Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Углерод образует с кислородом два оксида: ядовитый угарный газ \(\mathrm{CO}\) — несолеобразующий оксид и сильный восстановитель — и углекислый газ \(\mathrm{CO_2}\) — кислотный оксид. Ему соответствует слабая неустойчивая угольная кислота, её соли — карбонаты и гидрокарбонаты. Карбонат-ион узнают по «вскипанию» с кислотой:
Подробное объяснение
Откройте бутылку газировки — зашипят пузырьки углекислого газа. Капните уксусом на мел — он тоже «закипит». А в старых избах боялись «угара» от рано закрытой печи. Всё это — кислородные соединения углерода.
Два оксида углерода
С кислородом углерод проявляет степени окисления \(+2\) и \(+4\). При избытке кислорода уголь сгорает до \(\mathrm{CO_2}\), при недостатке получается \(\mathrm{CO}\): углекислый газ, проходя через раскалённые угли, превращается в угарный.
Оба оксида — бесцветные газы без запаха, но ведут себя по-разному.
Оксид углерода(II) \(\mathrm{CO}\), угарный газ. Очень ядовит: связывается с гемоглобином крови прочнее кислорода, и кровь перестаёт доставлять кислород к органам. Отравление коварно — запаха нет, человек просто слабеет и теряет сознание. Поэтому нельзя закрывать печную заслонку, пока угли не прогорели, и прогревать машину в закрытом гараже.
\(\mathrm{CO}\) — несолеобразующий оксид: со щелочами и кислотами солей не даёт. Степень окисления \(+2\) для углерода промежуточная, ему «выгодно» отдать ещё два электрона, поэтому \(\mathrm{CO}\) — сильный восстановитель. Он горит синим пламенем и отнимает кислород у оксидов металлов — так в доменной печи получают железо:
Оксид углерода(IV) \(\mathrm{CO_2}\), углекислый газ. Тяжелее воздуха в 1,5 раза, не горит и не поддерживает горения — поэтому им тушат пожары. Углерод здесь в высшей степени окисления, восстановителем \(\mathrm{CO_2}\) быть не может, окислитель он слабый: в нём горит только магний. Получают \(\mathrm{CO_2}\) обжигом известняка \(\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2}\), а в лаборатории — действием соляной кислоты на мрамор.
Главное: \(\mathrm{CO_2}\) — типичный кислотный оксид. Он реагирует с основными оксидами и щелочами, образуя соли. Помутнение известковой воды — способ обнаружить углекислый газ:
Угольная кислота
С водой реагирует лишь малая часть растворённого \(\mathrm{CO_2}\), реакция обратима: \(\mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2CO_3}\). Угольная кислота слабая и неустойчивая — в уравнениях обмена вместо неё пишут \(\mathrm{H_2O + CO_2\uparrow}\). Она двухосновная, поэтому образует два ряда солей:
- карбонаты — средние соли: \(\mathrm{Na_2CO_3}\), \(\mathrm{CaCO_3}\). Растворимы только карбонаты щелочных металлов и аммония;
- гидрокарбонаты — кислые соли: \(\mathrm{NaHCO_3}\), \(\mathrm{Ca(HCO_3)_2}\). Растворяются лучше карбонатов.
Превращения карбонатов и гидрокарбонатов
Нерастворимый известняк под действием воды и углекислого газа медленно превращается в растворимый гидрокарбонат: \(\mathrm{CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2}\). При нагревании или испарении воды идёт обратная реакция — так в пещерах растут сталактиты и сталагмиты, а в чайнике — накипь.
В быту известны две соды: стиральная (техническая) \(\mathrm{Na_2CO_3}\) — для смягчения воды, производства стекла и бумаги — и питьевая \(\mathrm{NaHCO_3}\) — для выпечки и полоскания горла.
Как решать задачи
- Определите, какой оксид участвует: \(\mathrm{CO}\) — восстановитель, со щелочами не реагирует; \(\mathrm{CO_2}\) — кислотный оксид.
- Запишите уравнение и уравняйте его. В ионных уравнениях \(\mathrm{CO_2}\), \(\mathrm{H_2O}\) и нерастворимые карбонаты — молекулами.
- Найдите количество вещества: \(n = m/M\) или \(n = V/V_m\), \(V_m = 22{,}4\) л/моль при н. у.
- Перейдите к нужному веществу по коэффициентам.
- Если в условии смесь или вещество с примесями, учтите массовую или объёмную долю.
Разобранные примеры
Восстановление железа угарным газом
Составьте уравнение реакции угарного газа с оксидом железа(III) при нагревании, расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.
Степени окисления: в \(\mathrm{\overset{+3}{Fe}_2O_3}\) железо \(+3\), в \(\mathrm{\overset{+2}{C}O}\) углерод \(+2\); в продуктах железо \(0\), углерод в \(\mathrm{\overset{+4}{C}O_2}\) — \(+4\).
\(\mathrm{\overset{+3}{Fe} + 3e^- \rightarrow \overset{0}{Fe}}\) — множитель 2, окислитель \(\mathrm{Fe_2O_3}\).
\(\mathrm{\overset{+2}{C} - 2e^- \rightarrow \overset{+4}{C}}\) — множитель 3, восстановитель \(\mathrm{CO}\).
Углекислый газ из известняка с примесями
Какой объём углекислого газа (н. у.) получится при обжиге 250 г известняка, в котором 80 % карбоната кальция?
- \(m(\text{известняка}) = 250\) г
- \(w(\mathrm{CaCO_3}) = 0{,}8\)
- \(V(\mathrm{CO_2})\)
\(m(\mathrm{CaCO_3}) = 250 \cdot 0{,}8 = 200\) г, \(n = \dfrac{200}{100} = 2\) моль.
\(n(\mathrm{CO_2}) = n(\mathrm{CaCO_3}) = 2\) моль, \(V = 2 \cdot 22{,}4 = 44{,}8\) л.
Как отличить питьевую соду от стиральной
В двух банках без подписей — белые порошки: питьевая сода \(\mathrm{NaHCO_3}\) и стиральная \(\mathrm{Na_2CO_3}\). С кислотой обе «вскипают». Как их различить? Запишите уравнение.
Реакция с кислотой не поможет: газ выделяют оба вещества. Зато различается отношение к нагреванию. Гидрокарбонат при нагревании разлагается, а карбонат натрия устойчив:
Нагреваем каждый порошок в пробирке с газоотводной трубкой, опущенной в известковую воду. Где известковая вода помутнела и на стенках появились капли воды — там питьевая сода.
Типичные ошибки
Пишут «\(\mathrm{CO + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_2 + H_2O}\)» по аналогии с \(\mathrm{CO_2}\). Но \(\mathrm{CO}\) — несолеобразующий оксид: кислоты, которой он соответствовал бы, нет, и со щелочами в обычных условиях он солей не даёт.
Со щелочами, водой и основными оксидами реагирует только \(\mathrm{CO_2}\). Для \(\mathrm{CO}\) характерны реакции восстановителя: горение и восстановление металлов из оксидов.
В уравнении \(\mathrm{Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2CO_3}\) не видно, почему реакция идёт до конца. Угольная кислота неустойчива и сразу распадается. А в ионном уравнении её иногда расписывают на \(\mathrm{2H^+ + CO_3^{2-}}\), хотя это слабый электролит.
Вместо \(\mathrm{H_2CO_3}\) пишут продукты распада: \(\mathrm{Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow}\). В ионных уравнениях \(\mathrm{CO_2}\) и \(\mathrm{H_2O}\) — молекулами.
Известняк, мел, мрамор — природные породы с примесями. Если подставить в \(n = m/M\) всю массу породы, количество \(\mathrm{CaCO_3}\) и объём газа получатся завышенными.
Сначала найдите массу чистого вещества: \(m(\mathrm{CaCO_3}) = m(\text{породы}) \cdot w\). В обратной задаче — массу породы делят на долю: \(m(\text{породы}) = m(\mathrm{CaCO_3}) / w\).
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какой оксид углерода относят к несолеобразующим?
Показать ответ
Ответ: Б) CO
Оксид углерода(II) \(\mathrm{CO}\) не реагирует ни со щелочами, ни с кислотами с образованием солей; \(\mathrm{CO_2}\) — кислотный оксид.
-
Какие реакции подтверждают, что CO₂ — кислотный оксид?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) CO₂ + CaO → CaCO₃; Б) CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O; Г) CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃
Кислотный оксид реагирует с основными оксидами, щелочами и водой (образуя кислоту). Реакция с углём — окислительно-восстановительная, она говорит об окислительных свойствах \(\mathrm{CO_2}\).
-
Какое свойство угарного газа используют при выплавке чугуна?
Показать ответ
Ответ: Б) Он восстанавливает железо из оксидов
Углерод в \(\mathrm{CO}\) имеет степень окисления \(+2\) и легко окисляется до \(+4\), поэтому \(\mathrm{CO}\) — сильный восстановитель, например \(\mathrm{Fe_3O_4 + 4CO \rightarrow 3Fe + 4CO_2}\).
-
Что наблюдают при добавлении соляной кислоты к раствору карбоната натрия?
Показать ответ
Ответ: В) Бурно выделяется газ без запаха
Это качественная реакция на карбонат-ион, \(\mathrm{CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow CO_2\uparrow + H_2O}\) — «вскипание» от углекислого газа.
-
Сколько литров углекислого газа (н. у.) выделится при полном разложении 1 моль карбоната кальция?
Показать ответ
Ответ: 22,4
По уравнению \(\mathrm{CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2}\) из 1 моль карбоната — 1 моль газа, а 1 моль газа при н. у. занимает 22,4 л.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Как с помощью известковой воды доказать, что в выдыхаемом воздухе есть углекислый газ? Запишите уравнение реакции.
Подсказка
Вспомните, что получается при реакции CO₂ с гидроксидом кальция.
Решение
Выдыхаем через трубочку в пробирку с прозрачной известковой водой (раствором \(\mathrm{Ca(OH)_2}\)). Раствор мутнеет — выпадает нерастворимый карбонат кальция:
Ответ
Какую массу имеют 5,6 л углекислого газа (н. у.)?
Подсказка
Сначала найдите количество вещества через молярный объём 22,4 л/моль.
Решение
\(n(\mathrm{CO_2}) = \dfrac{5{,}6}{22{,}4} = 0{,}25\) моль, \(M(\mathrm{CO_2}) = 44\) г/моль. \(m = 0{,}25 \cdot 44 = 11\) г.
Ответ
На 25 г мела (карбоната кальция) подействовали избытком соляной кислоты. Какой объём углекислого газа (н. у.) выделился?
Подсказка
n(CO₂) = n(CaCO₃).
Решение
\(M(\mathrm{CaCO_3}) = 100\) г/моль, \(n = \dfrac{25}{100} = 0{,}25\) моль. \(n(\mathrm{CO_2}) = 0{,}25\) моль, \(V = 0{,}25 \cdot 22{,}4 = 5{,}6\) л.
Ответ
Какой объём угарного газа (н. у.) нужен, чтобы полностью восстановить железо из 46,4 г железной окалины Fe₃O₄?
Подсказка
На 1 моль Fe₃O₄ расходуется 4 моль CO.
Решение
\(M(\mathrm{Fe_3O_4}) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 232\) г/моль, \(n = \dfrac{46{,}4}{232} = 0{,}2\) моль. \(n(\mathrm{CO}) = 4 \cdot 0{,}2 = 0{,}8\) моль, \(V = 0{,}8 \cdot 22{,}4 = 17{,}92\) л.
Ответ
10 л смеси угарного и углекислого газов (н. у.) пропустили через избыток известковой воды. Выпало 15 г осадка. Найдите объёмную долю углекислого газа в смеси.
Подсказка
С известковой водой реагирует только CO₂; CO — несолеобразующий оксид.
Решение
\(n(\mathrm{CaCO_3}) = \dfrac{15}{100} = 0{,}15\) моль, значит, \(n(\mathrm{CO_2}) = 0{,}15\) моль. \(V(\mathrm{CO_2}) = 0{,}15 \cdot 22{,}4 = 3{,}36\) л. \(\varphi(\mathrm{CO_2}) = \dfrac{3{,}36}{10} = 0{,}336\), то есть 33,6 %.
Ответ
Почему в чайнике, где кипятят жёсткую воду с гидрокарбонатом кальция, появляется накипь и почему её удаляют раствором уксусной или лимонной кислоты? Запишите уравнения.
Подсказка
Что происходит с гидрокарбонатами при нагревании? Как карбонаты реагируют с кислотами?
Решение
При кипячении растворимый гидрокарбонат кальция разлагается, и на стенках оседает нерастворимый карбонат — накипь:
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Положите кусочек мела или яичную скорлупу в уксус — пойдут пузырьки углекислого газа: так кислота разрушает карбонат. Добавьте щепотку пищевой соды в стакан с лимонным соком — то же «вскипание». Поднесите к пузырькам горящую спичку над стаканом — она гаснет: \(\mathrm{CO_2}\) не поддерживает горения. Отдельно обсудите угарный газ: запаха нет, поэтому его не заметить, и это реальная опасность у печей, газовых колонок и в гаражах.
Вопросы для проверки понимания: 1) Почему угарный газ — восстановитель, а углекислый — нет? 2) Что произойдёт, если в известковую воду долго пропускать углекислый газ? 3) Как доказать, что в порошке есть карбонат?
На что обратить внимание. Ребёнок должен различать \(\mathrm{CO}\) и \(\mathrm{CO_2}\) по свойствам, а не только по формуле, уравнивать реакции и писать \(\mathrm{CO_2\uparrow + H_2O}\) вместо \(\mathrm{H_2CO_3}\). В расчётных задачах — проверить, учтены ли примеси.