Оксид вуглецю (IV), вугільна кислота та їх солі

Комплексна мета модуля:знати способи одержання оксиду та гідроксиду вуглецю (IV); описувати їх фізичні властивості; знати характеристику кислотно-основних властивостей; давати характеристику окисно-відновних властивостей.

Усі елементи підгрупи вуглецю утворюють оксиди із загальною формулою ЕО 2 . 2 і SiО 2 виявляють кислотні властивості, GeО 2 , SnО 2 , PbО 2 виявляють амфотерні властивості з переважанням кислотних, причому в підгрупі зверху вниз кислотні властивості слабшають.

Ступінь окислення (+4) для вуглецю і кремнію дуже стабільна, тому окислювальні властивості сполуки виявляють насилу. У підгрупі германію окислювальні властивості сполук (+4) посилюються у зв'язку з дестабілізацією вищого ступеня окислення.

Оксид вуглецю (IV), вугільна кислота та їх солі

Диоксид вуглецюСО 2 (вуглекислий газ) - за звичайних умов це газ без кольору та запаху, злегка кислуватого смаку, важчий за повітря приблизно в 1,5 рази, розчинний у воді, досить легко зріджується - при кімнатній температурі його модно перетворити на рідину під тиском близько 60 10 5 Па. При охолодженні до ?56,2єС рідкий діоксид вуглецю твердне і перетворюється на снігоподібну масу.

У всіх агрегатних станах складається із неполярних лінійних молекул. Хімічне будова СО 2 визначається sp-гібридизацією центрального атома вуглецю та утворенням додаткових р р-р-зв'язків: О = С = О

Деяка частина розчиненого у волі СО 2 взаємодіє з нею утворенням вугільної кислоти

СО 2 + Н 2 О - СО 2 Н 2 О - Н 2 СО 3 .

Вуглекислий газ дуже легко поглинається розчинами лугів з утворенням карбонатів та гідрокарбонатів:

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

2 + NaOH = NaHCO 3 .

Молекули СО 2 дуже стійкі термічно, розпад починається лише за температури 2000єС. Тому діоксид вуглецю не горить і підтримує горіння звичайного палива. Але в його атмосфері горять деякі прості речовини, атоми яких виявляють велику спорідненість до кисню, наприклад, при нагріванні магній спалахує в атмосфері СО 2 .

Вугільна кислота та її солі

Вугільна кислота H 2 CO 3 - неміцна сполука, існує тільки у водних розчинах. Більшість розчиненого у воді вуглекислого газу знаходиться у вигляді гідратованих молекул CO 2 , менша - утворює вугільну кислоту.

Водні розчини, що знаходяться в рівновазі з СО 2 атмосфери, є кислими: = 0,04 М і рН? 4.

Вугільна кислота - двоосновна, відноситься до слабких електролітів, дисоціює ступінчасто (К 1 = 4, 4 10 ? 7; До 2 = 4, 8 10 ? 11). При розчиненні CO 2 у воді встановлюється така динамічна рівновага:

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

При нагріванні водного розчину вуглекислого газу розчинність газу знижується, CO 2 виділяється з розчину і рівновагу зміщується вліво.

Солі вугільної кислоти

Будучи двоосновною, вугільна кислота утворює два ряди солей: середні солі (карбонати) та кислі (гідрокарбонати). Більшість солей вугільної кислоти безбарвні. З карбонатів розчиняються у воді лише солі лужних металів та амонію.

У воді карбонати піддаються гідролізу, тому їх розчини мають лужну реакцію:

Na 2 CO 3 + H 2 O - NaHCO 3 + NaOH.

Подальший гідроліз із заснуванням вугільної кислоти у звичайних умовах мало йде.

Розчинення у воді гідрокарбонатів також супроводжується гідролізом, але значно меншою мірою, і середовище створюється слаболужна (рН? 8).

Карбонат амонію (NH 4) 2 CO 3 відрізняється великою леткістю при підвищеній і навіть звичайній температурі, особливо в присутності парів води, які викликають сильний гідроліз

Сильні кислоти і навіть слабка оцтова кислота витісняють із карбонатів вугільну кислоту:

K2CO3+H2SO4=K2SO4+H2O+CO2^.

На відміну від більшості карбонатів, всі гідрокарбонати у воді розчиняються. Вони менш стійкі, ніж карбонати тих же металів і при нагріванні легко розкладаються, перетворюючись на відповідні карбонати:

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

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

Сильними кислотами гідрокарбонати розкладаються, як і карбонати:

KHCO 3 + H 2 SO 4 = KHSO 4 + H 2 O + CO 2

З солей вугільної кислоти найбільше значення мають: карбонат натрію (сода), карбонат калію (поташ), карбонат кальцію (крейда, мармур, вапняк), гідрокарбонат натрію (питна сода) та основний карбонат міді (CuOH) 2 CO 3 (малахіт).

Основні солі вугільної кислоти у воді практично нерозчинні і при нагріванні легко розкладаються:

(CuOH) 2 CO 3 = 2CuO + CO 2 + H 2 O.

Взагалі, термічна стійкість карбонатів залежить від поляризаційних властивостей іонів, що входять до складу карбонату. Чим більше поляризуючу дію катіон на карбонат-іон, тим нижче температура розкладання солі. Якщо катіон здатний легко деформуватися, то карбонат-іон сам також надаватиме поляризуючу дію на катіон, що призведе до різкого зниження температури розкладання солі.

Карбонати натрію та калію плавляться без розкладання, а більшість інших карбонатів при нагріванні розкладаються на оксид металу та вуглекислий газ.

Оксиди вуглецю (II) та (IV)

Інтегрований урок з хімії та біології

Завдання:вивчити та систематизувати знання про оксиди вуглецю (II) та (IV); розкрити взаємозв'язок живої та неживої природи; закріпити знання про вплив оксидів вуглецю на організм людини;

закріпити навички вміння працювати із лабораторним обладнанням.Обладнання:

розчин НСl, лакмус, Ca(OH) 2 , CaCO 3 , скляна паличка, саморобні таблиці, переносна дошка, шарострижнева модель.

ХІД УРОКУВчитель біології

повідомляє тему та завдання уроку.Вчитель хімії.

Грунтуючись на вченні про ковалентний зв'язок, складіть електронну та структурну формули оксидів вуглецю (II) та (IV).

Хімічна формула оксиду вуглецю (II) - СО, атом вуглецю знаходиться в нормальному стані.

За рахунок парування неспарених електронів утворюються два ковалентні полярні зв'язки, а третій ковалентний зв'язок утворюється за донорно-акцепторним механізмом. Донором є атом кисню, т.к. він надає вільну пару електронів; акцептором - атом вуглецю, т.к. надає вільну орбіталь. У промисловості оксид вуглецю (II) отримують, пропускаючи 2 над розжареним вугіллям при високій температурі. Він утворюється також у процесі згоряння вугілля за нестачі кисню. ()

Учень записує рівняння реакції на дошці У лабораторії СО отримують дією концентрованої Н 2 SО 4 на мурашину кислоту. (.)

Рівняння реакції записує вчительВчитель біології.

Отже, ви познайомилися з одержанням оксиду вуглецю (ІІ). А які фізичні властивості має оксид вуглецю (II)?Учень.

повідомляє тему та завдання уроку.Це безбарвний газ, отруйний, без запаху, легший за повітря, погано розчиняється у воді, температура кипіння –191,5 °C, твердне при –205 °С.

Рівняння реакції записує вчительЯкий вплив чадний газ на організм людини?

Отже, ви познайомилися з одержанням оксиду вуглецю (ІІ). А які фізичні властивості має оксид вуглецю (II)?Чадний газ вкрай отруйний для людини – це пояснюється тим, що він утворює карбоксигемоглобін.

Рівняння реакції записує вчительКарбоксигемоглобін – дуже міцна сполука.

Внаслідок його утворення гемоглобін крові не взаємодіє з киснем, і при сильному отруєнні людина може загинути від кисневого голодування.Яку першу допомогу необхідно надати людині при отруєнні чадним газом?

повідомляє тему та завдання уроку.Учні.

Треба викликати «швидку допомогу», потерпілого треба винести надвір, зробити штучне дихання, приміщення добре провітрити.
Напишіть хімічну формулу оксиду вуглецю (IV) і, використовуючи шарострижневу модель, збудуйте його структуру.
(Атом вуглецю знаходиться у збудженому стані. Усі чотири ковалентні полярні зв'язки утворилися за рахунок парування неспарених електронів. Однак через лінійну будову молекула його загалом неполярна..)

У промисловості 2 отримують при розкладанні карбонату кальцію у виробництві вапна.
(Учень записує рівняння реакції)

Рівняння реакції записує вчительУ лабораторії 2 отримують при взаємодії кислот з крейдою або мармуром.

Отже, ви познайомилися з одержанням оксиду вуглецю (ІІ). А які фізичні властивості має оксид вуглецю (II)?Учні виконують лабораторний досвід.

(Внаслідок яких процесів утворюється вуглекислий газ в організмі?)

Вуглекислий газ утворюється в організмі в результаті реакцій окислення органічних речовин, що входять до складу клітини.

Рівняння реакції записує вчительУчні виконують лабораторний досвід.

Отже, ви познайомилися з одержанням оксиду вуглецю (ІІ). А які фізичні властивості має оксид вуглецю (II)?Вапняний розчин став каламутним, т.к. утворюється карбонат кальцію. Крім процесу дихання, СО2 виділяється в результаті бродіння, гниття.

повідомляє тему та завдання уроку.Чи впливає фізичне навантаження на процес дихання?

Рівняння реакції записує вчительПри надмірному фізичному (м'язовому) навантаженні м'язи використовують кисень швидше, ніж кров встигає його доставити, і тоді вони синтезують необхідну для їх роботи АТФ шляхом бродіння. У м'язах утворюється молочна кислота C 3 H 6 O 3 яка надходить у кров. Накопичення великої кількості молочної кислоти шкідливе для організму. Після важкого фізичного навантаження ми ще деякий час важко дихаємо – виплачуємо кисневу заборгованість.

Отже, ви познайомилися з одержанням оксиду вуглецю (ІІ). А які фізичні властивості має оксид вуглецю (II)?Метан – складова природного газу. При його горінні вміст вуглекислого газу повітря підвищується, а кисню – знижується. ( Робота з таблицею «ЗмістСО 2 в повітрі".)
При вмісті в повітрі 0,3% 2 у людини спостерігається прискорене дихання; при 10% – втрата свідомості, при 20% – миттєвий параліч та швидка смерть. Особливо потребує чистого повітря дитина, тому що споживання кисню тканинами зростаючого організму більше, ніж у дорослого. Отже, необхідно регулярно провітрювати приміщення. Якщо в крові є надлишок СО 2 , збудливість дихального центру підвищується і дихання стає частішим і глибшим.

Рівняння реакції записує вчительРозглянемо роль оксиду вуглецю (IV) у житті рослин.

Отже, ви познайомилися з одержанням оксиду вуглецю (ІІ). А які фізичні властивості має оксид вуглецю (II)?У рослин утворення органічних речовин походить із СО 2 і Н 2 O на світлі, крім органічних речовин, утворюється кисень.

Фотосинтез регулює вміст вуглекислого газу в атмосфері, що перешкоджає підвищенню температури планети. Щорічно рослини поглинають із атмосфери 300 млрд т вуглекислого газу. У процесі фотосинтезу в атмосферу щорічно виділяється 200 млрд. т кисню. З кисню під час грози утворюється озон.

повідомляє тему та завдання уроку.Розглянемо хімічні властивості оксиду вуглецю (ІV).

Рівняння реакції записує вчительЯке значення має вугільна кислота в організмі людини у процесі дихання? ( Фрагмент діафільму.)
Ферменти, що містяться в крові, перетворюють вуглекислий газ на вугільну кислоту, яка дисоціює на іони водню і гідрокарбонату.
Якщо крові міститься надлишок іонів Н + , тобто. якщо кислотність крові підвищена, то частина іонів Н+ з'єднується з гідрокарбонат-іонами, утворюючи вугільну кислоту та звільняючи тим самим кров від надлишку Н+-іонів.

Якщо ж у крові надто мало Н+-іонів, то вугільна кислота дисоціює і концентрація Н+-іонів у крові підвищується. При температурі 37 ° С рН крові дорівнює 7,36.

В організмі вуглекислий газ переноситься кров'ю у вигляді хімічних сполук – гідрокарбонатів натрію та калію.

Закріплення матеріалу

Тест
Із запропонованих процесів газообміну в легенях і тканинах, що виконують перший варіант, повинні вибрати шифри правильних відповідей зліва, а другий – праворуч.
(1) Перехід O 2 з легенів у кров. (13)
(2) Перехід O 2 з крові у тканини. (14)
(3) Перехід СО 2 з тканин у кров. (15)
(4) Перехід СО 2 з крові в легені. (16)
(5) Поглинання O2 еритроцитами. (17)
(6) Виділення O2 з еритроцитів. (18)
(9) Розрив хімічного зв'язку O2 з гемоглобіном. (21)
(10) Хімічне зв'язування O2 з гемоглобіном.
(22)
(11) Капіляри у тканинах. (23)

(12) Легкові капіляри. (24)

Питання першого варіанта
1. Процеси газообміну у тканинах.

2. Фізичні процеси під час газообміну.

1. Питання другого варіанта
Процеси газообміну у легенях.

2. Хімічні процеси під час газообміну

Завдання

• Визначте об'єм оксиду вуглецю (IV), що виділяється при розкладанні 50 г карбонату кальцію.
• Позначення – C (Carbon);
• Період – II;
• Група – 14 (IVa);
• Атомна маса – 12,011;
• Атомний номер – 6;
• Радіус атома = 77 пм;
• Ковалентний радіус = 77 пм;
• Розподіл електронів - 1s 2 2s 2 2p 2;
• t плавлення = 3550 ° C;
• t кипіння = 4827 ° C;
• Електронегативність (по Полінгу/по Алпреду та Рохову) = 2,55/2,50;
• Ступінь окиснення: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Щільність (н. у.) = 2,25 г/см3 (графіт);

Молярний об'єм = 5,3 см3/моль.

З'єднання вуглецю:

Вуглець у вигляді деревного вугілля відомий людині з незапам'ятних часів, тому про дату його відкриття говорити не має сенсу. Власне свою назву "вуглець" отримав у 1787 році, коли була опублікована книга "Метод хімічної номенклатури", в якій замість французької назви "чисте вугілля" (charbone pur) з'явився термін "вуглець" (carbone).

Вуглець має унікальну здатність утворювати полімерні ланцюжки необмеженої довжини, породжуючи цим величезний клас сполук, вивченням яких займається окремий розділ хімії - органічна хімія. Органічні сполуки вуглецю лежать в основі земного життя, тому про важливість вуглецю як хімічного елемента говорити не має сенсу - він є основою життя на Землі.

Зараз розглянемо вуглець з погляду неорганічної хімії..

Мал. Будова атома вуглецю

Електронна конфігурація вуглецю - 1s22s22p2 (див. Електронна структура атомів). На зовнішньому енергетичному рівні у вуглецю знаходяться 4 електрони: 2 спарених на s-підрівні + 2 неспарені на p-орбіталях. При переході атома вуглецю в збуджений стан (вимагає енергетичних витрат) один електрон з s-підрівня "залишає" свою пару і переходить на p-підрівень, де є одна вільна орбіталь. Т. о., у збудженому стані електронна конфігурація атома вуглецю набуває наступного вигляду: 1s 2 2s 1 2p 3 .

Таке "рокування" суттєво розширює валентні можливості атомів вуглецю, які можуть приймати ступінь окислення від +4 (у сполуках з активними неметалами) до -4 (у сполуках з металами).

У незбудженому стані атом вуглецю в сполуках має валентність 2, наприклад, CO(II), а збудженому - 4: CO 2 (IV).

"Унікальність" атома вуглецю полягає в тому, що на його зовнішньому енергетичному рівні знаходяться 4 електрони, тому для завершення рівня (до чого, власне, прагнуть атоми будь-якого хімічного елемента) він може з однаковим "успіхом", як віддавати, так і приєднувати електрони з утворенням ковалентних зв'язків (див. Ковалентний зв'язок).

Вуглець, як проста речовина

Як проста речовина вуглець може бути у вигляді кількох алотропних модифікацій:

• Алмаз
• Графіт
• Фуллерен
• Карбін

Алмаз

Мал. Кристалічні грати алмазу.

Властивості алмазу:

• безбарвна кристалічна речовина;
• найтвердіша речовина в природі;
• має сильний заломлюючий ефект;
• погано проводить тепло та електрику.

Мал. Тетраедр алмазу.

Виняткова твердість алмазу пояснюється будовою його кристалічної решітки, яка має форму тетраедра - у центрі тетраедра знаходиться атом вуглецю, який пов'язаний рівноцінно міцними зв'язками з чотирма сусідніми атомами, що утворюють вершини тетраедра (див. малюнок вище). Така "конструкція" у свою чергу пов'язана із сусідніми тетраедрами.

Графіт

Мал. Кристалічні грати графіту.

Властивості графіту:

• м'яка кристалічна речовина сірого кольору шаруватої структури;
• має металевий блиск;
• добре проводить електрику.

У графіті атоми вуглецю утворюють правильні шестикутники, що у одній площині, організовані в нескінченні верстви.

У графіті хімічні зв'язки між сусідніми атомами вуглецю утворені за рахунок трьох валентних електронів кожного атома (зображені синім кольором на малюнку нижче), при цьому четвертий електрон (зображений червоним кольором) кожного атома вуглецю, розташований на p-орбіталі, перпендикулярно до площини шару графіту, не бере участі у освіті ковалентних зв'язків у площині шару. Його "призначення" полягає в іншому - взаємодіючи зі своїм "собратом", що лежить у сусідньому шарі, він забезпечує зв'язок між шарами графіту, а висока рухливість p-електронів зумовлює хорошу електропровідність графіту.

Мал. Розподіл орбіталей атома вуглецю у графіті.

Фуллерен

Мал. Кристалічні грати фулерену.

Властивості фулерену:

• молекула фулерену являє собою сукупність атомів вуглецю, замкнутих у порожнисті сфери типу футбольного м'яча;
• це дрібнокристалічна речовина жовто-жовтогарячого кольору;
• температура плавлення = 500-600 ° C;
• напівпровідник;
• входить до складу мінералу шунгіту.

Карбін

Властивості карбину:

• інертна речовина чорного кольору;
• складається з полімерних лінійних молекул, в яких атоми пов'язані одинарними і потрійними зв'язками, що чергуються;
• напівпровідник.

Хімічні властивості вуглецю

За нормальних умов вуглець є інертною речовиною, але при нагріванні може реагувати з різноманітними простими та складними речовинами.

Вище вже було сказано, що на зовнішньому енергетичному рівні вуглецю знаходиться 4 електрони (ні туди, ні сюди), тому вуглець може, як віддавати електрони, так і приймати їх, виявляючи в одних сполуках відновлювальні властивості, а в інших окислювальні.

Вуглець є відновникому реакціях з киснем та іншими елементами, що мають вищу електронегативність (див. таблицю електронегативності елементів):

• при нагріванні на повітрі горить (при надлишку кисню з утворенням вуглекислого газу; при його нестачі - оксиду вуглецю(II)):
  C + O 2 = CO 2;
  2C + O2 = 2CO.
• реагує при високих температурах з парами сірки, легко взаємодіє із хлором, фтором:
  C + 2S = CS 2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F 2 + C = CF 4
• при нагріванні відновлює з оксидів багато металів і неметалів:
  C0+Cu+2O = Cu0+C+2O;
  C 0 +C +4 O 2 = 2C +2 O
• при температурі 1000°C реагує з водою (процес газифікації), з утворенням водяного газу:
  C + H 2 O = CO + H 2;

Вуглець виявляє окислювальні властивості в реакціях з металами та воднем:

• реагує з металами з утворенням карбідів:
  Ca + 2C = CaC 2
• взаємодіючи з воднем, вуглець утворює метан:
  C + 2H 2 = CH 4

Вуглець одержують термічним розкладанням його сполук або піролізом метану (за високої температури):
CH 4 = C + 2H 2 .

Застосування вуглецю

З'єднання вуглецю знайшли найширше застосування в народному господарстві, перерахувати всі їх неможливо, вкажемо лише деякі:

• графіт застосовується виготовлення грифелів олівців, електродів, плавильних тиглів, як сповільнювач нейтронів в ядерних реакторах, як мастильний матеріал;
• алмази застосовуються в ювелірній справі, як ріжучий інструмент, у буровому обладнанні, як абразивний матеріал;
• як відновник вуглець використовують для отримання деяких металів і неметалів (заліза, кремнію);
• вуглець становить основну масу активованого вугілля, який знайшов найширше застосування, як у побуті (наприклад, як адсорбент для очищення повітря і розчинів), так і в медицині (таблетки активованого вугілля) і в промисловості (як носій для каталітичних добавок, каталізатора полімеризації та ін.).