DEFINÍCIA
Oxid uhličitý(oxid uhličitý, anhydrid uhličitý, oxid uhličitý) – oxid uhoľnatý (IV).
Vzorec – CO2. Molová hmotnosť – 44 g/mol.
Chemické vlastnosti oxidu uhličitého
Oxid uhličitý patrí do triedy kyslých oxidov, t.j. Pri interakcii s vodou vytvára kyselinu nazývanú kyselina uhličitá. Kyselina uhličitá je chemicky nestabilná a v momente vzniku sa okamžite rozkladá na svoje zložky, t.j. Reakcia medzi oxidom uhličitým a vodou je reverzibilná:
CO 2 + H 2 O ↔ CO 2 × H 2 O (roztok) ↔ H 2 CO 3 .
Pri zahrievaní sa oxid uhličitý rozkladá na oxid uhoľnatý a kyslík:
2C02 = 2CO + 02.
Ako všetky kyslé oxidy, oxid uhličitý je charakterizovaný reakciami interakcie so zásaditými oxidmi (tvorenými iba aktívnymi kovmi) a zásadami:
CaO + C02 = CaC03;
Al203 + 3C02 = Al2(C03)3;
C02 + NaOH (zriedený) = NaHC03;
C02 + 2NaOH (konc) = Na2C03 + H20.
Oxid uhličitý nepodporuje spaľovanie; horia v ňom iba aktívne kovy:
C02 + 2 Mg = C + 2 MgO (t);
C02 + 2Ca = C + 2CaO (t).
Oxid uhličitý reaguje s jednoduchými látkami, ako je vodík a uhlík:
C02 + 4H2 = CH4 + 2H20 (t, kat = Cu20);
C02 + C = 2CO (t).
Keď oxid uhličitý reaguje s peroxidmi aktívnych kovov, vytvárajú sa uhličitany a uvoľňuje sa kyslík:
2C02 + 2Na202 = 2Na2C03 + O2.
Kvalitatívna reakcia na oxid uhličitý je reakcia jeho interakcie s vápennou vodou (mliekom), t.j. s hydroxidom vápenatým, v ktorom vzniká biela zrazenina - uhličitan vápenatý:
C02 + Ca(OH)2 = CaC03↓ + H20.
Fyzikálne vlastnosti oxidu uhličitého
Oxid uhličitý je plynná látka bez farby a zápachu. Ťažšie ako vzduch. Tepelne stabilný. Po stlačení a ochladení sa ľahko premení na kvapalné a pevné skupenstvo. Oxid uhličitý v pevnom stave agregátu sa nazýva „suchý ľad“ a ľahko sublimuje pri izbovej teplote. Oxid uhličitý je slabo rozpustný vo vode a čiastočne s ňou reaguje. Hustota – 1,977 g/l.
Výroba a použitie oxidu uhličitého
Na výrobu oxidu uhličitého existujú priemyselné a laboratórne metódy. V priemysle sa teda získava spaľovaním vápenca (1) a v laboratóriu pôsobením silných kyselín na soli kyseliny uhličitej (2):
CaC03 = CaO + C02 (t) (1);
CaC03 + 2HCl = CaCl2 + C02 + H20 (2).
Oxid uhličitý sa používa v potravinárskom (sýtená limonáda), chemickom (kontrola teploty pri výrobe syntetických vlákien), hutníckom (ochrana životného prostredia, napr. zrážanie hnedých plynov) a iných odvetviach.
