BaCO3+2NaCl

I carbonati dei metalli alcalino terrosi sono leggermente solubili in acqua. Gli idrocarbonati, invece, sono solubili. Gli idrocarbonati sono formati da carbonati, monossido di carbonio (IV) e acqua:

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

Quando riscaldati, i carbonati di metalli alcalini si sciolgono senza decomporsi e i carbonati rimanenti, una volta riscaldati, si decompongono facilmente nell'ossido del metallo corrispondente e nella CO2:

CaCO3=CaO+CO2

Quando riscaldati, gli idrocarbonati si trasformano in carbonati:

2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O

I carbonati di metalli alcalini in soluzioni acquose hanno una reazione altamente alcalina dovuta all'idrolisi:

Na2CO3+H2O=NaHCO3+NaOH

Una reazione qualitativa allo ione carbonato C2-3 e al bicarbonato HCO-3 è la loro interazione con acidi più forti. Il rilascio di monossido di carbonio (IV) con un caratteristico “ebollizione” indica la presenza di questi ioni.

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O

Facendo passare la CO2 rilasciata attraverso acqua di calce, è possibile osservare che la soluzione diventa torbida a causa della formazione di carbonato di calcio:

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

Con il passaggio prolungato della CO2 la soluzione ritorna trasparente a causa

formazione di bicarbonato: CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2

L'interazione del carbonio con l'anidride carbonica procede secondo la reazione

Il sistema in esame è costituito da due fasi: carbonio solido e gas (f = 2). Tre sostanze interagenti sono interconnesse da un'equazione di reazione, quindi il numero di componenti indipendenti k = 2. Secondo la regola delle fasi di Gibbs, il numero di gradi di libertà del sistema sarà uguale a

C = 2 + 2 – 2 = 2.

Ciò significa che le concentrazioni di equilibrio di CO e CO 2 sono funzioni della temperatura e della pressione.

La reazione (2.1) è endotermica. Pertanto, secondo il principio di Le Chatelier, un aumento della temperatura sposta l'equilibrio della reazione nella direzione della formazione di ulteriore quantità di CO.

Quando si verifica la reazione (2.1), viene consumata 1 mole di CO 2, che in condizioni normali ha un volume di 22400 cm 3, e 1 mole di carbonio solido con un volume di 5,5 cm 3. Come risultato della reazione si formano 2 moli di CO, il cui volume in condizioni normali è 44800 cm 3.

Dai dati sopra riportati sulla variazione del volume dei reagenti durante la reazione (2.1), segue:

1. La trasformazione in esame è accompagnata da un aumento del volume delle sostanze interagenti. Pertanto, secondo il principio di Le Chatelier, un aumento della pressione favorirà la reazione verso la formazione di CO 2.
2. La variazione del volume della fase solida è trascurabile rispetto alla variazione del volume del gas. Pertanto, per reazioni eterogenee che coinvolgono sostanze gassose, possiamo supporre con sufficiente precisione che la variazione del volume delle sostanze interagenti sia determinata solo dal numero di moli di sostanze gassose sui lati destro e sinistro dell'equazione di reazione.

La costante di equilibrio della reazione (2.1) è determinata dall'espressione

Se prendiamo la grafite come stato standard quando determiniamo l'attività del carbonio, allora a C = 1

Il valore numerico della costante di equilibrio della reazione (2.1) può essere determinato dall'equazione

I dati sull'effetto della temperatura sul valore della costante di equilibrio della reazione sono riportati nella Tabella 2.1.

Tabella 2.1– Valori della costante di equilibrio della reazione (2.1) a diverse temperature

Dai dati forniti è chiaro che ad una temperatura di circa 1000K (700°C) la costante di equilibrio della reazione è prossima all'unità. Ciò significa che nella regione di temperature moderate la reazione (2.1) è quasi completamente reversibile. Ad alte temperature la reazione procede in modo irreversibile verso la formazione di CO, a basse temperature in senso contrario.

