Теоретический материал по теме №3

         Соединения углерода с кислородом: СО и СО₂. СО – угарный газ, без запаха, мало растворим в воде. Образуется при взаимодействии углерода с недостатком кислорода:

С + 0,5O₂ = CO

          Формально CO можно рассматривать как ангидрид муравьиной кислоты, которая легко разлагается в присутствии концентрированной серной кислоты:

HCOOH = H₂O + CO

          СО является несолеобразующим оксидом. Для СО наиболее характерны восстановительные свойства. Например, при комнатной температуре он восстанавливает соединения некоторых благородных металлов:

PdCl₂ + CO + H₂O = Pd + CO₂ + 2HCl

         Но в виду прочности связи в молекуле CO восстановительные свойства обычно проявляются при высокой температуре. Это свойство широко используется в металлургической промышленности для восстановления металлов из оксидов при нагревании (температуры изменяются от 300 до 1500 ⁰С):

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe = 3CO₂

         В присутствии катализатора CO окисляется хлором при комнатной температуре с образованием оксодихлорида углерода (фосген):

CO + Cl₂  = COCl₂

         При нагревании окисляется серой с образованием тиооксида углерода:

СO + S = COS,

         который растворяется в воде и медленно с ней реагирует:

COS + 2H₂O = H₂S + H₂CO₃

         Диоксид углерода СO₂ образуется при нагревании CO с кислородом:

                                       СО + 0,5О₂ = СО₂,     ∆G⁰  = -256,9 кДж

         Бесцветный газ, слегка кисловатый на вкус, в 1,5 раза тяжелее воздуха. Очень много СO₂ образуется при сгорании любых углеродсодержащих веществ в избытке воздуха.

          При комнатной температуре и под давлением около 6000 К переходит в бесцветную жидкость. При ее охлаждении в результате испарения диоксида углерода образуется твердая снегообразная масса (сухой лед).

          Орбитали углерода находятся в состоянии sp-гибридизации, поэтому молекулы CO₂ имеют линейную конфигурацию: O = C = O.

         В воздухе содержание CO₂ составляет 0,03% (об.). Образуется при различных процессах окисления органических веществ: при дыхании живых организмов, брожения, горения топлива, горения лесов и т.д.

          Диоксид углерода относится к «парниковым газам». Увеличение количества CO₂ в атмосфере может привести к повышению ее температуры. Коротковолновое излучение Солнца нагревает Землю, и, как любое нагретое тело, Земля начинает излучать, но в более длинноволновом диапазоне. Ее излучение способно поглощаться молекулами CO₂. В результате часть излучения не попадает в космос, а накапливается в молекулах CO₂. Этим объясняется повышение температуры атмосферы, а явление в целом называется «парниковым эффектом».

         Молекулы CO₂ неполярны, поэтому плохо растворяются в воде – при 25 ⁰С растворимость составляет 0,03 моль/л. При растворении CO₂ в воде часть молекул взаимодействует с ней, образуя угольную кислоту: H₂CO₃. Молекулы угольной кислоты существуют только в растворе и не выделены в виде индивидуального вещества. Угольная кислота – слабый электролит.  К_дис1 = 4∙10^-7, К_дис2 = 4∙10^-11.

         Cоли угольной кислоты – карбонаты, мало растворимы в воде, хорошо растворимы только соли щелочных металлов и аммония. Симметричный карбонат-ион CO₃^2- представляет собой плоский треугольник (sp² – гибридизация атомных орбиталей углерода), устойчив к окислительно-восстановительным превращениям в щелочных средах и в виде твердых солей. При нагревании твердые карбонаты сравнительно легко разлагаются, температура разложения тем выше, чем более электроноположителен металл, образующий катион.

         Температуры разложения растут в ряду:

MgCO₃ (230 ⁰С) ˂ MnCO₃  ˂  FeCO₃ ˂ CaCO₃  ˂  SrCO₃  ˂ BaCO₃ (1300 ⁰С)

          Для щелочных металлов и аммония известны кислые соли – гидрокарбонаты, которые имеют более высокую растворимость, чем средние карбонаты. Большое практическое значение имеют Na₂CO₃ – сода и NaHCO₃ – питьевая сода. Получить соды угольной кислоты можно пропусканием диоксида углерода через раствор щелочи:

CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O

          В избытке углекислого газа карбонаты переходят в гидрокарбонаты:

Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O ↔ 2NaHCO₃

         В водных растворах карбонат- и гидрокарбонат-ионы подвергаются гидролизу:

CO₃^2- + H₂O ↔ HCO₃^- + OH^-

HCO₃^- + H₂O ↔ H₂CO₃ + OH^-

          Действие карбоната натрия или калия на растворы солей, содержащих гидролизующиеся катионы, имеющих заряд «2+» (Be²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Co²⁺ и др.), приводят к образованию основных карбонатов, например, (ZnOH)₂CO₃. В присутствии сильных гидролизующихся катионов (Al³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺) протекает реакция взаимного усиления гидролиза солей с выделением осадков гидроксидов:

2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O =↓2Al(OH)₃ + 3CO₂↑ + 6NaCl

         Наличие гидрокарбонатов Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂ объясняет жесткость природной воды. При нагревании растворов гидрокарбонатов они разлагаются на средний карбонат, диоксид углерода и воду:

Ca(HCO₃)₂ = СaCO₃↓ + CO₂ + H₂O,

таким образом устраняя временную жесткость воды.

         Малорастворимые соли карбонатов магния и кальция оседают на стенках котлов. Это может привести к авариям. Поэтому для устранения жесткости воды ее обрабатывают оксидом кальция CaO, который при взаимодействии с водой образует гидроксид кальция Ca(OH)₂, образующий с гидрокарбонатом кальция средний карбонат. Осадок отфильтровывают:

СaO + Ca(HCO₃)₂ = 2СaCO₃↓+ H₂O

         Другой способ устранения жесткости заключается в пропускании воды через колонки с катионообменными смолами для извлечения из нее ионов кальция и магния.

         Соли угольной кислоты и продукты их реакции играют важную роль в кругообороте углерода в природе, а также находят широкое практическое применение. В технике и быту различают кристаллическую соду – Na₂CO₃∙10H₂O, кальцинированную соду – Na₂CO₃ и пищевую соду – NaHCO_3. Питьевая сода широко применяется в промышленности и в медицине. Na₂CO₃ является сырьем в стекольной, бумажной промышленности, текстильном производстве. Карбонат кальция СaCO₃ – природный минерал (мрамор, мел, туф и др.) с давних времен применяется как строительный материал, а также в качестве связующего компонента в конструкциях. NH₄HCO₃ – гидрокарбонат аммония – пекарский порошок, используют в хлебопечении как разрыхлитель теста. Кроме солей угольной кислоты практическое значение имеют амиды угольной кислоты: мочевина – (NH₂) ₂CO:

 

и карбаминовая кислота – CO(NH₂)OH:

         В неорганической химии мочевина используется как лиганд, а в сельском хозяйстве – как высокоэффективное азотное удобрение. Карбаминовая кислота и карбомат-ион могут также могут выступать как комплектующие реагенты за счет неподеленных электронных пар на атомах азота и кислорода.

         В аналитической химии для осаждения катионов щелочноземельных металлов Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ применяют раствор карбоната аммония (NH₂)₂CO₃.