Kohlenstoff (C)- typisches Nichtmetall; v Periodensystem ist in der 2. Periode der IV. Gruppe die Hauptuntergruppe. Ordnungszahl 6, Ar = 12,011 amu, Kernladung +6.

Physikalische Eigenschaften: Kohlenstoff bildet viele allotrope Modifikationen: Diamant- einer der härtesten Stoffe Graphit, Kohle, Ruß.

Ein Kohlenstoffatom hat 6 Elektronen: 1s 2 2s 2 2p 2 . Die letzten beiden Elektronen befinden sich auf separaten p-Orbitalen und sind ungepaart. Im Prinzip könnte dieses Paar ein Orbital besetzen, aber in diesem Fall nimmt die Elektron-Elektron-Abstoßung stark zu. Aus diesem Grund benötigt einer von ihnen 2p x und der andere oder 2p y , oder 2p z-Orbitale.

Der Unterschied zwischen den Energien der s- und p-Unterniveaus der äußeren Schicht ist gering, daher geht das Atom recht leicht in einen angeregten Zustand über, in dem eines der beiden Elektronen aus dem 2s-Orbital in das freie übergeht 2p. Ein Valenzzustand mit der Konfiguration 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Es ist dieser Zustand des Kohlenstoffatoms, der für das Diamantgitter charakteristisch ist - die tetraedrische räumliche Anordnung von Hybridorbitalen, gleicher Bindungslänge und Energie.

Dieses Phänomen nennt man bekanntlich sp 3 -Hybridisierung, und die entstehenden Funktionen sind sp 3 -hybrid . Die Bildung von vier sp 3 -Bindungen verleiht dem Kohlenstoffatom einen stabileren Zustand als drei p-p- und ein s-s-link. Neben der sp 3 -Hybridisierung am Kohlenstoffatom wird auch eine sp 2 - und sp-Hybridisierung beobachtet . Im ersten Fall gibt es eine gegenseitige Überlappung S- und zwei p-Orbitale. Es werden drei äquivalente sp 2 - Hybridorbitale gebildet, die sich in einer Ebene in einem Winkel von 120° zueinander befinden. Das dritte Orbital p ist unverändert und senkrecht zur Ebene gerichtet sp 2.

Während der sp-Hybridisierung überlappen sich die s- und p-Orbitale. Zwischen den beiden gebildeten äquivalenten Hybridorbitalen entsteht ein Winkel von 180°, während die beiden p-Orbitale jedes der Atome unverändert bleiben.

Allotropie von Kohlenstoff. Diamant und Graphit

In einem Graphitkristall befinden sich Kohlenstoffatome in parallelen Ebenen und besetzen darin Scheitelpunkte regelmäßige Sechsecke... Jedes der Kohlenstoffatome ist an drei benachbarte sp 2 -Hybridbindungen gebunden. Die Verbindung zwischen den parallelen Ebenen erfolgt durch Van-der-Waals-Kräfte. Freie p-Orbitale jedes der Atome sind senkrecht zu den Ebenen der kovalenten Bindungen gerichtet. Ihre Überlappung erklärt die zusätzliche π-Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen. Also von Wertigkeitszustand, in dem sich Kohlenstoffatome in einem Stoff befinden, hängen die Eigenschaften dieses Stoffes ab.

Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff

Die typischsten Oxidationsstufen sind +4, +2.

Bei niedrigen Temperaturen ist Kohlenstoff inert, aber beim Erhitzen erhöht sich seine Aktivität.

Kohlenstoff als Reduktionsmittel:

- mit Sauerstoff
C 0 + O 2 - t ° = CO 2 Kohlendioxid
bei Sauerstoffmangel - unvollständige Verbrennung:
2C 0 + O 2 - t ° = 2C +2 O Kohlenmonoxid

- mit Fluor
C + 2F 2 = CF 4

- mit Wasserdampf
C 0 + H 2 O - 1200 ° = C +2 O + H 2 Wassergas

- mit Metalloxiden. So wird Metall aus Erzen geschmolzen.
C 0 + 2 CuO - t ° = 2 Cu + C + 4 O 2

- mit Säuren - Oxidationsmittel:
C 0 + 2H 2 SO 4 (konz.) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (konz.) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- bildet mit Schwefel Schwefelkohlenstoff:
C + 2S 2 = CS 2.

Kohlenstoff als Oxidationsmittel:

- bildet mit einigen Metallen Karbide

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- mit Wasserstoff - Methan (sowie viele organische Verbindungen)

C0 + 2H2 = CH4

- bildet mit Silizium Carborund (bei 2000 ° C im Elektroofen):

Kohlenstoff in der Natur finden

Freier Kohlenstoff kommt in Form von Diamant und Graphit vor. In Form von Verbindungen liegt Kohlenstoff in der Zusammensetzung von Mineralien vor: Kreide, Marmor, Kalkstein - CaCO 3, Dolomit - MgCO 3 * CaCO 3; Hydrokarbonate - Mg (HCO 3) 2 und Ca (HCO 3) 2, CO 2 ist Bestandteil der Luft; Kohlenstoff ist der Hauptbestandteil natürlicher organischer Verbindungen - Gas, Öl, Kohle, Torf, ist ein Bestandteil von organisches Material, Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Aminosäuren, aus denen lebende Organismen bestehen.