Se la fase gassosa è costituita solo da CO e CO 2, esprimendo le pressioni parziali delle sostanze interagenti in termini di concentrazioni in volume, l'equazione (2.4) può essere ridotta alla forma

In condizioni industriali, CO e CO 2 si ottengono come risultato dell'interazione del carbonio con l'ossigeno nell'aria o dell'esplosione arricchita di ossigeno. Allo stesso tempo, nel sistema appare un altro componente: l'azoto. L'introduzione di azoto nella miscela di gas influenza il rapporto tra le concentrazioni di equilibrio di CO e CO 2 in modo simile ad una diminuzione della pressione.

Dall'equazione (2.6) è chiaro che la composizione della miscela di gas all'equilibrio è una funzione della temperatura e della pressione. Pertanto, la soluzione dell'equazione (2.6) viene interpretata graficamente utilizzando una superficie nello spazio tridimensionale nelle coordinate T, Ptot e (%CO). La percezione di tale dipendenza è difficile. È molto più conveniente rappresentarlo sotto forma di dipendenza della composizione di una miscela di gas in equilibrio da una delle variabili, mentre il secondo dei parametri del sistema è costante. Ad esempio, la Figura 2.1 mostra i dati sull'effetto della temperatura sulla composizione della miscela di gas all'equilibrio con Ptot = 10 5 Pa.

Data la composizione iniziale nota della miscela di gas, si può giudicare la direzione della reazione (2.1) utilizzando l'equazione

Se la pressione nel sistema rimane invariata, la relazione (2.7) può essere ridotta alla forma

Figura 2.1– Dipendenza della composizione all'equilibrio della fase gassosa per la reazione C + CO 2 = 2CO dalla temperatura a P CO + P CO 2 = 10 5 Pa.

Per una miscela di gas la cui composizione corrisponde al punto a nella Figura 2.1, . In cui

e G > 0. Pertanto, i punti al di sopra della curva di equilibrio caratterizzano i sistemi il cui avvicinamento allo stato di equilibrio termodinamico procede attraverso la reazione

Allo stesso modo, si può dimostrare che i punti al di sotto della curva di equilibrio caratterizzano i sistemi che si avvicinano allo stato di equilibrio per reazione

Immaginiamo questa situazione:

Stai lavorando in un laboratorio e hai deciso di condurre un esperimento. Per fare ciò, hai aperto l'armadietto con i reagenti e improvvisamente hai visto la seguente immagine su uno degli scaffali. Due barattoli di reagenti avevano le etichette staccate e rimasero al sicuro nelle vicinanze. Allo stesso tempo, non è più possibile determinare esattamente quale vaso corrisponde a quale etichetta, e i segni esterni delle sostanze con cui potrebbero essere distinti sono gli stessi.

In questo caso, il problema può essere risolto utilizzando il cosiddetto reazioni qualitative.

Reazioni qualitative Si tratta di reazioni che permettono di distinguere una sostanza da un'altra, nonché di scoprire la composizione qualitativa di sostanze sconosciute.

Ad esempio, è noto che i cationi di alcuni metalli, quando i loro sali vengono aggiunti alla fiamma del bruciatore, la colorano di un certo colore:

Questo metodo può funzionare solo se le sostanze distinte cambiano il colore della fiamma in modo diverso, oppure una di esse non cambia affatto colore.

Ma, diciamo, per fortuna, le sostanze determinate non colorano la fiamma, né la colorano dello stesso colore.

In questi casi sarà necessario distinguere le sostanze utilizzando altri reagenti.

In quale caso possiamo distinguere una sostanza da un'altra utilizzando un qualsiasi reagente?

