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:

2СН+ 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 → СnН2n+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

  • CO2Конечный 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:

СxHy + 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 = Cn(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+ + CO32-

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

CO32-+ 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 СО32─ и НСО3в результате которой происходит выделение СО2:

Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO↑ + 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 + CO↑ + H2O

CO2 + Сa(OH)2 = CaCO3↓ + H2O

При дальнейшем пропускании раствор вновь становится прозрачным, помутнение исчезает:

CaCO3 + CO+ H2O = Сa(НCO3)2

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

Na2CO3 + CO+ H2O = 2NaНCO

Na2CO3 + HCl → NaНCO+ 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