Оксиды углерода

9 заданий

Угарный газ

Угарный газ, CO, образован атомами углерода и кислорода, соединёнными тройной связью. Его молекула изоэлектронна молекуле \(\ce{N2}\): каждая содержит 10 валентных электронов. У CO небольшой дипольный момент, причём частичный отрицательный заряд находится у атома углерода. У этого атома также есть неподелённая электронная пара, поэтому в карбонилах металлов CO связывается с металлом через углерод. Примеры таких соединений — \(\ce{Fe(CO)5}\) и \(\ce{Ni(CO)4}\).

errorОпасность отравления угарным газом

CO не имеет цвета и запаха, поэтому его трудно обнаружить без прибора. Он связывается с железом гемоглобина в 200–250 раз прочнее кислорода, вследствие чего кровь перестаёт переносить \(\ce{O2}\). При концентрации 0,1 % отравление за час может привести к смерти. Оно возможно при неисправных печах, в закрытых гаражах и при пожарах. Поэтому в доме с газовой колонкой необходим датчик угарного газа.

В химических реакциях CO проявляет разные свойства. При нагревании он восстанавливает оксиды металлов, что особенно важно для получения железа в доменной печи. Кроме того, угарный газ служит исходным веществом для синтеза других соединений.

scienceУгарный газ в реакциях

\(\ce{HCOOH ->[H2SO4 (конц), t] CO ^ + H2O}\) — при нагревании муравьиной кислоты с концентрированной серной кислотой CO получают в лаборатории.
\(\ce{Fe2O3 + 3CO ->[t] 2Fe + 3CO2}\) — при нагревании угарный газ восстанавливает оксид железа(III) до железа и является главным восстановителем в доменной печи.
\(\ce{CO + Cl2 ->[h\nu] COCl2}\) — при освещении образуется фосген, который используют как сырьё для поликарбонатов и полиуретанов; в Первую мировую войну его применяли как боевое отравляющее вещество.
\(\ce{CO + 2H2 ->[Cu/ZnO] CH3OH}\) — из угарного газа и водорода синтезируют метанол (урок 60).
\(\ce{Ni + 4CO -> Ni(CO)4}\) — в процессе Монда получают летучий карбонил, который затем разлагают при 200 °C с образованием никеля высокой чистоты.
\(\ce{CO + NaOH ->[t, p] HCOONa}\) — хотя CO относят к несолеобразующим оксидам, при повышенных температуре и давлении он реагирует со щёлочью с образованием формиата натрия.

Углекислый газ

Молекула \(\ce{CO2}\) имеет линейное строение O=C=O. Каждая связь в ней полярна, но молекула в целом неполярна. В отличие от CO, углекислый газ является кислотным оксидом: с водой он образует угольную кислоту.

При атмосферном давлении жидкого \(\ce{CO2}\) не бывает: твёрдый \(\ce{CO2}\), называемый «сухим льдом», при −78,5 °C возгоняется, то есть переходит непосредственно в газ. Жидкая фаза возможна при более высоком давлении; давление в тройной точке составляет 5,1 атм.

auto_awesomeСверхкритический CO₂

При температуре выше 31 °C и давлении выше 73 атм \(\ce{CO2}\) становится сверхкритическим флюидом, который хорошо растворяет органические вещества. Его используют для извлечения кофеина из кофейных зёрен при декофеинизации, а также для получения эфирных масел. После снижения давления углекислый газ удаляется из продукта, не оставляя растворителя.

Как кислотный оксид, углекислый газ реагирует с известковой водой. Однако его реакции не ограничиваются этим: например, горящий магний восстанавливает \(\ce{CO2}\) до углерода.

scienceУглекислый газ в реакциях

\(\ce{CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 + CO2 ^ + H2O}\) — при взаимодействии карбоната кальция с соляной кислотой углекислый газ получают в аппарате Киппа.
\(\ce{CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3 v + H2O}\) — известковая вода мутнеет из-за образования осадка; эту реакцию используют для обнаружения углекислого газа.
\(\ce{2Mg + CO2 ->[t] 2MgO + C}\) — горящий магний реагирует с углекислым газом, поэтому углекислотный огнетушитель не гасит магний.
\(\ce{CO2 + 2NH3 -> (NH2)2CO + H2O}\) — углекислый газ и аммиак используют для синтеза карбамида.
\(\ce{6CO2 + 6H2O ->[h\nu] C6H12O6 + 6O2}\) — при фотосинтезе из углекислого газа и воды образуются глюкоза и кислород.

errorОпасность скопления углекислого газа

В 1986 году из глубинных вод камерунского озера Ниос внезапно выделилось облако углекислого газа вулканического происхождения. Тяжёлый газ стекал в долины и вызвал удушье около 1700 человек. Сейчас газ отводят из озера по трубам, чтобы трагедия не повторилась.

Равновесие Будуара

Углекислый газ может взаимодействовать с раскалённым углеродом с образованием угарного газа. Это обратимое превращение называют равновесием Будуара:

\[\ce{C + CO2 <=> 2CO}\qquad\Delta H^\circ = +172\ \text{кДж}\]

Прямая реакция поглощает теплоту, поэтому при нагревании равновесие смещается в сторону CO. При этом из одного моля газа образуются два; следовательно, повышение давления смещает равновесие в противоположную сторону. Ниже 400 °C равновесная газовая смесь почти полностью состоит из \(\ce{CO2}\), а выше 1000 °C — из CO.

boltРавновесие Будуара в металлургии

В горне доменной печи, где температура превышает 1500 °C, кокс сначала сгорает до \(\ce{CO2}\). Затем углекислый газ реагирует с раскалённым коксом и образует CO. Поэтому именно CO является главным восстановителем в печи. В её более холодной верхней части часть CO превращается в углерод и углекислый газ по реакции \(\ce{2CO -> C + CO2}\). Такое превращение называют диспропорционированием: атомы углерода в CO одновременно окисляются и восстанавливаются. Образовавшийся углерод откладывается в виде сажи.

scienceГазовые равновесия углерода

\(\ce{C + CO2 <=> 2CO}\) — это реакция Будуара (1901).
\(\ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}\) — при конверсии угарный газ реагирует с водяным паром с образованием углекислого газа и водорода (урок 57).
\(\ce{C + H2O <=> CO + H2}\) — при взаимодействии углерода с водяным паром образуется водяной газ.
\(\ce{FeO + CO <=> Fe + CO2}\) — в доменной печи угарный газ восстанавливает оксид железа(II) до железа (урок 56).

auto_awesomeУгарный газ в печи

Если закрыть печную заслонку слишком рано, когда дрова прогорели до углей, угли продолжат тлеть при недостатке воздуха. Образующийся углекислый газ реагирует с раскалённым углём по реакции Будуара, и в печи накапливается CO. Отравление угарным газом при слишком раннем закрытии заслонки называли словом «угорели».

push_pinГлавное

В молекуле CO атомы соединены тройной связью; она изоэлектронна \(\ce{N2}\). CO относят к несолеобразующим оксидам. При нагревании он является сильным восстановителем (\(\ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}\)), а в карбонилах служит лигандом (\(\ce{Ni(CO)4}\)). Угарный газ ядовит, поскольку связывается с гемоглобином в 200–250 раз прочнее кислорода. Молекула \(\ce{CO2}\) линейна; этот газ является кислотным оксидом и с водой образует угольную кислоту. При атмосферном давлении твёрдый \(\ce{CO2}\) («сухой лёд») возгоняется при −78,5 °C, а сверхкритический \(\ce{CO2}\) используют как растворитель. При нагревании равновесие Будуара \(\ce{C + CO2 <=> 2CO}\) смещается в сторону CO. Магний при горении реагирует с \(\ce{CO2}\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.