Углекислый газ. Качественная реакция на углекислый газ Реакция углекислого газа с основным оксидом
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Оксид углерода(IV) не поддерживает горения . В нём горят только некоторые активные металлы: :
2 M g + C O 2 → 2 M g O + C {\displaystyle {\mathsf {2Mg+CO_{2}\rightarrow 2MgO+C}}}Взаимодействие с оксидом активного металла:
C a O + C O 2 → C a C O 3 {\displaystyle {\mathsf {CaO+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}}}}При растворении в воде образует угольную кислоту :
C O 2 + H 2 O ⇄ H 2 C O 3 {\displaystyle {\mathsf {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}}}}Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:
C a (O H) 2 + C O 2 → C a C O 3 ↓ + H 2 O {\displaystyle {\mathsf {Ca(OH)_{2}+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}\downarrow +H_{2}O}}} (качественная реакция на углекислый газ) K O H + C O 2 → K H C O 3 {\displaystyle {\mathsf {KOH+CO_{2}\rightarrow KHCO_{3}}}}Биологические
Организм человека выделяет приблизительно 1 кг углекислого газа в сутки .
Этот углекислый газ переносится от тканей, где он образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма, по венозной системе и затем выделяется с выдыхаемым воздухом через лёгкие. Таким образом, содержание углекислого газа в крови велико в венозной системе, и уменьшается в капиллярной сети лёгких, и мало в артериальной крови. Содержание углекислого газа в пробе крови часто выражают в терминах парциального давления, то есть давления, которое бы имел содержащийся в пробе крови в данном количестве углекислый газ, если бы весь объём пробы крови занимал только он .
Углекислый газ (CO 2) транспортируется в крови тремя различными способами (точное соотношение каждого из этих трёх способов транспортировки зависит от того, является ли кровь артериальной или венозной).
Гемоглобин, основной кислород-транспортирующий белок эритроцитов крови, способен транспортировать как кислород, так и углекислый газ . Однако углекислый газ связывается с гемоглобином в ином месте, чем кислород. Он связывается с N-терминальными концами цепей глобина , а не с гемом . Однако благодаря аллостерическим эффектам, которые приводят к изменению конфигурации молекулы гемоглобина при связывании, связывание углекислого газа понижает способность кислорода к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении кислорода, и наоборот - связывание кислорода с гемоглобином понижает способность углекислого газа к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении углекислого газа. Помимо этого, способность гемоглобина к преимущественному связыванию с кислородом или с углекислым газом зависит также и от pH среды. Эти особенности очень важны для успешного захвата и транспорта кислорода из лёгких в ткани и его успешного высвобождения в тканях, а также для успешного захвата и транспорта углекислого газа из тканей в лёгкие и его высвобождения там.
Углекислый газ является одним из важнейших медиаторов ауторегуляции кровотока. Он является мощным вазодилататором . Соответственно, если уровень углекислого газа в ткани или в крови повышается (например, вследствие интенсивного метаболизма - вызванного, скажем, физической нагрузкой, воспалением, повреждением тканей, или вследствие затруднения кровотока, ишемии ткани), то капилляры расширяются, что приводит к увеличению кровотока и соответственно к увеличению доставки к тканям кислорода и транспорта из тканей накопившейся углекислоты. Кроме того, углекислый газ в определённых концентрациях (повышенных, но ещё не достигающих токсических значений) оказывает положительное инотропное и хронотропное действие на миокард и повышает его чувствительность к адреналину , что приводит к увеличению силы и частоты сердечных сокращений, величины сердечного выброса и, как следствие, ударного и минутного объёма крови. Это также способствует коррекции тканевой гипоксии и гиперкапнии (повышенного уровня углекислоты).
Ионы гидрокарбоната очень важны для регуляции pH крови и поддержания нормального кислотно-щелочного равновесия. Частота дыхания влияет на содержание углекислого газа в крови. Слабое или замедленное дыхание вызывает респираторный ацидоз , в то время как учащённое и чрезмерно глубокое дыхание приводит к гипервентиляции и развитию респираторного алкалоза .