Anorganische Kohlenstoffverbindungen

Weder C 4+ noch C 4 -Ionen werden durch gewöhnliche chemische Prozesse gebildet: In Kohlenstoffverbindungen gibt es kovalente Bindungen unterschiedlicher Polarität.

Kohlenmonoxid (II) CO

Kohlenmonoxid; farblos, geruchlos, schwer wasserlöslich, löslich in organischen Lösungsmitteln, giftig, Ballentemperatur = -192 °C; t pl. = -205°C.

Empfang
1) In der Industrie (bei Gasgeneratoren):
C + O 2 = CO 2

2) Im Labor - durch thermische Zersetzung von Ameisen- oder Oxalsäure in Gegenwart von H 2 SO 4 (konz.):
HCOOH = H 2 O + CO

H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O

Chemische Eigenschaften

CO ist unter normalen Bedingungen inert; beim Erhitzen - ein Reduktionsmittel; nicht salzbildendes Oxid.

1) mit Sauerstoff

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) mit Metalloxiden

C +2 O + CuO = Cu + C +4 O 2

3) mit Chlor (im Licht)

CO + Cl 2 - hn = COCl 2 (Phosgen)

4) reagiert mit Alkalischmelzen (unter Druck)

CO + NaOH = HCOONa (Natriumformiat)

5) bildet mit Übergangsmetallen Carbonyle

Ni + 4CO - t ° = Ni (CO) 4

Fe + 5CO - t ° = Fe (CO) 5

Kohlenmonoxid (IV) CO2

Kohlendioxid, farblos, geruchlos, löslich in Wasser - 0,9 V CO 2 löst sich in 1 V H 2 O (unter normalen Bedingungen); schwerer als Luft; t ° pl. = -78,5 ° C (festes CO 2 wird "Trockeneis" genannt); unterstützt die Verbrennung nicht.

Empfang

1. Thermische Zersetzung von Kohlensäuresalzen (Carbonaten). Kalksteinrösten:

CaCO 3 - t ° = CaO + CO 2

1. Die Wirkung starker Säuren auf Carbonate und Bicarbonate:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

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

ChemischEigenschaftenCO2
Saures Oxid: Reagiert mit basischen Oxiden und Basen zu Kohlensäuresalzen

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

Kann bei erhöhten Temperaturen oxidierende Eigenschaften aufweisen

С +4 O 2 + 2 Mg - t ° = 2 Mg +2 O + C 0

Qualitative Reaktion

Trübung von Kalkwasser:

Ca (OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (weißer Niederschlag) + H 2 O

Es verschwindet bei längerem Durchgang von CO 2 durch Kalkwasser, weil unlösliches Calciumcarbonat wandelt sich in lösliches Bicarbonat um:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca (HCO 3) 2

Kohlensäure und ihreSalz

H2CO 3 - Die Säure ist schwach, existiert nur in wässriger Lösung:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Zwei-Basis:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Saure Salze - Bicarbonate, Kohlenwasserstoffe
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Mittlere Salze - Carbonate

Alle Eigenschaften von Säuren sind charakteristisch.

Carbonate und Kohlenwasserstoffe können ineinander umgewandelt werden:

2NaHCO 3 - t ° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3

Metallcarbonate (außer Alkali Metalle) beim Erhitzen decarboxylieren sie zu Oxid:

CuCO 3 - t ° = CuO + CO 2

Qualitative Reaktion- "Kochen" unter Einwirkung einer starken Säure:

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

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

Karbide

Calciumcarbid:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

Acetylen wird freigesetzt, wenn Zink, Cadmium, Lanthan und Cercarbide mit Wasser reagieren:

2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2 La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C und Al 4 C 3 zersetzen sich mit Wasser zu Methan:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al (OH) 3 = 3 CH 4.

In der Technik werden Titankarbide TiC, Wolfram W 2 C (Hartlegierungen), Silizium SiC (Karborund als Schleifmittel und Werkstoff für Heizungen) verwendet.

Zyanid

erhalten durch Erhitzen von Soda in einer Atmosphäre aus Ammoniak und Kohlenmonoxid:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Blausäure HCN ist ein wichtiges Produkt der chemischen Industrie und findet breite Anwendung in der organischen Synthese. Seine Weltproduktion erreicht 200 Tausend Tonnen pro Jahr. Die elektronische Struktur des Cyanid-Anions ähnelt Kohlenmonoxid (II), solche Partikel werden als isoelektronisch bezeichnet:

C = O: [: C = N:] -

Cyanide (0,1-0,2%) Wasserlösung) werden im Goldbergbau verwendet:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

Beim Kochen von Cyanidlösungen mit Schwefel oder Verschmelzen von Feststoffen, Thiocyanate:
KCN + S = KSCN.

