Оксиды углерода

Углерод образует два оксида, и они совсем не похожи друг на друга. Углекислый газ \(\ce{CO2}\) выдыхает каждый из нас, а угарный газ \(\ce{CO}\) — смертельно опасный яд. Разница между ними — всего один атом кислорода.

Углекислый газ

Углекислый газ \(\ce{CO2}\), или оксид углерода(IV), — бесцветный газ без запаха, в полтора раза тяжелее воздуха. Он не горит и не поддерживает горение, поэтому им заполняют огнетушители. Под давлением углекислый газ хорошо растворяется в воде, так делают газированные напитки. Твёрдый \(\ce{CO2}\) — это сухой лёд, который при −78 °C испаряется, минуя жидкое состояние.

В воздухе углекислого газа около 0,04 %. Он выделяется при дыхании, горении и гниении, а растения поглощают его при фотосинтезе. Углекислый газ задерживает тепло, уходящее от Земли, и рост его содержания в атмосфере усиливает парниковый эффект (тема 6.2). Химически это типичный кислотный оксид. Необычная его реакция — с горящим магнием: магний продолжает гореть в углекислом газе, отнимая у него кислород, поэтому горящий магний нельзя тушить углекислотным огнетушителем:

\[ \ce{2Mg + CO2 ->[t^\circ] 2MgO + C} \]

Получение углекислого газа

Для получения углекислого газа в лаборатории на мрамор или мел действуют соляной кислотой, обычно в аппарате Киппа. В промышленности углекислый газ получают обжигом известняка, при котором образуется и негашёная известь:

\[ \ce{CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 + H2O + CO2 ^}, \qquad \ce{CaCO3 ->[t^\circ] CaO + CO2 ^} \]

Углекислый газ тяжелее воздуха, поэтому его собирают вытеснением воздуха в сосуд, поставленный отверстием вверх. Горящая лучинка в таком сосуде гаснет.

Качественная реакция на углекислый газ

Лучинка гаснет и в азоте, поэтому для точного распознавания служит качественная реакция на углекислый газ: при пропускании газа через известковую воду (прозрачный раствор гидроксида кальция) она мутнеет из-за образования нерастворимого карбоната кальция. При длительном пропускании углекислого газа муть исчезает: карбонат превращается в растворимую кислую соль — гидрокарбонат кальция.

\[ \ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 v + H2O}, \qquad \ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2} \]

Вторая реакция идёт и в природе: вода с растворённым углекислым газом растворяет известняк и вымывает в нём пещеры. А там, где раствор гидрокарбоната кальция капает с потолка пещеры и теряет углекислый газ, реакция идёт в обратную сторону, и вырастают сталактиты и сталагмиты.

Угарный газ

Угарный газ \(\ce{CO}\), или оксид углерода(II), — бесцветный газ без запаха, очень ядовитый. Он образуется при неполном сгорании топлива, например в печи с рано закрытой заслонкой, отсюда и слово «угореть». Угарный газ прочно соединяется с гемоглобином крови, в сотни раз прочнее кислорода, и кровь перестаёт переносить кислород к тканям.

Угарный газ — несолеобразующий оксид: с водой, щелочами и кислотами он не реагирует. Зато он горит голубым пламенем и при нагревании отнимает кислород у оксидов металлов, поэтому служит главным восстановителем в доменной печи (тема 4.11):

\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2}, \qquad \ce{CuO + CO ->[t^\circ] Cu + CO2}, \qquad \ce{Fe2O3 + 3CO ->[t^\circ] 2Fe + 3CO2} \]