Qual é a reação qualitativa ao dióxido de carbono. Propriedades físicas e químicas do dióxido de carbono

Dióxido de carbono, monóxido de carbono, dióxido de carbono - todos esses são nomes para uma substância que conhecemos como dióxido de carbono. Então, quais propriedades esse gás possui e quais são suas áreas de aplicação?

Dióxido de carbono e suas propriedades físicas

O dióxido de carbono consiste em carbono e oxigênio. A fórmula do dióxido de carbono é assim – CO₂. Na natureza, é formado durante a combustão ou decomposição de substâncias orgânicas. O teor de gás no ar e nas fontes minerais também é bastante alto. Além disso, humanos e animais também emitem dióxido de carbono quando expiram.

Arroz. 1. Molécula de dióxido de carbono.

O dióxido de carbono é um gás completamente incolor e não pode ser visto. Também não tem cheiro. Porém, com altas concentrações, uma pessoa pode desenvolver hipercapnia, ou seja, asfixia. A falta de dióxido de carbono também pode causar problemas de saúde. Como resultado da falta desse gás, pode ocorrer a condição oposta à asfixia - hipocapnia.

Se você colocar o dióxido de carbono em condições de baixa temperatura, então a -72 graus ele cristaliza e se torna como neve. Portanto, o dióxido de carbono sólido é chamado de “neve seca”.

Arroz. 2. Neve seca – dióxido de carbono.

O dióxido de carbono é 1,5 vezes mais denso que o ar. Sua densidade é de 1,98 kg/m³. A ligação química na molécula de dióxido de carbono é polar covalente. É polar devido ao fato de o oxigênio ter um valor de eletronegatividade mais alto.

Um conceito importante no estudo de substâncias é a massa molecular e molar. A massa molar do dióxido de carbono é 44. Esse número é formado a partir da soma das massas atômicas relativas dos átomos que compõem a molécula. Os valores das massas atômicas relativas são retirados da tabela de D.I. Mendeleev e são arredondados para números inteiros. Conseqüentemente, a massa molar do CO₂ = 12+2*16.

Para calcular as frações mássicas dos elementos do dióxido de carbono, é necessário seguir a fórmula de cálculo das frações mássicas de cada elemento químico de uma substância.

n– número de átomos ou moléculas.
A R– massa atômica relativa de um elemento químico.
Senhor– massa molecular relativa da substância.
Vamos calcular a massa molecular relativa do dióxido de carbono.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12/44 = 0,27 ou 27% Como a fórmula do dióxido de carbono inclui dois átomos de oxigênio, então n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 ou 73%

Resposta: w(C) = 0,27 ou 27%; w(O) = 0,73 ou 73%

Propriedades químicas e biológicas do dióxido de carbono

O dióxido de carbono tem propriedades ácidas porque é um óxido ácido e, quando dissolvido em água, forma ácido carbônico:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Reage com álcalis, resultando na formação de carbonatos e bicarbonatos. Este gás não queima. Apenas certos metais ativos, como o magnésio, queimam nele.

Quando aquecido, o dióxido de carbono se decompõe em monóxido de carbono e oxigênio:

2CO₃=2CO+O₃.

Como outros óxidos ácidos, este gás reage facilmente com outros óxidos:

CaO+Co₃=CaCO₃.

O dióxido de carbono faz parte de todas as substâncias orgânicas. A circulação desse gás na natureza é feita com o auxílio de produtores, consumidores e decompositores. No processo da vida, uma pessoa produz aproximadamente 1 kg de dióxido de carbono por dia. Quando inspiramos, recebemos oxigênio, mas neste momento se forma dióxido de carbono nos alvéolos. Nesse momento ocorre uma troca: o oxigênio entra no sangue e sai o dióxido de carbono.

O dióxido de carbono é produzido durante a produção de álcool. Este gás também é um subproduto na produção de nitrogênio, oxigênio e argônio. O uso de dióxido de carbono é necessário na indústria alimentícia, onde o dióxido de carbono atua como conservante e o dióxido de carbono na forma líquida é encontrado em extintores de incêndio.

DEFINIÇÃO

Dióxido de carbono(dióxido de carbono, anidrido carbônico, dióxido de carbono) – monóxido de carbono (IV).

Fórmula – CO 2. Massa molar – 44 g/mol.

Propriedades químicas do dióxido de carbono

O dióxido de carbono pertence à classe dos óxidos ácidos, ou seja, Ao interagir com a água, forma um ácido chamado ácido carbônico. O ácido carbônico é quimicamente instável e no momento da formação se decompõe imediatamente em seus componentes, ou seja, A reação entre o dióxido de carbono e a água é reversível:

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

Quando aquecido, o dióxido de carbono se decompõe em monóxido de carbono e oxigênio:

2CO 2 = 2CO + O 2.

Como todos os óxidos ácidos, o dióxido de carbono é caracterizado por reações de interação com óxidos básicos (formados apenas por metais ativos) e bases:

CaO + CO 2 = CaCO 3;

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

CO 2 + NaOH (diluído) = NaHCO 3 ;

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

O dióxido de carbono não suporta combustão; apenas metais ativos queimam nele:

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

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

O dióxido de carbono reage com substâncias simples como hidrogênio e carbono:

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

CO 2 + C = 2CO (t).

Quando o dióxido de carbono reage com peróxidos de metais ativos, formam-se carbonatos e libera-se oxigênio:

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

Uma reação qualitativa ao dióxido de carbono é a reação de sua interação com água de cal (leite), ou seja, com hidróxido de cálcio, no qual se forma um precipitado branco - carbonato de cálcio:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Propriedades físicas do dióxido de carbono

O dióxido de carbono é uma substância gasosa sem cor ou odor. Mais pesado que o ar. Termicamente estável. Quando comprimido e resfriado, transforma-se facilmente nos estados líquido e sólido. O dióxido de carbono em estado agregado sólido é chamado de “gelo seco” e sublima facilmente à temperatura ambiente. O dióxido de carbono é pouco solúvel em água e reage parcialmente com ela. Densidade – 1,977 g/l.

Produção e uso de dióxido de carbono

Existem métodos industriais e laboratoriais para a produção de dióxido de carbono. Assim, na indústria é obtido pela queima do calcário (1), e no laboratório pela ação de ácidos fortes sobre os sais de ácido carbônico (2):

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

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

O dióxido de carbono é utilizado nas indústrias alimentícia (limonada carbonatada), química (controle de temperatura na produção de fibras sintéticas), metalúrgica (proteção ambiental, como precipitação de gás marrom) e outras.

Exemplos de resolução de problemas

EXEMPLO 1

Uma reação qualitativa para detectar dióxido de carbono é a turbidez da água de cal:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.

No início da reação forma-se um precipitado branco, que desaparece quando o CO2 passa por água de cal por muito tempo, pois carbonato de cálcio insolúvel se transforma em bicarbonato solúvel:

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

Recibo. O dióxido de carbono é obtido pela decomposição térmica de sais de ácido carbônico (carbonatos), por exemplo, pela queima de calcário:

CaCO3 = CaO + CO2,

ou pela ação de ácidos fortes sobre carbonatos e bicarbonatos:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2,

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.

Emissões de carbono, os compostos de enxofre na atmosfera como resultado da atividade industrial, o funcionamento das empresas energéticas e metalúrgicas levam à ocorrência do efeito estufa e ao aquecimento climático associado.

Os cientistas estimam que o aquecimento global sem medidas para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa variará entre 2 e 5 graus durante o próximo século, o que será um fenómeno sem precedentes nos últimos dez mil anos. O aquecimento climático e um aumento do nível do mar em 60-80 cm até ao final do próximo século conduzirão a um desastre ambiental de escala sem precedentes, que ameaça a degradação da comunidade humana.

Ácido carbônico e seus sais. O ácido carbônico é muito fraco, existe apenas em soluções aquosas e se dissocia ligeiramente em íons. Portanto, soluções aquosas de CO2 possuem propriedades ligeiramente ácidas. Fórmula estrutural do ácido carbônico:

Como dibásico, dissocia-se passo a passo: H2CO3H++HCO-3 HCO-3H++CO2-3

Quando aquecido, decompõe-se em monóxido de carbono (IV) e água.

Como ácido dibásico, forma dois tipos de sais: sais médios - carbonatos, sais ácidos - bicarbonatos. Eles exibem as propriedades gerais dos sais. Carbonatos e bicarbonatos de metais alcalinos e amônio são altamente solúveis em água.

Sais de ácido carbônico- os compostos são estáveis, embora o próprio ácido seja instável. Eles podem ser obtidos pela reação do CO2 com soluções de bases ou por reações de troca:

NaOH+CO2=NaHCO3

KHCO3+KOH=K2CO3+H2O

BaCl2+Na2CO3=BaCO3+2NaCl

Carbonatos de metais alcalino-terrosos são ligeiramente solúveis em água. Os hidrocarbonatos, por outro lado, são solúveis. Os hidrocarbonatos são formados a partir de carbonatos, monóxido de carbono (IV) e água:

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

Quando aquecidos, os carbonatos de metais alcalinos derretem sem se decompor e, quando aquecidos, os carbonatos restantes se decompõem facilmente no óxido do metal correspondente e no CO2:

CaCO3=CaO+CO2

Quando aquecidos, os hidrocarbonatos se transformam em carbonatos:

2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O

Carbonatos de metais alcalinos em soluções aquosas têm uma reação altamente alcalina devido à hidrólise:

Na2CO3+H2O=NaHCO3+NaOH

Uma reação qualitativa ao íon carbonato C2-3 e ao bicarbonato HCO-3 é sua interação com ácidos mais fortes. A liberação de monóxido de carbono (IV) com “ebulição” característica indica a presença desses íons.

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O

Ao passar o CO2 liberado pela água de cal, você pode observar a solução ficando turva devido à formação de carbonato de cálcio:

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

Com a passagem prolongada de CO2, a solução torna-se novamente transparente devido à

formação de bicarbonato: CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2

A interação do carbono com o dióxido de carbono ocorre de acordo com a reação

O sistema em consideração consiste em duas fases - carbono sólido e gás (f = 2). Três substâncias interagentes estão interligadas por uma equação de reação, portanto, o número de componentes independentes k = 2. De acordo com a regra das fases de Gibbs, o número de graus de liberdade do sistema será igual a

C = 2 + 2 – 2 = 2.

Isto significa que as concentrações de equilíbrio de CO e CO 2 são funções da temperatura e da pressão.

A reação (2.1) é endotérmica. Portanto, de acordo com o princípio de Le Chatelier, um aumento na temperatura desloca o equilíbrio da reação na direção da formação de uma quantidade adicional de CO.

Quando ocorre a reação (2.1), é consumido 1 mol de CO 2, que em condições normais tem volume de 22.400 cm 3, e 1 mol de carbono sólido com volume de 5,5 cm 3. Como resultado da reação, formam-se 2 moles de CO, cujo volume em condições normais é de 44.800 cm 3.

Dos dados acima sobre a mudança no volume dos reagentes durante a reação (2.1), segue-se:

1. A transformação em questão é acompanhada por um aumento no volume de substâncias interagentes. Portanto, de acordo com o princípio de Le Chatelier, um aumento na pressão promoverá a reação para a formação de CO 2.
2. A mudança no volume da fase sólida é insignificante em comparação com a mudança no volume do gás. Portanto, para reações heterogêneas envolvendo substâncias gasosas, podemos assumir com precisão suficiente que a mudança no volume das substâncias interagentes é determinada apenas pelo número de moles de substâncias gasosas nos lados direito e esquerdo da equação de reação.

A constante de equilíbrio da reação (2.1) é determinada a partir da expressão

Se tomarmos a grafite como estado padrão ao determinar a atividade do carbono, então a C = 1

O valor numérico da constante de equilíbrio da reação (2.1) pode ser determinado a partir da equação

Os dados sobre o efeito da temperatura no valor da constante de equilíbrio da reação são apresentados na Tabela 2.1.

Tabela 2.1– Valores da constante de equilíbrio da reação (2.1) em diferentes temperaturas

A partir dos dados fornecidos fica claro que a uma temperatura de cerca de 1000K (700 o C) a constante de equilíbrio da reação está próxima da unidade. Isto significa que na região de temperaturas moderadas, a reação (2.1) é quase completamente reversível. Em altas temperaturas a reação prossegue irreversivelmente em direção à formação de CO, e em baixas temperaturas na direção oposta.

Se a fase gasosa consiste apenas em CO e CO 2, ao expressar as pressões parciais das substâncias interagentes em termos de suas concentrações volumétricas, a equação (2.4) pode ser reduzida à forma

Em condições industriais, o CO e o CO 2 são obtidos como resultado da interação do carbono com o oxigênio do ar ou da explosão enriquecida com oxigênio. Ao mesmo tempo, outro componente aparece no sistema - o nitrogênio. A introdução de nitrogênio na mistura gasosa afeta a proporção das concentrações de equilíbrio de CO e CO 2 de maneira semelhante a uma diminuição na pressão.

Da equação (2.6) fica claro que a composição da mistura gasosa em equilíbrio é função da temperatura e da pressão. Portanto, a solução da equação (2.6) é interpretada graficamente utilizando uma superfície no espaço tridimensional nas coordenadas T, Ptot e (%CO). A percepção dessa dependência é difícil. É muito mais conveniente representá-lo como uma dependência da composição de uma mistura de gases em equilíbrio de uma das variáveis, sendo o segundo parâmetro do sistema constante. Como exemplo, a Figura 2.1 mostra dados sobre o efeito da temperatura na composição da mistura de gases em equilíbrio em Ptot = 10 5 Pa.

Dada a composição inicial conhecida da mistura gasosa, pode-se julgar a direção da reação (2.1) usando a equação

Se a pressão no sistema permanecer inalterada, a relação (2.7) pode ser reduzida à forma

Figura 2.1– Dependência da composição de equilíbrio da fase gasosa para a reação C + CO 2 = 2CO da temperatura em P CO + P CO 2 = 10 5 Pa.

Para uma mistura gasosa cuja composição corresponde ao ponto a da Figura 2.1, . Em que

e G > 0. Assim, os pontos acima da curva de equilíbrio caracterizam sistemas cuja aproximação ao estado de equilíbrio termodinâmico ocorre através da reação

Da mesma forma, pode ser mostrado que os pontos abaixo da curva de equilíbrio caracterizam sistemas que se aproximam do estado de equilíbrio por reação

Vamos imaginar esta situação:

Você está trabalhando em um laboratório e decidiu realizar um experimento. Para fazer isso, você abriu o armário com reagentes e de repente viu a seguinte imagem em uma das prateleiras. Dois frascos de reagentes tiveram seus rótulos retirados e permaneceram em segurança nas proximidades. Ao mesmo tempo, não é mais possível determinar exatamente qual frasco corresponde a qual rótulo, e os sinais externos das substâncias pelas quais podem ser distinguidos são os mesmos.

Neste caso, o problema pode ser resolvido usando o chamado reações qualitativas.

Reações qualitativas São reações que permitem distinguir uma substância de outra, bem como conhecer a composição qualitativa de substâncias desconhecidas.

Por exemplo, sabe-se que cátions de alguns metais, quando seus sais são adicionados à chama do queimador, colorem-no com uma determinada cor:

Este método só pode funcionar se as substâncias distinguidas mudarem a cor da chama de maneira diferente ou se uma delas não mudar de cor.

Mas, digamos, por sorte, as substâncias que estão sendo determinadas não colorem a chama, nem a colorem da mesma cor.

Nestes casos será necessário distinguir substâncias utilizando outros reagentes.

Em que caso podemos distinguir uma substância de outra usando qualquer reagente?

Existem duas opções:

• Uma substância reage com o reagente adicionado, mas a segunda não. Neste caso, deve ficar bem visível que realmente ocorreu a reação de uma das substâncias iniciais com o reagente adicionado, ou seja, observa-se algum sinal externo dela - formou-se um precipitado, um gás foi liberado, ocorreu uma mudança de cor , etc.

Por exemplo, é impossível distinguir água de uma solução de hidróxido de sódio usando ácido clorídrico, apesar do fato de os álcalis reagirem bem com ácidos:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

Isto se deve à ausência de quaisquer sinais externos de reação. Uma solução límpida e incolor de ácido clorídrico quando misturada com uma solução incolor de hidróxido forma a mesma solução límpida:

Mas, por outro lado, você pode distinguir a água de uma solução aquosa de álcali, por exemplo, usando uma solução de cloreto de magnésio - nesta reação forma-se um precipitado branco:

2NaOH + MgCl 2 = Mg(OH) 2 ↓+ 2NaCl

2) as substâncias também podem ser distinguidas umas das outras se ambas reagirem com o reagente adicionado, mas o fazem de maneiras diferentes.

Por exemplo, você pode distinguir uma solução de carbonato de sódio de uma solução de nitrato de prata usando uma solução de ácido clorídrico.

O ácido clorídrico reage com o carbonato de sódio para liberar um gás incolor e inodoro - dióxido de carbono (CO 2):

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

e com nitrato de prata para formar um precipitado branco de queijo AgCl

HCl + AgNO 3 = HNO 3 + AgCl↓

As tabelas abaixo apresentam várias opções para detecção de íons específicos:

Reações qualitativas a cátions

Reações qualitativas a ânions

ânion	Impacto ou reagente	Sinal de reação. Equação de reação
SO 4 2-	Ba 2+	Precipitação de um precipitado branco, insolúvel em ácidos: Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4 ↓
NÃO 3 -	1) Adicione H 2 SO 4 (conc.) e Cu, aqueça 2) Mistura de H 2 SO 4 + FeSO 4	1) Formação de uma solução azul contendo íons Cu 2+, liberação de gás marrom (NO 2) 2) O aparecimento da cor do sulfato de ferro nitroso (II) 2+. A cor varia do violeta ao marrom (reação do anel marrom)
PO 4 3-	Ag+	Precipitação de um precipitado amarelo claro em ambiente neutro: 3Ag + + PO 4 3- = Ag 3 PO 4 ↓
CrO 4 2-	Ba 2+	Formação de um precipitado amarelo, insolúvel em ácido acético, mas solúvel em HCl: Ba 2+ + CrO 4 2- = BaCrO 4 ↓
S 2-	Pb 2+	Precipitado preto: Pb 2+ + S 2- = PbS↓
CO 3 2-		1) Precipitação de um precipitado branco, solúvel em ácidos: Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 ↓ 2) A liberação de gás incolor (“ebulição”), causando turvação da água de cal: CO 3 2- + 2H + = CO 2 + H 2 O
CO2	Água de cal Ca(OH)2	Precipitação de um precipitado branco e sua dissolução com posterior passagem de CO 2: Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2
ASSIM 3 2-	H+	Emissão de gás SO 2 com odor pungente característico (SO 2): 2H + + SO 3 2- = H 2 O + SO 2
F-	Ca2+	Precipitado branco: Ca 2+ + 2F − = CaF 2 ↓
Cl-	Ag+	Precipitação de um precipitado branco tipo queijo, insolúvel em HNO 3, mas solúvel em NH 3 ·H 2 O (conc.): Ag + + Cl − = AgCl↓ AgCl + 2(NH 3 ·H 2 O) = ) Materiais mais recentes na seção: