Соединения углерода с кислородом

Углерод образует с кислородом два оксида: несолеобразующий оксид углерода (II) СО и кислотный – оксид углерода (IV) СО₂. Инертность оксида СО объясняется повышенной кратностью связи углерод – кислород: одна σ- и две π-связи. При высоких температурах проявляет восстановительные свойства, а в присутствии сильного восстановителя – слабые окислительные свойства.

Восстановитель: 2СО + О₂ = 2СО₂; СО + FeO = Fe + CO₂

Окислитель: СО + Н₂ = С + Н₂О; СО + 3Н_2(кат.) = СН₄ + Н₂О

Оксид СО за счет подвижных общих электронных пар π-связи в молекуле может выступать их донором, образуя при этом комплексные соединения. Именно эта особенность является причиной его токсичности для человека. Вследствие образования прочного комплекса СО с гемоглобином, последний теряет способность переносить кислород.

Кислотный оксид углерода (IV) взаимодействует с основными оксидами и основаниями, образуя гидрокарбонаты и карбонаты:

NaOH + CO₂ = NaHCO₃ 2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O

CaO + CO₂ = CaCO₃ Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

Растворимость оксида СО₂ в воде мала, не более 0,4%, так как его молекула неполярна. Водный раствор представляет слабую двухосновную кислоту Н₂СО₃, диссоциирующую ступенчато: Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^- НСО₃^- ↔ Н⁺ + СО₃^2-

Двухосновная угольная кислота дает два типа солей: гидрокарбонаты и карбонаты. Кислые соли (гидрокарбонаты) растворяются лучше, чем карбонаты. Из средних солей растворимы только соли щелочных металлов. Растворимые соли угольной кислоты, например сода Na₂CO₃ и поташ K₂CO₃, в водных растворах подвергаются гидролизу по аниону, давая сильнощелочную среду, т.к. НСО₃^- - очень слабая кислота:

СО₃^2- + Н₂О ↔ НСО₃^- + ОН^- (сильнощелочная среда)

Раствор питьевой соды NaHCO₃ имеет слабощелочную среду из-за образования слабой кислоты Н₂СО₃. Питьевая сода как мягкий щелочной реагент используется в медицине для нейтрализации кислотной среды в пищеварительной системе (при изжоге) или для нейтрализации кислоты, попавшей в глаза. Качественной реакцией на ионы СО₃^2- и НСО₃^- является взаимодействие с более сильными кислотами, которые вытесняют угольную кислоту из солей, а она, разлагаясь, образует СО₂, что сопровождается характерным «вскипанием» системы:

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂↑ + H₂O

При сильном нагревании сухие карбонаты (за исключением карбонатов щелочных Ме и аммония) разлагаются до оксида Ме и СО₂:

СаСО₃ = СаО + СО₂↑

Карбонаn аммония при нагревании разлагается на NH₃, CO₂ и H₂O:

(NH₄)₂CO₃ = 2NH₃↑ + CO₂↑ + H₂O

Гидрокарбонаты при нагревании превращаются в карбонаты:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O

Гидрокарбонаты кальция и магния обуславливают временную жесткость воды. Среди солей угольной кислоты большое практическое применение имеют:

Сода Na₂CO₃ – широко используется в производстве стекла, твердого мыла и бумаги. Следует различать кристаллическую соду Na₂CO₃*10H₂O и кальцинированную(безводную) соду Na₂CO₃.

Питьевая сода NaHCO₃ – используется в хлебопечении, в кондитерском деле и в медицинской практике.

Поташ K₂CO₃ – применяется в производстве жидкого мыла, тугоплавкого стекла. Он является одним из основных компонентов древесной золы, которую используют как калийсодержащее удобрение и нейтрализатор кислотности почвы.

Мрамор, известняк, мел СаСО₃ – широко используется в строительстве.

Оксид углерода (IV) участвует в процессах фотосинтеза. Под действием света и при участии хлорофилла взаимодействует с водой, образуя углеводы. Суммарно процесс фотосинтеза можно представить упрощенным уравнением:

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Углеводы являются основой разнообразных природных органических соединений.

Вопросы для контроля

1. Какие элементы составляют подгруппу углерода?

2. Какова закономерность изменения радиусов атомов элементов в подгруппе углерода? Какие из этих элементов относятся к неметаллам?

3. Какую конфигурацию внешнего энергетического уровня имеют атомы элементов подгруппы углерода в основном и возбужденном состояниях? Какие валентности и степени окисления проявляют они в соединениях? Приведите примеры соединений, в которых элементы подгруппы углерода проявляют:

а) положительные степени окисления +2, +4;

б) отрицательную степень окисления -4.

4. Каков характер оксидов элементов подгруппы углерода и соответствующих им гидроксидов?

5. Охарактеризуйте особенности углерода, обусловленные строением его атома и положением в периодической системе Д.И.Менделеева.

6. Охарактеризуйте важнейшие химические свойства углерода. Ответ подтвердите уравнениями реакций.

7. Как образуется угольная кислота? Напишите уравнения ступенчатой диссоциации этой кислоты.

8. Какие соли образует угольная кислота? Приведите примеры кислых и средних солей угольной кислоты.

Date: 2015-09-24; view: 970; Нарушение авторских прав