二酸化炭素に対する定性的な反応は何ですか。 二酸化炭素の物理的および化学的性質

二酸化炭素、一酸化炭素、二酸化炭素 - これらはすべて、私たちに二酸化炭素として知られている 1 つの物質の名前です。 では、このガスにはどのような特性があり、どのような応用分野があるのでしょうか?

二酸化炭素とその物性

二酸化炭素は炭素と酸素から構成されています。 二酸化炭素の式は次のようになります – CO₂。 自然界では、有機物質の燃焼または崩壊中に形成されます。 空気や鉱泉中のガス含有量も非常に高いです。 さらに、人間や動物も息を吐くときに二酸化炭素を排出します。

米。 1. 二酸化炭素分子。

二酸化炭素は完全に無色の気体であり、目には見えません。 匂いもありません。 ただし、高濃度の場合、高炭酸ガス血症、つまり窒息を引き起こす可能性があります。 二酸化炭素の不足は健康上の問題を引き起こす可能性もあります。 このガスが不足すると、窒息とは逆の状態、つまり低炭酸ガス血症が発生する可能性があります。

二酸化炭素を低温下に置くと、マイナス72度になると結晶化して雪のようになります。 したがって、固体状態の二酸化炭素は「乾いた雪」と呼ばれます。

米。 2. 乾いた雪 – 二酸化炭素。

二酸化炭素は空気の1.5倍の密度があります。 密度は 1.98 kg/m3 で、二酸化炭素分子の化学結合は極性共有結合です。 酸素の電気陰性度の値が高いため、極性があります。

物質の研究における重要な概念は、分子とモル質量です。 二酸化炭素のモル質量は 44 です。この数値は、分子を構成する原子の相対原子質量の合計から形成されます。 相対原子質量の値は、D.I.の表から取得されます。 メンデレーエフは整数に四捨五入されます。 したがって、CO₂ のモル質量は 12+2*16 となります。

二酸化炭素中の元素の質量分率を計算するには、物質中の各化学元素の質量分率を計算する公式に従う必要があります。

n– 原子または分子の数。
あ r– 化学元素の相対原子量。
氏– 物質の相対分子量。
二酸化炭素の相対分子量を計算してみましょう。

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0.27 または 27% 二酸化炭素の式には 2 つの酸素原子が含まれるため、n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0.73 または 73%

答え: w(C) = 0.27 または 27%; w(O) = 0.73 または 73%

二酸化炭素の化学的および生物学的特性

二酸化炭素は酸性酸化物であるため酸性の特性を持ち、水に溶解すると炭酸を形成します。

CO₂+H₂O=H₂CO₃

アルカリと反応し、炭酸塩および重炭酸塩を生成します。 このガスは燃えません。 マグネシウムなどの特定の活性金属のみが燃焼します。

二酸化炭素は加熱すると一酸化炭素と酸素に分解されます。

2CO₃=2CO+O₃。

他の酸性酸化物と同様に、このガスは他の酸化物と容易に反応します。

СaO+Co₃=CaCO₃。

二酸化炭素はすべての有機物質の一部です。 自然界におけるこのガスの循環は、生産者、消費者、分解者の助けを借りて行われます。 人は生きていく過程で、1日あたり約1kgの二酸化炭素を生成します。 私たちは息を吸うと酸素を受け取りますが、このとき肺胞内では二酸化炭素が生成されます。 この瞬間、酸素が血液に入り、二酸化炭素が出てくるという交換が起こります。

二酸化炭素はアルコールの製造時に発生します。 このガスは、窒素、酸素、アルゴンの生成の副産物でもあります。 食品産業では二酸化炭素の使用が必要であり、二酸化炭素は防腐剤として機能し、消火器には液体の二酸化炭素が使用されています。

意味

二酸化炭素(二酸化炭素、無水炭酸、二酸化炭素) – 一酸化炭素 (IV)。

式 – CO2。 モル質量 – 44 g/mol。

二酸化炭素の化学的性質

二酸化炭素は酸性酸化物のクラスに属します。 水と反応すると、炭酸と呼ばれる酸が生成されます。 炭酸は化学的に不安定で、形成されるとすぐにその成分に分解されます。 二酸化炭素と水の反応は可逆的です。

CO 2 + H 2 O ↔ CO 2 ×H 2 O(溶液) ↔ H 2 CO 3 。

二酸化炭素は加熱すると一酸化炭素と酸素に分解されます。

2CO 2 = 2CO + O 2。

すべての酸性酸化物と同様に、二酸化炭素は、塩基性酸化物 (活性金属のみによって形成される) および塩基との相互作用反応によって特徴付けられます。

CaO + CO 2 = CaCO 3;

