Оксиды углерода. Угольная кислота
Оксид углерода (II). СО образуется в процессе сгорания угля при недостатке кислорода:
2С + О2 = 2СО.
В молекуле монооксида тройная химическая связь, поэтому СО характеризуется низкой температурой плавления и малой растворимостью в воде. В промышленности СО получают пропусканием диоксида углерода над раскаленным углем при высокой температуре:
СО2 + С = 2СО.
В лаборатории оксид углерода (II) получают, добавляя по каплям муравьиную кислоту к концентрированной серной кислоте, которая отнимает от нее воду:
H2SO4
НСООН → СО + Н2О.
Щавелевая кислота при нагревании дает смесь двух оксидов:
Н2С2О4 = СО + СО2 + Н2О.
Угарный газ очень ядовит, смертельная доза СО в воздухе 0,2%. С гемоглобином крови СО связывается прочнее, чем кислород, тем самым блокирует перенос кислорода в организме.
Оксид углерода (II) – бесцветный газ, тяжелее воздуха, мало растворим в воде. Поглощается активированным углем, а также фильтрующим слоем, содержащим I2O5. СО при обычных температурах химически инертен, однако при участии катализаторов реагирует с водородом с образованием углеводородов. Из-за наличия неподеленных электронных пар у углерода и кислорода монооксид углерода является лигандом и образует прочные комплексы (карбонилы) с переходными металлами, например, Ni(CO)4, Co2(CO)9, Fe(CO)5. при высоких температурах СО восстанавливает многие металлы из их оксидов:
СО + CuO = Cu + CO2.
Это свойство оксида углерода (II) используется при выплавке металлов из руд. Соединяясь с серой, образует тиооксид:
СО + S = COS.
С хлором образует фосген:
CO + Cl2 = COCl2.
Фосген (СОCl2) – бесцветный газ со слабым сенным запахом. Очень ядовит. Фосген медленно гидролизуется водой:
COCl2 + HOH = CO2 + 2HCl.
Диоксид углерода (СО2) – образуется в природе при сгорании и гниении органических веществ. В воздухе его концентрация составляет 0,03%, содержится также во многих минеральных источниках (нарзан, боржоми). Диоксид углерода ассимилируется в процессе фотосинтеза зелеными растениями с помощью имеющегося у них хлорофилла; при поглощении солнечной энергии в растениях образуются органические вещества (в первую очередь глюкоза), а кислород высвобождается и выделяется в атмосферу. Поглощенная энергия при диссимиляции в живых организмах животных и растений снова высвобождается. Диссимиляция органических веществ в организмах – это процесс их окисления в присутствии ферментов с образованием диоксида углерода и воды:
ассимиляция
6СО2 + 6Н2О ↔ С6Н12О6 + 6О2.
диссимиляция
глюкозы
Оксид углерода (IV) – бесцветное газообразное вещество, тяжелее воздуха, поэтому его можно переливать из сосуда в сосуд. Не поддерживает дыхания и горения. Зажженная лучина в нем гаснет, человек и животные при большой концентрации СО2 задыхаются.
СО2 сжижается при комнатной температуре под давлением 6 МПа. В жидком состоянии хранится и транспортируется в стальных баллонах. При понижении температуры кристаллизуется в виде молекулярных кристаллов, которые сублимируются при температуре -78 0С. Твердый СО2 называется сухим льдом; используется как хладоген.
Получение диоксида углерода:
а) полное сгорание кокса:
С + О2 = СО2.
Полученный газ очищают, пропуская через раствор К2СО3, в результате происходит реакция:
К2СО3 + СО2 + Н2О = 2КНСО3.
Примеси проходят через раствор, а СО2 выделяют из раствора кипячением (термическое разложение гидрокарбоната):
2КНСО3 → К2СО3 + СО2 + Н2О.
б) обжиг известняка и других карбонатов:
СаСО3 → СаО + СО2.
в) обработка карбонатов (например, мрамора) сильной кислотой:
СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + Н2О + СО2.
г) спиртовое брожение:
С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2.
Диоксид углерода взаимодействует с основными гидроксидами, образуя соли – карбонаты и гидрокарбонаты:
СО2 + 2NaOH(избыт.) = Na2CO3 + H2O;
CO2 + NaOH(недост.) = NaHCO3.
Восстанавливается магнием до углерода:
СО2 + 2Mg = C + 2MgO.
СО2 – кислотный оксид, при взаимодействии с водой образует угольную кислоту Н2СО3:
СО2 + Н2О ↔ Н2СО3.
Равновесие смещено влево, поэтому большая часть растворенного диоксида находится в виде СО2, а не Н2СО3. Угольная кислота – слабая кислота, при небольшом нагревании она разлагается:
Н2СО3 → Н2О + СО2.
Угольная кислота – двухосновная кислота, которая диссоциирует ступенчато:
Н2СО3 ↔ НСО3- + Н+; Кд1 = 4,2∙10-7,
НСО3- ↔ СО32- + Н+; Кд2 = 4,8∙10-11.
Соли угольной кислоты называются карбонатами. Существуют средние карбонаты с анионом СО32- и кислые – гидрокарбонаты (HCO3-).
Соли угольной кислоты могут быть получены или действием диоксида углерода на щелочи, или путем обменных реакций между растворимыми солями угольной кислоты и солями других кислот. Например,
NaOH + CO2 = NaHCO3;
NaHCO3 + NaOH = Na2CO3 + H2O;
BaCl2 + Na2CO3 = BaCO3↓ + 2NaCl
Со слабыми основаниями угольная кислота в большинстве случаев дает только основные соли, примером которых может служить гидроксокарбонат меди (CuOH)2CO3. Встречающийся в природе минерал такого состава называется малахитом.
При действии кислот, даже таких слабых, как уксусная, все карбонаты разлагаются с выделением оксида углерода (IV). Этой реакцией часто пользуются для открытия карбонатов, так как выделяющийся CO2 легко обнаружить по характерному шипению.
При нагревании все карбонаты, кроме солей щелочных металлов, разлагаются с выделением СО2. Продуктами разложения в большинстве случаев являются оксиды соответствующих металлов:
MgCO3 = MgO + CO2↑
При нагревании гидрокарбонаты легко переходят в карбонаты:
2NaHCO3 = Na2CO3 + CO2↑ + H2O.
При пропускании СО2 через известковую воду происходит помутнение раствора вследствие образования карбоната кальция:
Сa(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.
Соли угольной кислоты устойчивы, хотя сама и неустойчива. Большинство карбонатов нерастворимы в воде. Растворимы карбонаты щелочных металлов и (NH4)2CO3, Tl2CO3. Гидрокарбонаты в воде растворяются.
Растворы карбонатов щелочных металлов вследствие гидролиза имеют сильнощелочную реакцию:
Na2CO3 + H2O ↔ NaHCO3 + NaOH
CO32- + H2O ↔ HCO3- + OH-.