Кроме того, углекислый газ также важен в регуляции дыхания. Хотя наш организм требует кислорода для обеспечения метаболизма, низкое содержание кислорода в крови или в тканях обычно не стимулирует дыхание (вернее, стимулирующее влияние нехватки кислорода на дыхание слишком слабо и «включается» поздно, при очень низких уровнях кислорода в крови, при которых человек нередко уже теряет сознание). В норме дыхание стимулируется повышением уровня углекислого газа в крови. Дыхательный центр гораздо более чувствителен к повышению уровня углекислого газа, чем к нехватке кислорода. Как следствие этого, дыхание сильно разрежённым воздухом (с низким парциальным давлением кислорода) или газовой смесью, вообще не содержащей кислорода (например, 100 % азотом или 100 % закисью азота) может быстро привести к потере сознания без возникновения ощущения нехватки воздуха (поскольку уровень углекислоты в крови не повышается, ибо ничто не препятствует её выдыханию). Это особенно опасно для пилотов военных самолётов, летающих на больших высотах (в случае аварийной разгерметизации кабины пилоты могут быстро потерять сознание). Эта особенность системы регуляции дыхания также является причиной того, почему в самолётах стюардессы инструктируют пассажиров в случае разгерметизации салона самолёта в первую очередь надевать кислородную маску самим, прежде чем пытаться помочь кому-либо ещё - делая это, помогающий рискует быстро потерять сознание сам, причём даже не ощущая до последнего момента какого-либо дискомфорта и потребности в кислороде .
Дыхательный центр человека пытается поддерживать парциальное давление углекислого газа в артериальной крови не выше 40 мм ртутного столба. При сознательной гипервентиляции содержание углекислого газа в артериальной крови может снизиться до 10-20 мм ртутного столба, при этом содержание кислорода в крови практически не изменится или увеличится незначительно, а потребность сделать очередной вдох уменьшится как следствие уменьшения стимулирующего влияния углекислого газа на активность дыхательного центра. Это является причиной того, почему после некоторого периода сознательной гипервентиляции легче задержать дыхание надолго, чем без предшествующей гипервентиляции. Такая сознательная гипервентиляция с последующей задержкой дыхания может привести к потере сознания до того, как человек ощутит потребность сделать вдох. В безопасной обстановке такая потеря сознания ничем особенным не грозит (потеряв сознание, человек потеряет и контроль над собой, перестанет задерживать дыхание и сделает вдох, дыхание, а вместе с ним и снабжение мозга кислородом восстановится, а затем восстановится и сознание). Однако в других ситуациях, например, перед нырянием, это может быть опасным (потеря сознания и потребность сделать вдох наступят на глубине, и в отсутствие сознательного контроля в дыхательные пути попадёт вода, что может привести к утоплению). Именно поэтому гипервентиляция перед нырянием опасна и не рекомендуется.
Получение
В промышленных количествах углекислота выделяется из дымовых газов, или как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов (известняк , доломит) или при производстве алкоголя (спиртовое брожение). Смесь полученных газов промывают раствором карбоната калия, которые поглощают углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В современных установках получения углекислого газа вместо гидрокарбоната чаще применяется водный раствор моноэтаноламина , который при определённых условиях способен абсорбировать СО₂, содержащийся в дымовом газе, а при нагреве отдавать его; таким образом отделяется готовый продукт от других веществ.
Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона .
В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора , мела или соды с соляной кислотой , используя, например, аппарат Киппа . Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты.
Для приготовления напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.
Применение
В пищевой промышленности углекислота используется как консервант и разрыхлитель , обозначается на упаковке кодом Е290 .
Устройство для подачи углекислого газа в аквариум может включать в себя резервуар с газом. Простейший и наиболее распространенный метод получения углекислого газа основан на конструкции для изготовления алкогольного напитка браги . При брожении, выделяемый углекислый газ вполне может обеспечить подкормку аквариумных растений
Углекислый газ используется для газирования лимонада и газированной воды . Углекислый газ используется также в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его распад с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл . В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний . Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в инертной среде.
Хранение углекислоты в стальном баллоне в сжиженном состоянии выгоднее, чем в виде газа. Углекислота имеет сравнительно низкую критическую температуру +31°С. В стандартный 40-литровый баллон заливают около 30 кг сжиженного углекислого газа, и при комнатной температуре в баллоне будет находиться жидкая фаза, а давление составит примерно 6 МПа (60 кгс/см²). Если температура будет выше +31°С, то углекислота перейдёт в сверхкритическое состояние с давлением выше 7,36 МПа. Стандартное рабочее давление для обычного 40-литрового баллона составляет 15 МПа (150 кгс/см²), однако он должен безопасно выдерживать давление в 1,5 раза выше, то есть 22,5 МПа,- таким образом, работа с подобными баллонами может считаться вполне безопасной.
Твёрдая углекислота - «сухой лёд» - используется в качестве хладагента в лабораторных исследованиях, в розничной торговле, при ремонте оборудования (например: охлаждение одной из сопрягаемых деталей при посадке внатяг) и т. д. Для сжижения углекислого газа и получения сухого льда применяются углекислотные установки .