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

CO 2 + NaOH (希釈) = NaHCO 3;

CO 2 + 2NaOH (濃) = Na 2 CO 3 + H 2 O。

二酸化炭素は燃焼をサポートせず、活性金属のみが燃焼します。

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

CO 2 + 2Ca = C + 2CaO (t)。

二酸化炭素は、水素や炭素などの単純な物質と反応します。

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

CO 2 + C = 2CO (t)。

二酸化炭素が活性金属の過酸化物と反応すると、炭酸塩が形成され、酸素が放出されます。

2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2。

二酸化炭素に対する定性的な反応は、二酸化炭素と石灰水 (牛乳) との相互作用の反応です。 水酸化カルシウムを使用すると、白色の沈殿が形成されます - 炭酸カルシウム:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O。

二酸化炭素の物性

二酸化炭素は色や臭いのない気体物質です。 空気より重い。 熱的に安定しています。 圧縮して冷却すると、液体と固体の状態に容易に変化します。 固体の凝集状態の二酸化炭素は「ドライアイス」と呼ばれ、室温で容易に昇華します。 二酸化炭素は水に溶けにくく、部分的に水と反応します。 密度 – 1.977 g/l。

二酸化炭素の製造と利用

二酸化炭素を生成するには工業的方法と実験室的方法があります。 したがって、工業では石灰石を燃やすことによって得られ (1)、実験室では炭酸塩に対する強酸の作用によって得られます (2)。

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

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

二酸化炭素は、食品（炭酸レモネード）、化学（合成繊維製造における温度制御）、冶金（褐色ガスの沈殿などの環境保護）およびその他の産業で使用されます。

問題解決の例

例 1

二酸化炭素を検出する定性的な反応は、石灰水の濁度です。

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O。

反応の開始時に白い沈殿物が形成されますが、CO2 を石灰水に長時間通すと沈殿物は消えます。 不溶性炭酸カルシウムは可溶性重炭酸塩に変わります。

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2。

レシート。二酸化炭素は、例えば石灰石を燃焼させることによる炭酸塩（炭酸塩）の熱分解によって得られます。

CaCO3 = CaO + CO2、

または、炭酸塩および重炭酸塩に対する強酸の作用によって:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2、

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2。

炭素排出量産業活動、エネルギーおよび冶金事業の機能の結果として大気中に放出される硫黄化合物は、温室効果の発生とそれに伴う気候温暖化につながります。

科学者らは、温室効果ガス排出量削減策がなければ地球温暖化は次世紀で2度から5度の範囲になると推定しており、これは過去1万年間で前例のない現象となるだろう。 気候温暖化と来世紀末までに海面が 60 ～ 80 cm 上昇すると、前例のない規模の環境災害が発生し、人類社会の衰退が脅かされるでしょう。

炭酸およびその塩。炭酸は非常に弱く、水溶液中にのみ存在し、わずかにイオンに解離します。 したがって、CO2 水溶液は弱酸性の性質を持ちます。 炭酸の構造式:

二塩基性として、段階的に解離します: H2CO3H++HCO-3 HCO-3H++CO2-3

加熱すると、一酸化炭素 (IV) と水に分解します。

二塩基酸として、中塩 - 炭酸塩、酸性塩 - 重炭酸塩の 2 種類の塩を形成します。 それらは塩の一般的な特性を示します。 アルカリ金属およびアンモニウムの炭酸塩および重炭酸塩は水によく溶けます。

炭酸塩- 酸自体は不安定ですが、化合物は安定です。 これらは、CO2 を塩基の溶液と反応させるか、交換反応によって得ることができます。

NaOH+CO2=NaHCO3

KHCO3+KOH=K2CO3+H2O

BaCl2+Na2CO3=BaCO3+2NaCl

アルカリ土類金属の炭酸塩は水にわずかに溶けます。 一方、炭化水素は水溶性です。 炭化水素は、炭酸塩、一酸化炭素 (IV)、および水から形成されます。

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

アルカリ金属炭酸塩は加熱すると分解せずに溶けますが、残りの炭酸塩は加熱すると容易に分解して対応する金属の酸化物と CO2 になります。

CaCO3=CaO+CO2

加熱すると、炭化水素は炭酸塩に変わります。

2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O

水溶液中のアルカリ金属炭酸塩は、加水分解により高度なアルカリ性反応を起こします。

Na2CO3+H2O=NaHCO3+NaOH

炭酸イオン C2-3 および重炭酸イオン HCO-3 に対する定性的な反応は、より強い酸との相互作用です。 特徴的な「沸騰」を伴う一酸化炭素 (IV) の放出は、これらのイオンの存在を示します。

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O

放出された CO2 を石灰水に通すと、炭酸カルシウムの形成により溶液が曇るのが観察できます。

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

CO2を長時間通過させると、溶液は再び透明になります。

重炭酸塩の生成: CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2

炭素と二酸化炭素の相互作用は反応に従って進行します。

検討中のシステムは、固体炭素とガス (f = 2) の 2 つの相で構成されています。 相互作用する 3 つの物質は 1 つの反応方程式で相互に接続されているため、独立成分の数 k = 2 になります。ギブス位相則によれば、系の自由度の数は次のようになります。

C = 2 + 2 – 2 = 2。

これは、CO と CO 2 の平衡濃度が温度と圧力の関数であることを意味します。

反応 (2.1) は吸熱反応です。 したがって、ル シャトリエの原理によれば、温度が上昇すると、反応の平衡が追加量の CO が生成される方向に移動します。

反応 (2.1) が起こると、通常の条件下で 22400 cm 3 の体積を持つ 1 mol の CO 2 と、5.5 cm 3 の体積を持つ 1 mol の固体炭素が消費されます。 反応の結果、2 モルの CO が生成され、通常の条件下での体積は 44800 cm 3 になります。

反応中の試薬の体積変化に関する上記のデータ (2.1) から、次のことがわかります。

1. 検討中の変換には、相互作用する物質の体積の増加が伴います。 したがって、ル シャトリエの原理に従って、圧力の増加は CO 2 の生成に向けた反応を促進します。
2. 固相の体積の変化は、気体の体積の変化に比べて無視できます。 したがって、気体物質が関与する不均一反応の場合、相互作用する物質の体積変化は反応方程式の右辺と左辺の気体物質のモル数だけで決まると十分な精度で仮定できます。

反応 (2.1) の平衡定数は次の式から決定されます。

炭素の活量を決定する際に黒鉛を標準状態とすると、C = 1

反応の平衡定数 (2.1) の数値は、次の式から求めることができます。

反応平衡定数の値に対する温度の影響に関するデータを表 2.1 に示します。

表2.1– さまざまな温度での反応の平衡定数の値 (2.1)

与えられたデータから、約 1000K (700℃) の温度では反応の平衡定数が 1 に近いことが明らかです。 これは、中程度の温度の領域では、反応 (2.1) がほぼ完全に可逆的であることを意味します。 高温では、反応は CO の生成に向けて不可逆的に進行し、低温ではその逆に進行します。

気相が CO と CO 2 のみで構成されている場合、相互作用する物質の分圧を体積濃度で表すと、式 (2.4) は次の形式に簡略化できます。

工業条件では、CO および CO 2 は、空気中または酸素が豊富な爆風中の炭素と酸素の相互作用の結果として得られます。 同時に、別の成分、窒素がシステム内に現れます。 ガス混合物への窒素の導入は、圧力の低下と同様に、CO と CO 2 の平衡濃度の比に影響を与えます。

式 (2.6) から、平衡ガス混合物の組成は温度と圧力の関数であることが明らかです。 したがって、式 (2.6) の解は、座標 T、Ptot、および (%CO) の 3 次元空間の表面を使用してグラフィカルに解釈されます。 このような依存性を認識することは困難です。 システムパラメータの 2 番目を一定として、ガスの平衡混合物の組成が変数の 1 つに依存する形で表す方がはるかに便利です。 例として、図 2.1 は、Ptot = 10 5 Pa における平衡ガス混合物の組成に対する温度の影響に関するデータを示しています。

ガス混合物の既知の初期組成を考慮すると、次の方程式を使用して反応の方向 (2.1) を判断できます。

システム内の圧力が変化しない場合、関係 (2.7) は次の形に変形できます。

図2.1– P CO + P CO 2 = 10 5 Pa における、反応 C + CO 2 = 2CO の気相の平衡組成の温度依存性。

図 2.1 の点 a に相当する組成のガス混合物の場合、 です。 その中で

したがって、平衡曲線より上の点は、反応を通じて熱力学的平衡状態に近づく系を特徴づけます。

同様に、平衡曲線より下の点は、反応によって平衡状態に近づく系の特徴を示すことができます。

この状況を想像してみましょう。

あなたは研究室で働いており、実験を行うことにしました。 これを行うために、試薬の入ったキャビネットを開けると、突然棚の 1 つに次の写真が目に入りました。 試薬の入った瓶2本はラベルが剥がされ、近くに安全に放置されていた。 同時に、どの瓶がどのラベルに対応するかを正確に判断することはもはや不可能であり、それらを区別できる物質の外部の兆候は同じです。

この場合、問題はいわゆる 定性的反応.

