Соединения углерода

Монооксид углерода (угарный газ)

Способы получения угарного газа

В промышленности угарный газ получают:

• при пропускании воздуха через раскаленный уголь:

C + O₂ → CO₂

CO₂ + C → 2CO

• паровая конверсия метана – взаимодействие перегретого водяного пара (температура – 800-900ºС) с метаном. В качестве катализаторов используют Ni, MgO, Al₂O₃:

СН₄ + Н₂O → СО + 3Н₂

• взаимодействие метана с углекислым газом (температура – 800-900ºС, кат. – Ni, MgO, Al₂O₃):

СН₄ + CO₂ → 2СО + 2Н₂

• горение углерода в недостатке кислорода (неполное окисление углерода):

2C + O₂ → 2CO

• неполное окисление метана:

2СН₄ + О₂ → 2СО + 4Н₂

В лаборатории угарный газ можно получить:

• Нагреванием муравьиной кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты:

НСООН → CO + H₂O

•  Нагреванием щавелевой кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты:

H₂C₂O₄ → CO + CO₂ + H₂O

Химические свойства угарного газа

СО – несолеобразующий оксид

• Формально СО можно рассматривать как ангидрид муравьиной кислоты, т.к. он образуется при дегидратации муравьиной кислоты:

НСООН → CO + H₂O

А также образование формиата натрия в реакции с гидроксидом натрия при высоком давлении:

CO + NaOH → HCOONa

Однако при обычных условиях он не вступает в реакции с водой, кислотами и щелочами, поэтому относится к типу несолеобразующих оксидов.

Является сильным восстановителем, поэтому реагирует с окислителями:

• Горит синим пламенем в атмосфере кислорода:

2СO + O₂→ 2CO₂

• Окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием ядовитого газа фосгена:

CO + Cl₂ → COCl₂

• Окисляется другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов:

CO + Na₂O₂→ Na₂CO₃

• Восстанавливает металлы из оксидов (при Т~300 — 1500ºС):

СО + CuO → Cu + CO₂

СО + NiO → Ni + CO₂

4CO + Fe₃O₄→ 3Fe + 4CO₂

• Восстановление водорода из воды в присутствии катализатора Fe, Cr при температуре 400-500 ºС:

СО + Н₂О= CO₂ + Н₂

• Восстановление некоторых благородных металлов из солей:

СО + PdCl₂ + Н₂О→ Pd + CO₂ + 2HCl

• Взаимодействие с водородом при повышенном давлении. Из синтез-газа (смеси угарного газа и водорода) при определенных условиях (P, T, kt) можно получить метанол, метан, или другие углеводороды:

СО + 2Н₂ → СН₃ОН

СО + 3Н₂ → СН₄ + Н₂О

nСО + (2n+1)Н₂ → С_nН_2n+2 + nН₂О

• Образование карбонилов металлов при нагревании:

4СO + Ni = [Ni(СO)₄]

4СO + Fe = [Fe(СO)₅]

• Образование карбоксигемоглобина при связывании угарного газа с гемоглобином крови подобно кислороду:

HbO₂ + CO = HbCO + O₂

Этим свойством СО и объясняется его высокая токсичность для организма человека.

Диоксид углерода (углекислый газ)

Способы получения углекислого газа

• CO₂ – Конечный продукт окисления органических веществ в клетках аэробных организмов

• Образуется при действии сильных кислот на карбонаты (растворимые и нерастворимые) и гидрокарбонаты металлов:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

NaHCO₃ + HBr → NaBr +H₂O +CO₂

• При взаимодействии растворимых карбонатов с растворимыми солями алюминия, железа (III) и хрома (III), которые необратимо гидролизуются в водном растворе:

2AlCl₃ + 3K₂CO₃ + 3H₂O → 2Al(OH)₃↓ + CO₂↑ + 6KCl

• При термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов:

CaCO₃ → CaO + CO₂

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O +CO₂

• При сжигании всех видов топлив:

С_xH_y + O₂ = H₂O + CO₂

• При спиртовом брожении глюкозы под действием ферментов:

С₆H₁₂O₆  → 2CO₂ + 2C₂H₅OH

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ — типичный кислотный оксид. Проявляет слабые окислительные свойства

• Качественная реакция на углекислый газ — помутнение известковой воды:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

• Взаимодействует с водой, но реакция сильно обратима, и с водой соединяется лишь 1% молекул угольной кислоты:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

• С основными оксидами и сильными основаниями (щелочами), с образованием карбонатов или гидрокарбонатов. При этом возможно образование как кислых, так и средних солей:

Na₂O + CO₂ → 2Na₂CO₃

KOH + CO₂  → KHCO₃

2KOH + CO₂ → K₂CO₃+ H₂O

• С карбонатами, с образованием гидрокарбонатов:

Na₂CO₃ + CO₂+ H₂O → 2NaHCO₃

• С водными растворами солей, образованными кислотами, слабее угольной (очень слабые кислоты):

Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O = H₂SiO₃ + Na₂CO₃

C₆H₅OK + CO₂+ H₂O → C₆H₅OH + KHCO₃

• С некоторыми восстановителями:

CO₂ + 3H₂ → 2CН₃OН + H₂O

CO₂ + C → 2CO

2Мg + CO₂ → C + 2MgO

Внимание! Магний горит в атмосфере углекислого газа, поэтому горящий магний нельзя тушить углекислотными огнетушителями.

• В листьях растений на свету из CO₂ и H₂O образуются углеводы и кислород:

                                 nCO₂ + mH₂O = C_n(H₂O)_m + nO₂

• С пероксидом натрия, с образованием карбоната натрия:

2CO₂ + 2Na₂O₂ → 2Na₂CO₃ + O₂

• Синтез карбамида (мочевины):

CO₂ + 2NH₃ = CO(NH₂)₂ + H₂O

• Получение питьевой соды по методу Сольвэ:

NaCl + CO₂ + NH₃ + H₂O = NaHCO₃ + NH₄Cl

Угольная кислота и карбонаты

Химические свойства угольной кислоты и карбонатов

Угольная кислота – слабая двухосновная кислота

Угольная кислота существует только в водном растворе, где количество ее молекул и анионов в сотни раз меньше, чем количество растворенных молекул углекислого газа CO₂

• Диссоциирует по 2-м ступеням с образованием гидрокарбонат- и карбонат ионов:

H₂CO₃ ↔ H⁺ + НCO₃^—

НCO₃^— ↔ H⁺ + CO₃^2-

H₂CO₃ как индивидуальное соединение неустойчиво и не имеет практического значения, но ее соли устойчивы и нашли широкое применение.

• Растворимыми являются карбонаты щелочных металлов. Высокая степень гидролиза является причиной щелочной реакции их водных растворов рН(0,1 М р-ра) ~ 11,7:

Na₂CO₃ + H₂O = NaOH + NaHCO₃

CO₃^2-+ H₂O = OH^— + HCO₃^—

• Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония при нагревании (более 900ºС) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV):

CaCO₃ → CaO + CO₂

Карбонат аммония при нагревании разлагается иначе:

(NH₄)₂CO₃ → 2NH₃ + 2H₂O + CO₂

• Качественной реакцией является взаимодействие с кислотами является на ионы СО₃^2─ и НСО₃⁻ в результате которой происходит выделение СО₂:

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂ ↑ + H₂O

• при взаимодействии с разбавленными растворами соляной или серной кислот происходит выделение углекислого газа, который затем пропускают через раствор известковой воды. При этом наблюдается помутнение раствора:

NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ ↑ + H₂O

CO₂ + Сa(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O

При дальнейшем пропускании раствор вновь становится прозрачным, помутнение исчезает:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Сa(НCO₃)₂

• Переход в гидрокарбонаты при пропускании CO₂ через растворы карбонатов или постепенном добавлении кислот:

Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O = 2NaНCO₃ 

Na₂CO₃ + HCl → NaНCO₃ + NaCl

• Гидрокарбонаты все, кроме NaНCO₃ легко растворяются в воде. Водные растворы также имеют щелочную реакцию вследствие гидролиза:

НCO₃^—+ H₂O = OH^— + H₂CO₃

• при нагревании гидрокарбонаты переходят в карбонаты или гидроксиды:

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ ↑+ H₂O

Mg(HCO₃)₂ = Mg(OH)₂↓ + 2CO₂↑ + H₂O