Оксид углерода(IV) и карбонаты

Тема 10. Углерод, кремний

Углерод

Содержание углерода в земной коре относительно невелико, около 0,09 %, но значение углерода огромно – углерод входит в состав всех органических веществ, карбонатов, углекислого газа, преимущественно из углерода состоит каменный уголь.

Модификации углерода. Широко известны две модификации кристаллического углерода – графит и алмаз. В настоящее время открыто еще несколько модификаций, из которых важнейшими являются карбин, графен и фуллерен.

Получение углерода. В промышленности применение находит ископаемый каменный уголь и продукты его первичной переработки, например, кокс.

Очень чистый и высокодисперсный углерод – сажу – получают нагреванием органических веществ без доступа воздуха, например:

CH₄ C + 2H₂

Химические свойства углерода

Углерод – элемент IV группы главной подгруппы, максимальная степень окисления углерода +4, минимальная – –4. Простое вещество углерод чаще всего представлен наиболее устойчивой формой – графитом, это серо-черное вещество с металлическим блеском, обладает электропроводностью, без доступа воздуха графит устойчив до очень высоких температур – до 4000 °С.

Графит, в отличие от алмаза и карбина, химически активен, при нагревании реагирует со многими простыми и сложными веществами:

– с простыми веществами: графит при нагревании реагирует с водородом, кислородом, кремнием, серой, фтором (не реагирует с другими галогенами), металлами, например:

2С + Н₂ С₂Н₂

С + O₂ СО₂

2С + O₂ 2СO

С + S₂ СS₂

3С + 4Al Al₄С₃

– со сложными веществами: углерод – сильный восстановитель, реагирует с кислотами-окислителями:

С + 2H₂SO₄ (конц.) = СО₂ + 2SО₂ + 2H₂O

С + 4HNO₃ (конц.) = СО₂ + 4NО₂ + 2H₂O

при нагревании – с водяным паром, оксидами, солями, например:

C + H₂O CO + H₂

C + CO₂ 2CO

C + PbO Pb + CO

C + CO₂ 2CO

2C + Na₂SO₄ Na₂S + 2CO₂

Углерод, в отличие от многих других неметаллов, не реагирует со щелочами.

Оксид углерода(II)

Оксид углерода(II) (монооксид углерода, угарный газ) – бесцветный газ без запаха, ядовит, горюч. Молекула CO имеет тройную связь – одну s и две p.

Получение СО в промышленности

1. В больших количествах СО образуется в доменном процессе при последовательном протекании реакций:

C + O₂ CO₂

C + CO₂ 2CO

или напрямую:

2С + O₂ 2СO

2. Старый промышленный способ – газификация угля. Через слой раскалённого угля или кокса пропускают водяной пар:

С + H₂O CO + H₂

Образующаяся смесь – т. н. водяной газ, содержит равные объемы водорода и угарного газа. Если через раскаленный уголь, древесные отходы, торф и т.п. в специальных генераторах пропускать влажный воздух, то образуется т.н. генераторный газ. Он также состоит из горючих газов – водорода и угарного газа, но содержит до 50 % газа азота. И водяной, и генераторный газ используются в качестве топлива.

3. В настоящее время основным способом получения СО является паровая конверсия природного газа:

CH₄ + H₂O CO + 3H₂

Получается смесь газов с объемным отношением угарного газа и водорода 1 : 3, т.н. синтез-газ, который является исходным сырьем для синтеза многих органических соединений.

4. В лаборатории СО образуется при «обезвоживании» концентрированной серной кислотой муравьиной или щавелевой кислоты:

HCOOH CO + H₂O

H₂C₂O₄ CO + CO₂ + H₂O

5. Следует помнить, что ядовитый угарный газ образуется при неполном сгорании (при недостаточном количестве воздуха) твердого и жидкого топлива.

Химические свойства СО

СО относится к несолеобразующим оксидам – ему не соответствует никакая неорганическая кислота, ни соль. Но оксид углерода(II) химически активен при высоких температурах, чаще всего он вступает в окислительно-восстановительные реакции – за счет промежуточной степени окисления углерода +2 он может выступать в качестве и окислителя и (значительно чаще) – восстановителя:

2СО + О₂ 2CO₂

СО + МеО Ме + CO₂

СО + H₂O H₂ + CO₂

СО + 3H₂ СH₄ + H₂O

Для СО характерны также реакции присоединения.

При реакции с хлором образуется токсичный газ фосген:

СО + Cl₂ COCl₂

С расплавами щелочей образуются соли муравьиной кислоты:

СО + NaOH Na(HCOO)

Из синтез-газа при различных температурах и катализаторах можно получать целый ряд органических веществ, например:

СО + 2H₂ CH₃OH

Последняя реакция – синтез метанола – включен в кодификатор (раздел «Общие представления о промышленных способах получения важнейших веществ»). Это частный случай применения синтез-газа для получения органических соединений. Реакция синтеза экзотермическая и протекает с уменьшением объема. Поэтому, для достижения максимальных значений выхода метанола и степени превращения синтез-газа необходимо проведение процесса при низких температурах (250–300 °С) и высоких давлениях (5–10 МПа). Процесс проводится в колонне синтеза, на катализаторе из оксидов меди, хрома, цинка.

Оксид углерода(IV) и карбонаты

Оксид углерода(IV) (диоксид углерода, углекислый газ, углекислота) – бесцветный газ почти без запаха, при сильном охлаждении легко переходит в жидкое, затем в твердое состояние (сухой лед).

Получение СО₂

В промышленности большое количество углекислого газа образуется при обжиге известняка:

СаСО₃ СаО + СО₂

Источником также являются дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива.

СО₂ образуется при окислении органических веществ – при дыхании, брожении, гниении.

В лаборатории углекислый газ получают при взаимодействии сильной кислоты и солей карбонатов, обычно кусочки мрамора растворяют в соляной кислоте:

СаСО₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + СО₂

Химические свойства СО₂

1. СО₂ – типичный кислотный оксид. При растворении в воде образует слабую угольную кислоту Н₂СО₃. Реагирует со щелочами и оксидами активных металлов с образованием средних солей карбонатов и кислых – гидрокарбонатов:

NH₃×H₂O + СО₂ = NH₄HСО₃

NaOH + СО₂ = NaHСО₃

2NaOH конц. + СО₂ = Na₂СО₃ + H₂O

Диоксид углерода – ангидрид очень слабой кислоты, он практически не реагирует с оксидами металлов средней активности, карбонаты некоторых металлов не существуют (см. таблицу растворимости).

Угольная кислота Н₂СО₃ (или раствор углекислого газа в воде H₂O + СО₂) вытесняет еще более слабую кремниевую кислоту из силикатов:

Na₂SiO₃ + H₂O + СО₂ = H₂SiO₃¯ + Na₂CO₃

Также при пропускании углекислого газа через раствор, карбонаты можно перевести в гидрокарбонаты:

K₂CO₃ + H₂O + СО₂ = 2KHCO₃

2. Диоксид углерода может выступать в качестве окислителя, в нем «горят» очень активные металлы (K, Na, Mg, Ca, Zn), например:

Mg + СО₂ = MgО + С

5Ca + 2СО₂ = CaC₂ + 4СaO

СО₂ может восстанавливаться водородом, углеродом:

СО₂ + C 2CO

СО₂ + 4H₂ CH₄ + 2H₂О

2СО₂ + 2Na₂O₂ = 2Na₂CO₃ + O₂

Последняя реакция используется для регенерации воздуха на подводных лодках.

Дата добавления: 2023-02-21; просмотров: 27; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!