Beim Erhitzen von Cyaniden von Metallen mit geringer Aktivität wird Cyan erhalten: Hg (CN) 2 = Hg + (CN) 2. Cyanidlösungen werden oxidiert zu cyanate:

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

Cyansäure gibt es in zwei Formen:

H-N = C = O; H-O-C = N:

1828 gewann Friedrich Wöhler (1800-1882) aus Ammoniumcyanat Harnstoff: NH 4 OCN = CO (NH 2) 2 durch Eindampfen einer wässrigen Lösung.

Dieses Ereignis wird normalerweise als Sieg der synthetischen Chemie über die "vitalistische Theorie" angesehen.

Es gibt ein Isomer von Cyansäure - flüchtige Säure

H-O-N = C.
Seine Salze (explosives Quecksilber Hg (ONC) 2) werden in Schlagzündern verwendet.

Synthese Harnstoff(Harnstoff):

CO 2 + 2 NH 3 = CO (NH 2) 2 + H 2 O. Bei 130 0 С und 100 atm.

Harnstoff ist ein Amid der Kohlensäure, es gibt auch sein "Stickstoff-Analogon" - Guanidin.

Karbonate

Das wichtigste Anorganische Verbindungen Kohlenstoff - Salze der Kohlensäure (Karbonate). H 2 CO 3 ist eine schwache Säure (K 1 = 1,3 · 10 -4; K 2 = 5 · 10 -11). Karbonatpuffer unterstützt Kohlendioxid-Gleichgewicht in der Atmosphäre. Die Ozeane haben eine riesige Pufferkapazität, weil sie offenes System... Die wichtigste Pufferreaktion ist das Gleichgewicht bei der Dissoziation von Kohlensäure:

H 2 CO 3 H + + HCO 3 -.

Bei Abnahme des Säuregehalts erfolgt eine zusätzliche Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre unter Bildung von Säure:
CO 2 + H 2 O H 2 CO 3.

Mit zunehmendem Säuregehalt kommt es zur Auflösung von Karbonatgestein (Muscheln, Kreide- und Kalksteinablagerungen im Ozean); dies kompensiert den Verlust an Hydrokarbonat-Ionen:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (fest) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Feste Karbonate werden in lösliche Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Es ist dieser Prozess der chemischen Auflösung von überschüssigem Kohlendioxid, der dem "Treibhauseffekt" entgegenwirkt - der globalen Erwärmung durch Aufnahme von Kohlendioxid Wärmestrahlung Erde. Etwa ein Drittel des weltweiten Soda (Natriumcarbonat Na 2 CO 3) wird in der Glasherstellung verwendet.

Kohlenstoff

Im freien Zustand bildet Kohlenstoff 3 allotrope Modifikationen: Diamant, Graphit und künstlich hergestelltes Carbin.

In einem Diamantkristall ist jedes Kohlenstoffatom eng kovalent mit vier anderen in gleichen Abständen um ihn herum verbunden.

Alle Kohlenstoffatome befinden sich im sp 3 -Hybridisierungszustand. Das Atomkristallgitter von Diamant hat eine tetraedrische Struktur.

Diamant ist eine farblose, transparente Substanz, die Licht stark bricht. Es hat die höchste Härte unter allen bekannten Stoffen. Diamant ist zerbrechlich, feuerfest, leitet Wärme und elektrischen Strom schlecht. Kleine Abstände zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen (0,154 nm) führen zu einer ziemlich hohen Diamantdichte (3,5 g / cm 3).

Im Kristallgitter von Graphit befindet sich jedes Kohlenstoffatom im Zustand der sp 2 -Hybridisierung und bildet drei starke kovalente Bindungen mit Kohlenstoffatomen, die sich in derselben Schicht befinden. Drei Elektronen jedes Atoms, Kohlenstoff, sind an der Bildung dieser Bindungen beteiligt, und die vierten Valenzelektronen bilden n-Bindungen und sind relativ frei (mobil). Sie bestimmen die elektrische und thermische Leitfähigkeit von Graphit.

Die Länge der kovalenten Bindung zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen in derselben Ebene beträgt 0,152 nm, und der Abstand zwischen den C-Atomen in verschiedenen Schichten ist 2,5-mal größer, sodass die Bindungen zwischen ihnen schwach sind.

Graphit ist eine opake, weiche, fettige Substanz von grau-schwarzer Farbe mit metallischem Glanz; leitet Wärme und Strom gut. Graphit hat im Vergleich zu Diamant eine geringere Dichte und lässt sich leicht in dünne Flocken spalten.

Die ungeordnete Struktur von feinkristallinem Graphit liegt der Struktur zugrunde verschiedene Formen amorpher Kohlenstoff, die wichtigsten sind Koks, Braun- und Bitumenkohle, Ruß, Aktivkohle.

Diese allotrope Modifikation des Kohlenstoffs wird durch katalytische Oxidation (Dehydropolykondensation) von Acetylen erhalten. Carbine ist ein Kettenpolymer, das zwei Formen hat:

C = C-C = C -... und ... = C = C = C =

Carbin hat halbleitende Eigenschaften.

Bei normalen Temperaturen sind beide Kohlenstoffmodifikationen (Diamant und Graphit) chemisch inert. Feinkristalline Graphitformen - Koks, Ruß, Aktivkohle - sind reaktiver, jedoch in der Regel nach einer hohen Vorwärmung.

1. Wechselwirkung mit Sauerstoff

C + O 2 = CO 2 + 393,5 kJ (über O 2)

2C + O 2 = 2CO + 221 kJ (mit O 2 -Mangel)

Die Verbrennung von Kohle ist eine der wichtigsten Energiequellen.

2. Wechselwirkung mit Fluor und Schwefel.

C + 2F 2 = CF 4 Tetrafluorkohlenstoff

C + 2S = CS 2 Schwefelkohlenstoff

3. Koks ist eines der wichtigsten Reduktionsmittel in der Industrie. In der Metallurgie werden mit ihrer Hilfe Metalle aus Oxiden gewonnen, zum Beispiel:

ЗС + Fe 2 O 3 = 2Fe + ЗСО

C + ZnO = Zn + CO

4. Wenn Kohlenstoff mit Oxiden von Alkali- und Erdalkalimetallen wechselwirkt, verbindet sich das reduzierte Metall mit Kohlenstoff, um ein Carbid zu bilden. Zum Beispiel: ZC + CaO = CaC 2 + CO Calciumcarbid

5. Koks wird auch zur Gewinnung von Silizium verwendet:

2С + SiO2 = Si + 2СО

6. Bei einem Überschuss an Koks wird Siliziumkarbid (Karborund) SiC gebildet.

Gewinnung von „Wassergas“ (Vergasung fester Brennstoffe)

Beim Durchleiten von Wasserdampf durch heiße Kohle entsteht ein brennbares Gemisch aus CO und H 2 , das als Wassergas bezeichnet wird:

C + H 2 O = CO + H 2

7. Reaktionen mit oxidierenden Säuren.

Aktiv- oder Aktivkohle reduziert beim Erhitzen die Anionen NO 3 - und SO 4 2- von konzentrierte Säuren:

C + 4HNO 3 = CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

8. Reaktionen mit geschmolzenen Alkalimetallnitraten

In KNO 3 und NaNO 3 Schmelzen brennt zerkleinerte Kohle intensiv unter Bildung einer blendenden Flamme:

5C + 4KNO 3 = 2K 2 CO 3 + 3CO 2 + 2N 2

1. Bildung von salzartigen Karbiden mit Aktivmetallen.

Eine deutliche Schwächung der nichtmetallischen Eigenschaften des Kohlenstoffs drückt sich darin aus, dass seine Funktionen als Oxidationsmittel deutlich weniger ausgeprägt sind als reduzierende Funktionen.

2. Nur bei Reaktionen mit Aktivmetallen gehen Kohlenstoffatome in die negativ geladenen Ionen C -4 und (C = C) 2- über und bilden salzartige Karbide:

ЗС + 4Al = Аl 4 С 3 Aluminiumkarbid

2C + Ca = CaC 2 Calciumcarbid

3. Karbide vom ionischen Typ sind sehr instabile Verbindungen, sie zersetzen sich leicht unter Einwirkung von Säuren und Wasser, was auf die Instabilität negativ geladener Kohlenstoffanionen hinweist:

Al 4 C 3 + 12H 2 O = 3CH 4 + 4Al (OH) 3

CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca(OH) 2

4. Bildung kovalenter Verbindungen mit Metallen

In Schmelzen von Mischungen von Kohlenstoff mit Übergangsmetallen werden Karbide überwiegend mit kovalenter Bindungsart gebildet. Ihre Moleküle haben eine variable Zusammensetzung, und die Stoffe sind im Allgemeinen legiert. Solche Carbide sind sehr beständig, sie sind chemisch inert gegenüber Wasser, Säuren, Laugen und vielen anderen Reagenzien.

5. Wechselwirkung mit Wasserstoff

Bei hohen T und P verbindet sich Kohlenstoff in Gegenwart eines Nickelkatalysators mit Wasserstoff:

C + 2H 2 → CH 4

Die Reaktion ist sehr reversibel und nicht praktikabel.

Kohlenmonoxid (II)- CO

(Kohlenmonoxid, Kohlenmonoxid, Kohlenmonoxid)

Physikalische Eigenschaften: farbloses giftiges Gas, geschmacks- und geruchlos, brennt mit bläulicher Flamme, ist leichter als Luft, schwer wasserlöslich. Die Konzentration von Kohlenmonoxid in der Luft beträgt 12,5-74% explosiv.

Empfang:

1) In der Industrie

C + O 2 = CO 2 + 402 kJ

CO 2 + C = 2CO - 175 kJ

In Gasgeneratoren wird manchmal Wasserdampf durch heiße Kohle geblasen:

C + H 2 O = CO + H 2 - Q,

Gemisch CO + H 2 - Synthesegas genannt.

2) Im Labor- thermische Zersetzung von Ameisen- oder Oxalsäure in Gegenwart von H 2 SO 4 (konz.):

HCOOH t˚C, H2SO4 → H 2 O + CO

H2C2O4 t˚C, H2SO4 → CO + CO 2 + H 2 O

Chemische Eigenschaften:

CO ist unter normalen Bedingungen inert; beim Erhitzen - ein Reduktionsmittel;

CO - nicht salzbildendes Oxid.

1) mit Sauerstoff

2C +2 O + O 2 t ˚ C → 2C +4 O 2

2) mit Metalloxiden CO + Me x O y = CO 2 + Me

C +2 O + CuO t ˚ C → Сu + C +4 O 2

3) mit Chlor (im Licht)

CO + Cl 2 light → COCl 2 (Phosgen ist ein giftiges Gas)

4) * reagiert mit Alkalischmelzen (unter Druck)

CO + NaOH P → HCOONa (Natriumformiat)

Die Wirkung von Kohlenmonoxid auf lebende Organismen:

Kohlenmonoxid ist gefährlich, weil es es dem Blut unmöglich macht, Sauerstoff zu lebenswichtigen Organen wie Herz und Gehirn zu transportieren. Kohlenmonoxid verbindet sich mit Hämoglobin, das Sauerstoff zu den Körperzellen transportiert, wodurch es für den Sauerstofftransport ungeeignet ist. Je nach eingeatmeter Menge beeinträchtigt Kohlenmonoxid die Koordination, verschlimmert Herz-Kreislauf-Erkrankungen und verursacht Müdigkeit, Kopfschmerzen, Schwächegefühl Die Wirkung von Kohlenmonoxid auf die menschliche Gesundheit hängt von seiner Konzentration und Einwirkungszeit im Körper ab. Eine Konzentration von Kohlenmonoxid in der Luft von mehr als 0,1 % führt innerhalb einer Stunde zum Tod, eine Konzentration von mehr als 1,2 % innerhalb von drei Minuten.

Anwendung von Kohlenmonoxid:

Kohlenmonoxid wird hauptsächlich als mit Stickstoff gemischtes brennbares Gas, das sogenannte Generator- oder Luftgas, oder Wassergas gemischt mit Wasserstoff verwendet. In der Metallurgie zur Gewinnung von Metallen aus ihren Erzen. Zur Gewinnung von Metallen hoher Reinheit durch Zersetzung von Carbonylen.

Kohlenmonoxid (IV) СO2 - Kohlendioxid

Physikalische Eigenschaften: Kohlendioxid, farblos, geruchlos, löslich in Wasser - 0,9 V CO 2 löst sich in 1 V H 2 O (unter normalen Bedingungen); schwerer als Luft; t ° pl. = -78,5 ° C (festes CO 2 wird "Trockeneis" genannt); unterstützt die Verbrennung nicht.

Molekülstruktur:

Kohlendioxid hat die folgenden elektronischen und strukturellen Formeln -

3. Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe:

CH 4 + 2O 2 → 2H 2 O + CO 2

4. Mit langsamer Oxidation in biochemischen Prozessen (Atmung, Zerfall, Gärung)

Chemische Eigenschaften:

Kohlenoxide (II) und (IV)

Integrierter Unterricht in Chemie und Biologie

Aufgaben: das Wissen über Kohlenoxide (II) und (IV) studieren und systematisieren; die Beziehung zwischen lebender und unbelebter Natur aufzudecken; das Wissen über die Wirkung von Kohlenoxiden auf den menschlichen Körper zu festigen; die Fähigkeiten zum Umgang mit Laborgeräten zu festigen.

Ausrüstung: HCl-Lösung, Lackmus, Ca (OH) 2, CaCO 3, Glasstab, selbstgebaute Tische, tragbares Brett, Kugel-Stab-Modell.

WÄHREND DER KURSE

Biologie Lehrer vermittelt das Thema und die Ziele des Unterrichts.

Chemielehrer. Schreiben Sie basierend auf der Theorie der kovalenten Bindungen die elektronischen und strukturellen Formeln der Kohlenoxide (II) und (IV).

Die chemische Formel von Kohlenmonoxid (II) ist CO, das Kohlenstoffatom befindet sich im Normalzustand.

Durch die Paarung ungepaarter Elektronen werden zwei kovalente polare Bindungen gebildet, und die dritte kovalente Bindung wird durch den Donor-Akzeptor-Mechanismus gebildet. Der Donor ist ein Sauerstoffatom, denn es stellt ein freies Elektronenpaar zur Verfügung; der Akzeptor ist ein Kohlenstoffatom, da bietet eine freie Umlaufbahn.

In der Industrie wird Kohlenmonoxid (II) durch Überleiten von CO 2 über heiße Kohle bei hoher Temperatur gewonnen. Es entsteht auch bei der Verbrennung von Kohle unter Sauerstoffmangel. ( Schüler schreiben die Reaktionsgleichung an die Tafel)

Im Labor wird CO durch Einwirkung von konzentrierter H 2 SO 4 auf Ameisensäure gewonnen. ( Der Lehrer schreibt die Reaktionsgleichung auf.)

Biologie Lehrer. Sie haben also die Produktion von Kohlenmonoxid (II) kennengelernt. Und was physikalische Eigenschaften besitzt Kohlenmonoxid (II)?

Student. Es ist ein farbloses Gas, giftig, geruchlos, leichter als Luft, schlecht wasserlöslich, Siedepunkt –191,5 °C, erstarrt bei –205 °C.

Chemielehrer. Kohlenmonoxid in gefährlichen Mengen Menschenleben in den Abgasen von Autos enthalten. Daher sollten Garagen vor allem beim Anlassen des Motors gut belüftet werden.

Biologie Lehrer. Welche Wirkung hat Kohlenmonoxid auf den menschlichen Körper?

Student. Kohlenmonoxid ist für den Menschen äußerst giftig - dies liegt daran, dass es Carboxyhämoglobin bildet. Carboxyhämoglobin ist eine sehr starke Verbindung. Aufgrund seiner Bildung interagiert Bluthämoglobin nicht mit Sauerstoff, und im Falle einer schweren Vergiftung kann eine Person an Sauerstoffmangel sterben.

Biologie Lehrer. Welche Erste Hilfe sollte bei einer Kohlenmonoxidvergiftung geleistet werden?

Studenten. Es ist notwendig, einen Krankenwagen zu rufen, das Opfer sollte auf die Straße gebracht, künstlich beatmet werden, der Raum sollte gut belüftet sein.

Chemielehrer. Schreiben Sie die chemische Formel von Kohlenmonoxid (IV) und bauen Sie mit einem Kugel-Stab-Modell seine Struktur auf.

Das Kohlenstoffatom befindet sich in einem angeregten Zustand. Alle vier kovalenten polaren Bindungen werden durch Paarung ungepaarter Elektronen gebildet. Aufgrund seiner linearen Struktur ist sein Molekül jedoch im Allgemeinen unpolar.
In der Industrie wird CO 2 aus der Zersetzung von Calciumcarbonat bei der Kalkherstellung gewonnen.
(Der Schüler schreibt die Reaktionsgleichung auf.)

Im Labor wird CO 2 durch die Wechselwirkung von Säuren mit Kreide oder Marmor gewonnen.
(Die Schüler führen ein Laborexperiment durch.)

Biologie Lehrer. Durch welche Prozesse entsteht im Körper Kohlendioxid?

Student. Kohlendioxid entsteht im Körper durch Oxidationsreaktionen organischer Substanzen, aus denen die Zelle besteht.

(Die Schüler führen ein Laborexperiment durch.)

Die Kalkaufschlämmung wurde trüb, weil Es entsteht Calciumcarbonat. Neben dem Atmungsprozess wird durch Gärung und Zerfall CO2 freigesetzt.

Biologie Lehrer. Beeinflusst körperliche Aktivität den Atmungsprozess?

Student. Bei übermäßiger körperlicher (Muskel-)Belastung verbrauchen die Muskeln Sauerstoff schneller, als das Blut ihn liefern kann, und synthetisieren dann durch Fermentation das für ihre Arbeit notwendige ATP. In den Muskeln wird Milchsäure C 3 H 6 O 3 gebildet, die in den Blutkreislauf gelangt. Die Ansammlung großer Mengen Milchsäure ist schädlich für den Körper. Nach schwerer körperlicher Anstrengung atmen wir einige Zeit schwer durch - wir bezahlen die "Sauerstoffschuld".

Chemielehrer. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wird eine große Menge Kohlenmonoxid (IV) in die Atmosphäre freigesetzt. Zuhause verwenden wir Erdgas als Brennstoff, und es besteht zu fast 90 % aus Methan (CH 4). Ich schlage vor, einer von Ihnen geht zur Tafel, schreibt die Reaktionsgleichung und analysiert sie in Bezug auf die Oxidations-Reduktion.

Biologie Lehrer. Warum kann man einen Raum nicht mit Gasöfen heizen?

Student. Methan ist ein wesentlicher Bestandteil Erdgas... Beim Verbrennen nimmt der Kohlendioxidgehalt der Luft zu und der Sauerstoffgehalt ab. ( Arbeiten mit der Tabelle "Inhalt CO2 in der Luft".)
Wenn die Luft 0,3% CO 2 enthält, erfährt eine Person eine schnelle Atmung; bei 10% - Bewusstlosigkeit, bei 20% - sofortige Lähmung und schneller Tod. Ein Kind braucht vor allem saubere Luft, da der Sauerstoffverbrauch des Gewebes eines wachsenden Organismus höher ist als der eines Erwachsenen. Daher ist es notwendig, den Raum regelmäßig zu lüften. Bei einem CO 2 -Überschuss im Blut steigt die Erregbarkeit des Atemzentrums und die Atmung wird häufiger und tiefer.

Biologie Lehrer. Betrachten Sie die Rolle von Kohlenmonoxid (IV) im Pflanzenleben.

Student. In Pflanzen erfolgt die Bildung von organischer Substanz aus CO 2 und H 2 O im Licht, neben organischer Substanz wird Sauerstoff gebildet.

Die Photosynthese reguliert den Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre, wodurch verhindert wird, dass die Erde erwärmt wird. Pflanzen nehmen jährlich 300 Milliarden Tonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf. Bei der Photosynthese werden jährlich 200 Milliarden Tonnen Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt. Ozon wird bei einem Gewitter aus Sauerstoff gebildet.

Chemielehrer. Erwägen Chemische Eigenschaften Kohlenmonoxid (IV).

Biologie Lehrer. Welche Bedeutung hat Kohlensäure im menschlichen Körper während der Atmung? ( Filmstreifenfragment.)
Die Enzyme im Blut wandeln Kohlendioxid in Kohlensäure um, die in Wasserstoff- und Bicarbonat-Ionen zerfällt. Enthält das Blut einen Überschuss an H + -Ionen, d.h. wird der Säuregehalt des Blutes erhöht, verbinden sich einige der H + -Ionen mit Bicarbonat-Ionen, bilden Kohlensäure und befreien dadurch das Blut von überschüssigen H + -Ionen. Befinden sich zu wenige H + -Ionen im Blut, dann dissoziiert Kohlensäure und die Konzentration der H + -Ionen im Blut steigt. Bei 37 °C beträgt der Blut-pH 7,36.
Im Körper wird Kohlendioxid in Form von chemischen Verbindungen - Natrium- und Kaliumbicarbonat - vom Blut transportiert.

Sicherung des Materials

Prüfen

Von den vorgeschlagenen Gasaustauschprozessen in Lunge und Gewebe müssen diejenigen, die die erste Option durchführen, links die Chiffren der richtigen Antworten und die zweite rechts auswählen.

(1) Übertragung von O 2 aus der Lunge in das Blut. (dreizehn)
(2) Übertragung von O 2 aus Blut in Gewebe. (14)
(3) Übertragung von CO 2 aus Geweben in Blut. (fünfzehn)
(4) Übertragung von CO 2 aus dem Blut in die Lunge. (Sechszehn)
(5) Aufnahme von O 2 durch Erythrozyten. (17)
(6) Freisetzung von O 2 aus Erythrozyten. (achtzehn)
(7) Umwandlung von arteriellem Blut in venöses Blut. (neunzehn)
(8) Umwandlung von venösem Blut in arterielles Blut. (zwanzig)
(9) Pause chemische Bindung O 2 mit Hämoglobin. (21)
(10) Chemische Bindung von O 2 an Hämoglobin. (22)
(11) Kapillaren in Geweben. (23)
(12) Lungenkapillaren. (24)

Fragen zur ersten Option

1. Prozesse des Gasaustausches in Geweben.
2. Physikalische Prozesse beim Gasaustausch.

Fragen zur zweiten Option

1. Gasaustauschvorgänge in der Lunge.
2. Chemische Prozesse beim Gasaustausch

Aufgabe

Bestimmen Sie die Menge an Kohlenmonoxid (IV), die bei der Zersetzung von 50 g Calciumcarbonat freigesetzt wird.

Kohlenmonoxid (IV) (Kohlendioxid, Kohlendioxid) ist unter normalen Bedingungen ein farbloses Gas, schwerer als Luft, thermisch stabil und geht beim Komprimieren und Abkühlen leicht in einen flüssigen und festen Zustand über.

Dichte - 1,997 g / l. Festes CO2, Trockeneis genannt, sublimiert bei Raumtemperatur. Es löst sich schlecht in Wasser, reagiert teilweise damit. Zeigt saure Eigenschaften. Reduziert mit Aktivmetallen, Wasserstoff und Kohlenstoff.

Chemische Formel von Kohlenmonoxid 4
Chemische Formel von Kohlenmonoxid (IV) CO2. Es zeigt, dass dieses Molekül ein Kohlenstoffatom (Ar = 12 amu) und zwei Sauerstoffatome (Ar = 16 amu) enthält. Die chemische Formel kann verwendet werden, um das Molekulargewicht von Kohlenmonoxid (IV) zu berechnen:

Mr (CO2) = Ar (C) + 2 × Ar (O);

Herr (CO2) = 12+2 × 16 = 12 + 32 = 44.

Beispiele für Problemlösungen
BEISPIEL 1
Aufgabenstellung Beim Verbrennen von 26,7 g Aminosäure (CxHyOzNk) im Sauerstoffüberschuss entstehen 39,6 g Kohlenmonoxid (IV), 18,9 g Wasser und 4,2 g Stickstoff. Bestimmen Sie die Aminosäureformel.
Lösung Lassen Sie uns ein Diagramm der Verbrennungsreaktion einer Aminosäure erstellen und die Anzahl der Kohlenstoffatome, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff mit "x", "y", "z" bzw. "k" bezeichnen:
CxHyOzNk + Oz → CO2 + H2O + N2.

Lassen Sie uns die Massen der Elemente bestimmen, aus denen diese Substanz besteht. Die Werte der relativen Atommassen aus dem Periodensystem von D.I. Mendelejew, auf ganze Zahlen aufrunden: Ar (C) = 12 amu, Ar (H) = 1 amu, Ar (O) = 16 amu, Ar (N) = 14 amu

M (C) = n (C) × M (C) = n (CO2) × M (C) = × M (C);

M (H) = n (H) × M (H) = 2 × n (H2O) × M (H) = × M (H);

Berechnen wir die Molmassen von Kohlendioxid und Wasser. Wie Sie wissen, ist die Molmasse eines Moleküls gleich der Summe der relativen Atommassen der Atome, aus denen das Molekül besteht (M = Mr):

M (CO2) = Ar (C) + 2 × Ar (O) = 12 + 2 × 16 = 12 + 32 = 44 g / mol;

M (H2O) = 2 × Ar (H) + Ar (O) = 2 × 1 + 16 = 2 + 16 = 18 g / mol.

M (C) = x 12 = 10,8 g;

M (H) = 2 × 18,9 / 18 × 1 = 2,1 g.

M (O) = m (CxHyOzNk) – m (C) – m (H) – m (N) = 26,7 – 10,8 – 2,1 – 4,2 = 9,6 g.

Wir definieren chemische Formel Aminosäuren:

X: y: z: k = m (C)/Ar (C): m (H)/Ar (H): m (O)/Ar (O): m (N)/Ar (N);

X: y: z: k = 10,8 / 12: 2,1 / 1: 9,6 / 16: 4,2 / 14;

X: y: z: k = 0,9: 2,1: 0,41: 0,3 = 3: 7: 1,5: 1 = 6: 14: 3: 2.

Daher ist die einfachste Formel der Aminosäure C6H14O3N2.

Antwort C6H14O3N2
BEISPIEL 2
Aufgabe Erstellen Sie die einfachste Formel einer Verbindung, bei der die Massenanteile der Elemente ungefähr gleich sind: Kohlenstoff - 25,4 %, Wasserstoff - 3,17 %, Sauerstoff - 33,86 %, Chlor - 37,57 %.
Lösung Der Massenanteil von Element X an einem Molekül der Zusammensetzung HX wird nach folgender Formel berechnet:
(X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100 %.

Wir bezeichnen die Anzahl der Kohlenstoffatome in einem Molekül mit "x", die Anzahl der Stickstoffatome von Wasserstoff mit "y", die Anzahl der Sauerstoffatome mit "z" und die Anzahl der Chloratome mit "k".

Finden Sie den entsprechenden Verwandten Atommassen Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Chlor (die Werte der relativen Atommassen aus dem Periodensystem von D.I.Mendeleev, auf ganze Zahlen gerundet).

Ar(C) = 12; Ar(H) = 14; Ar(O) = 16; Ar(Cl) = 35,5.

Wir teilen den Prozentsatz der Elemente durch die entsprechenden relativen Atommassen. So finden wir das Verhältnis zwischen der Anzahl der Atome im Molekül der Verbindung:

X: y: z: k = (C)/Ar (C): (H)/Ar (H): (O)/Ar (O): (Cl)/Ar (Cl);

X: y: z: k = 25,4 / 12: 3,17 / 1: 33,86 / 16: 37,57 / 35,5;

X: y: z: k = 2,1: 3,17: 2,1: 1,1 = 2: 3: 2: 1.

Dies bedeutet, dass die einfachste Formel für eine Verbindung aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Chlor C2H3O2Cl ist.