Конспект урока: Общая характеристика элементов IVА-группы. Углерод. Кислородные соединения углерода

При образовании химических соединений с кислородом кислород принимает положительные степени окисления: +2 или +4 (наиболее часто). Мы дадим характеристику двум оксидам углерода, угольной кислоте и её солям. Для начала поговорим об оксидах.

Оксиды углерода

Углерод образует два оксида:

• оксид углерода (II) CO, степень окисления углерода +2;
• оксид углерода (IV) CO₂, степень окисления углерода +4.

Оксид углерода (IV) образуется при горении углерода в кислороде:
 

$\mathrm{C} + {\mathrm{O}}_2 = {\mathrm{CO}}_2$.

Если кислорода недостаточно, то образующийся оксид углерода (IV) взаимодействует с раскалённым углеродом и образуется оксид углерода (II):
 

$\mathrm{С} + {\mathrm{CO}}_2 = 2\mathrm{CO}$.

И оксид углерода (II), и оксид углерода (IV) являются бесцветными газами, не имеющими запаха.

Оксид углерода (II) $\mathrm{CO}$ известен также как угарный газ. Его название объясняется тем, что ядовитый воздух, в котором содержался данный оксид, на Руси называли угаром. Угарный газ очень токсичен! Его молекулы, как и молекулы кислорода, способны соединяться с гемоглобином — белком, который находится в клетках крови и транспортирует кислород по организму. Соединение гемоглобина с угарным газом (карбоксигемоглобин) прочнее, чем с кислородом (оксигемоглобин), поэтому карбоксигемоглобин препятствует нормальному насыщению крови кислородом. Возникает кислородное голодание, что приводит к летальному исходу.

С химической точки зрения оксид углерода (II) относится к несолеобразующим оксидам и является хорошим восстановителем:

1. Горение:
 

$2{\mathrm{C}}^{+2}\mathrm{O} + {\mathrm{O}}_2 = {\mathrm{C}}^{+4}{\mathrm{O}}_2$;

2. Восстановление металлов из их оксидов:
 

${\mathrm{Cu}}^{+2}\mathrm{O} + {\mathrm{C}}^{+2}\mathrm{O} \stackrel{\mathrm{t}}{=}$${\mathrm{Cu}}^0 + {\mathrm{C}}^{+4}{\mathrm{O}}_2\uparrow$;

Данная способность оксида широко применяется в металлургии.

Оксид углерода (IV) ${\mathrm{CO}}_2$, или углекислый газ.

Промышленный способ его получения — разложение карбоната кальция (мел, известняк) при высокой температуре:
 

${\mathrm{CaCO}}_3 \stackrel{\mathrm{t}}{\to } \mathrm{CaO} + {\mathrm{CO}}_2\uparrow$.

В лаборатории его также получают из карбоната кальция (мрамор), но уже при взаимодействии с соляной кислотой:
 

${\mathrm{CaCO}}_3 + 2\mathrm{HCl} = {\mathrm{CaCl}}_2 + {\mathrm{CO}}_2\uparrow + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Так как в данном оксиде углерод находится в высшей степени окисления, углекислый газ не проявляет восстановительные свойства, а вот слабые окислительные проявляет, например, при взаимодействии с углеродом. Углекислый газ не поддерживает горения, в его атмосфере горит только магний:
 

${\mathrm{CO}}_2 + 2\mathrm{Mg} \stackrel{\mathrm{t}}{\to } 2\mathrm{MgO} + \mathrm{C}$.

По характеру углекислый газ является типичным кислотным оксидом. Ему соответствует угольная кислота ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3$. Он взаимодействует с основными оксидами и щелочами, образуя соли угольной кислоты — карбонаты:
 

$\mathrm{CaO} + {\mathrm{CO}}_2 = {\mathrm{CaCO}}_3$,

$2\mathrm{NaOH} + {\mathrm{CO}}_2 = {\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CO}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Теперь поговорим об угольной кислоте.

Угольная кислота

Формула угольной кислоты ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3$. Она относится к слабым кислотам. В промышленности углекислотой называют не угольную кислоту, а углекислый газ. 

С точки зрения химии угольная кислота — продукт взаимодействия оксида углерода (IV) и воды. Но при стандартных условиях углекислый газ лишь в небольшом количестве растворяется в воде с образованием угольной кислоты:
 

${\mathrm{CO}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \leftrightarrow {\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3$.

Данная реакция является обратимой, равновесие смещено в сторону исходных веществ. Это означает, что в растворе преобладают углекислый газ и вода, а угольной кислоты образуется очень мало.

То небольшое количество угольной кислоты, которое образуется в результате реакции, подвергается электролитической диссоциации. Процесс также обратим. Всего одна из ста тысяч молекул кислоты распадается на ионы:
 

${\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3 \leftrightarrow {\mathrm{H}}^{+} + {{\mathrm{HCO}}_3}^{-}$ (гидрокарбонат-анион),

${{\mathrm{HCO}}_3}^{-} \leftrightarrow {\mathrm{H}}^{+} + {{\mathrm{CO}}_3}^{2-}$ (карбонат-анион).

Угольная кислота является двухосновной кислотой и способна образовывать два ряда солей — средние и кислые.

Соли угольной кислоты

В средних солях, карбонатах, все атомы водорода замещены атомами металла (кислотный остаток ${{\mathrm{CO}}_3}^{2-}$), в кислых солях, гидрокарбонатах, один атом водорода остаётся в кислотном остатке, а один — замещается атомом металла (кислотный остаток ${{\mathrm{HCO}}_3}^{-}$). Например:

• карбонат калия ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{CO}}_3$ — гидрокарбонат калия ${\mathrm{KHCO}}_3$;
• карбонат кальция ${\mathrm{CaCO}}_3$ — гидрокарбонат кальция $\mathrm{Ca}{\left({\mathrm{HCO}}_3\right)}_2$.

Карбонаты металлов представляют собой твёрдые кристаллические вещества. В воде растворимы только карбонаты щелочных металлов и карбонат аммония. А вот кислые соли растворяются в воде лучше, чем средние (гидрокарбонаты щелочных и щелочноземельных металлов растворимы в воде).

Качественная реакция на соли угольной кислоты — взаимодействие с сильными кислотами: серной, соляной, азотной. Сокращённое ионное уравнение данной реакции:
 

$2{\mathrm{H}}^{+} + {{\mathrm{CO}}_3}^{2-} = {\mathrm{CO}}_2\uparrow + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

В таких реакция независимо от карбоната и кислоты будет наблюдаться бурное выделение углекислого газа. Так, скорлупа куриного яйца состоит из карбоната кальция и при погружении его в уксусную кислоту выделится углекислый газ.

Гидрокарбонаты можно превратить в карбонаты при нагревании:
 

$2{\mathrm{KHCO}}_3 = {\mathrm{K}}_2{\mathrm{CO}}_3 + {\mathrm{CO}}_2\uparrow + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Из средней соли можно получить кислую:
 

${\mathrm{CaCO}}_3 + {\mathrm{CO}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = \mathrm{Ca}{\left({\mathrm{HCO}}_3\right)}_2$.

К широко используемым солям относятся также техническая сода — карбонат натрия ${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CO}}_3$ и питьевая сода — гидрокарбонат натрия ${\mathrm{NaHCO}}_3$.