Взаимодействие углерода с углекислым газом протекает по реакции
Рассматриваемая система состоит из двух фаз – твердого углерода и газа (f = 2). Три взаимодействующих вещества связаны между собой одним уравнением реакции, следовательно, количество независимых компонентов k = 2. Согласно правилу фаз Гиббса число степеней свободы системы будет равно
С = 2 + 2 – 2 = 2 .
Это означает, что равновесные концентрации СО и СО 2 являются функциями температуры и давления.
Реакция (2.1) является эндотермической. Поэтому согласно принципу Ле Шателье повышение температуры смещает равновесие реакции в направлении образования дополнительного количества СО.
При протекании реакции (2.1) расходуется 1 моль СО 2 , который при нормальных условиях имеет объем 22400 см 3 , и 1 моль твердого углерода объемом 5,5 см 3 . В результате реакции образуется 2 моля СО, объем которых при нормальных условиях равен 44800 см 3 .
Из приведенных выше данных об изменении объема реагентов при протекании реакции (2.1) следует:
- Рассматриваемое превращение сопровождается увеличением объема взаимодействующих веществ. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье повышение давления будет способствовать протеканию реакции в направлении образования СО 2 .
- Изменение объема твердой фазы пренебрежимо мало в сравнении с изменением объема газа. Поэтому для гетерогенных реакций с участием газообразных веществ с достаточной точностью можно считать, что изменение объема взаимодействующих веществ определяется только количеством молей газообразных веществ в правой и левой частях уравнения реакции.
Константа равновесия реакции (2.1) определяется из выражения
Если в качестве стандартного состояния при определении активности углерода принять графит, то а С = 1
Численное значение константы равновесия реакции (2.1) можно определить из уравнения
Данные о влиянии температуры на величину константы равновесия реакции приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Значения константы равновесия реакции (2.1) при различных температурах
Из приведенных данных видно, что при температуре около 1000К (700 о С) константа равновесия реакции близка к единице. Это означает, что в области умеренных температур реакция (2.1) практически полностью обратима. При высоких температурах реакция необратимо протекает в направлении образования СО, а при низких температурах в обратном направлении.
Если газовая фаза состоит только из СО и СО 2 , выразив парциальные давления взаимодействующих веществ через их объемные концентрации, уравнение (2.4) можно привести к виду
В промышленных условиях СО и СО 2 получают в результате взаимодействия углерода с кислородом воздуха или дутья, обогащенного кислородом. При этом в системе появляется еще один компонент – азот. Введение азота в газовую смесь влияет на соотношение равновесных концентраций СО и СО 2 аналогично уменьшению давления.
Из уравнения (2.6) видно, что состав равновесной газовой смеси является функцией температуры и давления. Поэтому решение уравнения (2.6) графически интерпретируется при помощи поверхности в трехмерном пространстве в координатах Т, P общ и (%СО). Восприятие такой зависимости затруднено. Значительно удобнее изображать ее в виде зависимости состава равновесной смеси газов от одной из переменных при постоянстве второго из параметров системы. В качестве примера на рисунке 2.1 приведены данные о влиянии температуры на состав равновесной газовой смеси при P общ = 10 5 Па.
При известном исходном составе смеси газов судить о направлении протекания реакции (2.1) можно при помощи уравнения
Если давление в системе остается неизменным, соотношение (2.7) можно привести к виду
Рисунок 2.1 – Зависимость равновесного состава газовой фазы для реакции С + СО 2 = 2СО от температуры при P CO +P CO 2 = 10 5 Па.
Для газовой смеси, состав которой отвечает точке а на рисунке 2.1, . При этом
а G > 0. Таким образом, точки выше равновесной кривой характеризуют системы, приближение которых к состоянию термодинамического равновесия протекает по реакции
Аналогичным образом можно показать, что точки ниже равновесной кривой характеризуют системы, которые приближаются к равновесному состоянию по реакции
Наиболее часто встречающиеся процессы образования этого соединения - гниение животных и растительных останков, горение различных видов топлива, дыхание животных и растений. Например, один человек за сутки выделяет в атмосферу около килограмма углекислого газа. Оксид и диоксид углерода могут образовываться и в неживой природе. Углекислый газ выделяется при вулканической деятельности, а также может быть добыт из минеральных водных источников. Углекислый газ находится в небольшим количестве и в атмосфере Земли.
Особенности химического строения данного соединения позволяют ему участвовать во множестве химических реакций, основой для которых является диоксид углерода.
Формула
В соединении этого вещества четырехвалентный атом углерода образовывает линейную связь с двумя молекулами кислорода. Внешний вид такой молекулы можно представить так:
Теория гибридизации объясняет строение молекулы диоксида углерода так: две существующие сигма-связи образованы между sp-орбиталями атомов углерода и двумя 2р-орбиталями кислорода; р-орбитали углерода, которые не принимают участие в гибридизации, связаны в соединении с аналогичными орбиталями кислорода. В химических реакциях углекислый газ записывается в виде: CO 2.
Физические свойства
При нормальных условиях диоксид углерода представляет собой бесцветный газ, не обладающий запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому углекислый газ и может вести себя, как жидкость. Например, его можно переливать из одной емкости в другую. Это вещество немного растворяется в воде - в одном литре воды при 20 ⁰С растворяется около 0,88 л CO 2 . Небольшое понижение температуры кардинально меняет ситуацию - в том же литре воды при 17⁰С может раствориться 1,7 л CO 2 . При сильном охлаждении это вещество осаждается в виде снежных хлопьев - образуется так называемый «сухой лед». Такое название произошло от того, что при нормальном давлении вещество, минуя жидкую фазу, сразу превращается в газ. Жидкий диоксид углерода образуется при давлении чуть выше 0,6 МПа и при комнатной температуре.
Химические свойства
При взаимодействии с сильными окислителями 4-диоксид углерода проявляет окислительные свойства. Типичная реакция этого взаимодействия:
С + СО 2 = 2СО.
Так, при помощи угля диоксид углерода восстанавливается до своей двухвалентной модификации - угарного газа.
При нормальных условиях углекислый газ инертен. Но некоторые активные металлы могут в нем гореть, извлекая из соединения кислород и высвобождая газообразный углерод. Типичная реакция - горение магния:
2Mg + CO 2 = 2MgO + C.
В процессе реакции образуется оксид магния и свободный углерод.
В химических соединениях СО 2 часто проявляет свойства типичного кислотного оксида. Например, он реагирует с основаниями и основными оксидами. Результатом реакции становятся соли угольной кислоты.
Например, реакция соединения оксида натрия с углекислым газом может быть представлена так:
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3 ;
2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O;
NaOH + CO 2 = NaHCO 3 .
Угольная кислота и раствор СО 2
Диоксид углерода в воде образует раствор с небольшой степенью диссоциации. Такой раствор углекислого газа называется угольной кислотой. Она бесцветна, слабо выражена и имеет кисловатый вкус.
Запись химической реакции:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.
Равновесие довольно сильно сдвинуто влево - лишь около 1% начального углекислого газа превращается в угольную кислоту. Чем выше температура - тем меньше в растворе молекул угольной кислоты. При кипении соединения она исчезает полностью, и раствор распадается на диоксид углерода и воду. Структурная формула угольной кислоты представлена ниже.
Свойства угольной кислоты
Угольная кислота очень слабая. В растворах она распадается на ионы водорода Н + и соединения НСО 3 - . В очень небольшом количестве образуются ионы СО 3 - .
Угольная кислота - двухосновная, поэтому соли, образованные ею, могут быть средними и кислыми. Средние соли в русской химической традиции называются карбонатами, а сильные - гидрокарбонатами.
Качественная реакция
Одним из возможных способов обнаружения газообразного диоксида углерода является изменение прозрачности известкового раствора.
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.
Этот опыт известен еще из школьного курса химии. В начале реакции образуется небольшое количество белого осадка, который впоследствии исчезает при пропускании через воду углекислого газа. Изменение прозрачности происходит потому, что в процессе взаимодействия нерастворимое соединение - карбонат кальция превращается в растворимое вещество - гидрокарбонат кальция. Реакция протекает по такому пути:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 .
Получение диоксида углерода
Если требуется получить небольшое количество СО2, можно запустить реакцию соляной кислоты с карбонатом кальция (мрамором). Химическая запись этого взаимодействия выглядит так:
CaCO 3 + HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 .
Также для этой цели используют реакции горения углеродсодержащих веществ, например ацетилена:
СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2 -.
Для сбора и хранения полученного газообразного вещества используют аппарат Киппа.
Для нужд промышленности и сельского хозяйства масштабы получения диоксида углерода должны быть большими. Популярным методом такой масштабной реакции является обжиг известняка, в результате которого получается диоксид углерода. Формула реакции приведена ниже:
CaCO 3 = CaO + CO 2 .
Применение диоксида углерода
Пищевая промышленность после масштабного получения «сухого льда» перешла на принципиально новый метод хранения продуктов. Он незаменим при производстве газированных напитков и минеральной воды. Содержание СО 2 в напитках придает им свежесть и заметно увеличивает срок хранения. А карбидизация минеральных вод позволяет избежать затхлости и неприятного вкуса.
В кулинарии часто используют метод погашения лимонной кислоты уксусом. Выделяющийся при этом углекислый газ придает пышность и легкость кондитерским изделиям.
Данное соединение часто используется в качестве пищевой добавки, повышающей срок хранения пищевых продуктах. Согласно международным нормам классификации химических добавок содержания в продуктах, проходит под кодом Е 290,
Порошкообразный углекислый газ - одно из наиболее популярных веществ, входящих в состав пожаротушительных смесей. Это вещество встречается и в пене огнетушителей.
Транспортировать и хранить углекислый газ лучше всего в металлических баллонах. При температуре более 31⁰С давление в баллоне может достигнуть критического и жидкий СО 2 перейдет в сверхкритическое состояние с резким подъемом рабочего давления до 7,35 МПа. Металлический баллон выдерживает внутреннее давление до 22 МПа, поэтому диапазон давления при температурах свыше тридцати градусов признается безопасным.
Прежде чем рассматривать химические свойства углекислого газа, выясним некоторые характеристики данного соединения.
Общие сведения
Является важнейшим компонентом газированной воды. Именно он придает напиткам свежесть, игристость. Данное соединение является кислотным, солеобразующим оксидом. углекислого газа составляет 44 г/моль. Этот газ тяжелее воздуха, поэтому скапливается в нижней части помещения. Данное соединение плохо растворяется в воде.
Химические свойства
Рассмотрим химические свойства углекислого газа кратко. При взаимодействии с водой происходит образование слабой угольной кислоты. Она практически сразу после образования диссоциирует на катионы водорода и анионы карбоната или гидрокарбоната. Полученное соединение вступает во взаимодействие с активными металлами, оксидами, а также со щелочами.
Каковы основные химические свойства углекислого газа? Уравнения реакций подтверждают кислотный характер данного соединения. (4) способен образовывать карбонаты с основными оксидами.
Физические свойства
При нормальных условиях данное соединение находится в газообразном состоянии. При повышении давления можно перевести его до жидкого состояния. Этот газ не имеет цвета, лишен запаха, обладает незначительным кислым вкусом. Сжиженная углекислота является бесцветной, прозрачной, легкоподвижной кислотой, аналогичной по своим внешним параметрам эфиру либо спирту.
Относительная молекулярная масса углекислого газа составляет 44 г/моль. Это практически в 1,5 раза больше, чем у воздуха.
В случае понижения температуры до -78,5 градусов по Цельсию происходит образование Он по своей твердости аналогичен мелу. При испарении данного вещества образуется газообразный оксид углерода (4).
Качественная реакция
Рассматривая химические свойства углекислого газа, необходимо выделить его качественную реакцию. При взаимодействии данного химического вещества с известковой водой происходит образование мутного осадка карбоната кальция.
Кавендишу удалось обнаружить такие характерные физические свойства оксида углерода (4), как растворимость в воде, а также высокий удельный вес.
Лавуазье был проведен в ходе которого он пытался из оксида винца выделить чистый металл.
Выявленные в результате подобных исследований химические свойства углекислого газа стали подтверждением восстановительных свойств данного соединения. Лавуазье при прокаливании окиси свинца с оксидом углерода (4) сумел получить металл. Для того чтобы удостовериться в том, что второе вещество является оксидом углерода (4), он пропустил через газ известковую воду.
Все химические свойства углекислого газа подтверждают кислотный характер данного соединения. В земной атмосфере данное соединение содержится в достаточном количестве. При систематическом росте в земной атмосфере данного соединения возможно серьезное изменение климата (глобальное потепление).
Именно диоксид углерода играет важную роль в живой природе, ведь данное химическое вещество принимает активное участие в метаболизме живых клеток. Именно это химическое соединение является результатом разнообразных окислительных процессов, связанных с дыханием живых организмов.
Углекислый газ, содержащийся в земной атмосфере, является основным источником углерода для живых растений. В процессе фотосинтеза (на свету) происходит процесс фотосинтеза, который сопровождается образованием глюкозы, выделением в атмосферу кислорода.
Диоксид углерода не обладает токсичными свойствами, он не поддерживает дыхания. При повышенной концентрации данного вещества в атмосфере у человека возникает задержка дыхания, появляются сильные головные боли. В живых организмах углекислый газ имеет важное физиологическое значение, к примеру, он необходим для регуляции сосудистого тонуса.
Особенности получения
В промышленных масштабах углекислоту можно выделять из дымового газа. Кроме того, СО2 является побочным продуктом разложения доломита, известняка. Современные установки для производства углекислого газа предполагают использование водного раствора этанамина, адсорбирующего газ, содержащийся в дымовом газе.
В лаборатории диоксид углерода выделяют при взаимодействии карбонатов или гидрокарбонатов с кислотами.
Применение углекислого газа
Данный кислотный оксид применяется в промышленности в качестве разрыхлителя или консерванта. На упаковке продукции данное соединение указывается в виде Е290. В жидком виде углекислоту используют в огнетушителях для тушения пожаров. Оксид углерода (4) используют для получения газированной воды и лимонадных напитков.
Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?
Углекислый газ и его физические свойства
Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.
Рис. 1. Молекула углекислого газа.
Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.
Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».
Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.
Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.
Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.
Чтобы вычислить массовые доли элементов в углекислом газе необходимо следовать формулерасчета массовых долей каждого химического элемента в веществе.
n
– число атомов или молекул.
Ar
– относительная атомная масса химического элемента.
Mr
– относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.
Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27 % Так как в формулу углекислого газа входит два атома кислорода, то n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73 %
Ответ: w(C) = 0,27 или 27 %; w(O) = 0,73 или 73 %
Химические и биологические свойства углекислого газа
Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:
CO₂+H₂O=H₂CO₃
Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.
При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:
2CO₃=2CO+O₃.
Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:
СaO+Co₃=CaCO₃.
Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.
Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.
Представим себе такую ситуацию:
Вы работаете в лаборатории и решили провести какой-либо эксперимент. Для этого вы открыли шкаф с реактивами и неожиданно увидели на одной из полок следующую картину. У двух баночек с реактивами отклеились этикетки, которые благополучно остались лежать неподалеку. При этом установить точно какой банке соответствует какая этикетка уже невозможно, а внешние признаки веществ, по которым их можно было бы различить, одинаковы.
В таком случае проблема может быть решена с использованием, так называемых, качественных реакций .
Качественными реакциями называют такие реакции, которые позволяют отличить одни вещества от других, а также узнать качественный состав неизвестных веществ.
Например, известно, что катионы некоторых металлов при внесении их солей в пламя горелки окрашивают его в определенный цвет:
Данный метод может сработать только в том случае, если различаемые вещества по разному меняют цвет пламени, или же одно из них не меняет цвет вовсе.
Но, допустим, как назло, вам определяемые вещества цвет пламени не окрашивают, или окрашивают его в один и тот же цвет.
В этих случаях придется отличать вещества с применением других реагентов.
В каком случае мы можем отличить одно вещество от другого с помощью какого-либо реагента?
Возможны два варианта:
- Одно вещество реагирует с добавленным реагентом, а второе нет. При этом обязательно, должно быть ясно видно, что реакция одного из исходных веществ с добавленным реагентом действительно прошла, то есть наблюдается какой-либо ее внешний признак — выпадал осадок, выделился газ, произошло изменение цвета и т.п.
Например, нельзя отличить воду от раствора гидроксида натрия с помощью соляной кислоты, не смотря на то, что щелочи с кислотами прекрасно реагируют:
NaOH + HCl = NaCl + H 2 O
Связано это с отсутствием каких-либо внешних признаков реакции. Прозрачный бесцветный раствор соляной кислоты при смешении с бесцветным раствором гидроксида образует такой же прозрачный раствор:
Но зато, можно воду от водного раствора щелочи можно различить, например, с помощью раствора хлорида магния – в данной реакции выпадает белый осадок:
2NaOH + MgCl 2 = Mg(OH) 2 ↓+ 2NaCl
2) также вещества можно отличить друг от друга, если они оба реагируют с добавляемым реагентом, но делают это по-разному.
Например, различить раствор карбоната натрия от раствора нитрата серебра можно с помощью раствора соляной кислоты.
с карбонатом натрия соляная кислота реагирует с выделением бесцветного газа без запаха — углекислого газа (СО 2):
2HCl + Na 2 CO 3 = 2NaCl + H 2 O + CO 2
а с нитратом серебра с образованием белого творожистого осадка AgCl
HCl + AgNO 3 = HNO 3 + AgCl↓
Ниже в таблицах представлены различные варианты обнаружения конкретных ионов:
Качественные реакции на катионы
| Катион | Реактив | Признак реакции |
| Ba 2+ | SO 4 2- |
Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4 ↓ |
| Cu 2+ |
1) Выпадение осадка голубого цвета:
Cu 2+ + 2OH − = Cu(OH) 2 ↓ 2) Выпадение осадка черного цвета: Cu 2+ + S 2- = CuS↓ |
|
| Pb 2+ | S 2- |
Выпадение осадка черного цвета:
Pb 2+ + S 2- = PbS↓ |
| Ag + | Cl − |
Выпадение белого осадка, не растворимого в HNO 3 , но растворимого в аммиаке NH 3 ·H 2 O: Ag + + Cl − → AgCl↓ |
| Fe 2+ |
2) Гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль) K 3 |
1) Выпадение белого осадка, зеленеющего на воздухе: Fe 2+ + 2OH − = Fe(OH) 2 ↓ 2) Выпадение синего осадка (турнбулева синь): K + + Fe 2+ + 3- = KFe↓ |
| Fe 3+ |
2) Гексацианоферрат (II) калия (желтая кровяная соль) K 4 3) Роданид-ион SCN − |
1) Выпадение осадка бурого цвета: Fe 3+ + 3OH − = Fe(OH) 3 ↓ 2) Выпадение синего осадка (берлинская лазурь): K + + Fe 3+ + 4- = KFe↓ 3) Появление интенсивно-красного (кроваво-красного) окрашивания: Fe 3+ + 3SCN − = Fe(SCN) 3 |
| Al 3+ | Щелочь (амфотерные свойства гидроксида) |
Выпадение белого осадка гидроксида алюминия при приливании небольшого количества щелочи: OH − + Al 3+ = Al(OH) 3 и его растворение при дальнейшем приливании: Al(OH) 3 + NaOH = Na |
| NH 4 + | OH − , нагрев | Выделение газа с резким запахом:
NH 4 + + OH − = NH 3 + H 2 O Посинение влажной лакмусовой бумажки |
| H + (кислая среда) |
Индикаторы: − лакмус − метиловый оранжевый |
Красное окрашивание |
