DEFINIȚIE
Dioxid de carbon(dioxid de carbon, anhidridă carbonică, dioxid de carbon) – monoxid de carbon (IV).
Formula – CO2. Masa molara – 44 g/mol.
Proprietățile chimice ale dioxidului de carbon
Dioxidul de carbon aparține clasei de oxizi acizi, adică. Când interacționează cu apa, formează un acid numit acid carbonic. Acidul carbonic este instabil din punct de vedere chimic și în momentul formării se descompune imediat în componentele sale, adică. Reacția dintre dioxid de carbon și apă este reversibilă:
CO 2 + H 2 O ↔ CO 2 × H 2 O (soluție) ↔ H 2 CO 3 .
Când este încălzit, dioxidul de carbon se descompune în monoxid de carbon și oxigen:
2CO 2 = 2CO + O 2.
Ca toți oxizii acizi, dioxidul de carbon se caracterizează prin reacții de interacțiune cu oxizi bazici (formați numai din metale active) și baze:
CaO + C02 = CaC03;
Al203 + 3C02 = Al2(C03)3;
C02 + NaOH (diluat) = NaHC03;
CO2 + 2NaOH (conc) = Na2CO3 + H2O.
Dioxidul de carbon nu susține arderea în el numai metalele active:
C02 + 2Mg = C + 2MgO (t);
CO2 + 2Ca = C + 2CaO (t).
Dioxidul de carbon reacționează cu substanțe simple precum hidrogenul și carbonul:
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H20 (t, kat = Cu20);
CO2 + C = 2CO (t).
Când dioxidul de carbon reacționează cu peroxizii metalelor active, se formează carbonați și se eliberează oxigen:
2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2.
O reacție calitativă la dioxidul de carbon este reacția interacțiunii acestuia cu apa de var (lapte), adică. cu hidroxid de calciu, în care se formează un precipitat alb - carbonat de calciu:
CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3↓ + H2O.
Proprietățile fizice ale dioxidului de carbon
Dioxidul de carbon este o substanță gazoasă fără culoare sau miros. Mai greu decât aerul. Stabil termic. Când este comprimat și răcit, se transformă cu ușurință în stare lichidă și solidă. Dioxidul de carbon în stare solidă se numește „gheață carbonică” și se sublimează ușor la temperatura camerei. Dioxidul de carbon este slab solubil în apă și reacționează parțial cu acesta. Densitate – 1,977 g/l.
Producerea și utilizarea dioxidului de carbon
Există metode industriale și de laborator pentru producerea dioxidului de carbon. Astfel, în industrie se obține prin arderea calcarului (1), iar în laborator prin acțiunea acizilor tari asupra sărurilor acidului carbonic (2):
CaC03 = CaO + C02 (t) (1);
CaC03 + 2HCI = CaCI2 + C02 + H20 (2).
Dioxidul de carbon este utilizat în industria alimentară (limonadă de carbonatare), chimică (controlul temperaturii în producția de fibre sintetice), metalurgică (protecția mediului, cum ar fi precipitarea gazului brun) și alte industrii.
Exemple de rezolvare a problemelor
EXEMPLUL 1
| Exercițiu | Ce volum de dioxid de carbon va fi eliberat prin acţiunea a 200 g de soluţie 10% de acid azotic la 90 g de carbonat de calciu conţinând 8% impurităţi insolubile în acid? |
| Soluţie | Masele molare de acid azotic și carbonat de calciu, calculate folosind tabelul elementelor chimice de D.I. Mendeleev - 63, respectiv 100 g/mol. Să scriem ecuația pentru dizolvarea calcarului în acid azotic: CaCO3 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O. ω(CaCO 3) cl = 100% - ω amestec = 100% - 8% = 92% = 0,92. Apoi, masa de carbonat de calciu pur este: m(CaCO3) cl = m calcar × ω(CaCO3) cl / 100%; m(CaCO3) cl = 90 × 92 / 100% = 82,8 g. Cantitatea de substanță carbonat de calciu este egală cu: n(CaC03) = m(CaC03)cl/M(CaC03); n(CaC03) = 82,8/100 = 0,83 mol. Masa acidului azotic în soluție va fi egală cu: m(HNO 3) = m(HNO 3) soluție × ω(HNO 3) / 100%; m(HNO 3) = 200 × 10 / 100% = 20 g. Cantitatea de acid azotic de calciu este egală cu: n(HNO3) = m(HNO3) / M(HNO3); n(HNO3) = 20/63 = 0,32 mol. Comparând cantitățile de substanțe care au reacționat, determinăm că acidul azotic este insuficient, prin urmare, se fac calcule suplimentare folosind acid azotic. Conform ecuației reacției n(HNO3): n(CO2) = 2:1, deci n(CO2) = 1/2×n(HNO3) = 0,16 mol. Apoi, volumul de dioxid de carbon va fi egal cu: V(CO2) = n(CO2)×V m; V(CO 2) = 0,16 × 22,4 = 3,58 g. |
| Răspuns | Volumul dioxidului de carbon este de 3,58 g. |
Cele mai comune procese pentru formarea acestui compus sunt putrezirea resturilor animale și vegetale, arderea diferitelor tipuri de combustibil și respirația animalelor și plantelor. De exemplu, o persoană emite aproximativ un kilogram de dioxid de carbon în atmosferă pe zi. Monoxidul și dioxidul de carbon se pot forma și în natura neînsuflețită. Dioxidul de carbon este eliberat în timpul activității vulcanice și poate fi produs și din surse de apă minerală. Dioxidul de carbon se găsește în cantități mici în atmosfera Pământului.
Particularitățile structurii chimice a acestui compus îi permit să participe la multe reacții chimice, pe baza cărora este dioxidul de carbon.
Formulă
În compusul acestei substanțe, atomul de carbon tetravalent formează o legătură liniară cu două molecule de oxigen. Aspectul unei astfel de molecule poate fi reprezentat după cum urmează:
Teoria hibridizării explică structura moleculei de dioxid de carbon astfel: cele două legături sigma existente se formează între orbitalii sp ai atomilor de carbon și cei doi orbitali 2p ai oxigenului; Orbitalii p ai carbonului, care nu iau parte la hibridizare, sunt legați împreună cu orbitali similari ai oxigenului. În reacțiile chimice, dioxidul de carbon se scrie ca: CO2.
Proprietăți fizice
În condiții normale, dioxidul de carbon este un gaz incolor și inodor. Este mai greu decât aerul, motiv pentru care dioxidul de carbon se poate comporta ca un lichid. De exemplu, poate fi turnat dintr-un recipient în altul. Această substanță este ușor solubilă în apă - aproximativ 0,88 litri de CO 2 se dizolvă într-un litru de apă la 20 ⁰C. O scădere ușoară a temperaturii schimbă radical situația - 1,7 litri de CO 2 se pot dizolva în același litru de apă la 17⁰C. Cu o răcire puternică, această substanță precipită sub formă de fulgi de zăpadă - se formează așa-numita „gheață uscată”. Acest nume vine de la faptul că la presiune normală substanța, ocolind faza lichidă, se transformă imediat într-un gaz. Dioxidul de carbon lichid se formează la o presiune chiar peste 0,6 MPa și la temperatura camerei.
Proprietăți chimice
Când interacționează cu agenți oxidanți puternici, dioxidul de 4 atomi de carbon prezintă proprietăți oxidante. Reacția tipică a acestei interacțiuni este:
C + CO2 = 2CO.
Astfel, cu ajutorul cărbunelui, dioxidul de carbon este redus la modificarea sa divalentă - monoxidul de carbon.
În condiții normale, dioxidul de carbon este inert. Dar unele metale active pot arde în el, eliminând oxigenul din compus și eliberând carbon gazos. O reacție tipică este arderea magneziului:
2Mg + CO2 = 2MgO + C.
În timpul reacției, se formează oxid de magneziu și carbon liber.
În compușii chimici, CO 2 prezintă adesea proprietățile unui oxid acid tipic. De exemplu, reacţionează cu baze şi oxizi bazici. Rezultatul reacției sunt săruri de acid carbonic.
De exemplu, reacția unui compus de oxid de sodiu cu dioxid de carbon poate fi reprezentată după cum urmează:
Na2O + CO2 = Na2CO3;
2NaOH + CO2 = Na2C03 + H20;
NaOH + CO2 = NaHCO3.
Soluție de acid carbonic și CO2
Dioxidul de carbon din apă formează o soluție cu un grad mic de disociere. Această soluție de dioxid de carbon se numește acid carbonic. Este incolor, slab exprimat și are un gust acru.
Înregistrarea unei reacții chimice:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.
Echilibrul este deplasat destul de puternic spre stânga - doar aproximativ 1% din dioxidul de carbon inițial este transformat în acid carbonic. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât mai puține molecule de acid carbonic în soluție. Când compusul fierbe, acesta dispare complet, iar soluția se dezintegrează în dioxid de carbon și apă. Formula structurală a acidului carbonic este prezentată mai jos.
Proprietățile acidului carbonic
Acidul carbonic este foarte slab. În soluții, se descompune în ioni de hidrogen H + și compuși HCO 3 -. Ionii de CO 3 - se formează în cantități foarte mici.
Acidul carbonic este dibazic, astfel încât sărurile formate de acesta pot fi medii și acide. În tradiția chimică rusă, sărurile medii sunt numite carbonați, iar sărurile puternice sunt numite bicarbonați.
Reacție calitativă
O modalitate posibilă de a detecta dioxidul de carbon gazos este schimbarea limpezirii mortarului de var.
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.
Această experiență este cunoscută de la un curs școlar de chimie. La începutul reacției, se formează o cantitate mică de precipitat alb, care ulterior dispare atunci când dioxidul de carbon este trecut prin apă. Schimbarea transparenței are loc deoarece în timpul procesului de interacțiune, un compus insolubil - carbonat de calciu - este transformat într-o substanță solubilă - bicarbonat de calciu. Reacția continuă pe această cale:
CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2.
Producția de dioxid de carbon
Dacă trebuie să obțineți o cantitate mică de CO2, puteți începe reacția acidului clorhidric cu carbonatul de calciu (marmură). Notația chimică pentru această interacțiune arată astfel:
CaC03 + HCI = CaCI2 + H2O + CO2.
De asemenea, în acest scop, sunt utilizate reacțiile de ardere ale substanțelor care conțin carbon, de exemplu acetilena:
CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2-.
Un aparat Kipp este utilizat pentru a colecta și stoca substanța gazoasă rezultată.
Pentru nevoile industriei și agriculturii, scara producției de dioxid de carbon trebuie să fie mare. O metodă populară pentru această reacție la scară largă este arderea calcarului, care produce dioxid de carbon. Formula reacției este dată mai jos:
CaCO3 = CaO + CO2.
Aplicații ale dioxidului de carbon
Industria alimentară, după producția pe scară largă de „gheață carbonică”, a trecut la o metodă fundamental nouă de depozitare a alimentelor. Este indispensabil în producerea băuturilor carbogazoase și a apei minerale. Conținutul de CO 2 din băuturi le conferă prospețime și le crește semnificativ durata de valabilitate. Iar carburarea apelor minerale vă permite să evitați mucegaiul și gustul neplăcut.
În gătit, se folosește adesea metoda de stingere a acidului citric cu oțet. Dioxidul de carbon eliberat conferă puf și lejeritate produselor de cofetărie.
Acest compus este adesea folosit ca aditiv alimentar pentru a crește durata de valabilitate a produselor alimentare. Conform standardelor internaționale pentru clasificarea aditivilor chimici din produse, aceștia sunt codificați E 290,
Dioxidul de carbon sub formă de pulbere este una dintre cele mai populare substanțe incluse în amestecurile de stingere a incendiilor. Această substanță se găsește și în spuma pentru stingătoare.
Cel mai bine este să transportați și să depozitați dioxidul de carbon în cilindri metalici. La temperaturi peste 31⁰C, presiunea din cilindru poate atinge critică, iar CO2 lichid va intra într-o stare supercritică, cu o creștere bruscă a presiunii de funcționare la 7,35 MPa. Cilindrul metalic poate rezista la o presiune internă de până la 22 MPa, astfel încât intervalul de presiune la temperaturi de peste treizeci de grade este considerat sigur.
Să ne imaginăm această situație:
Lucrezi într-un laborator și ai decis să faci un experiment. Pentru a face acest lucru, ați deschis dulapul cu reactivi și brusc ați văzut imaginea următoare pe unul dintre rafturi. Două borcane cu reactivi li s-au dezlipit etichetele și au rămas în siguranță în apropiere. În același timp, nu se mai poate determina exact ce borcan corespunde cărei etichete, iar semnele externe ale substanțelor prin care s-ar putea distinge sunt aceleași.
În acest caz, problema poate fi rezolvată folosind așa-numitul reacții calitative.
Reacții calitative Acestea sunt reacții care fac posibilă distingerea unei substanțe de alta, precum și aflarea compoziției calitative a substanțelor necunoscute.
De exemplu, se știe că cationii unor metale, atunci când sărurile lor sunt adăugate la flacăra arzătorului, îl colorează într-o anumită culoare:
Această metodă poate funcționa numai dacă substanțele care se disting schimbă culoarea flăcării în mod diferit sau una dintre ele nu își schimbă deloc culoarea.
Dar, să zicem, după cum a vrut norocul, substanțele determinate nu colorează flacăra sau o colorează în aceeași culoare.
În aceste cazuri, va fi necesar să se distingă substanțele folosind alți reactivi.
În ce caz putem distinge o substanță de alta folosind orice reactiv?
Există două opțiuni:
- O substanță reacționează cu reactivul adăugat, dar a doua nu. În acest caz, trebuie să fie clar vizibil că reacția uneia dintre substanțele inițiale cu reactivul adăugat a avut loc, adică se observă un semn extern al acesteia - s-a format un precipitat, a fost eliberat un gaz, a avut loc o schimbare de culoare. , etc.
De exemplu, este imposibil să distingem apa de o soluție de hidroxid de sodiu folosind acid clorhidric, în ciuda faptului că alcaliile reacţionează bine cu acizii:
NaOH + HCI = NaCI + H2O
Acest lucru se datorează absenței oricăror semne externe ale unei reacții. O soluție transparentă, incoloră de acid clorhidric, atunci când este amestecată cu o soluție de hidroxid incolor, formează aceeași soluție transparentă:
Dar, pe de altă parte, puteți distinge apa de o soluție apoasă de alcali, de exemplu, folosind o soluție de clorură de magneziu - în această reacție se formează un precipitat alb:
2NaOH + MgCl 2 = Mg(OH) 2 ↓+ 2NaCl
2) substanțele pot fi, de asemenea, distinse unele de altele dacă ambele reacţionează cu reactivul adăugat, dar fac acest lucru în moduri diferite.
De exemplu, puteți distinge o soluție de carbonat de sodiu de o soluție de azotat de argint folosind o soluție de acid clorhidric.
Acidul clorhidric reacționează cu carbonatul de sodiu pentru a elibera un gaz incolor și inodor - dioxid de carbon (CO2):
2HCI + Na2CO3 = 2NaCI + H2O + CO2
iar cu nitrat de argint pentru a forma un precipitat alb de brânză AgCl
HCl + AgNO3 = HNO3 + AgCl↓
Tabelele de mai jos prezintă diferite opțiuni pentru detectarea anumitor ioni:
Reacții calitative la cationi
| Cation | Reactiv | Semn de reacție |
| Ba 2+ | SO 4 2- |
Ba2+ + SO42- = BaS04↓ |
| Cu 2+ | 1) Precipitarea culorii albastre: Cu 2+ + 2OH − = Cu(OH) 2 ↓ 2) Precipitat negru: Cu 2+ + S 2- = CuS↓ |
|
| Pb 2+ | S 2- | Precipitat negru: Pb2+ + S2- = PbS↓ |
| Ag+ | Cl − |
Precipitarea unui precipitat alb, insolubil în HNO3, dar solubil în amoniac NH3·H2O: Ag + + Cl − → AgCl↓ |
| Fe 2+ |
2) Hexacianoferrat de potasiu (III) (sare roșie din sânge) K 3 |
1) Precipitarea unui precipitat alb care devine verde în aer: Fe 2+ + 2OH − = Fe(OH) 2 ↓ 2) Precipitarea unui precipitat albastru (Turnboole blue): K + + Fe 2+ + 3- = KFe↓ |
| Fe 3+ |
2) Hexacianoferrat de potasiu (II) (sare galbenă din sânge) K 4 3) Rodanide ion SCN − |
1) Precipitat brun: Fe 3+ + 3OH − = Fe(OH) 3 ↓ 2) Precipitarea precipitatului albastru (albastru prusac): K + + Fe 3+ + 4- = KFe↓ 3) Apariția colorării roșu intens (roșu sânge): Fe 3+ + 3SCN − = Fe(SCN) 3 |
| Al 3+ | Alcali (proprietăți amfotere ale hidroxidului) |
Precipitarea unui precipitat alb de hidroxid de aluminiu la adăugarea unei cantități mici de alcali: OH − + Al 3+ = Al(OH) 3 și dizolvarea acesteia la turnarea ulterioară: Al(OH)3 + NaOH = Na |
| NH4+ | OH − , încălzire | Emisia de gaz cu miros înțepător: NH 4 + + OH − = NH 3 + H 2 O Întoarcere albastră a hârtiei de turnesol umedă |
| H+ (mediu acid) |
Indicatori: − turnesol − metil portocală |
Colorare roșie |