Ci sono due opzioni:

• Una sostanza reagisce con il reagente aggiunto, ma la seconda no. In questo caso, deve essere chiaramente visibile che la reazione di una delle sostanze di partenza con il reagente aggiunto è effettivamente avvenuta, cioè si osserva qualche segno esterno di essa: si è formato un precipitato, è stato rilasciato un gas, si è verificato un cambiamento di colore , eccetera.

Ad esempio, è impossibile distinguere l'acqua da una soluzione di idrossido di sodio utilizzando acido cloridrico, nonostante gli alcali reagiscano bene con gli acidi:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

Ciò è dovuto all'assenza di segni esterni di reazione. Una soluzione limpida e incolore di acido cloridrico quando miscelata con una soluzione di idrossido incolore forma la stessa soluzione limpida:

Ma d'altra parte, puoi distinguere l'acqua da una soluzione acquosa di alcali, ad esempio utilizzando una soluzione di cloruro di magnesio - in questa reazione si forma un precipitato bianco:

2NaOH + MgCl2 = Mg(OH)2 ↓+ 2NaCl

2) le sostanze si possono distinguere tra loro anche se entrambe reagiscono con il reagente aggiunto, ma lo fanno in modi diversi.

Ad esempio, è possibile distinguere una soluzione di carbonato di sodio da una soluzione di nitrato d'argento utilizzando una soluzione di acido cloridrico.

L'acido cloridrico reagisce con il carbonato di sodio per rilasciare un gas incolore e inodore: anidride carbonica (CO 2):

2HCl + Na2CO3 = 2NaCl + H2O + CO2

e con nitrato d'argento per formare un precipitato bianco formaggio AgCl

HCl + AgNO3 = HNO3 + AgCl↓

Le tabelle seguenti presentano varie opzioni per il rilevamento di ioni specifici:

Reazioni qualitative ai cationi

Reazioni qualitative agli anioni

Anione	Impatto o reagente	Segno di reazione. Equazione di reazione
SO 4 2-	Ba 2+	Precipitazione di un precipitato bianco, insolubile negli acidi: Ba2+ + SO42- = BaSO4 ↓
NO 3 −	1) Aggiungere H 2 SO 4 (conc.) e Cu, riscaldare 2) Miscela di H 2 SO 4 + FeSO 4	1) Formazione di una soluzione blu contenente ioni Cu 2+, rilascio di gas marrone (NO 2) 2) L'aspetto del colore del solfato di ferro nitroso (II) 2+. Il colore varia dal viola al marrone (reazione dell'anello marrone)
PO4 3-	Ag+	Precipitazione di un precipitato giallo chiaro in ambiente neutro: 3Ag + + PO 4 3- = Ag 3 PO 4 ↓
CrO4 2-	Ba 2+	Formazione di un precipitato giallo, insolubile in acido acetico, ma solubile in HCl: Ba2+ + CrO42- = BaCrO4 ↓
S2-	Pb 2+	Precipitato nero: Pb2+ + S2- = PbS↓
CO32-		1) Precipitazione di un precipitato bianco, solubile negli acidi: Ca2+ + CO32- = CaCO3 ↓ 2) Il rilascio di gas incolore (“ebollizione”), che causa torbidità dell'acqua calcarea: CO32- + 2H + = CO2 + H2O
CO2	Acqua di calce Ca(OH) 2	Precipitazione di un precipitato bianco e sua dissoluzione con ulteriore passaggio di CO 2: Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 ↓ + H2O CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2
SO 3 2-	H+	Emissione di gas SO 2 dal caratteristico odore pungente (SO 2): 2H + + SO 3 2- = H 2 O + SO 2
F-	Ca2+	Precipitato bianco: Ca2+ + 2F − = CaF2 ↓
Cl-	Ag+	Precipitazione di un precipitato formaggioso bianco, insolubile in HNO 3, ma solubile in NH 3 ·H 2 O (conc.): Ag + + Cl − = AgCl↓ AgCl + 2(NH 3 ·H 2 O) = ) Ultimi materiali nella sezione: