§ 41. Элементы IVA-группы. Углерод и кремний

Оксиды углерода — углекислый и угарный газы

Особенности строения и физические свойства. Оксид углерода(IV), или углекислый газ straight C with plus 4 on top straight O subscript 2, является высшим оксидом углерода и отвечает общей формуле ЭO2. Оксид углерода(IV) — вещество молекулярного строения. Молекула содержит две двойные ковалентные полярные связи, но линейна и поэтому неполярна (рис. 98, а).

img
Рис. 98. Структурная формула и масштабная модель молекул: а — оксида углерода(IV), б — оксида углерода(II), в — схема образования связей в молекуле СО

Вспомним, что углекислый газ бесцветен, тяжелее воздуха (М(CO2) = 44 г/моль), частично растворим в воде. В 1 объёме воды при температуре 20 °С растворяется 0,88 объёмов СО2, но при этом его растворимость в 70 раз выше растворимости кислорода и в 150 раз — азота. При повышенном давлении (5 МПа) он легко сжижается и затвердевает. Твёрдый оксид углерода(IV) — сухой лёд — возгоняется без плавления.

Второй оксид углерода(II) — угарный газ СО — также вещество молекулярного строения. Атомы в молекуле связаны очень прочной тройной ковалентной связью, связь полярная, молекула полярна (рис. 98, б). Газ бесцветен, плохо растворим в воде, ядовит.

Химические свойства оксида углерода(IV). Углекислый газ относится к кислотным оксидам, поэтому вступает в реакции с водой, щелочами и основными оксидами. С другой стороны, атомы углерода, имеющие степень окисления +4, могут участвовать в реакциях, которые протекают с понижением степени окисления: углекислый газ вступает в реакции с сильными восстановителями. Так, горящие магний или кальций продолжают гореть в атмосфере углекислого газа.

Реакции без изменения степени окисления

1. Реакция с водой. При пропускании углекислого газа через воду, в которую добавлен лакмус, окраска меняется с фиолетовой на красную — образуется угольная кислота:

СO subscript 2 space space plus straight H subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H subscript 2 СO subscript 3.

2. Реакция с растворами щелочей приводит к образованию солей.

Как и в случае с сернистым газом, состав продуктов зависит от мольного соотношения реагентов.

2 NaOH space plus space СO subscript 2 space equals space Na subscript 2 СO subscript 3 space plus space straight H subscript 2 straight O

2 : 1 или избыток щёлочи

2 OH to the power of – space plus space СO subscript 2 space equals space СO subscript 3 superscript 2 minus space end superscript plus space straight H subscript 2 straight O

(карбонат, средняя соль)

NaOH space plus space СO subscript 2 space equals space NaHСO subscript 3

1 : 1 или избыток кислотного оксида

OH to the power of – space plus space СO subscript 2 space equals space НСO subscript 3 superscript minus

(гидрокарбонат, кислая соль)

Реакция углекислого газа с известковой водой наглядно демонстрирует последовательность образования солей при пропускании газа через раствор щёлочи. Вначале образуется осадок средней соли (качественная реакция на СО2, Приложение 3):

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3↓ + Н2О.

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется вследствие образования более растворимой кислой соли:

СаСО3 + Н2О + СО2 = Са(НСО3)2.

3. С основными оксидами углекислый газ образует соли:

СаО + СO2 = СаСO3.

img

Реакции с изменением степени окисления — это, как было отмечено выше, реакции углекислого газа с восстановителями:

begin mathsize 14px style stack stack number space number space number space space straight C with space space space space space space space space space plus 4 on top straight O subscript 2 space plus with окислитель below space 2 Mg space equals space stack straight C space with 0 on top plus space 2 MgO semicolon
stack space straight С with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space straight С space equals space stack 2 straight C with plus 2 on top straight O. end style

Химические свойства оксида углерода(II). Оксид углерода(II), или угарный газ СО, относят к несолеобразующим оксидам. С другой стороны, атом углерода, имея степень окисления +2, может её как повышать, так и понижать. При повышении степени окисления он проявляет свойства восстановителя. Такие процессы протекают при выплавке металлов:

Fe subscript 2 straight O subscript 3 space plus stack space 3 straight C with space space plus 2 on top straight O space stack equals space with t on top 2 Fe space plus stack space 3 straight С with space space space plus 4 on top straight O subscript 2,

при сгорании в кислороде:

stack 2 straight C with space plus 2 on top straight O space plus space straight O subscript 2 space equals with t on top space stack 2 straight С with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space 566 space кДж..

ul
img

Угарный газ не реагирует при комнатной температуре с раствором гидроксида натрия.

С расплавом этого гидроксида образует формиат натрия:

NaOH + СO equals with t italic comma italic space p on top HСООNa,

из которого действием серной кислоты получают муравьиную кислоту.

Реакция 2CO + O2 = 2CO2 начинается при температуре выше 500 °С, а в присутствии оксида марганца(IV) MnO2 как катализатора протекает уже при комнатной температуре.

Понижение степени окисления происходит в реакциях с восстановителями, а оксид углерода(II) при этом проявляет свойства окислителя. Пример такого превращения вам известен из курса органической химии: взаимодействие угарного газа с водородом (восстановителем) — важнейший способ получения спирта метанола:

begin mathsize 14px style stack space straight C with space plus 2 on top straight О space plus space 2 straight Н subscript 2 space not stretchy rightwards arrow with t comma space p comma space кат. on top space straight C with negative 2 on top straight Н subscript 3 ОН end style.

Как углекислый, так и угарный газы загрязняют атмосферу. Напомним, что оксид углерода(II) не случайно называется угарным газом. Этот оксид очень ядовит. Образуясь при неполном сгорании топлива, он может привести к сильному отравлению или летальному исходу. Отсутствие запаха делает его ещё более опасным. Токсическое действие связано с тем, что молекулы угарного газа образуют прочное соединение с молекулами гемоглобина в крови. Таким образом они блокируют доступ кислорода, перекрывают клеточное дыхание.

Основной источник СО в атмосфере — выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, источник СО2 — топливно-энергетический комплекс и металлургическая промышленность. Накопление углекислого газа способствует глобальному потеплению на Земле («парниковый эффект»). Вспомним, что СО2 поглощается в процессе фотосинтеза. Поэтому вырубка лесов приводит к снижению поглощения углекислого газа зелёными растениями и негативно влияет на состояние атмосферы Земли.