定性的反応これらは、ある物質を別の物質から区別したり、未知の物質の定性的組成を調べたりすることを可能にする反応です。

たとえば、一部の金属のカチオンは、その塩がバーナーの炎に追加されると、特定の色に着色することが知られています。

この方法は、識別対象の物質の炎の色が異なる場合、またはそのうちの 1 つがまったく色を変えない場合にのみ機能します。

しかし、運が良ければ、測定対象の物質が炎に色を付けていないか、同じ色に着色していないとします。

このような場合には、他の試薬を使用して物質を識別する必要があります。

どのような場合に、試薬を使用してある物質を別の物質から区別できるのでしょうか?

次の 2 つのオプションがあります。

• 1 つの物質は追加された試薬と反応しますが、2 番目の物質は反応しません。 この場合、出発物質の 1 つと添加した試薬との反応が実際に起こったことがはっきりと見える必要があります。つまり、沈殿物の形成、ガスの放出、色の変化など、反応の何らかの外部兆候が観察される必要があります。 、など。

たとえば、アルカリは酸とよく反応するという事実にもかかわらず、塩酸を使用して水と水酸化ナトリウム溶液を区別することは不可能です。

NaOH + HCl = NaCl + H2O

これは、外部からの反応の兆候が存在しないためです。 無色透明の塩酸溶液を無色の水酸化物溶液と混合すると、同じ透明な溶液が形成されます。

しかしその一方で、たとえば塩化マグネシウムの溶液を使用すると、水をアルカリ水溶液から区別することができます。この反応では白い沈殿が形成されます。

2NaOH + MgCl 2 = Mg(OH) 2 ↓+ 2NaCl

2) 両方の物質が添加された試薬と反応する場合でも、それらの物質は互いに区別できますが、反応の方法は異なります。

たとえば、塩酸溶液を使用すると、炭酸ナトリウム溶液と硝酸銀溶液を区別できます。

塩酸は炭酸ナトリウムと反応して、無色無臭のガスである二酸化炭素 (CO 2) を放出します。

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

硝酸銀を使用すると、白いチーズ状の沈殿物が生成します。

HCl + AgNO 3 = HNO 3 + AgCl↓

以下の表は、特定のイオンを検出するためのさまざまなオプションを示しています。

カチオンに対する定性的反応

陰イオンに対する定性的反応

アニオン	衝撃または試薬	反応の兆し。 反応式
SO 4 2-	Ba 2+	酸に不溶の白色沈殿物の沈殿: Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4 ↓
いいえ3 −	1) H 2 SO 4 (濃) と Cu を加えて加熱します。 2) H 2 SO 4 + FeSO 4 の混合物	1) Cu 2+ イオンを含む青色の溶液の形成、茶色のガス (NO 2) の放出 ２）硫酸ニトロソ鉄（ＩＩ）２＋の色の出現。 色は紫から茶色まであります（褐色環反応）
PO 4 3-	銀+	中性環境における淡黄色の沈殿物の沈殿: 3Ag + + PO 4 3- = Ag 3 PO 4 ↓
CrO 4 2-	Ba 2+	酢酸には不溶であるが、HClには可溶な黄色の沈殿物の形成: Ba 2+ + CrO 4 2- = BaCrO 4 ↓
S2-	鉛2+	黒色の沈殿物: Pb2+ + S2- = PbS↓
CO32-		1) 酸に可溶な白色沈殿物の沈殿: Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 ↓ 2) 無色のガスの放出 (「沸騰」)、石灰水の濁りの原因: CO 3 2- + 2H + = CO 2 + H 2 O
CO2	石灰水 Ca(OH) 2	白色沈殿物の沈殿と CO 2 のさらなる通過によるその溶解: 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+	特有の刺激臭のあるSO 2 ガス（SO 2）の放出： 2H + + SO 3 2- = H 2 O + SO 2
F −	Ca2+	白い沈殿物: Ca2+ + 2F − = CaF2 ↓
Cl−	銀+	HNO 3 には不溶であるが、NH 3 ・H 2 O (濃) には可溶な、白いチーズ状の沈殿物の沈殿: Ag ++ Cl − = AgCl↓ AgCl + 2(NH 3 ・H 2 O) = ) このセクションの最新資料: