Jaka jest jakościowa reakcja na dwutlenek węgla. Właściwości fizyczne i chemiczne dwutlenku węgla

Dwutlenek węgla, tlenek węgla, dwutlenek węgla – to wszystko są nazwy jednej substancji znanej nam jako dwutlenek węgla. Jakie zatem właściwości ma ten gaz i jakie są jego obszary zastosowań?

Dwutlenek węgla i jego właściwości fizyczne

Dwutlenek węgla składa się z węgla i tlenu. Wzór na dwutlenek węgla wygląda następująco – CO₂. W naturze powstaje podczas spalania lub rozkładu substancji organicznych. Zawartość gazu w źródłach powietrznych i mineralnych jest również dość wysoka. Ponadto ludzie i zwierzęta również emitują dwutlenek węgla podczas wydechu.

Ryż. 1. Cząsteczka dwutlenku węgla.

Dwutlenek węgla jest całkowicie bezbarwnym gazem i nie można go zobaczyć. Nie ma również zapachu. Jednak przy wysokich stężeniach u osoby może rozwinąć się hiperkapnia, czyli uduszenie. Brak dwutlenku węgla może również powodować problemy zdrowotne. W wyniku braku tego gazu może rozwinąć się stan odwrotny do uduszenia – hipokapnia.

Jeśli umieścisz dwutlenek węgla w warunkach niskiej temperatury, wówczas w temperaturze -72 stopni krystalizuje i staje się jak śnieg. Dlatego dwutlenek węgla w stanie stałym nazywany jest „suchym śniegiem”.

Ryż. 2. Suchy śnieg – dwutlenek węgla.

Dwutlenek węgla jest 1,5 razy gęstszy od powietrza. Jego gęstość wynosi 1,98 kg/m3. Wiązanie chemiczne w cząsteczce dwutlenku węgla jest polarne kowalencyjne. Jest polarny, ponieważ tlen ma wyższą wartość elektroujemności.

Ważną koncepcją w badaniu substancji jest masa cząsteczkowa i molowa. Masa molowa dwutlenku węgla wynosi 44. Liczba ta powstaje z sumy względnych mas atomowych atomów tworzących cząsteczkę. Wartości względnych mas atomowych pochodzą z tabeli D.I. Mendelejewa i są zaokrąglane do liczb całkowitych. Odpowiednio masa molowa CO₂ = 12+2*16.

Aby obliczyć ułamki masowe pierwiastków w dwutlenku węgla, należy postępować zgodnie ze wzorem do obliczania ułamków masowych każdego pierwiastka chemicznego w substancji.

N– liczba atomów lub cząsteczek.
A R– względna masa atomowa pierwiastka chemicznego.
Pan– względna masa cząsteczkowa substancji.
Obliczmy względną masę cząsteczkową dwutlenku węgla.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 czyli 27% Ponieważ wzór na dwutlenek węgla zawiera dwa atomy tlenu, to n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 lub 73%

Odpowiedź: w(C) = 0,27 lub 27%; w(O) = 0,73 lub 73%

Właściwości chemiczne i biologiczne dwutlenku węgla

Dwutlenek węgla ma właściwości kwasowe, ponieważ jest tlenkiem kwasowym, a po rozpuszczeniu w wodzie tworzy kwas węglowy:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Reaguje z zasadami, powodując powstawanie węglanów i wodorowęglanów. Gaz ten nie pali się. Spalają się w nim tylko niektóre aktywne metale, takie jak magnez.

Po podgrzaniu dwutlenek węgla rozkłada się na tlenek węgla i tlen:

2CO₃=2CO+O₃.

Podobnie jak inne tlenki kwasowe, gaz ten łatwo reaguje z innymi tlenkami:

CaO+Co₃=CaCO₃.

Dwutlenek węgla jest składnikiem wszystkich substancji organicznych. Cyrkulacja tego gazu w przyrodzie odbywa się przy pomocy producentów, konsumentów i rozkładających się. W ciągu życia człowiek wytwarza dziennie około 1 kg dwutlenku węgla. Kiedy wdychamy, otrzymujemy tlen, ale w tym momencie w pęcherzykach płucnych powstaje dwutlenek węgla. W tym momencie następuje wymiana: tlen dostaje się do krwi, a dwutlenek węgla wychodzi.

Podczas produkcji alkoholu powstaje dwutlenek węgla. Gaz ten jest także produktem ubocznym przy produkcji azotu, tlenu i argonu. Zastosowanie dwutlenku węgla jest konieczne w przemyśle spożywczym, gdzie dwutlenek węgla pełni funkcję konserwantu, a dwutlenek węgla w postaci płynnej występuje w gaśnicach.

DEFINICJA

Dwutlenek węgla(dwutlenek węgla, bezwodnik węgla, dwutlenek węgla) – tlenek węgla (IV).

Formuła – CO2. Masa cząsteczkowa – 44 g/mol.

Właściwości chemiczne dwutlenku węgla

Dwutlenek węgla należy do klasy tlenków kwasowych, tj. Wchodząc w interakcję z wodą tworzy kwas zwany kwasem węglowym. Kwas węglowy jest chemicznie niestabilny i w momencie powstania natychmiast rozpada się na swoje składniki, tj. Reakcja pomiędzy dwutlenkiem węgla i wodą jest odwracalna:

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

Po podgrzaniu dwutlenek węgla rozkłada się na tlenek węgla i tlen:

2CO2 = 2CO + O2.

Podobnie jak wszystkie tlenki kwasowe, dwutlenek węgla charakteryzuje się reakcjami interakcji z tlenkami zasadowymi (tworzonymi tylko przez metale aktywne) i zasadami:

CaO + CO2 = CaCO3;

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

CO2 + NaOH (rozcieńczony) = NaHCO3;

CO2 + 2NaOH (stęż.) = Na2CO3 + H2O.

Dwutlenek węgla nie wspomaga spalania; spalają się w nim tylko metale aktywne:

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

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

Dwutlenek węgla reaguje z prostymi substancjami, takimi jak wodór i węgiel:

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

CO2 + C = 2CO (t).

Kiedy dwutlenek węgla reaguje z nadtlenkami metali aktywnych, powstają węglany i uwalniany jest tlen:

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

Jakościową reakcją na dwutlenek węgla jest reakcja jego oddziaływania z wodą wapienną (mlekiem), tj. z wodorotlenkiem wapnia, w którym tworzy się biały osad - węglan wapnia:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Właściwości fizyczne dwutlenku węgla

Dwutlenek węgla jest substancją gazową, pozbawioną koloru i zapachu. Cięższe niż powietrze. Stabilny termicznie. Po skompresowaniu i ochłodzeniu łatwo przechodzi w stan ciekły i stały. Dwutlenek węgla w postaci stałego agregatu nazywany jest „suchym lodem” i łatwo sublimuje w temperaturze pokojowej. Dwutlenek węgla jest słabo rozpuszczalny w wodzie i częściowo z nią reaguje. Gęstość – 1,977 g/l.

Produkcja i wykorzystanie dwutlenku węgla

Istnieją przemysłowe i laboratoryjne metody wytwarzania dwutlenku węgla. I tak w przemyśle otrzymuje się go przez wypalanie wapienia (1), a w laboratorium przez działanie mocnych kwasów na sole kwasu węglowego (2):

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

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

Dwutlenek węgla stosowany jest w przemyśle spożywczym (moniada gazowana), chemicznym (kontrola temperatury przy produkcji włókien syntetycznych), metalurgicznym (ochrona środowiska, np. wytrącanie gazów brunatnych) i innych.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Jakościową reakcją na wykrycie dwutlenku węgla jest zmętnienie wody wapiennej:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.

Na początku reakcji tworzy się biały osad, który znika po dłuższym przepuszczaniu CO2 przez wodę wapienną, ponieważ nierozpuszczalny węglan wapnia zamienia się w rozpuszczalny wodorowęglan:

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

Paragon. Dwutlenek węgla otrzymuje się w wyniku termicznego rozkładu soli kwasu węglowego (węglanów), na przykład poprzez spalanie wapienia:

CaCO3 = CaO + CO2,

lub przez działanie mocnych kwasów na węglany i wodorowęglany:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2,

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.

Emisji dwutlenku węgla, związki siarki do atmosfery w wyniku działalności przemysłowej, funkcjonowania przedsiębiorstw energetycznych i hutniczych prowadzą do wystąpienia efektu cieplarnianego i związanego z nim ocieplenia klimatu.

Naukowcy szacują, że globalne ocieplenie bez środków ograniczających emisję gazów cieplarnianych będzie wynosić od 2 do 5 stopni w ciągu najbliższego stulecia, co będzie zjawiskiem bezprecedensowym w ciągu ostatnich dziesięciu tysięcy lat. Ocieplenie klimatu i podniesienie się poziomu morza o 60-80 cm do końca przyszłego stulecia doprowadzi do katastrofy ekologicznej na niespotykaną dotąd skalę, która grozi degradacją wspólnoty ludzkiej.

Kwas węglowy i jego sole. Kwas węglowy jest bardzo słaby, występuje tylko w roztworach wodnych i nieznacznie dysocjuje na jony. Dlatego wodne roztwory CO2 mają właściwości lekko kwaśne. Wzór strukturalny kwasu węglowego:

Jako substancja dwuzasadowa dysocjuje stopniowo: H2CO3H++HCO-3 HCO-3H++CO2-3

Po podgrzaniu rozkłada się na tlenek węgla (IV) i wodę.

Jako kwas dwuzasadowy tworzy dwa rodzaje soli: sole średnie – węglany, sole kwaśne – wodorowęglany. Wykazują ogólne właściwości soli. Węglany i wodorowęglany metali alkalicznych oraz amonu są dobrze rozpuszczalne w wodzie.

Sole kwasu węglowego- związki są trwałe, chociaż sam kwas jest niestabilny. Można je otrzymać w reakcji CO2 z roztworami zasad lub w reakcjach wymiany:

NaOH+CO2=NaHCO3

KHCO3+KOH=K2CO3+H2O

BaCl2+Na2CO3=BaCO3+2NaCl

Węglany metali ziem alkalicznych są słabo rozpuszczalne w wodzie. Z drugiej strony węglowodory są rozpuszczalne. Węglowodany powstają z węglanów, tlenku węgla (IV) i wody:

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

Po podgrzaniu węglany metali alkalicznych topią się bez rozkładu, a po podgrzaniu pozostałe węglany łatwo rozkładają się na tlenek odpowiedniego metalu i CO2:

CaCO3=CaO+CO2

Po podgrzaniu węglowodory zamieniają się w węglany:

2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O

Węglany metali alkalicznych w roztworach wodnych mają odczyn silnie zasadowy w wyniku hydrolizy:

Na2CO3+H2O=NaHCO3+NaOH

Jakościową reakcją na jon węglanowy C2-3 i wodorowęglan HCO-3 jest ich oddziaływanie z silniejszymi kwasami. Uwolnienie się tlenku węgla (IV) z charakterystycznym „wrzeniem” wskazuje na obecność tych jonów.

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O

Przepuszczając uwolniony CO2 przez wodę wapienną, można zaobserwować zmętnienie roztworu w wyniku tworzenia się węglanu wapnia:

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

Przy dłuższym przejściu CO2 roztwór ponownie staje się przezroczysty z powodu

tworzenie się wodorowęglanu: CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2

Oddziaływanie węgla z dwutlenkiem węgla przebiega zgodnie z reakcją

Rozważany układ składa się z dwóch faz - węgla stałego i gazu (f = 2). Trzy oddziałujące substancje są połączone jednym równaniem reakcji, dlatego liczba niezależnych składników k = 2. Zgodnie z regułą fazową Gibbsa liczba stopni swobody układu będzie równa

C = 2 + 2 – 2 = 2.

Oznacza to, że stężenia równowagowe CO i CO 2 są funkcjami temperatury i ciśnienia.

Reakcja (2.1) jest endotermiczna. Zatem zgodnie z zasadą Le Chateliera wzrost temperatury przesuwa równowagę reakcji w kierunku powstawania dodatkowej ilości CO.

Gdy zachodzi reakcja (2.1), zużywa się 1 mol CO2, który w normalnych warunkach ma objętość 22400 cm3 i 1 mol stałego węgla o objętości 5,5 cm3. W wyniku reakcji powstają 2 mole CO, których objętość w normalnych warunkach wynosi 44800 cm3.

Z powyższych danych dotyczących zmiany objętości reagentów podczas reakcji (2.1) wynika, że:

1. Rozważanej transformacji towarzyszy wzrost objętości substancji oddziałujących. Dlatego zgodnie z zasadą Le Chateliera wzrost ciśnienia będzie sprzyjał reakcji w kierunku tworzenia się CO2.
2. Zmiana objętości fazy stałej jest pomijalna w porównaniu ze zmianą objętości gazu. Dlatego w przypadku reakcji heterogenicznych z udziałem substancji gazowych możemy z wystarczającą dokładnością założyć, że o zmianie objętości substancji oddziałujących decyduje jedynie liczba moli substancji gazowych po prawej i lewej stronie równania reakcji.

Stałą równowagi reakcji (2.1) wyznacza się z wyrażenia

Jeśli przy określaniu aktywności węgla przyjmiemy grafit jako stan standardowy, wówczas a C = 1

Z równania można wyznaczyć wartość liczbową stałej równowagi reakcji (2.1).

Dane dotyczące wpływu temperatury na wartość stałej równowagi reakcji podano w tabeli 2.1.

Tabela 2.1– Wartości stałej równowagi reakcji (2.1) w różnych temperaturach

Z przedstawionych danych wynika, że ​​w temperaturze około 1000 K (700 o C) stała równowagi reakcji jest bliska jedności. Oznacza to, że w obszarze temperatur umiarkowanych reakcja (2.1) jest prawie całkowicie odwracalna. W wysokich temperaturach reakcja przebiega nieodwracalnie w kierunku powstania CO, a w niskich temperaturach w przeciwnym kierunku.

Jeżeli faza gazowa składa się tylko z CO i CO 2, wyrażając ciśnienia cząstkowe substancji oddziałujących poprzez ich stężenia objętościowe, równanie (2.4) można sprowadzić do postaci

W warunkach przemysłowych CO i CO 2 powstają w wyniku oddziaływania węgla z tlenem zawartym w powietrzu lub podmuchu wzbogaconego w tlen. Jednocześnie w systemie pojawia się kolejny składnik - azot. Wprowadzenie azotu do mieszaniny gazowej wpływa na stosunek stężeń równowagowych CO i CO 2 w podobny sposób, jak spadek ciśnienia.

Z równania (2.6) jasno wynika, że ​​skład równowagowej mieszaniny gazów jest funkcją temperatury i ciśnienia. Dlatego rozwiązanie równania (2.6) interpretuje się graficznie wykorzystując powierzchnię w przestrzeni trójwymiarowej o współrzędnych T, Ptot i (%CO). Postrzeganie takiej zależności jest trudne. Znacznie wygodniej jest przedstawić to w postaci zależności składu równowagowej mieszaniny gazów od jednej ze zmiennych, przy czym drugi z parametrów układu jest stały. Jako przykład, Rysunek 2.1 pokazuje dane dotyczące wpływu temperatury na skład równowagowej mieszaniny gazów przy Ptot = 10 5 Pa.

Mając znany początkowy skład mieszaniny gazowej, za pomocą równania można ocenić kierunek reakcji (2.1).

Jeżeli ciśnienie w układzie nie ulegnie zmianie, zależność (2.7) można sprowadzić do postaci

Rysunek 2.1– Zależność składu równowagowego fazy gazowej dla reakcji C + CO 2 = 2CO od temperatury w P CO + P CO 2 = 10 5 Pa.

Dla mieszaniny gazów, której skład odpowiada punktowi a na rysunku 2.1, . W której

i G > 0. Zatem punkty powyżej krzywej równowagi charakteryzują układy, których dojście do stanu równowagi termodynamicznej następuje poprzez reakcję

Podobnie można wykazać, że punkty poniżej krzywej równowagi charakteryzują układy, które na drodze reakcji zbliżają się do stanu równowagi

Wyobraźmy sobie taką sytuację:

Pracujesz w laboratorium i zdecydowałeś się przeprowadzić eksperyment. Aby to zrobić, otworzyłeś szafkę z odczynnikami i nagle na jednej z półek zobaczyłeś poniższy obrazek. Dwa słoiki z odczynnikami miały odklejone etykiety i bezpiecznie leżały w pobliżu. Jednocześnie nie da się już dokładnie określić, który słoik odpowiada której etykiecie, a zewnętrzne oznaki substancji, po których można je rozróżnić, są takie same.

W takim przypadku problem można rozwiązać za pomocą tzw reakcje jakościowe.

Reakcje jakościowe Są to reakcje, które pozwalają odróżnić jedną substancję od drugiej, a także poznać skład jakościowy nieznanych substancji.

Wiadomo np., że kationy niektórych metali dodane do płomienia palnika ich soli powodują jego zabarwienie na określony kolor:

Metoda ta może zadziałać tylko wtedy, gdy wyróżniane substancje w różny sposób zmieniają barwę płomienia lub jedna z nich w ogóle nie zmienia barwy.