Príklady riešenia problémov
PRÍKLAD 1
| Cvičenie | Aký objem oxidu uhličitého sa uvoľní pôsobením 200 g 10 % roztoku kyseliny dusičnej na 90 g uhličitanu vápenatého s obsahom 8 % nečistôt nerozpustných v kyseline? |
| Riešenie | Molové hmotnosti kyseliny dusičnej a uhličitanu vápenatého vypočítané pomocou tabuľky chemických prvkov od D.I. Mendeleev - 63 a 100 g / mol. Napíšme rovnicu pre rozpúšťanie vápenca v kyseline dusičnej: CaC03 + 2HN03 -> Ca(N03)2 + CO2 + H20. ω(CaC03) cl = 100 % - ω prímes = 100 % - 8 % = 92 % = 0,92. Potom je hmotnosť čistého uhličitanu vápenatého: m(CaC03) cl = m vápenec × ω(CaC03) cl / 100 %; m(CaC03) cl = 90 x 92 / 100 % = 82,8 g. Množstvo látky uhličitanu vápenatého sa rovná: n(CaC03) = m(CaC03) cl/M(CaC03); n(CaC03) = 82,8/100 = 0,83 mol. Hmotnosť kyseliny dusičnej v roztoku sa bude rovnať: m(HN03) = m(HN03) roztok x co(HN03) / 100 %; m(HN03) = 200 x 10/100 % = 20 g. Množstvo kyseliny vápenatej dusičnej sa rovná: n(HN03) = m(HN03)/M(HN03); n(HN03) = 20/63 = 0,32 mol. Porovnaním množstiev látok, ktoré zreagovali, určíme, že kyseliny dusičnej je nedostatok, preto sa ďalšie výpočty robia s použitím kyseliny dusičnej. Podľa reakčnej rovnice n(HNO 3): n(CO 2) = 2:1, teda n(CO 2) = 1/2×n(HNO 3) = 0,16 mol. Potom sa objem oxidu uhličitého bude rovnať: V(C02) = n(C02)xVm; V(C02) = 0,16 x 22,4 = 3,58 g. |
| Odpoveď | Objem oxidu uhličitého je 3,58 g. |
Najbežnejšími procesmi vzniku tejto zlúčeniny sú hnitie zvyškov zvierat a rastlín, spaľovanie rôznych druhov palív a dýchanie zvierat a rastlín. Napríklad jeden človek vypustí do atmosféry asi kilogram oxidu uhličitého za deň. Oxid uhoľnatý a oxid uhoľnatý môžu vznikať aj v neživej prírode. Oxid uhličitý sa uvoľňuje pri sopečnej činnosti a môže sa vyrábať aj zo zdrojov minerálnej vody. Oxid uhličitý sa v malých množstvách nachádza v zemskej atmosfére.
Zvláštnosti chemickej štruktúry tejto zlúčeniny jej umožňujú zúčastniť sa mnohých chemických reakcií, ktorých základom je oxid uhličitý.
Vzorec
V zlúčenine tejto látky tvorí štvormocný atóm uhlíka lineárnu väzbu s dvoma molekulami kyslíka. Vzhľad takejto molekuly možno znázorniť takto:
Hybridizačná teória vysvetľuje štruktúru molekuly oxidu uhličitého nasledovne: dve existujúce sigma väzby sú vytvorené medzi sp orbitálmi atómov uhlíka a dvomi 2p orbitálmi kyslíka; P-orbitály uhlíka, ktoré sa nezúčastňujú hybridizácie, sú viazané v spojení s podobnými orbitálmi kyslíka. Pri chemických reakciách sa oxid uhličitý zapisuje ako: CO2.
Fyzikálne vlastnosti
Za normálnych podmienok je oxid uhličitý bezfarebný plyn bez zápachu. Je ťažší ako vzduch, a preto sa oxid uhličitý môže správať ako kvapalina. Môže sa napríklad prelievať z jednej nádoby do druhej. Táto látka je málo rozpustná vo vode – v jednom litri vody pri 20 ⁰C sa rozpustí asi 0,88 litra CO 2 . Mierny pokles teploty radikálne mení situáciu – v rovnakom litri vody pri 17⁰C sa môže rozpustiť 1,7 litra CO 2 . Pri silnom ochladzovaní sa táto látka vyzráža vo forme snehových vločiek - vytvára sa takzvaný „suchý ľad“. Tento názov pochádza zo skutočnosti, že pri normálnom tlaku sa látka, ktorá obchádza kvapalnú fázu, okamžite mení na plyn. Kvapalný oxid uhličitý vzniká pri tlaku tesne nad 0,6 MPa a pri izbovej teplote.
Chemické vlastnosti
Pri interakcii so silnými oxidačnými činidlami vykazuje 4-oxid uhličitý oxidačné vlastnosti. Typická reakcia tejto interakcie je:
C + C02 = 2CO.
Pomocou uhlia sa teda oxid uhličitý redukuje na jeho dvojmocnú modifikáciu – oxid uhoľnatý.
Za normálnych podmienok je oxid uhličitý inertný. Ale niektoré aktívne kovy v ňom môžu horieť, čím sa odstraňuje kyslík zo zlúčeniny a uvoľňuje sa uhlíkový plyn. Typickou reakciou je spaľovanie horčíka:
2Mg + C02 = 2MgO + C.
Počas reakcie vzniká oxid horečnatý a voľný uhlík.
V chemických zlúčeninách CO 2 často vykazuje vlastnosti typického kyslého oxidu. Napríklad reaguje so zásadami a zásaditými oxidmi. Výsledkom reakcie sú soli kyseliny uhličitej.
Napríklad reakciu zlúčeniny oxidu sodného s oxidom uhličitým možno znázorniť takto:
Na20 + C02 = Na2C03;
2NaOH + C02 = Na2C03 + H20;
NaOH + C02 = NaHC03.
Roztok kyseliny uhličitej a CO2
Oxid uhličitý vo vode tvorí roztok s malým stupňom disociácie. Tento roztok oxidu uhličitého sa nazýva kyselina uhličitá. Je bezfarebný, slabo vyjadrený a má kyslú chuť.
Záznam chemickej reakcie:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.
Rovnováha je posunutá dosť silno doľava – len asi 1 % počiatočného oxidu uhličitého sa premení na kyselinu uhličitú. Čím vyššia je teplota, tým menej molekúl kyseliny uhličitej je v roztoku. Keď zlúčenina vrie, úplne zmizne a roztok sa rozpadne na oxid uhličitý a vodu. Štruktúrny vzorec kyseliny uhličitej je uvedený nižšie.
Vlastnosti kyseliny uhličitej
Kyselina uhličitá je veľmi slabá. V roztokoch sa rozkladá na vodíkové ióny H + a zlúčeniny HCO 3 -. Ióny CO 3 - sa tvoria vo veľmi malých množstvách.
Kyselina uhličitá je dvojsýtna, takže soli, ktoré tvorí, môžu byť stredné a kyslé. V ruskej chemickej tradícii sa stredné soli nazývajú uhličitany a silné soli sa nazývajú hydrogenuhličitany.
Kvalitatívna reakcia
Jedným z možných spôsobov detekcie plynného oxidu uhličitého je zmena čírosti vápennej malty.
Ca(OH)2 + C02 = CaC03↓ + H20.
Táto skúsenosť je známa zo školského kurzu chémie. Na začiatku reakcie sa vytvorí malé množstvo bielej zrazeniny, ktorá následne zmizne pri prechode oxidu uhličitého cez vodu. K zmene priehľadnosti dochádza preto, že počas procesu interakcie sa nerozpustná zlúčenina – uhličitan vápenatý – mení na rozpustnú látku – hydrogénuhličitan vápenatý. Reakcia prebieha týmto spôsobom:
CaC03 + H20 + C02 = Ca(HC03)2.
Výroba oxidu uhličitého
Ak potrebujete získať malé množstvo CO2, môžete spustiť reakciu kyseliny chlorovodíkovej s uhličitanom vápenatým (mramorom). Chemický zápis tejto interakcie vyzerá takto:
CaC03 + HCl = CaCl2 + H20 + C02.
Na tento účel sa používajú aj spaľovacie reakcie látok obsahujúcich uhlík, napríklad acetylénu:
CH4 + 202 -> 2H20 + C02-.
Na zber a skladovanie výslednej plynnej látky sa používa Kippov prístroj.
Pre potreby priemyslu a poľnohospodárstva musí byť rozsah produkcie oxidu uhličitého veľký. Obľúbenou metódou tejto rozsiahlej reakcie je spaľovanie vápenca, pri ktorom vzniká oxid uhličitý. Vzorec reakcie je uvedený nižšie:
CaC03 = CaO + C02.
Aplikácie oxidu uhličitého
Potravinársky priemysel po veľkovýrobe „suchého ľadu“ prešiel na zásadne nový spôsob skladovania potravín. Je nepostrádateľný pri výrobe sýtených nápojov a minerálnych vôd. Obsah CO 2 v nápojoch im dodáva sviežosť a výrazne zvyšuje ich trvanlivosť. A karbidizácia minerálnych vôd vám umožňuje vyhnúť sa zatuchnutiu a nepríjemnej chuti.
Pri varení sa často používa metóda hasenia kyseliny citrónovej octom. Uvoľnený oxid uhličitý dodáva cukrárskym výrobkom nadýchanosť a ľahkosť.
Táto zlúčenina sa často používa ako potravinárska prídavná látka na zvýšenie trvanlivosti potravinárskych výrobkov. Podľa medzinárodných noriem na klasifikáciu chemických prísad obsiahnutých vo výrobkoch má kód E 290,
Práškový oxid uhličitý je jednou z najobľúbenejších látok obsiahnutých v hasiacich zmesiach. Táto látka sa nachádza aj v pene hasiacich prístrojov.
Oxid uhličitý je najlepšie prepravovať a skladovať v kovových fľašiach. Pri teplotách nad 31⁰C môže tlak vo valci dosiahnuť kritickú hodnotu a kvapalný CO 2 prejde do superkritického stavu s prudkým nárastom prevádzkového tlaku na 7,35 MPa. Kovový valec odolá vnútornému tlaku do 22 MPa, takže rozsah tlaku pri teplotách nad tridsať stupňov sa považuje za bezpečný.
Predstavme si túto situáciu:
Pracujete v laboratóriu a rozhodli ste sa uskutočniť experiment. Aby ste to urobili, otvorili ste skrinku s činidlami a zrazu ste na jednej z políc uvideli nasledujúci obrázok. Dve nádoby s činidlami mali odlepené štítky a bezpečne zostali ležať neďaleko. Zároveň už nie je možné presne určiť, ktorý téglik zodpovedá ktorej etikete a vonkajšie znaky látok, podľa ktorých by sa dali rozlíšiť, sú rovnaké.
V tomto prípade je možné problém vyriešiť pomocou tzv kvalitatívne reakcie.
Kvalitatívne reakcie Ide o reakcie, ktoré umožňujú rozlíšiť jednu látku od druhej, ako aj zistiť kvalitatívne zloženie neznámych látok.
Napríklad je známe, že katióny niektorých kovov, keď sa ich soli pridajú do plameňa horáka, zafarbia ho na určitú farbu:
Táto metóda môže fungovať len vtedy, ak rozlišované látky menia farbu plameňa inak, alebo jedna z nich farbu nemení vôbec.
Ale, povedzme, ako by to chcelo šťastie, látky, ktoré sa určujú, nezafarbia plameň alebo ho nezafarbia rovnakou farbou.
V týchto prípadoch bude potrebné rozlíšiť látky pomocou iných činidiel.
V akom prípade môžeme rozlíšiť jednu látku od druhej pomocou akéhokoľvek činidla?
Sú dve možnosti:
- Jedna látka reaguje s pridaným činidlom, ale druhá nie. V tomto prípade musí byť jasne viditeľné, že reakcia jednej z východiskových látok s pridaným činidlom skutočne prebehla, to znamená, že je pozorovaný nejaký vonkajší príznak - vytvorila sa zrazenina, uvoľnil sa plyn, došlo k zmene farby , atď.
Napríklad nie je možné rozlíšiť vodu od roztoku hydroxidu sodného pomocou kyseliny chlorovodíkovej, napriek tomu, že zásady dobre reagujú s kyselinami:
NaOH + HCl = NaCl + H20
Je to spôsobené absenciou akýchkoľvek vonkajších príznakov reakcie. Priehľadný bezfarebný roztok kyseliny chlorovodíkovej po zmiešaní s bezfarebným roztokom hydroxidu vytvára rovnaký transparentný roztok:
Ale na druhej strane môžete rozlíšiť vodu od vodného roztoku alkálie, napríklad pomocou roztoku chloridu horečnatého - pri tejto reakcii sa vytvorí biela zrazenina:
2NaOH + MgCl2 = Mg(OH)2↓+ 2NaCl
2) látky možno od seba odlíšiť aj vtedy, ak obe reagujú s pridaným činidlom, ale robia to rôznymi spôsobmi.
Napríklad môžete rozlíšiť roztok uhličitanu sodného od roztoku dusičnanu strieborného pomocou roztoku kyseliny chlorovodíkovej.
Kyselina chlorovodíková reaguje s uhličitanom sodným a uvoľňuje bezfarebný plyn bez zápachu - oxid uhličitý (CO 2):
2HCl + Na2C03 = 2NaCl + H20 + C02
a dusičnanom strieborným za vzniku bielej syrovej zrazeniny AgCl
HCl + AgN03 = HN03 + AgCl↓
Nižšie uvedené tabuľky predstavujú rôzne možnosti detekcie špecifických iónov:
Kvalitatívne reakcie na katióny
| katión | Činidlo | Znak reakcie |
| Ba 2+ | SO 4 2- |
Ba2+ + SO42- = BaSO4↓ |
| Cu 2+ | 1) Zrážanie modrej farby: Cu2+ + 2OH − = Cu(OH)2↓ 2) Čierna zrazenina: Cu2+ + S2- = CuS↓ |
|
| Pb 2+ | S 2- | Čierna zrazenina: Pb2+ + S2- = PbS↓ |
| Ag+ | Cl - |
Vyzrážanie bielej zrazeniny, nerozpustnej v HNO 3, ale rozpustnej v amoniaku NH 3 · H 2 O: Ag + + Cl - → AgCl↓ |
| Fe 2+ |
2) Hexakyanoželezitan draselný (III) (červená krvná soľ) K 3 |
1) Vyzrážanie bielej zrazeniny, ktorá sa na vzduchu zmení na zelenú: Fe2+ + 2OH − = Fe(OH)2↓ 2) Precipitácia modrej zrazeniny (Turnboole blue): K + + Fe 2+ + 3- = KFe↓ |
| Fe 3+ |
2) Hexakyanoželezitan draselný (II) (žltá krvná soľ) K 4 3) Rodanidový ión SCN − |
1) Hnedá zrazenina: Fe3+ + 3OH − = Fe(OH)3↓ 2) Zrážanie modrej zrazeniny (pruská modrá): K + + Fe 3+ + 4- = KFe↓ 3) Výskyt intenzívneho červeného (krvavočerveného) sfarbenia: Fe3+ + 3SCN − = Fe(SCN)3 |
| Al 3+ | Alkálie (amfotérne vlastnosti hydroxidu) |
Vyzrážanie bielej zrazeniny hydroxidu hlinitého po pridaní malého množstva zásady: OH − + Al3+ = Al(OH)3 a jeho rozpustenie pri ďalšom nalievaní: Al(OH)3 + NaOH = Na |
| NH4+ | OH − , kúrenie | Emisie plynu so štipľavým zápachom: NH4+ + OH - = NH3 + H20 Modré otáčanie mokrého lakmusového papierika |
| H+ (kyslé prostredie) |
Indikátory: − lakmus - metylová oranž |
Červené zafarbenie |
