Węgiel tworzy dwa niezwykle stabilne tlenki (CO i CO 2), trzy znacznie mniej stabilne tlenki (C 3 O 2, C 5 O 2 i C 12 O 9), szereg niestabilnych lub słabo zbadanych tlenków (C 2 O, C 2 O 3 i inne) oraz niestechiometryczny tlenek grafitu. Wśród wymienionych tlenków szczególną rolę odgrywają CO i CO 2 .

DEFINICJA

Tlenek węgla w normalnych warunkach gaz palny, bezbarwny i bezwonny.

Jest dość toksyczna ze względu na zdolność tworzenia kompleksu z hemoglobiną, która jest około 300 razy bardziej stabilna niż kompleks tlen-hemoglobina.

DEFINICJA

Dwutlenek węgla w normalnych warunkach jest gazem bezbarwnym, około 1,5 razy cięższym od powietrza, dzięki czemu można go przelewać jak ciecz z jednego naczynia do drugiego.

Masa 1 litra CO 2 w normalnych warunkach wynosi 1,98 g. Rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie jest niska: 1 objętość wody w 20 o C rozpuszcza 0,88 objętości CO 2, aw 0 o C - 1,7 objętości.

Bezpośrednie utlenianie węgla przy braku tlenu lub powietrza prowadzi do powstania CO, przy wystarczającej ich ilości powstaje CO 2 . Niektóre właściwości tych tlenków przedstawiono w tabeli. jeden.

Tablica 1. Właściwości fizyczne tlenków węgla.

Uzyskiwanie tlenku węgla

Czysty CO można uzyskać w laboratorium poprzez odwodnienie kwasu mrówkowego (HCOOH) stężonym kwasem siarkowym w temperaturze ~140 °C:

HCOOH = CO + H2O.

W niewielkich ilościach dwutlenek węgla można łatwo uzyskać poprzez działanie kwasów na węglany:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2.

Na skalę przemysłową CO 2 pozyskiwany jest głównie jako produkt uboczny w procesie syntezy amoniaku:

CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2;

CO + H 2 O = CO 2 + H 2.

Duże ilości dwutlenku węgla uzyskuje się przez kalcynację wapienia:

CaCO3 = CaO + CO2.

Właściwości chemiczne tlenku węgla

Tlenek węgla reaguje w wysokich temperaturach. Przejawia się jako potężny odnowiciel. Reaguje z tlenem, chlorem, siarką, amoniakiem, alkaliami, metalami.

CO + NaOH = Na (HCOO) (t = 120 - 130 o C, p);

CO + H2 = CH4 + H2O (t = 150 - 200 o C, kat. Ni);

CO + 2H2 = CH3OH (t = 250 - 300oC, kat. CuO/Cr2O3);

2CO + O2 = 2CO2 (kat. MnO2/CuO);

CO + Cl 2 = CCl 2 O (t = 125 - 150 ° C, kat. C);

4CO + Ni = (t = 50 - 100 o C);

5CO + Fe = (t = 100 - 200 o C, p).

Dwutlenek węgla wykazuje właściwości kwasowe: reaguje z alkaliami, uwodnionym amoniakiem. Zredukowany aktywnymi metalami, wodorem, węglem.

CO2 + rozcieńczony NaOH = NaHCO3;

stężenie CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O;

CO2 + Ba(OH)2 = BaCO3 + H2O;

CO2 + BaCO3 + H2O = Ba (HCO3) 2;

CO2 + NH3 × H2O = NH4HCO3;

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O (t = 200oC, kat. Cu2O);

CO 2 + C = 2 CO (t> 1000 o C);

CO2 + 2Mg = C + 2MgO;

2CO 2 + 5 Ca = CaC 2 + 4 CaO (t = 500 o C);

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

Zastosowanie tlenku węgla

Tlenek węgla jest szeroko stosowany jako paliwo w postaci gazu generatorowego lub gazu wodnego, a także powstaje podczas oddzielania wielu metali od ich tlenków poprzez redukcję węglem. Gaz generatorowy uzyskuje się poprzez przepuszczanie powietrza przez gorący węgiel. Zawiera około 25% CO, 4% CO2 i 70% N 2 ze śladowymi ilościami H 2 i CH 4 62.

Stosowanie dwutlenku węgla najczęściej wynika z jego właściwości fizycznych. Stosowany jest jako czynnik chłodzący, do gazowania napojów, przy produkcji lekkich (spienionych) tworzyw sztucznych oraz jako gaz do tworzenia atmosfery obojętnej.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenie	Określ, o ile cięższy od powietrza jest tlenek węgla (IV) CO 2.
Rozwiązanie	Stosunek masy danego gazu do masy innego gazu pobranego w tej samej objętości, w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniu nazywamy względną gęstością pierwszego gazu względem drugiego. Ta wartość pokazuje, ile razy pierwszy gaz jest cięższy lub lżejszy niż drugi gaz. Przyjmuje się, że względna masa cząsteczkowa powietrza wynosi 29 (biorąc pod uwagę zawartość azotu, tlenu i innych gazów w powietrzu). Należy zauważyć, że pojęcie „względnej masy cząsteczkowej powietrza” jest używane konwencjonalnie, ponieważ powietrze jest mieszaniną gazów. D powietrze (CO 2) = M r (CO 2) / M r (powietrze); D powietrze (CO 2) = 44/29 = 1,517. M r (CO 2) = Ar (C) + 2 × Ar (O) = 12 + 2 × 16 = 12 + 32 = 44.
Odpowiedź	Tlenek węgla (IV) CO 2 jest 1,517 razy cięższy od powietrza.

Dwutlenek węgla, znany również jako 4, reaguje z wieloma substancjami, tworząc związki o najróżniejszym składzie i właściwościach chemicznych. Składa się z cząsteczek niepolarnych, ma bardzo słabe wiązania międzycząsteczkowe i można go znaleźć tylko wtedy, gdy temperatura jest wyższa niż 31 stopni Celsjusza. Dwutlenek węgla to związek chemiczny składający się z jednego atomu węgla i dwóch atomów tlenu.

Tlenek węgla 4: wzór i podstawowe informacje

Dwutlenek węgla występuje w atmosferze ziemskiej w niskich stężeniach i działa jak gaz cieplarniany. Jego wzór chemiczny to CO 2. W wysokich temperaturach może istnieć wyłącznie w stanie gazowym. W stanie stałym nazywany jest suchym lodem.

Dwutlenek węgla jest niezbędnym składnikiem obiegu węgla. Pochodzi z mnóstwa naturalne źródła w tym odgazowanie wulkaniczne, spalanie materii organicznej i procesy oddechowe żywych organizmów tlenowych. Antropogeniczne źródła dwutlenku węgla związane są głównie ze spalaniem różnych paliw kopalnych w celu wytwarzania energii elektrycznej i transportu.

Jest również wytwarzany przez różne mikroorganizmy z fermentacji i oddychania komórkowego. Rośliny przetwarzają dwutlenek węgla w tlen podczas procesu zwanego fotosyntezą, wykorzystując zarówno węgiel, jak i tlen do tworzenia węglowodanów. Ponadto rośliny uwalniają również tlen do atmosfery, który jest następnie wykorzystywany do oddychania przez organizmy heterotroficzne.

Dwutlenek węgla (CO2) w organizmie

Tlenek węgla 4 reaguje z różne substancje i jest gazowym produktem odpadowym z metabolizmu. Ponad 90% znajduje się we krwi w postaci wodorowęglanu (HCO 3). Reszta to albo rozpuszczony CO 2 albo kwas węglowy (H2CO 3). Organy takie jak wątroba i nerki są odpowiedzialne za równoważenie tych związków we krwi. Wodorowęglan jest Substancja chemiczna który działa jak bufor. Utrzymuje pH krwi na wymaganym poziomie, unikając wzrostu kwasowości.

Struktura i właściwości dwutlenku węgla

Dwutlenek węgla (CO2) to związek chemiczny, który jest gazem w temperaturze pokojowej i wyższej. Składa się z jednego atomu węgla i dwóch atomów tlenu. Ludzie i zwierzęta wydzielają dwutlenek węgla podczas wydechu. Ponadto zawsze powstaje, gdy spala się coś organicznego. Rośliny wykorzystują dwutlenek węgla do produkcji żywności. Proces ten nazywa się fotosyntezą.

Właściwości dwutlenku węgla zostały zbadane przez szkockiego naukowca Josepha Blacka w latach 50. XVIII wieku. zdolne do przechwytywania energii cieplnej i wpływania na klimat i pogodę na naszej planecie. To on jest przyczyną globalnego ocieplenia i wzrostu temperatury powierzchni Ziemi.

Rola biologiczna

Tlenek węgla 4 reaguje z różnymi substancjami i jest produktem końcowym w organizmach, które czerpią energię z rozkładu cukrów, tłuszczów i aminokwasów. Wiadomo, że proces ten jest charakterystyczny dla wszystkich roślin, zwierząt, wielu grzybów i niektórych bakterii. U zwierząt wyższych dwutlenek węgla przemieszcza się we krwi z tkanek ciała do płuc, gdzie jest wydychany. Rośliny pozyskują go z atmosfery do wykorzystania w fotosyntezie.

Suchy lód

Suchy lód lub stały dwutlenek węgla to stały stan gazu CO 2 o temperaturze -78,5 ° C. W swojej naturalnej postaci substancja ta nie występuje w naturze, lecz jest wytwarzana przez człowieka. Jest bezbarwny i może być stosowany do przygotowywania napojów gazowanych, jako element chłodzący w pojemnikach na lody oraz w kosmetyce np. do zamrażania brodawek. Opary suchego lodu powodują uduszenie i mogą być śmiertelne. Podczas używania suchego lodu należy zachować ostrożność i profesjonalizm.

Pod normalnym ciśnieniem nie topi się w ciecz, ale przechodzi bezpośrednio z ciała stałego w gaz. Nazywa się to sublimacją. Zmieni się to bezpośrednio od solidny do gazu w dowolnej temperaturze przekraczającej skrajnie niskie temperatury. Suchy lód sublimuje w normalnej temperaturze powietrza. Powoduje to wytwarzanie dwutlenku węgla, który jest bezwonny i bezbarwny. Dwutlenek węgla można skroplić pod ciśnieniem powyżej 5,1 atm. Gaz wydobywający się z suchego lodu jest tak zimny, że zmieszany z powietrzem chłodzi parę wodną w powietrzu do postaci mgiełki, która wygląda jak gęsty biały dym.

Przygotowanie, właściwości chemiczne i reakcje

W przemyśle tlenek węgla 4 otrzymuje się na dwa sposoby:

1. Poprzez spalanie paliwa (C + O 2 = CO 2).
2. Przez rozkład termiczny wapienia (CaCO 3 = CaO + CO 2).

Powstała objętość tlenku węgla 4 jest oczyszczana, skraplana i pompowana do specjalnych cylindrów.

Będąc kwasowym, tlenek węgla 4 reaguje z substancjami takimi jak:

• Woda. Rozpuszczenie wytwarza kwas węglowy (H 2 CO 3).
• Roztwory alkaliczne. Tlenek węgla 4 (formuła CO 2) reaguje z alkaliami. W tym przypadku powstają średnie i kwaśne sole (NaHCO3).
• Te reakcje tworzą sole węglanowe (CaCO 3 i Na 2 CO 3).
• Węgiel. Gdy tlenek węgla 4 reaguje z gorącym węglem, powstaje tlenek węgla 2 (tlenek węgla), który może powodować zatrucie. (CO2 + C = 2CO).
• Magnez. Z reguły dwutlenek węgla nie wspomaga spalania, dopiero w bardzo wysokich temperaturach może reagować z niektórymi metalami. Na przykład zapalony magnez będzie nadal spalał się w CO 2 podczas reakcji redoks (2Mg + CO 2 = 2MgO + C).

Jakościowa reakcja tlenku węgla 4 objawia się przepuszczaniem go przez wodę wapienną (Ca (OH) 2 lub przez wodę barytową (Ba (OH) 2). Obserwuje się zmętnienie i wytrącanie, ponieważ nierozpuszczalne węglany przekształcają się w rozpuszczalne wodorowęglany (kwaśne sole kwasu węglowego).

Dwutlenek węgla powstaje również podczas spalania wszystkich paliw zawierających węgiel, takich jak metan (gaz ziemny), destylaty ropy naftowej (benzyna, olej napędowy, nafta, propan), węgiel lub drewno. W większości przypadków uwalniana jest również woda.

Dwutlenek węgla (dwutlenek węgla) składa się z jednego atomu węgla i dwóch atomów tlenu, które są połączone wiązaniami kowalencyjnymi (lub rozszczepieniem elektronów). Czysty węgiel jest bardzo rzadki. W naturze występuje tylko w postaci minerałów, grafitu i diamentu. Mimo to jest budulcem życia, który w połączeniu z wodorem i tlenem tworzy podstawowe związki składające się na wszystko na naszej planecie.

Węglowodory, takie jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, to związki składające się z wodoru i węgla. Pierwiastek ten występuje w kalcycie (CaCo 3), minerałach w skałach osadowych i metamorficznych, wapieniu i marmurze. Jest to pierwiastek, który zawiera całą materię organiczną, od paliw kopalnych po DNA.

Tlenki węgla (II) i (IV)

Zintegrowana lekcja chemii i biologii

Zadania: studiować i systematyzować wiedzę o tlenkach węgla (II) i (IV); ukazać związek między przyrodą ożywioną i nieożywioną; utrwalenie wiedzy o wpływie tlenków węgla na organizm człowieka; utrwalenie umiejętności pracy ze sprzętem laboratoryjnym.

Ekwipunek: Roztwór HCl, lakmus, Ca (OH) 2, CaCO 3, szklany pręt, domowe stoły, przenośna tablica, model kulowo-kijowy.

PODCZAS ZAJĘĆ

Nauczyciel biologii przekazuje temat i cele lekcji.

Nauczyciel chemii. W oparciu o teorię wiązań kowalencyjnych napisz wzory elektronowe i strukturalne tlenków węgla (II) i (IV).

Wzór chemiczny tlenku węgla (II) to CO, atom węgla jest w stanie normalnym.

Z powodu parowania niesparowanych elektronów powstają dwa kowalencyjne wiązania polarne, a trzecie wiązanie kowalencyjne jest tworzone przez mechanizm donor-akceptor. Dawcą jest atom tlenu, ponieważ zapewnia wolną parę elektronów; akceptorem jest atom węgla, ponieważ zapewnia swobodny orbital.

W przemyśle tlenek węgla (II) otrzymuje się przez przepuszczanie CO 2 nad gorącym węglem o wysokiej temperaturze. Powstaje również podczas spalania węgla przy braku tlenu. ( Uczeń zapisujący równanie reakcji na tablicy)

W laboratorium CO otrzymuje się przez działanie stężonego H 2 SO 4 na kwas mrówkowy. ( Nauczyciel zapisuje równanie reakcji.)

Nauczyciel biologii. Więc zapoznałeś się z produkcją tlenku węgla (II). A jakie są właściwości fizyczne tlenku węgla (II)?

Student. Jest gazem bezbarwnym, trującym, bezwonnym, lżejszym od powietrza, słabo rozpuszczalnym w wodzie, o temperaturze wrzenia -191,5 °C, krzepnie przy –205 °C.

Nauczyciel chemii. Tlenek węgla w ilościach niebezpiecznych dla życie człowieka zawarte w spalinach samochodów. Dlatego garaże powinny być dobrze wentylowane, zwłaszcza podczas uruchamiania silnika.

Nauczyciel biologii. Jaki jest wpływ tlenku węgla na organizm człowieka?

Student. Tlenek węgla jest niezwykle toksyczny dla ludzi – wynika to z faktu, że tworzy karboksyhemoglobina. Karboksyhemoglobina jest bardzo silnym związkiem. W wyniku jej powstania hemoglobina we krwi nie wchodzi w interakcje z tlenem, aw przypadku ciężkiego zatrucia osoba może umrzeć z głodu tlenu.

Nauczyciel biologii. Jaką pierwszą pomoc należy udzielić osobie w przypadku zatrucia tlenkiem węgla?

Studenci. Konieczne jest wezwanie karetki pogotowia, ofiarę należy wyprowadzić na ulicę, należy zapewnić sztuczne oddychanie, pomieszczenie powinno być dobrze wentylowane.

Nauczyciel chemii. Napisz wzór chemiczny tlenku węgla (IV) i za pomocą modelu kulowo-kijowego zbuduj jego strukturę.

Atom węgla jest w stanie wzbudzonym. Wszystkie cztery kowalencyjne wiązania polarne powstają w wyniku parowania niesparowanych elektronów. Jednak ze względu na swoją liniową strukturę, jej cząsteczka jest na ogół niepolarna.
W przemyśle CO 2 otrzymuje się z rozkładu węglanu wapnia przy produkcji wapna.
(Uczeń zapisuje równanie reakcji.)

W laboratorium CO 2 uzyskuje się poprzez oddziaływanie kwasów z kredą lub marmurem.
(Uczniowie wykonują eksperyment laboratoryjny.)

Nauczyciel biologii. W wyniku jakich procesów w organizmie powstaje dwutlenek węgla?

Student. Dwutlenek węgla powstaje w organizmie w wyniku reakcji utleniania materia organiczna które tworzą komórkę.

(Uczniowie wykonują eksperyment laboratoryjny.)

Zawiesina wapienna stała się mętna, ponieważ powstaje węglan wapnia. Oprócz procesu oddychania, w wyniku fermentacji i rozkładu uwalniany jest CO2.

Nauczyciel biologii. Czy aktywność fizyczna wpływa na proces oddychania?

Student. Przy nadmiernym obciążeniu fizycznym (mięśniowym) mięśnie zużywają tlen szybciej niż może go dostarczyć krew, a następnie poprzez fermentację syntetyzują niezbędny do ich pracy ATP. W mięśniach powstaje kwas mlekowy C 3 H 6 O 3, który dostaje się do krwiobiegu. Nagromadzenie dużych ilości kwasu mlekowego jest szkodliwe dla organizmu. Po ciężkim wysiłku fizycznym przez jakiś czas ciężko oddychamy – spłacamy „dług tlenowy”.

Nauczyciel chemii. Podczas spalania paliw kopalnych do atmosfery uwalniana jest duża ilość tlenku węgla (IV). W domu jako paliwo wykorzystujemy gaz ziemny, który w prawie 90% stanowi metan (CH 4). Proponuję, aby ktoś z was podszedł do tablicy, napisał równanie reakcji i przeanalizował je pod kątem oksydacyjno-redukcyjnych.

Nauczyciel biologii. Dlaczego piekarników gazowych nie można używać do ogrzewania pomieszczenia?

Student. Metan jest integralną częścią gazu ziemnego... Kiedy się pali, zawartość dwutlenku węgla w powietrzu wzrasta, a tlen maleje. ( Praca z tabelą „Spis treści CO 2 w powietrzu".)
Kiedy powietrze zawiera 0,3% CO 2, osoba doświadcza szybkiego oddychania; przy 10% - utrata przytomności, przy 20% - natychmiastowy paraliż i szybka śmierć. Dziecko szczególnie potrzebuje czystego powietrza, ponieważ zużycie tlenu przez tkanki rozwijającego się organizmu jest większe niż u osoby dorosłej. Dlatego konieczne jest regularne wietrzenie pomieszczenia. W przypadku nadmiaru CO 2 we krwi zwiększa się pobudliwość ośrodka oddechowego i oddychanie staje się częstsze i głębsze.

Nauczyciel biologii. Rozważ rolę tlenku węgla (IV) w życiu roślin.

Student. W roślinach z CO 2 i H 2 O w świetle powstaje materia organiczna, oprócz materii organicznej powstaje tlen.

Fotosynteza reguluje zawartość dwutlenku węgla w atmosferze, co zapobiega wzrostowi temperatury na planecie. Rośliny pochłaniają z atmosfery 300 miliardów ton dwutlenku węgla rocznie. W procesie fotosyntezy do atmosfery uwalnianych jest rocznie 200 miliardów ton tlenu. Ozon powstaje z tlenu podczas burzy.

Nauczyciel chemii. Rozważać Właściwości chemiczne tlenek węgla (IV).

Nauczyciel biologii. Jakie znaczenie ma kwas węglowy w organizmie człowieka podczas oddychania? ( Fragment taśmy filmowej.)
Enzymy we krwi przekształcają dwutlenek węgla w kwas węglowy, który dysocjuje na jony wodorowe i wodorowęglanowe. Jeśli krew zawiera nadmiar jonów H+, tj. jeśli kwasowość krwi jest zwiększona, niektóre jony H + łączą się z jonami wodorowęglanowymi, tworząc kwas węglowy, a tym samym uwalniając krew od nadmiaru jonów H +. Jeśli we krwi jest za mało jonów H +, kwas węglowy dysocjuje i stężenie jonów H + we krwi wzrasta. W 37 ° C pH krwi wynosi 7,36.
W organizmie dwutlenek węgla jest przenoszony przez krew w postaci związki chemiczne- wodorowęglany sodu i potasu.

Zabezpieczenie materiału

Test

Spośród proponowanych procesów wymiany gazowej w płucach i tkankach, wykonujący pierwszą opcję muszą wybrać szyfry poprawnych odpowiedzi po lewej stronie, a drugą po prawej.

(1) Przeniesienie O 2 z płuc do krwi. (trzynaście)
(2) Przenoszenie O 2 z krwi do tkanki. (14)
(3) Przenoszenie CO 2 z tkanek do krwi. (15)
(4) Przenoszenie CO 2 z krwi do płuc. (szesnaście)
(5) Wychwyt O2 przez erytrocyty. (17)
(6) Uwalnianie O 2 z erytrocytów. (osiemnaście)
(7) Konwersja krwi tętniczej do żylnej. (dziewiętnaście)
(8) Konwersja krwi żylnej w tętniczą. (dwadzieścia)
(9) Zerwanie wiązania chemicznego O 2 z hemoglobiną. (21)
(10) Wiązanie chemiczne O 2 do hemoglobiny. (22)
(11) Kapilary w tkankach. (23)
(12) Kapilary płucne. (24)

Pytania dotyczące pierwszej opcji

1. Procesy wymiany gazowej w tkankach.
2. Procesy fizyczne podczas wymiany gazowej.

Pytania dotyczące drugiej opcji

1. Procesy wymiany gazowej w płucach.
2. Procesy chemiczne podczas wymiany gazowej

Zadanie

Określ objętość tlenku węgla (IV) uwalnianego podczas rozkładu 50 g węglanu wapnia.

Tlenek węgla (IV), kwas węglowy i ich sole

Kompleksowe przeznaczenie modułu: znać sposoby wytwarzania tlenku i wodorotlenku węgla (IV); Opisz ich właściwości fizyczne; znać charakterystykę właściwości kwasowo-zasadowych; scharakteryzować właściwości redoks.

Wszystkie pierwiastki podgrupy węgla tworzą tlenki z ogólna formuła EO 2. CO 2 i SiO 2 wykazują właściwości kwasowe, GeO 2, SnO 2, PbO 2 wykazują właściwości amfoteryczne z przewagą właściwości kwasowych, aw podgrupie od góry do dołu właściwości kwasowe słabną.

Dlatego stopień utlenienia (+4) dla węgla i krzemu jest bardzo stabilny właściwości utleniające połączenia są pokazywane z dużym trudem. W podgrupie germanu właściwości utleniające związków (+4) są wzmocnione przez destabilizację najwyższy stopień utlenianie.

Tlenek węgla (IV), kwas węglowy i ich sole

Dwutlenek węgla CO 2 (dwutlenek węgla) - w normalnych warunkach jest gazem bezbarwnym i bezwonnym, w smaku lekko kwaśnym, około 1,5 raza cięższym od powietrza, rozpuszczalny w wodzie, dość łatwo upłynnia się - w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem przekształca się w ciecz około 60 10 5 Pa. Po schłodzeniu do 56,2 ° C ciekły dwutlenek węgla zestala się i zamienia w masę przypominającą śnieg.

We wszystkim stany zagregowane składa się z niepolarnych cząsteczek liniowych. Struktura chemiczna CO 2 jest określany przez hybrydyzację sp centralnego atomu węgla i tworzenie dodatkowego p połączenia p-p: O = C = O

Część CO 2 rozpuszczonego w testamencie wchodzi z nim w interakcję, tworząc kwas węglowy

CO 2 + H 2 O - CO 2 H 2 O - H 2 CO 3.

Dwutlenek węgla jest bardzo łatwo absorbowany przez roztwory alkaliczne, tworząc węglany i wodorowęglany:

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O;

CO2 + NaOH = NaHCO3.

Cząsteczki CO2 są bardzo stabilne termicznie, rozkład zaczyna się dopiero w temperaturze 2000єС. Dlatego dwutlenek węgla nie pali się i nie wspomaga spalania paliw konwencjonalnych. Ale w jego atmosferze jest kilka proste substancje, których atomy wykazują duże powinowactwo do tlenu, na przykład magnez, po podgrzaniu zapala się w atmosferze CO2.

Kwas węglowy i jego sole

Kwas węglowy H 2 CO 3 jest związkiem delikatnym, występuje tylko w roztworach wodnych. Większość dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie ma postać uwodnionych cząsteczek CO 2 , mniejsza część tworzy kwas węglowy.

Roztwory wodne w równowadze z atmosferą CO 2 są kwaśne: = 0,04 M i pH? 4.

Kwas węglowy jest dwuzasadowy, należy do słabych elektrolitów, dysocjuje stopniowo (K 1 = 4, 4 10? 7; K 2 = 4, 8 10? 11). Rozpuszczenie CO 2 w wodzie ustala następującą równowagę dynamiczną:

H 2 O + CO 2 - CO 2 H 2 O - H 2 CO 3 - H + + HCO 3?

Po podgrzaniu roztwór wodny W przypadku dwutlenku węgla rozpuszczalność gazu spada, CO 2 jest uwalniany z roztworu, a równowaga przesuwa się w lewo.

Sole kwasu węglowego

Jako dwuzasadowy kwas węglowy tworzy dwie serie soli: średnie sole (węglany) i kwasowe (wodorowęglany). Większość soli kwasu węglowego jest bezbarwna. Spośród węglanów tylko sole są rozpuszczalne w wodzie. metale alkaliczne i amonu.

W wodzie węglany ulegają hydrolizie, dlatego ich roztwory mają odczyn alkaliczny:

Na2CO3 + H2O - NaHCO3 + NaOH.

Dalsza hydroliza z wytworzeniem kwasu węglowego w normalnych warunkach praktycznie nie zachodzi.

Rozpuszczaniu wodorowęglanów w wodzie towarzyszy również hydroliza, ale w znacznie mniejszym stopniu, a środowisko jest słabo zasadowe (pH ≈ 8).

Węglan amonu (NH 4) 2 CO 3 jest wysoce lotny w podwyższonych, a nawet normalnych temperaturach, szczególnie w obecności pary wodnej, co powoduje silną hydrolizę

Silne kwasy, a nawet słaby kwas octowy wypierają kwas węglowy z węglanów:

K 2 CO 3 + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + H 2 O + CO 2 ^.

W przeciwieństwie do większości węglanów, wszystkie wodorowęglany są rozpuszczalne w wodzie. Są mniej stabilne niż węglany tych samych metali, a po podgrzaniu łatwo się rozkładają, zamieniając się w odpowiednie węglany:

2KHCO3 = K 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 ^;

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

Silne kwasy rozkładają wodorowęglany, podobnie jak węglany:

KHCO3 + H2SO4 = KHSO4 + H2O + CO2

Z soli kwasu węglowego największa wartość zawierają: węglan sodu (soda), węglan potasu (potaż), węglan wapnia (kreda, marmur, wapień), wodorowęglan sodu (soda oczyszczona) i zasadowy węglan miedzi (CuOH) 2 CO 3 (malachit).

Zasadowe sole kwasu węglowego w wodzie są praktycznie nierozpuszczalne i łatwo rozkładają się po podgrzaniu:

(CuOH) 2CO3 = 2CuO + CO2 + H2O.

Ogólnie stabilność termiczna węglanów zależy od właściwości polaryzacyjnych jonów tworzących węglan. Im bardziej kation działa polaryzująco na jon węglanowy, tym niższa temperatura rozkładu soli. Jeśli kation może być łatwo zdeformowany, to sam jon węglanowy będzie miał również wpływ polaryzacyjny na kation, co doprowadzi do gwałtownego obniżenia temperatury rozkładu soli.

Węglany sodu i potasu topią się bez rozkładu, podczas gdy większość pozostałych węglanów rozkłada się na tlenek metalu i dwutlenek węgla po podgrzaniu.

• Oznaczenie - C (węgiel);
• Okres - II;
• Grupa - 14 (IVa);
• Masa atomowa - 12,011;
• Liczba atomowa - 6;
• Promień atomu = 77 pm;
• Promień kowalencyjny = 77 pm;
• Rozkład elektronów - 1s 2 2s 2 2p 2;
• temperatura topnienia = 3550 ° C;
• temperatura wrzenia = 4827 ° C;
• Elektroujemność (Pauling / Alpred i Rohov) = 2,55 / 2,50;
• Stan utlenienia: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Gęstość (n. At.) = 2,25 g / cm 3 (grafit);
• Objętość molowa = 5,3 cm 3 / mol.

Związki węgla:

Węgiel w postaci węgla drzewnego znany jest człowiekowi od niepamiętnych czasów, dlatego nie ma sensu mówić o dacie jego odkrycia. Właściwie jego nazwa „węgiel” otrzymała w 1787 roku, kiedy opublikowano książkę „Metoda nomenklatury chemicznej”, w której zamiast francuskiej nazwy „czysty węgiel” (charbone pur) pojawił się termin „węgiel” (carbone).

Węgiel ma wyjątkową zdolność do tworzenia łańcuchów polimerowych o nieograniczonej długości, dzięki czemu powstaje ogromna klasa związków, które są badane w odrębnej gałęzi chemii - Chemia organiczna... Organiczne związki węgla są podstawą życia na ziemi, dlatego znaczenie węgla, ponieważ pierwiastek chemiczny, nie ma sensu mówić - jest podstawą życia na Ziemi.

Spójrzmy teraz na węgiel z punktu widzenia chemii nieorganicznej.

Ryż. Struktura atomu węgla.

Konfiguracja elektronowa węgla to 1s 2 2s 2 2p 2 (patrz. Struktura elektronowa atomów). Na zewnętrznym poziomie energii węgiel ma 4 elektrony: 2 sparowane na podpoziomie s + 2 niesparowane na orbitalach p. Kiedy atom węgla przechodzi w stan wzbudzony (wymaga zużycia energii), jeden elektron z podpoziomu s „opuszcza” swoją parę i przechodzi do podpoziomu p, gdzie znajduje się jeden wolny orbital. Tak więc w stanie wzbudzonym elektroniczna Konfiguracja atom węgla przyjmuje postać: 1s 2 2s 1 2p 3.

Ryż. Przejście atomu węgla do stanu wzbudzonego.

Taka „roszada” znacznie rozszerza możliwości walencyjne atomów węgla, które mogą przyjąć stopień utlenienia od +4 (w związkach z aktywnymi niemetalami) do -4 (w związkach z metalami).

W stanie niewzbudzonym atom węgla w związkach ma wartościowość 2, na przykład CO (II), a w stanie wzbudzonym 4: CO 2 (IV).

„Wyjątkowość” atomu węgla polega na tym, że na jego zewnętrznym poziomie energetycznym znajdują się 4 elektrony, dlatego aby ukończyć poziom (do którego w rzeczywistości dążą atomy dowolnego pierwiastka chemicznego), może on za pomocą ten sam „sukces”, zarówno daje, jak i przyłącza elektrony, tworząc wiązania kowalencyjne (patrz. Wiązanie kowalencyjne).

Węgiel jako prosta substancja

Jako prosta substancja węgiel może mieć postać kilku alotropowych modyfikacji:

• Diament
• Grafit
• Fulereny
• Carbin

Diament

Ryż. Krystaliczna sieć diamentu.

Właściwości diamentu:

• bezbarwna substancja krystaliczna;
• najtwardsza substancja w przyrodzie;
• ma silny efekt refrakcyjny;
• słabo przewodzi ciepło i elektryczność.

Ryż. Czworościan diamentowy.

Wyjątkową twardość diamentu tłumaczy się budową jego sieci krystalicznej, która ma kształt czworościanu - w środku czworościanu znajduje się atom węgla, który jest połączony równie silnymi wiązaniami z czterema sąsiadującymi atomami tworzącymi wierzchołki czworościanu (patrz rysunek powyżej). Ta „konstrukcja” jest z kolei związana z sąsiednimi czworościanami.

Grafit

Ryż. Krata krystaliczna z grafitu.

Właściwości grafitu:

• miękka krystaliczna szara substancja o warstwowej strukturze;
• ma metaliczny połysk;
• dobrze przewodzi prąd.

W graficie tworzą się atomy węgla regularne sześciokąty leżące w jednej płaszczyźnie, zorganizowane w niekończące się warstwy.

W graficie wiązania chemiczne pomiędzy sąsiednimi atomami węgla tworzą trzy elektrony walencyjne każdego atomu (pokazane na rysunku poniżej na niebiesko), natomiast czwarty elektron (pokazany na czerwono) każdego atomu węgla znajduje się na orbicie p leżącej prostopadle do płaszczyzny warstwy grafitu nie uczestniczy w tworzeniu wiązań kowalencyjnych w płaszczyźnie warstwy. Jego „przeznaczenie” jest inne – współdziałając ze swoim „bratem” leżącym w sąsiedniej warstwie, zapewnia wiązanie między warstwami grafitu, a wysoka ruchliwość p-elektronów warunkuje dobre przewodnictwo elektryczne grafitu.

Ryż. Rozkład orbitali atomu węgla w graficie.

Fulereny

Ryż. Sieć krystaliczna fulerenów.

Właściwości fulerenów:

• cząsteczka fulerenu to zbiór atomów węgla zamkniętych w pustych kulkach, takich jak piłka nożna;
• jest żółto-pomarańczową substancją drobnokrystaliczną;
• temperatura topnienia = 500-600 ° C;
• półprzewodnik;
• jest częścią minerału szungitu.

Carbin

Właściwości karabinka:

• obojętna czarna substancja;
• składa się z polimerowych cząsteczek liniowych, w których atomy są połączone naprzemiennymi wiązaniami pojedynczymi i potrójnymi;
• półprzewodnik.

Właściwości chemiczne węgla

W normalnych warunkach węgiel jest substancją obojętną, ale po podgrzaniu może reagować z różnymi prostymi i złożonymi substancjami.

Jak już powiedziano powyżej, na zewnętrznym poziomie energetycznym węgla znajdują się 4 elektrony (ani tam, ani tutaj), dlatego węgiel może zarówno oddawać, jak i odbierać elektrony, wykazując właściwości redukujące w niektórych związkach, a utleniające w innych.

Węgiel jest Środek redukujący w reakcjach z tlenem i innymi pierwiastkami o wyższej elektroujemności (patrz tabela elektroujemności pierwiastków):

• po podgrzaniu w powietrzu pali się (z nadmiarem tlenu z tworzeniem dwutlenku węgla; z jego brakiem - tlenek węgla (II)):
  C + O2 = CO2;
  2C + O2 = 2CO.
• reaguje w wysokich temperaturach z oparami siarki, łatwo wchodzi w interakcje z chlorem, fluorem:
  C + 2S = CS 2
  C + 2Cl2 = CCl4
  2F 2 + C = CF 4
• po podgrzaniu redukuje wiele metali i niemetali z tlenków:
  C0 + Cu+2O = Cu0 + C+2O;
  C0+C+4O2 = 2C+2O
• w temperaturze 1000°C reaguje z wodą (proces zgazowania), tworząc gaz wodny:
  C + H2O = CO + H2;

Węgiel wykazuje właściwości utleniające w reakcjach z metalami i wodorem:

• reaguje z metalami tworząc węgliki:
  Ca + 2C = CaC 2
• oddziałując z wodorem, węgiel tworzy metan:
  C + 2H2 = CH4

Węgiel pozyskiwany jest przez rozkład termiczny jego związków lub przez pirolizę metanu (w wysokich temperaturach):
CH4 = C + 2H 2.

Zastosowanie węgla

Związki węgla są szeroko stosowane w gospodarka narodowa, nie jest możliwe wymienienie ich wszystkich, wskażemy tylko kilka:

• grafit jest używany do produkcji ołówków, elektrod, tygli do topienia, jako moderator neutronów w reaktor nuklearny jako smar;
• diamenty są używane w biżuterii, jako narzędzie tnące, w sprzęcie wiertniczym, jako materiał ścierny;
• jako środek redukujący węgiel służy do otrzymywania niektórych metali i niemetali (żelazo, krzem);
• węgiel stanowi większość węgla aktywnego, który znalazł szerokie zastosowanie zarówno w życiu codziennym (np. jako adsorbent do oczyszczania powietrza i roztworów), jak i w medycynie (tabletki z węglem aktywnym) oraz w przemyśle (jako nośnik dodatków katalitycznych , katalizator polimeryzacji itp.).