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 → 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
- 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:
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 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