Ale, powiedzmy, los chciał, że oznaczane substancje nie zabarwiają płomienia ani nie zabarwiają go na ten sam kolor.

W takich przypadkach konieczne będzie rozróżnienie substancji za pomocą innych odczynników.

W jakim przypadku możemy rozróżnić jedną substancję od drugiej za pomocą dowolnego odczynnika?

Istnieją dwie opcje:

• Jedna substancja reaguje z dodanym odczynnikiem, natomiast druga nie. W tym przypadku musi być wyraźnie widoczne, że reakcja jednej z substancji wyjściowych z dodanym odczynnikiem faktycznie miała miejsce, to znaczy zaobserwowano jej jakiś zewnętrzny znak - utworzył się osad, uwolnił się gaz, nastąpiła zmiana koloru itp.

Na przykład nie można odróżnić wody od roztworu wodorotlenku sodu za pomocą kwasu solnego, mimo że zasady dobrze reagują z kwasami:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

Wynika to z braku jakichkolwiek zewnętrznych oznak reakcji. Klarowny, bezbarwny roztwór kwasu solnego po zmieszaniu z bezbarwnym roztworem wodorotlenku tworzy ten sam klarowny roztwór:

Ale z drugiej strony wodę można odróżnić od wodnego roztworu zasady, na przykład za pomocą roztworu chlorku magnezu - w tej reakcji tworzy się biały osad:

2NaOH + MgCl2 = Mg(OH)2 ↓+ 2NaCl

2) substancje można także rozróżnić, jeśli obie reagują z dodanym odczynnikiem, ale robią to w różny sposób.

Na przykład można rozróżnić roztwór węglanu sodu od roztworu azotanu srebra za pomocą roztworu kwasu solnego.

Kwas solny reaguje z węglanem sodu wydzielając bezbarwny i bezwonny gaz – dwutlenek węgla (CO2):

2HCl + Na2CO3 = 2NaCl + H2O + CO2

i azotanem srebra, tworząc biały, tandetny osad AgCl

HCl + AgNO 3 = HNO 3 + AgCl↓

Poniższe tabele przedstawiają różne możliwości wykrywania określonych jonów:

Jakościowe reakcje na kationy

Jakościowe reakcje na aniony

Anion	Uderzenie lub odczynnik	Znak reakcji. Równanie reakcji
SO 4 2-	Ba 2+	Wytrąca się biały osad, nierozpuszczalny w kwasach: Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4 ↓
NIE 3-	1) Dodać H2SO4 (stężony) i Cu, ogrzać 2) Mieszanka H 2 SO 4 + FeSO 4	1) Powstanie niebieskiego roztworu zawierającego jony Cu 2+, uwolnienie brązowego gazu (NO 2) 2) Pojawienie się koloru siarczanu nitrozo-żelaza (II) 2+. Zakres kolorów od fioletu do brązu (reakcja brązowego pierścienia)
PO 4 3-	Ag+	Wytrącanie się jasnożółtego osadu w środowisku obojętnym: 3Ag + + PO 4 3- = Ag 3 PO 4 ↓
CrO 4 2-	Ba 2+	Tworzenie się żółtego osadu, nierozpuszczalnego w kwasie octowym, ale rozpuszczalnego w HCl: Ba 2+ + CrO 4 2- = BaCrO 4 ↓
S 2-	Pb2+	Czarny osad: Pb2+ + S2- = PbS↓
CO 3 2-		1) Wytrąca się biały osad, rozpuszczalny w kwasach: Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 ↓ 2) Uwolnienie się bezbarwnego gazu („wrzącego”) powodującego zmętnienie wody wapiennej: CO 3 2- + 2H + = CO 2 + H 2 O
CO2	Woda wapienna Ca(OH) 2	Wytrącanie się białego osadu i jego rozpuszczanie przy dalszym przejściu CO2: 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+	Emisja gazu SO 2 o charakterystycznym ostrym zapachu (SO 2): 2H + + SO 3 2- = H 2 O + SO 2
F-	Ca2+	Biały osad: Ca 2+ + 2F − = CaF 2 ↓
Cl-	Ag+	Wytrąca się biały, tandetny osad, nierozpuszczalny w HNO 3, ale rozpuszczalny w NH 3·H 2 O (stężony): Ag + + Cl - = AgCl↓ AgCl + 2(NH3·H2O) = ) Najnowsze materiały w dziale: