Получение углекислого газа в лабораторных условиях

Углекислый газ (диоксид углерода)

Он не пригоден для поддержания жизни. Однако именно им «питаются» растения, превращая его в органические вещества. К тому же он является своеобразным «одеялом» Земли. Если этот газ вдруг исчезнет из атмосферы, на Земле станет гораздо прохладнее, а дожди практически исчезнут.

«Одеяло Земли»

Углекислый газ (двуокись углерода, диоксид углерода, CO₂) формируется при соединении двух элементов: углерода и кислорода. Он образуется в процессе сжигания угля или углеводородных соединений, при ферментации жидкостей, а также как продукт дыхания людей и животных. В небольших количествах он содержится и в атмосфере, откуда он ассимилируется растениями, которые, в свою очередь, производят кислород.

Углекислый газ бесцветен и тяжелее воздуха. Замерзает при температуре −78.5°C с образованием снега, состоящего из двуокиси углерода. В виде водного раствора он образует угольную кислоту, однако она не обладает достаточной стабильностью для того, чтобы ее можно было легко изолировать.

Углекислый газ — это «одеяло» Земли. Он легко пропускает ультрафиолетовые лучи, которые обогревают нашу планету, и отражает инфракрасные, излучаемые с ее поверхности в космическое пространство. И если вдруг углекислый газ исчезнет из атмосферы, то это в первую очередь скажется на климате. На Земле станет гораздо прохладнее, дожди будут выпадать очень редко. К чему это в конце концов приведет, догадаться нетрудно.

Правда, такая катастрофа нам пока еще не грозит. Скорее даже, наоборот. Сжигание органических веществ: нефти, угля, природного газа, древесины – постепенно увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере. Значит, со временем надо ждать значительного потепления и увлажнения земного климата. Кстати, старожилы считают, что уже сейчас заметно теплее, чем было во времена их молодости.

Двуокись углерода выпускается жидкая низкотемпературная, жидкая высокого давления и газообразная. Ее получают из отбросных газов производств аммиака, спиртов, а также на базе специального сжигания топлива и других производств. Газообразная двуокись углерода – газ без цвета и запаха при температуре 20°С и давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), плотность – 1,839 кг/м 3 . Жидкая двуокись углерода – просто бесцветная жидкость без запаха.

Углекислый газ нетоксичен и невзрывоопасен. При концентрациях более 5% (92 г/м 3 ) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека — она тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья.

Получение двуокиси углерода

В промышленности углекислый газ получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании разлагается, высвобождая углекислоту. При промышленном производстве газ закачивается в баллоны.

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора с соляной кислотой.

«Сухой лед» и прочие полезные свойства диоксида углерода

В повседневной практике углекислый газ используется достаточно широко. Например, газированная вода с добавками ароматных эссенций – прекрасный освежающий напиток. В пищевой промышленности диоксид углерода используется и как консервант — он обозначается на упаковке под кодом Е290, а также в качестве разрыхлителя теста.

Углекислотными огнетушителями пользуются при пожарах. Биохимики нашли, что удобрение. воздуха углекислым газом весьма эффективное средство для увеличения урожайности различных культур. Пожалуй, такое удобрение имеет единственный, но существенный недостаток: применять его можно только в оранжереях. На заводах, производящих диоксид углерода, сжиженный газ расфасовывают в стальные баллоны и отправляют потребителям. Если открыть вентиль, то из отверстия с шипением вырывается. снег. Что за чудо?

Все объясняется просто. Работа, затраченная на сжатие газа, оказывается значительно меньше той, которая требуется на его расширение. И чтобы как-то компенсировать возникающий дефицит, углекислый газ резко охлаждается, превращаясь в «сухой лед». Он широко используется для сохранения пищевых продуктов и перед обычным льдом имеет значительные преимущества: во-первых, «хладопроизводительность» его вдвое выше на единицу веса; во-вторых, он испаряется без остатка.

Углекислый газ используется в качестве активной среды при сварке проволокой, так как при температуре дуги углекислота разлагается на угарный газ СО и кислород, который, в свою очередь, и входит во взаимодействие с жидким металлом, окисляя его.

Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

«Получение углекислого газа и его свойства». Урок – практическая работа

Разделы: Химия

Цели:

• Расширить представления об истории открытия, свойствах и практическом применении углекислого газа.
• Познакомить учащихся с лабораторными способами получения углекислого газа.
• Продолжить формирование экспериментальных навыков учащихся.

Используемые приемы: “верные и неверные утверждения”, “зигзаг-1”, кластеры.

Лабораторное оборудование: лабораторный штатив, прибор для получения газов, стакан на 50 мл, кусочки мрамора, соляная кислота (1:2), известковая вода, зажим Мора.

I. Стадия вызова

На стадии вызова используется прием “верные и неверные утверждения”.

II. Стадия осмысления

1. Организация деятельности в рабочих группах, участники которых получают тексты по пяти основным темам “зигзага”:

1. История открытия углекислого газа
2. Углекислый газ в природе
3. Получение углекислого газа
4. Свойства углекислого газа
5. Практическое применение углекислого газа

Идет первоначальное знакомство с текстом, первичное чтение.

2. Работа в экспертных группах.

В экспертные группы объединяются “специалисты” по отдельным вопросам. Их задача – внимательное чтение текста, выделение ключевых фраз и новых понятий либо использование кластеров и различных схем для графического изображения содержания текста (работа ведется индивидуально).

3. Отбор материала, его структурирование и дополнение (групповая работа)

4. Подготовка к трансляции текста в рабочих группах

• 1-я группа экспертов составляет опорный конспект “История открытия углекислого газа”
• 2-я группа экспертов составляет схему распространения углекислого газа в природе
• 3-я группа экспертов составляет схему получения углекислого газа и рисунок установки для его получения
• 4-я группа экспертов составляет классификацию свойств углекислого газа
• 5-я группа экспертов составляет схему практического применения углекислого газа

5. Подготовка к презентации (плакат)

III. Стадия рефлексии

Возвращение в рабочие группы

1. Трансляция в группе тем 1–5 последовательно. Сбор установки для получения углекислого газа. Получение углекислого газа и исследование его свойств.
2. Обсуждение результатов эксперимента.
3. Презентация отдельных тем.
4. Возвращение к “верным и неверным утверждениям”. Проверка своих первоначальных предположений. Расстановка новых значков.

Это может выглядеть так:

Тексты по пяти основным темам “зигзага”

1. История открытия углекислого газа

Углекислый газ был первым между всеми другими газами противопоставлен воздуху под названием “дикого газа” алхимиком XVI в. Вант Гельмонтом.

Открытием СО₂ было положено начало новой отрасли химии – пневматохимии (химии газов).

Шотландский химик Джозеф Блэк (1728 – 1799 г.г.) в 1754 году установил, что известковый минерал мрамор (карбонат кальция) при нагревании разлагается с выделением газа и образует негашеную известь (оксид кальция):

CaCO₃ CaO + CO₂
карбонат кальция оксид кальция углекислый газ

Выделяющийся газ можно было вновь соединить с оксидом кальция и вновь получить карбонат кальция :

CaO + CO₂ CaCO₃
оксид кальция углекислый газ карбонат кальция

Этот газ был идентичен открытому Ван Гельмонтом “дикому газу”, но Блэк дал ему новое название – “связанный воздух” – так как этот газ можно было связать и вновь получить твердую субстанцию, а также он обладал способностью притягиваться известковой водой (гидроксидом кальция) и вызывать её помутнение:

CO₂ + Ca(OH)₂ CaCO₃ + H₂O
углекислый газ гидроксид кальция карбонат кальция вода

Несколько лет спустя Кавендиш обнаружил еще два характерных физических свойства углекислого газа – его высокую плотность и значительную растворимость в воде.

2. Углекислый газ в природе

Содержание углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, всего 0,04–0,03% (по объему). CO₂, сосредоточенный в атмосфере, имеет массу 2200 биллионов тонн.
В 60 раз больше углекислого газа содержится в растворенном виде в морях и океанах.
В течение каждого года из атмосферы извлекается примерно 1/50 часть всего содержащегося в ней CO₂ растительным покровом земного шара в процессе фотосинтеза, превращающего минеральные вещества в органические.
Основная масса углекислого газа в природе образуется в результате различных процессов разложения органических веществ. Углекислый газ выделяется при дыхании растений, животных, микроорганизмов. Непрерывно увеличивается количество углекислого газа, выделяемого различными производствами. Углекислый газ содержится в составе вулканических газов, выделяется он и из земли в вулканических местностях. Несколько столетий функционирует в качестве постоянно действующего генератора CO₂ “Собачья пещера” вблизи города Неаполя в Италии. Она знаменита тем, что собаки в ней не могут находиться, а человек может там пребывать в нормальном состоянии. Дело в том, что в этой пещере углекислый газ выделяется из земли, а так как он в 1,5 раза тяжелее воздуха, то располагается внизу, примерно на высоте роста собаки (0,5 м). В таком воздухе, где углекислого газа 14% , собаки (и другие животные, разумеется) дышать не могут, но стоящий на ногах взрослый человек не ощущает избытка углекислого газа в этой пещере. Такие же пещеры существуют в Йеллоустонском национальном парке (США).
Природные источники углекислого газа называются мофетами. Мофеты характерны для последней, поздней стадии затухания вулканов в которой находится, в частности, знаменитый вулкан Эльбрус. Поэтому там наблюдаются многочисленные выходы пробивающихся сквозь снега и льды горячих источников, насыщенных углекислым газом.
Вне земного шара оксид углерода (IV) обнаружен в атмосферах Марса и Венеры – планетах “земного типа”.

3. Получение углекислого газа

В промышленности углекислый газ получается главным образом как побочный продукт обжига известняка спиртового брожения и др.
В химических лабораториях либо пользуются готовыми баллонами с жидким углекислым газом, либо получают CO₂ в аппаратах Киппа или приборе для получения газов действием соляной кислоты на куски мрамора:

CaCO₃ + 2HCl CaCl₂ + CO₂ + H₂O
карбонат кальция соляная кислота хлорид кальция углекислый газ вода

Пользоваться серной кислотой вместо соляной при этом нельзя, потому что тогда вместо растворимого в воде хлорида кальция получался бы гипс – сульфат кальция (CaSO₄) – соль, малорастворимая в воде. Отлагаясь на кусках мрамора, гипс крайне затрудняет доступ к ним кислоты и тем самым очень замедляет течение реакции.
Для получения углекислого газа:

1. Закрепите в лапке лабораторного штатива прибор для получения газов
2. Выньте из пробирки с отростком пробку с воронкой
3. Поместите в насадку 2–3 кусочка мрамора величиной ? горошины
4. Вставьте пробку с воронкой в пробирку снова. Откройте зажим
5. Прилейте в воронку (осторожно!) соляную кислоту (1:2) так, чтобы кислота слегка покрывала мрамор
6. Наполните оксидом углерода (IV) химический стакан и закройте зажим.

4. Свойства углекислого газа

CO₂ – это бесцветный газ, не имеет запаха, тяжелее воздуха в 1,5 раза, с трудом смешивается с ним (по выражению Д.И. Менделеева, “тонет” в воздухе), что можно доказать следующим опытом: над стаканом, в котором закреплена горящая свечка, опрокидывают стакан, наполненный углекислым газом. Свечка мгновенно гаснет.
Оксид углерода (IV) обладает кислотными свойствами и при растворении этого газа в воде образуется угольная кислота. При пропускании CO₂ через подкрашенную лакмусом воду можно наблюдать изменение цвета индикатора с фиолетового на красный.
Хорошая растворимость углекислого газа в воде делает невозможным собирание его методом “вытеснения воды”.
Качественной реакцией на содержание углекислого газа в воздухе является пропускание газа через разбавленный раствор гидроксида кальция (известковую воду). Углекислый газ вызывает образование в этом растворе нерастворимого карбоната кальция, в результате чего раствор становится мутным:

CO₂ + Ca(OH)₂ CaCO₃ + H₂O
углекислый газ гидроксид кальция карбонат кальция вода

При добавлении избыточного количества CO2 мутный раствор снова становится прозрачным из-за превращения нерастворимого карбоната в растворимый гидрокарбонат кальция:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ Ca(HCO₃)₂
карбонат кальция вода углекислый газ гидрокарбонат кальция

5. Практическое применение углекислого газа

Прессованный твердый углекислый газ получил название “сухого льда”.
Твердый CO₂ скорее похож на спрессованный плотный снег, по твердости напоминающий мел. Температура “сухого льда” –78 о С. Сухой лед, в отличие от водяного льда, плотный. Он тонет в воде, резко охлаждая её. Горящий бензин можно быстро потушить, бросив в пламя несколько кусочков сухого льда.
Главное применение сухого льда – хранение и перевозка продуктов питания: рыбы, мяса, мороженого и др. Ценность сухого льда заключается не только в его охлаждающем действии, но и в том, что продукты в углекислом газе не плесневеют и не гниют.
Сухим льдом испытывают в лабораториях детали, приборы, механизмы, которые будут служить в условиях пониженных температур. С помощью сухого льда испытывают морозоустойчивость резиновых покрышек автомобилей.
Углекислый газ применяют для газирования фруктовых и минеральных вод, а в медицине – для углекислотных ванн.
Жидкий углекислый газ используют в углекислотных огнетушителях, огнетушительных системах самолетов и кораблей и в пожарных углекислотных машинах. Он особенно эффективен в тех случаях, когда вода непригодна, например, при тушении загоревшихся огнеопасных жидкостей или при наличии в помещении невыключенной электропроводки или уникального оборудования, которое от воды может пострадать.
Во многих случаях CO₂ используют не в готовом виде, а получают в процессе использования, например, хлебопекарных порошков, содержащих смесь бикарбоната натрия с кислым виннокислым калием. При смешивании таких порошков с тестом соли растворяются и возникает реакция с выделением CO₂ . В результате тесто всходит, наполняясь пузырьками углекислого газа, и выпеченный из него продукт получается мягким и вкусным.

Литература

1. Перемена // Международный журнал о развитии мышления через чтение и письмо. – 2000. – №№ 1, 2.
2. Современный студент в поле информации и коммуникации: Учебно-методическое пособие. – СПб.: PETROC, 2000.
3. Загашев И.О., Заир-Бек С.И. Критическое мышление: технология развития. – СПб.: Издательство “Альянс “Дельта”, 2003.

Углекислый газ

Углекислый газ (двуокись углерода, диоксид углерода) занимает важнейшее место среди технических газов, он широко используется практически во всех отраслях промышленности и агропромышленного комплекса. На долю СО ₂ приходится 10% всего рынка технических газов, что ставит этот продукт в один ряд с основными продуктами разделения воздуха.

Направления использования углекислого газа в различных агрегатных состояниях многообразны – пищевая промышленность, сварочные газы и смеси, пожаротушение и т.д. Всё больше находит применение и его твердая фаза – сухой лёд, от заморозки, сухих брикетов до очистки поверхностей (бластинга).

Получение

Извне углекислоту получить нельзя по причине того, что в атмосфере ее почти не содержится. Животные и человек получают её при полном расщеплении пищи, поскольку белки, жиры, углеводы, построенные на углеродной основе, при сжигании с помощью кислорода в тканях образуют углекислый газ (СО ₂ ).

В промышленности углекислый газ получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). В пищевых целях используется газ, образующийся при спиртовом брожении. Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха, как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона. В лабораторных условиях небольшие количества СО ₂ получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например, мрамора, мела или соды с соляной кислотой. Побочные источники производства СО ₂ — продукты горения; брожение; производство жидкого аммиака; установки риформинга; производство этанола; природные источники.

При получении углекислого газа в промышленных масштабах используют три основные группы сырья.

Группа 1 — источники сырья, из которых можно производить чистый СО ₂ без специального оборудования для повышения его концентрации:

• газы химических и нефтехимических производств с содержанием 98-99% СО ₂ ;
• газы спиртового брожения на пивоваренных, спиртовых и гидролизных заводах с 98-99% СО ₂ ;
• газы из естественных источников с 92-99% СО ₂ .

Группа 2 — источники сырья, использование которых обеспечивает получение чистого СО ₂ :

• газы малораспространенных химических производств с содержанием 80-95% СО ₂ .

Группа 3 — источники сырья, использование которых дает возможность производить чистый СО ₂ только с помощью специального оборудования:

• газовые смеси, состоящие в основном из азота и углекислого газа (продукты сгорания углеродсодержащих веществ с содержанием 8-20% СО ₂ ;
• отходящие газы известковых и цементных заводов с 30-40% СО ₂ ;
• колошниковые газы доменных печей с 21-23% СО ₂ ;
• состоящие в основном из метана и углекислого газа и содержащие значительные примеси других газов (биогаз и свалочный газ из биореакторов с 30-45% СО ₂ ;
• попутные газы при добыче природного газа и нефти с содержанием 20-40% СО ₂ .

Применение

По ряду оценок, потребление СО2 на мировом рынке превышает 20 млн. метрических тонн в год. Столь высокий уровень потребления формируется под влиянием требований пищевой промышленности и нефтепромысловых предприятий, технологий газирования напитков и других промышленных нужд, например, снижения показателя Ph установок водоочистки, проблем металлургии (в том числе использования сварочного газа) и т.д.

Потребление углекислого газа неуклонно растет, поскольку расширяются сферы его применения, которые охватывают задачи от промышленного назначения до пищевого производства – консервация продуктов, в машиностроении от сварочного производства и приготовления защитных сварочных смесей до очистки поверхностей деталей гранулами «сухого льда», в сельском хозяйстве для подкормки растений, в газовой и нефтяной промышленности при пожаротушении.

Основные области применения СО ₂ :

• в машиностроении и строительстве (для сварки и прочее);
• для холодной посадки частей машин;
• в процессах тонкой заточки;
• для электросварки, основанной на принципе защиты расплавленного металла от вредного воздействия атмосферного воздуха;
• в металлургии;
• продувка углекислым газом литейных форм;
• при производстве алюминия и других легкоокисляющихся металлов;
• в сельском хозяйстве для создания искусственного дождя;
• в экологии заменяет сильнодействующие минеральные кислоты для нейтрализации щелочной отбросной воды;
• в изготовлении противопожарных средств;
• применяется в углекислотных огнетушителях в качестве огнетушащего вещества, эффективно останавливает процесс горения;
• в парфюмерии при изготовлении духов;
• в горнодобывающей промышленности;
• при методе беспламенного взрыва горных пород;
• в пищевой промышленности;
• используется как консервант и обозначается на упаковке кодом Е290;
• в качестве разрыхлителя теста;
• для производства газированных напитков;

Напитки с углекислотой

Газирование напитков может происходить одним из двух путей:

1. При производстве популярных сладких и минеральных вод используется механический способ газирования, который предполагает насыщение углекислым газом какой-либо жидкости. Для этого необходимо специальное оборудование (сифоны, акратофоры, сатураторы) и баллоны со сжатым углекислым газом.
2. При химическом способе газирования углекислоту получают в процессе брожения. Таким образом получается шампанское вино, пиво, хлебный квас. Углекислота в содовых водах получается в результате реакции соды с кислотой, сопровождающейся бурным выделением углекислого газа.

СО ₂ как сварочный газ

Начиная с 1960 года широкое распространение получила сварка легированных и углеродистых сталей в среде углекислого газа (СО ₂ ), отвечающего требованиям ГОСТ 8050. В последнее время все большее распространение в сварочных технологиях машиностроительных предприятий находит применение сварочных газовых смесей аргона и гелия, при этом многие наиболее востребованные газовые смеси включают в себя небольшое количество активных газов (СО ₂ или О ₂ ), необходимых для стабилизации сварочной дуги. Однако при сварке углеродистых и низколегированных сталей основных структурных классов на российских предприятиях основным защитным газом по-прежнему продолжает оставаться углекислый газ СО ₂ , что объясняется физическими свойствами этого защитного газа и его доступностью.

Чтобы уточнить стоимость или получить дополнительную консультацию,
вы можете позвонить по тел.: +7 (495) 545-44-62 или отправить запрос .

Получение и собирание углекислого газа. Доказательство наличия этого газа в сосуде.

Углекислый газ в лаборатории получают, приливая

1. соляную кислоту к мелу:
CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑

2. соляной или серной кислоты к соде:
Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑

Закрываем пробирку, где идет реакция, пробкой с газоотводной трубкой. Трубку опускаем в колбу (углекислый газ тяжелее воздуха), горлышко желательно прикрыть куском ваты.

Доказываем наличие углекислого газа, приливая в колбу прозрачный раствор известковой воды, взбалтываем. Известковая вода мутнеет вследствие образования нерастворимого карбоната кальция:

Билет № 22

Натрий: положение этого химического элемента в периодической системе, строение его атома, физические свойства. Химические свойства натрия: взаимодействие с неметаллами, водой.

Положение в периодической системе: натрий находится в 3 периоде, I группе, главной (А) подгруппе.

Атомный номер натрия 11, следовательно, заряд атома натрия равен + 11, число электронов 11. Три электронных уровня (равно периоду), на внешнем уровне 1 электрон (равно номеру группы для главных подгрупп).

Схема расположения электронов по уровням:
₁₁Na ) ) )
2 8 1

Ядро атома натрия 23 Na содержит 11 протонов (равно заряду ядра) и 12 нейтронов (атомная масса минус число протонов: 23 – 11 = 12).

Простое вещество натрий – металл серебристо-белого цвета, легкий (плотность 0,97 г/см 3 – легче воды), мягкий (легко режется ножом), легкоплавкий (температура плавления 98 о C).

Натрий, как и все щелочные металлы, – сильный восстановитель. Он энергично реагирует с неметаллами:

1. При нагревании до 180 о С в умеренном количестве кислорода образуется оксид натрия:
4Na + O₂ = 2Na₂O

2. Натрий горит на воздухе с образованием пероксида натрия:
2Na + O₂ = Na₂O₂
Натрий хранят под слоем керосина.

3. Расплавленный натрий в хлоре сгорает с ослепительной вспышкой (можно говорить проще – реагирует с хлором при нагревании), на стенках сосуда образуется белый налет хлорида натрия:
2Na + Cl₂ = 2NaCl

Натрий может взрываться при растирании с порошком серы (образуется сульфид натрия):
2Na + S = Na₂S

Натрий при нагревании восстанавливает водород, образуется гидрид натрия:
2Na + H₂ = 2NaH

Если небольшой кусочек натрия поместить в воду, он бурно реагирует с водой. Металл плавится от выделяющейся теплоты и «бегает» по поверхности воды. Образуется раствор гидроксида натрия:
2Na + 2HOH = 2NaOH + H₂↑

Натрий в природе содержится в различных минералах, в виде соли в морской воде. В человеческом организме соли натрия входят в состав плазмы крови, лимфу.

Применяется в атомной энергетике и в виде соединений (поваренной соли NaCl, соды Na₂CO₃ и др.)

2. Опыт. Осуществление превращения: соль → нерастворимое основание → оксид металла.

Для получения нерастворимого основания, к раствору соли добавляем гидроксид натрия. Полученный осадок нагреваем на спиртовке, он разлагается с образованием оксида.

Лучше взять сульфат или хлорид меди (II):

Выпадает синий осадок гидроксида меди (II). При нагревании осадок чернеет в результате образования черного оксида меди (II):

Билет № 23

1. Круговорот химических элементов в природе (на примере углерода или азота). Роль живых существ в круговороте химических элементов.

Углерод в природе содержится в различных осадочных горных породах: меле, известняке. Большое количество углерода входит в состав растительной биомассы. Содержание в атмосфере углекислого газа сравнительно невелико – менее 1 % (точнее 0,03 % по объему), но именно этот углерод приковывает сегодня внимание ученых.

Углекислый газ необходим растениям для фотосинтеза. В процессе фотосинтеза образуются органические вещества, служащие источником питания для всех живых организмов. В то же время углекислый газ способен вызывать парниковый эффект.

Это связано с тем, что солнечный свет проходит сквозь атмосферу, нагревает земную поверхность, которая отдает в космос избыток тепла в виде инфракрасных тепловых лучей. Углекислый газ пропускает солнечный свет, но задерживает инфракрасное излучение. В результате повышения концентрации CO₂ может произойти глобальное потепление климата, угрожающее таянием полярных льдов. Это вызовет подъем уровня океана и затопление больших площадей суши.

Фотосинтез – основной процесс, постоянно изымающий углекислый газ из атмосферы. В настоящее время происходит сокращение площади лесов, что особенно пагубно – влажных тропических лесов. Загрязнение поверхности океана нефтепродуктами препятствует нормальному газообмену и фотосинтезу водорослей.

В то же время неуклонно растет потребление ископаемого топлива: природного газа, нефти, каменного угля, – при сжигании которого в атмосферу выбрасывается углекислый газ. Углекислый газ выделяется также при гниении органических веществ, дыхании животных и человека.

В создавшейся ситуации, важную роль в регуляции содержания CO₂ в атмосфере играют донные отложения карбоната кальция, образующиеся при отмирании мелких морских беспозвоночных. При повышении содержания в атмосфере углекислого газа, он растворяется в воде, известняк вступает с ним в реакцию с образованием гидрокарбонатов, что связывает избыток углекислоты:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O Ca(HCO₃)₂

Если в атмосфере возникает недостаток углекислого газа, равновесие смещается влево, гидрокарбонаты разлагаются с освобождением CO₂.

Эти процессы можно представить в виде схемы:

Углерод

Углерод

Углерод — неметаллический элемент IV группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, является важнейшей частью всех органических веществ в природе.

Общая характеристика элементов IVa группы

От C к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Из элементов IVа группы углерод и кремний относятся к неметаллам, германий, олово и свинец — металлы.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns 2 np 2 :

• C — 2s 2 2p 2
• Si — 3s 2 3p 2
• Ge — 4s 2 4p 2
• Sn — 5s 2 5p 2
• Pb — 6s 2 6p 2

Природные соединения

В природе углерод встречается в виде следующих соединений:

• Аллотропных модификаций — графит, алмаз, фуллерен
• MgCO₃ — магнезит
• CaCO₃ — кальцит (мел, мрамор)
• CaCO₃*MgCO₃ — доломит

Получение

Углерод получают в ходе пиролиза углеводородов (пиролиз — нагревание без доступа кислорода). Также применяется получение углеродистых соединений: древесины и каменного угля.

Химические свойства

• Реакции с неметаллами

При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.

2С + O₂ → (t) 2CO (угарный газ — продукт неполного окисления углерода, образуется при недостатке кислорода)

С + O₂ → (t) CO₂ (углекислый газ — продукт полного окисления углерода, образуется при достаточном количестве кислорода)

Реакции с металлами

При нагревании углерод реагирует с металлами, проявляя свои окислительные свойства. Напомню, что металлы могут принимать только положительные степени окисления.

Ca + C → CaC₂ (карбид кальция, СО углерода = -1)

Al + C → Al₄C₃ (карбид алюминий, СО углерода -4)

Очевидно, что степень окисления углерода в соединении с различными металлами может отличаться.

Углерод — хороший восстановитель. С помощью него металлургическая промышленность справляется с задачей получения чистых металлов из их оксидов:

Углерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:

SiO₂ + C → (t) Si + CO

Может восстановить и собственный оксид:

Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца — крайне важна в промышленности:

Реакции с кислотами

В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:

Оксид углерода II — СO

Оксид углерода II — продукт неполного окисления углерода. Несолеобразующий оксид. Это чрезвычайно опасное вещество часто образуется при пожарах в замкнутых помещениях, при прогревании машины в гараже.

Растворяясь в крови угарный газ (имеющий в 300 раз большее сродство к гемоглобину, чем кислород) легко выигрывает конкуренцию у кислорода и занимает его место в эритроцитах. Отравление угарным газом нередко заканчивается летальным исходом.

В промышленности угарный газ получают восстановлением оксида углерода IV или газификацией угля (t = 1000 °С).

В лаборатории угарный газ получают при разложении муравьиной кислоты в присутствии серной:

Химические свойства

Полностью окисляется до углекислого газа в реакции с кислородом, восстанавливает оксиды металлов.

FeO + CO → Fe + CO₂

Образование карбонилов — чрезвычайно токсичных веществ.

Оксид углерода IV — CO₂

Продукт полного окисления углерода. Относится к кислотным оксидам, соответствует угольной кислоте H₂CO₃. Бесцветный газ, без запаха.

В промышленности углекислый газ получают при разложении известняка, в ходе производства алкоголя, при спиртовом брожении глюкозы.

В лабораторных условиях используют реакцию мела (мрамора) с соляной кислотой.

Углекислый газ образуется при горении органических веществ:

Химические свойства

Реакция с водой

В результате реакции с водой образуется нестойкая угольная кислота, которая сразу же распадается на воду и углекислый газ.

Реакции с основными оксидами и основаниями

В ходе реакций с основаниями и основными оксидами углекислый газ образует соли угольной кислоты: средние — карбонаты (при избытке основания), кислые — гидрокарбонаты (при избытке кислотного оксида).

2KOH + CO₂ → K₂CO₃ + H₂O (соотношение основание — кислотный оксид 2:1)

KOH + CO₂ → KHCO₃ (соотношение основание — кислотный оксид 1:1)

При нагревании способен окислять металлы до их оксидов.

Zn + CO₂ → (t) ZnO + CO

Угольная кислота

Слабая двухосновная кислота, существующая только в растворах, разлагается на воду и углекислый газ.

Химические свойства

Определить наличие карбонат-иона можно с помощью кислоты: такая реакция сопровождается «закипанием» — появлением пузырьков бесцветного газа без запаха.

Я не раз встречал описание реакций, связанных с этой кислотой, которое заслуживает нашего внимания. В задании было сказано, что при добавлении к раствору гидроксида кальция углекислого газа осадок появлялся, при дальнейшем пропускании углекислого газа — помутнение исчезало.

Это можно легко объяснить, вспомнив про способность угольной кислоты образовывать кислые соли, которые растворимы.

Чтобы сделать из средней соли (карбоната) — кислую соль (гидрокарбонат) нужно добавить угольную кислоту. Однако написать ее формулу H₂CO₃ — ошибка. Ее следует записать в виде воды и углекислого газа.

Li₂CO₃ + CO₂ + H₂O → LiHCO₃ (средняя соль + кислота = кислая соль)

Чтобы вернуть среднюю соль, следует добавить к кислой соли щелочь.

Нагревание солей угольной кислоты

При нагревании карбонаты распадаются на соответствующий оксид металла и углекислый газ, гидрокарбонаты — на карбонат металла, углекислый газ и воду.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.