Методы регистрации
Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях - анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO 2 в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта . Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем . Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф . Для измерения низких концентраций CO 2 (а также ) в технологических газах или в атмосферном воздухе можно использовать газохроматографический метод с метанатором и регистрацией на пламенно-ионизационном детекторе .
Углекислый газ в природе
Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40-70°) широт Северного полушария.
Большое количество углекислоты растворено в океане.
Углекислый газ составляет значительную часть атмосфер некоторых планет Солнечной системы : Венеры , Марса .
Токсичность
Углекислый газ нетоксичен, но по воздействию его повышенных концентраций в воздухе на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам (англ.) русск. . Незначительные повышения концентрации до 2-4 % в помещениях приводят к развитию у людей сонливости и слабости. Опасными концентрациями считаются уровни около 7-10 %, при которых развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и в потере сознания (симптомы, сходные с симптомами высотной болезни), в зависимости от концентрации, в течение времени от нескольких минут до одного часа. При вдыхании воздуха с высокими концентрациями газа смерть наступает очень быстро от удушья .
Хотя, фактически, даже концентрация 5-7 % CO 2 не смертельна, уже при концентрации 0,1 % (такое содержание углекислого газа наблюдается в воздухе мегаполисов) люди начинают чувствовать слабость, сонливость. Это показывает, что даже при высоких содержаниях кислорода большая концентрация CO 2 сильно влияет на самочувствие.
Вдыхание воздуха с повышенной концентрацией этого газа не приводит к долговременным расстройствам здоровья и после удаления пострадавшего из загазованной атмосферы быстро наступает полное восстановление здоровья .
Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?
Углекислый газ и его физические свойства
Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.
Рис. 1. Молекула углекислого газа.
Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.
Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».
Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.
Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.
Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.
Чтобы вычислить массовые доли элементов в углекислом газе необходимо следовать формулерасчета массовых долей каждого химического элемента в веществе.
n – число атомов или молекул.
Ar – относительная атомная масса химического элемента.
Mr – относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27 % Так как в формулу углекислого газа входит два атома кислорода, то n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73 %
Ответ: w(C) = 0,27 или 27 %; w(O) = 0,73 или 73 %
Химические и биологические свойства углекислого газа
Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:
CO₂+H₂O=H₂CO₃
Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.
При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:
2CO₃=2CO+O₃.
Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:
СaO+Co₃=CaCO₃.
Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.
Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.
Продолжение. См. 21, 22, 23, 24, 25-26, 27-28, 29/2003
6. Подгруппа углерода
Знать : аллотропные модификации углерода, зависимость их свойств от строения кристаллической решетки; важнейшие свойства и применение углерода, оксидов углерода, угольной кислоты, карбонатов, кремния, оксидов кремния, кремниевой кислоты; состав и получение строительных материалов – стекла, цемента, бетона, керамики, условия их рационального хранения и использования; качественную реакцию на карбонат-ион; способы обнаружения углекислого газа.
Уметь : давать характеристику подгруппе элементов на основе строения атомов и положения элементов в периодической системе; описывать химические свойства изученных веществ уравнениями реакций; определять на практике карбонат-ион и углекислый газ; решать комбинированные задачи.
Основные понятия: адсорбция, десорбция, адсорбент, известковая вода, известковое молоко, карбиды, силициды, кремниевый ангидрид, керамика.Контрольные вопросы
1. Какова валентность углерода в соединениях? Почему?
2. Какие аллотропные формы образует углерод?
3. В чем различие свойств графита и алмаза? Почему свойства этих веществ так различны?
4. Почему активированный уголь способен к адсорбции?
5. Что называется адсорбцией? Где применяется это свойство?
6. В какие реакции может вступать углерод? Напишите уравнения реакций.
7. Какие оксиды образует углерод?
8. Как устроена молекула монооксида углерода, какой в ней тип химической связи?
9. Как можно получить оксид углерода(II)? Приведите уравнение химической реакции.
10. Каковы физические свойства угарного газа?
11. В какие реакции может вступать монооксид углерода? Приведите уравнения химических реакций.
12. Где применяется оксид углерода(II)?
13. Как влияет угарный газ на живой организм? Как уберечься от отравления им?
14. Как устроена молекула диоксида углерода, какой в ней тип химической связи?
15. Как можно получить СО 2 ? Составьте уравнение реакции.
16. Каковы физические свойства углекислого газа?
17. Какие реакции возможны для диоксида углерода? Приведите соответствующие уравнения реакций.
18. Как образуются средние и кислые соли в реакциях СО 2 с щелочами? Напишите уравнения реакций.
19. Как распознать углекислый газ? Напишите уравнение качественной реакции на СО 2 .
20. Почему СО 2 не поддерживает горения и дыхания?
21. Каково расположение атомов в молекуле угольной кислоты?
22. Какой тип химической связи между атомами в молекуле угольной кислоты?
23. Как можно получить угольную кислоту? Приведите уравнение реакции.
24. Как диссоциирует угольная кислота? Сильный ли это электролит?
25. Как происходит гидролиз карбоната натрия в растворе? Напишите уравнение реакции.
26. Какова окраска лакмуса в растворе угольной кислоты? Почему?
27. Какие соли может образовывать угольная кислота? Приведите примеры формул веществ.
28. Какие соли угольной кислоты встречаются в природе и как они называются?
29. Какие карбонаты получают в промышленности?
30. Каковы физические свойства солей угольной кислоты?
31. Как ведут себя карбонаты при нагревании? Напишите уравнения реакций.
32. Что происходит с гидрокарбонатами при нагревании?
33. Какие другие реакции (кроме разложения) возможны для карбонатов?
34. Какова качественная реакция на карбонаты? Напишите уравнение реакции.
35. Опишите строение атома кремния.
36. Каковы возможные степени окисления кремния в его соединениях?
37. Каковы физические свойства кремния?
38. Как можно получить чистый кремний? Составьте уравнение реакции.
39. Какие реакции возможны для кремния? Напишите уравнения реакций.
40. Как взаимодействует кремний с щелочами? Составьте уравнение реакции.
41. Где применяется кремний?
42. Какой оксид образует кремний? В каком виде оксид кремния встречается в природе?
43. Почему диоксид кремния твердый и тугоплавкий?
44. Каковы химические свойства диоксида кремния? Напишите уравнения реакций.
45. Где применяется диоксид кремния?
46. Какова простейшая формула кремниевой кислоты?
47. Как можно получить кремниевую кислоту? Приведите уравнение реакции.
48. Каковы физические свойства кремниевой кислоты?
49. Как получают силикаты? Напишите уравнения реакций.
50. Каковы химические свойства силикатов? Составьте уравнения реакций.
51. Где применяется кремниевая кислота?
52. Где применяются силикаты?
53. Какие материалы производит силикатная отрасль промышленности?
54. Что является сырьем для производства стекла?
55. Как можно изменить свойства стекла?
56. Где применяется стекло?
57. Где применяются изделия из керамики?
58. Что служит сырьем при производстве цемента?
59. Где применяется цемент?
60. Какие элементы составляют семейство углерода?
61. Как изменяются свойства элементов в подгруппе углерода с увеличением заряда ядра атома? Почему?
62. Где применяют элементы семейства углерода?6.1. Решение задач по теме «Подгруппа углерода»
Задача 1. При обработке 3,8 г смеси карбоната и гидрокарбоната натрия соляной кислотой образовалось 896 мл газа
(н. у.). Какой объем соляной кислоты (массовая доля – 20%, плотность – 1,1 г/см 3) был израсходован и каков состав исходной смеси?Решение
1. Расчет количества вещества:
(CO 2) = 0,896 (л)/22,4 (л/моль) = 0,04 моль.
Обозначим через х количество вещества газа СО 2 , выделившегося в реакции Na 2 CO 3 c cоляной кислотой. Тогда
(CO 2), выделившегося при реакции NaHCO 3 c HCl, равно (0,04 – х ) моль. Напишем уравнения реакций:2. Составим запись для определения количественного состава смеси:
106х + 84 (0,04 – х ) = 3,8, отсюда х = 0,02 моль;
m (Na 2 CO 3) = 0,02 106 = 2,12 г,
m (NaНCO 3) = 0,02 84 = 1,68 г.
3. Рассчитаем объем кислоты. В реакции с Na 2 CO 3 расходуется 0,04 моль HCl, а в реакции с NaНCO 3 – 0,02 моль HCl.
Ответ . 9,95 мл кислоты HCl; 2,12 г Na 2 CO 3 и 1,68 г NaНCO 3 .
Задача 2. Какой объем углекислого газа необходимо пропустить (н. у.) через раствор массой 80 г с массовой долей растворенного вещества гидроксида бария 5% для получения гидрокарбоната бария?
Решение
1. Составим уравнение реакции:
2. Рассчитаем количества веществ исходных соединений, вступивших в реакцию:
m (Ва(ОН) 2) = 80 0,05 = 4 г,
(Ва(ОН) 2) = 4/171 = 0,0234 моль;
(СО 2) = 2(Ва(ОН) 2) = 2 0,0234 = 0,0468 моль.
3. Рассчитаем объем газа:
V (СО 2) = 0,0468 22,4 = 1,05 л.
Ответ . 1,05 л СО 2 .
Задача 3. Через известковую воду пропустили 1 л смеси оксидов углерода(II) и (IV). Выпавший осадок отфильтровали и высушили, масса осадка составила 2,45 г. Установите содержание газов в исходной смеси в процентах по объему
(н. у.).Решение
1. Запишем уравнения реакций:
2. Рассчитаем количество вещества СО 2:
(СО 2) = (СаСО 3) = 2,45/100 = 0,0245 моль.
3. Рассчитаем объемы и объемные доли () газов в смеси:
V (СО 2) = 22,4 0,0245 = 0,5488 л, (СО 2) = 54,88%;
V (СО) = 1 – 0,5488 = 0,4512 л, (СО) = 45,12%.
Ответ . Объемные доли (СО 2) = 54,88%; (СО) = 45,12%.
Задания для самоконтроля
1. С какими веществами будет реагировать оксид углерода(IV): гидроксид натрия, вода, карбонат магния, хлорид натрия, оксид кальция, гидроксид меди(II), уголь, известковая вода? Напишите уравнения возможных реакций.
2. В одной пробирке дан раствор карбоната натрия, а в другой – сульфата натрия. В каждую пробирку добавили раствор хлорида бария и в обоих случаях наблюдали выпадение белого осадка. Как определить, в какой пробирке находится карбонат? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций.
3. Объясните окислительно-восстановительные процессы, показав переходы электронов методом электронного баланса:
4. Запишите уравнения реакций следующих превращений:
5. При действии избытка соляной кислоты на образец доломита МgСО 3 СаСО 3 массой 50 г выделяется 11,2 л углекислого газа (н. у.). Определите массовую долю примесей в данном образце доломита.
Ответ . 8%.
6. Известно, что при горении угля выделяется 402 кДж/моль, а при обжиге известняка поглощается 180 кДж/моль теплоты. Используя эти данные, определите массу угля (содержащего 0,98 массовой доли углерода), необходимого для разложения 1 кг известняка, содержащего 5% примесей.
Ответ . 52 г.
7. 1,68 л смеси оксидов углерода(II) и (IV) пропустили при комнатной температуре через 50 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией 2 моль/л, после чего содержание щелочи в растворе уменьшилось вдвое. Определите состав исходной смеси газов в процентах по массе и объему.
Ответ. (СО) = 33,3%, (СО) = 24,1%;
(СО 2) = 66,7%, (СО 2) = 75,9%.8. Газ, полученный при полном восстановлении 16 г оксида железа(III) с помощью угарного газа, пропущен через 98,2 мл 15%-го раствора гидроксида калия (плотность – 1,14 кг/дм 3). Сколько литров оксида углерода(II) израсходовано
(н. у.)? Каковы состав и масса образовавшейся соли?Ответ . 6,72 л СО, 30 г КНСО 3 .
7. Общие свойства металлов
Знать : положение металлов в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева; строение и физические свойства металлов; нахождение металлов в природе; общие химические свойства металлов; виды коррозии и способы защиты от нее; электролиз как окислительно-восстановительный процесс и его применение; классификацию сплавов, состав некоторых сплавов, их свойства и применение; сущность и значение электрохимического ряда напряжений металлов.
Уметь : давать характеристику металлам на основании положения элементов в периодической системе и строения атомов; характеризовать физические свойства металлов; составлять уравнения реакций, отражающих общие свойства металлов; составлять схемы и уравнения электролиза расплавов и растворов солей и щелочей; решать типовые и комбинированные задачи.
Основные понятия : металлическая связь, металлическая кристаллическая решетка, гальванический элемент, электрохимический элемент, коррозия, электролиз, электроэкстрация, электролитическое рафинирование металлов, гальванопластика, гальваностегия, сплавы.Реакции металлов с кислотами
Активные металлы могут реагировать с кислотами с выделением водорода (реакции замещения).
Малоактивные металлы водород из кислот не вытесняют.Контрольные вопросы
1. Каково значение металлов в жизни человека?
2. Каковы особенности строения атомов металлов?
3. Где расположены металлы в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?
4. Сколько наружных электронов имеют атомы металлов главных и побочных подгрупп?
5. В каких формах могут находиться металлы в природе?
6. Как можно получить металлы из их соединений?
7. Как устроена кристаллическая решетка металлов?
8. Каковы физические свойства металлов?
9. Как ведут себя атомы металлов в химических реакциях и почему?
10. Какие свойства – окислителей или восстановителей – проявляют металлы в химических реакциях?
11. Расскажите об электрохимическом ряде напряжений металлов.
12. Перечислите реакции, в которые могут вступать металлы.
13. Как связаны химические активности атомов металлов и ионов металлов?
14. Пары какого металла смертельно опасны? Опишите признаки отравления.
15. Что такое коррозия металла и как уберечь от нее металл?
16. Перечислите щелочные металлы. Почему они так называются?
17. Каковы особенности строения атомов щелочных металлов?
18. Как можно получить щелочные металлы?
19. Каковы физические свойства щелочных металлов?
20. Какие оксиды и пероксиды получаются при окислении щелочных металлов?
21. Какова степень окисления щелочного металла в соединении? Почему?
22. Как образуется гидрид щелочного металла? Какова степень окисления водорода в нем?
23. Как реагирует щелочной металл с раствором соли?
24. Как окрашивают пламя атомы и ионы щелочных металлов?
25. Какие реакции характерны для щелочных металлов?
26. Какие химические связи образуют щелочные металлы с неметаллами?
27. Как взаимодействует пероксид натрия с углекислым газом?
28. Где применяются щелочные металлы?
29. Какой из щелочных металлов наиболее активен и почему?
30. Как надпероксид КО 2 взаимодействует с СО 2 ? Напишите уравнение реакции.7.1. Электролиз расплавов
Катод – восстановитель, на нем происходит процесс приема электронов катионами металлов.
Анод – окислитель, на нем происходит процесс отдачи электронов анионами кислотных остатков или гидроксид-ионами.В случае окисления ионов ОН – составляется схема:
4ОН – – 4e = 2Н 2 O + О 2 .
Электролиз расплавов солей.
(Алгоритм 30.)Задание 1 . Составьте схему электролиза расплава бромида натрия.
Задание 2. Составьте схему электролиза расплава сульфата натрия.
Электролиз расплавов щелочей.
(Алгоритм 31.)Задание 1 . Составьте схему электролиза расплава гидроксида натрия.
7.2. Электролиз растворов
Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании через электролит электрического тока. При электролизе катод является восстановителем, т. к. отдает электроны, а анод – окислителем, т. к. принимает электроны от анионов.
Для выбора наиболее вероятного процесса на катоде и аноде при электролизе растворов с использованием инертного (нерастворимого) анода (например, графита, угля, платины, иридия) используют следующие правила .
1. На аноде образуются:
а) при электролизе растворов, содержащих анионы F – , – , , , OH – , – O 2 ;
б) при окислении анионов Сl – , Вr – , I – – соответственно Сl 2 , Вr 2 , I 2 .2. На катоде образуются:
а) при электролизе растворов, содержащих ионы, расположенные в ряду напряжений левее Аl 3+ , – Н 2 ;
б) если ионы расположены в ряду напряжений правее водорода – металлы;
в) если ионы расположены в ряду напряжений между Аl 3+ и H + , то на катоде могут протекать конкурирующие процессы – восстановление как металлов, так и водорода;
г) если водный раствор содержит катионы различных металлов, то их восстановление протекает в порядке уменьшения величины стандартного электродного потенциала (справа налево по ряду напряжений металлов).В случае использования активного (растворимого) анода (из меди, серебра, цинка, никеля, кадмия) анод сам подвергается окислению (растворяется) и на катоде кроме катионов металла соли и ионов водорода восстанавливаются катионы металла, полученные при растворении анода.
Восстановительные свойства металлов удобно сравнивать, используя электрохимический ряд напряжений, в который включен и водород. Восстановительная способность элементов в этом ряду уменьшается слева направо, в этом же направлении увеличивается окислительная способность соответствующих катионов.Электролиз водного раствора соли.
(Алгоритм 32.)Задание 1. Составьте схему электролиза водного раствора хлорида натрия с использованием инертных электродов.
Задание 2. Составьте схему электролиза водного раствора сульфата меди(II) с использованием инертных электродов.
Электролиз водного раствора щелочи.
(Алгоритм 33.)Задание 1. Составьте схему электролиза водного раствора гидроксида натрия.
Задания для самоконтроля
1. Составьте схемы электролиза:
а) расплавов хлорида кальция, гидроксида калия, сульфата лития;
б) водных растворов хлорида магния, сульфата калия, нитрата ртути(II).2. Какие реакции практически осуществимы:
а) Cu + HCl ... ;
б) Mg + H 2 SO 4 (разб.) ... ;
в) Zn + Pb(NO 3) 2 ... ;
г) Cu + ZnCl 2 ... ;
д) Ca + H 2 O ... ;
е) Fe + Cl 2 ... ?3. На стальной крышке поставлена медная заклепка. Что раньше разрушится – крышка или заклепка? Почему?
4. Имеется изделие из железа, покрытое защитной пленкой из олова (луженое железо). Что будет происходить при нагревании такого изделия на воздухе? Напишите уравнения протекающих реакций.
5. Какой объем водорода (н. у.) выделится при погружении в воду 20 г изделия из сплава натрия, калия и меди в массовом отношении 1:1:2?
Ответ . 3,86 л.
6. Рассчитайте массу 9,8%-го раствора серной кислоты, которая потребуется для растворения четырех гранул цинка, если масса каждой гранулы 0,2 г.
Ответ . 12,3 г.
7. Рассчитайте, какой будет массовая доля гидроксида калия в растворе, если металлический калий массой 3,9 г растворить в воде объемом 80 мл.
Ответ. 6,68%.
8. При электролизе сульфата некоторого металла на аноде выделилось 176 мл кислорода (н. у.), а на катоде за то же время – 1 г металла. Сульфат какого металла был взят?
Ответ . CuSO 4 .
9. Железная пластинка массой 18 г опущена в раствор сульфата меди(II). Когда она покрылась медью, ее масса стала равной 18,2 г. Какая масса железа перешла в раствор?
Ответ . 1,4 г.
10. Железная пластинка массой 5 г опущена на некоторое время в 50 мл 15%-го раствора сульфата меди(II), плотность которого 1,12 г/см 3 . После того как пластину вынули, ее масса оказалась равной 5,16 г. Какова масса сульфата меди(II) в оставшемся растворе?
Ответ . 5,2 г.
Ответы на задания для самоконтроля
6.1. Решение задач по теме «Подгруппа углерода»
Взаимодействие углерода с углекислым газом протекает по реакции
Рассматриваемая система состоит из двух фаз – твердого углерода и газа (f = 2). Три взаимодействующих вещества связаны между собой одним уравнением реакции, следовательно, количество независимых компонентов k = 2. Согласно правилу фаз Гиббса число степеней свободы системы будет равно
С = 2 + 2 – 2 = 2 .
Это означает, что равновесные концентрации СО и СО 2 являются функциями температуры и давления.
Реакция (2.1) является эндотермической. Поэтому согласно принципу Ле Шателье повышение температуры смещает равновесие реакции в направлении образования дополнительного количества СО.
При протекании реакции (2.1) расходуется 1 моль СО 2 , который при нормальных условиях имеет объем 22400 см 3 , и 1 моль твердого углерода объемом 5,5 см 3 . В результате реакции образуется 2 моля СО, объем которых при нормальных условиях равен 44800 см 3 .
Из приведенных выше данных об изменении объема реагентов при протекании реакции (2.1) следует:
- Рассматриваемое превращение сопровождается увеличением объема взаимодействующих веществ. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье повышение давления будет способствовать протеканию реакции в направлении образования СО 2 .
- Изменение объема твердой фазы пренебрежимо мало в сравнении с изменением объема газа. Поэтому для гетерогенных реакций с участием газообразных веществ с достаточной точностью можно считать, что изменение объема взаимодействующих веществ определяется только количеством молей газообразных веществ в правой и левой частях уравнения реакции.
Константа равновесия реакции (2.1) определяется из выражения
Если в качестве стандартного состояния при определении активности углерода принять графит, то а С = 1
Численное значение константы равновесия реакции (2.1) можно определить из уравнения
Данные о влиянии температуры на величину константы равновесия реакции приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Значения константы равновесия реакции (2.1) при различных температурах
Из приведенных данных видно, что при температуре около 1000К (700 о С) константа равновесия реакции близка к единице. Это означает, что в области умеренных температур реакция (2.1) практически полностью обратима. При высоких температурах реакция необратимо протекает в направлении образования СО, а при низких температурах в обратном направлении.
Если газовая фаза состоит только из СО и СО 2 , выразив парциальные давления взаимодействующих веществ через их объемные концентрации, уравнение (2.4) можно привести к виду
В промышленных условиях СО и СО 2 получают в результате взаимодействия углерода с кислородом воздуха или дутья, обогащенного кислородом. При этом в системе появляется еще один компонент – азот. Введение азота в газовую смесь влияет на соотношение равновесных концентраций СО и СО 2 аналогично уменьшению давления.
Из уравнения (2.6) видно, что состав равновесной газовой смеси является функцией температуры и давления. Поэтому решение уравнения (2.6) графически интерпретируется при помощи поверхности в трехмерном пространстве в координатах Т, P общ и (%СО). Восприятие такой зависимости затруднено. Значительно удобнее изображать ее в виде зависимости состава равновесной смеси газов от одной из переменных при постоянстве второго из параметров системы. В качестве примера на рисунке 2.1 приведены данные о влиянии температуры на состав равновесной газовой смеси при P общ = 10 5 Па.
При известном исходном составе смеси газов судить о направлении протекания реакции (2.1) можно при помощи уравнения
Если давление в системе остается неизменным, соотношение (2.7) можно привести к виду
Рисунок 2.1 – Зависимость равновесного состава газовой фазы для реакции С + СО 2 = 2СО от температуры при P CO +P CO 2 = 10 5 Па.
Для газовой смеси, состав которой отвечает точке а на рисунке 2.1, . При этом
а G > 0. Таким образом, точки выше равновесной кривой характеризуют системы, приближение которых к состоянию термодинамического равновесия протекает по реакции
Аналогичным образом можно показать, что точки ниже равновесной кривой характеризуют системы, которые приближаются к равновесному состоянию по реакции
Углекислый газ (двуокись углерода), называемый также углекислотой, - важнейший компонент в составе газированных напитков. Он обусловливает вкус и биологическую стойкость напитков, сообщает им игристость и освежающие свойства.
Химические свойства. В химическом отношении углекислый газ инертен. Образовавшись с выделением большого количества тепла, он, как продукт полного окисления углерода, весьма стоек. Реакции восстановления двуокиси углерода протекают только при высоких температурах. Так, например, взаимодействуя с калием при 230° С, углекислый газ восстанавливается до щавелевой кислоты:
Вступая в химическое взаимодействие с водой, газ, в количестве не более 1% от содержания его в растворе, образует угольную кислоту, диссоциирующую на ионы Н + , НСО 3 - , СО 2 3- . В водном растворе углекислый газ легко вступает в химические реакции, образуя различные углекислые соли. Поэтому водный раствор углекислого газа обладает большой агрессивностью по отношению к металлам, а также разрушающе действует на бетон.
Физические свойства. Для сатурации напитков используется углекислый газ, приведенный в жидкое состояние сжатием до высокого давления. В зависимости от температуры и давления углекислый газ может находиться также в газообразном и твердом состоянии. Температура и давление, соответствующие данному агрегатному состоянию, приведены на диаграмме фазового равновесия (рис. 13).
При температуре минус 56,6° С и давлении 0,52 Мн/м 2 (5,28 кГ/см 2), соответствующих тройной точке, углекислый газ может одновременно находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии. При более высоких температуре и давлении углекислый газ находится в жидком и газообразном состоянии; при температуре и давлении, которые ниже этих показателей, газ, непосредственно минуя жидкую фазу, переходит в газообразное состояние (сублимирует). При температуре, превышающей критическую температуру 31,5° С, никакое давление не может удержать углекислый газ в виде жидкости.
В газообразном состоянии углекислый газ бесцветен, не имеет запаха и обладает слабовыраженным кислым вкусом. При температуре 0° С и атмосферном давлении плотность углекислого газа составляет 1,9769 кг/ж 3 ; он в 1,529 раз тяжелее воздуха. При 0°С и атмосферном давлении 1 кг газа занимает объем 506 л. Связь между объемом, температурой и давлением углекислого газа выражается уравнением:
где V - объем 1 кг газа в м 3 /кг; Т - температура газа в ° К; Р - давление газа в н/м 2 ; R - газовая постоянная; А - дополнительная величина, учитывающая отклонение от уравнения состояния идеального газа;
Ожиженный углекислый газ - бесцветная, прозрачная, легкоподвижная жидкость, напоминающая по внешнему виду спирт или эфир. Плотность жидкости при 0° С равна 0,947. При температуре 20°С ожиженный газ сохраняется под давлением 6,37 Мн/м 2 (65 кГ/см 2) в стальных баллонах. При свободном истечении из баллона жидкость испаряется с поглощением большого количества тепла. При снижении температуры до минус 78,5° С часть жидкости замерзает, превращаясь в так называемый сухой лед. По твердости сухой лед близок к мелу и имеет матово-белый цвет. Сухой лед испаряется медленнее жидкости, при этом он непосредственно переходит в газообразное состояние.
При температуре минус 78,9° С и давлении 1 кГ/см 2 (9,8 Мн/м 2) теплота сублимации сухого льда составляет 136,89 ккал/кг (573,57 кдж/кг).
Загрузка...
