Химия · Химия элементов · 9 класс

Углерод и его соединения

Алмаз и графит — оба углерод, а почему угарный газ так опасен?

Ситуация

Алмаз — самый твёрдый камень в кольце, а графит в карандаше настолько мягок, что оставляет след на бумаге, хотя оба состоят только из углерода. Зимой во многих домах топят сандал (стол с жаровней под одеялом) и угольную печь; каждый год кто-нибудь отравляется угарным газом, хотя этот газ бесцветен и не имеет запаха. Пузырьки в газированной воде, сталактиты в пещерах и накипь в чайнике — тоже соединения углерода. Как один элемент образует такие разные вещества и как защититься от угарного газа?

Тема

Углерод и его соединения. Алмаз, графит и активированный уголь; опасность угарного газа от сандала и печки; газированная вода и сталактиты в пещерах

Ключевые понятия

Аллотропия и адсорбция
CO и CO₂
Карбонаты и гидрокарбонаты

Формулы

C + O_{2} \overset{}{\to} CO_{2} 2 C + O_{2} \overset{}{\to} 2 CO

При полном сгорании образуется CO₂; при недостатке кислорода — угарный газ CO. В слое раскалённого угля: $C + CO_{2} \overset{}{\to} 2 CO$ .

\frac{[COHb]}{[O_{2} H b]} = M \frac{p (CO)}{p (O_{2})}, M \approx 218

Уравнение Холдейна: гемоглобин связывает CO примерно в 200–250 раз прочнее, чем кислород.

CaCO_{3} + 2 HCl \overset{}{\to} CaCl_{2} + H_{2} O + CO_{2} ↑

Получение CO₂ в лаборатории (практическая работа 1): мрамор + соляная кислота.

Ca (OH)_{2} + CO_{2} \overset{}{\to} CaCO_{3} ↓ + H_{2} O CaCO_{3} + CO_{2} + H_{2} O \overset{}{\to} Ca (HCO_{3})_{2}

Проба с известковой водой: сначала мутнеет; при избытке CO₂ осадок растворяется.

2 NaHCO_{3} \overset{}{\to} Na_{2} CO_{3} + H_{2} O + CO_{2} ↑

Гидрокарбонат при нагревании разлагается; качественная реакция на карбонат-ион: $CO_{3}^{2 -} + 2 H^{+} \overset{}{\to} H_{2} O + CO_{2} ↑$ .

Теория

Углеродная группа и химические свойства углерода

Группа IV A: углерод, кремний, германий, олово, свинец. На внешнем слое 4 электрона ( $n s^{2} n p^{2}$ ), степени окисления от −4 до +4. В группе сверху вниз растёт атомный радиус, неметаллические свойства ослабевают: C и Si — неметаллы, Ge — полупроводник, Sn и Pb — металлы; устойчивость водородных соединений ( $EH_{4}$ ) уменьшается. В природе углерод встречается в свободном виде (алмаз, графит), в составе каменного угля, нефти, газа, карбонатов (известняк, мрамор, мел) и CO₂ воздуха (≈ 0,04 %); крупнейшее в Узбекистане месторождение угля — Ангренское месторождение бурого угля, его добывают открытым способом. Углерод — восстановитель: $C + O_{2} \overset{}{\to} CO_{2}$ , $C + 2 CuO \overset{}{\to} 2 Cu + CO_{2}$ ; при недостатке кислорода $2 C + O_{2} \overset{}{\to} 2 CO$ . При высокой температуре с металлами он образует карбиды ( $4 Al + 3 C \overset{}{\to} Al_{4} C_{3}$ ), с водородом — метан ( $C + 2 H_{2} \overset{}{\to} CH_{4}$ ).

Аллотропия и адсорбция

Аллотропия — способность одного элемента образовывать несколько простых веществ. В алмазе каждый атом углерода связан с 4 соседями по тетраэдру (sp³, C–C 154 пм) — это трёхмерная прочная сетка: самое твёрдое природное вещество (10 по шкале Мооса), плотность 3,51 г/см³, ток не проводит. В графите атомы образуют плоские шестиугольные слои (sp², C–C 142 пм), расстояние между слоями 335 пм, и удерживают их слабые силы — слои легко скользят, карандаш оставляет след; четвёртый электрон каждого атома свободно движется вдоль слоя — графит проводит ток, плотность ≈ 2,26 г/см³. Фуллерен C₆₀ — молекула-«футбольный мяч» из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников (1985). Графен — слой графита толщиной в один атом. Уголь, сажа, кокс — «аморфный» углерод, близкий к мелкокристаллическому графиту. Активированный уголь очень пористый: внутренняя поверхность 1 г обычно 500–1500 м² — он поглощает молекулы газов и красителей на своей поверхности (адсорбция): фильтры для воды, противогазы, лекарства при отравлении.

Угарный газ CO: образование и опасность

Оксид углерода(II) — бесцветный газ без запаха, малорастворимый в воде, немного легче воздуха (при н. у. ρ = 1,25 г/л), несолеобразующий оксид. Он образуется при неполном сгорании топлива: в сандале угли под одеялом горят при недостатке кислорода, если заслонку печи закрыть до того, как угли погасли, а в слое раскалённого угля идёт реакция $C + CO_{2} \overset{}{\to} 2 CO$ . CO горит синим пламенем ( $2 CO + O_{2} \overset{}{\to} 2 CO_{2}$ ) и в металлургии служит восстановителем: $Fe_{2} O_{3} + 3 CO \overset{}{\to} 2 Fe + 3 CO_{2}$ . Ядовитость: CO связывается с гемоглобином крови примерно в 200–250 раз прочнее, чем кислород (уравнение Холдейна, $M \approx 218$ ) — образуется карбоксигемоглобин COHb, и кровь не может переносить кислород. Если в воздухе всего 100 ppm (0,01 %) CO, то при длительном дыхании COHb достигает ≈ 15 %. При 10–20 % болит голова, при 30–40 % человек может потерять сознание, выше 50–60 % — опасно для жизни. Первая помощь: немедленно вывести на свежий воздух, вызвать скорую помощь (103); на свежем воздухе половина COHb выводится примерно за 4–5 часов, при дыхании чистым кислородом — за ≈ 1–1,5 часа. Профилактика: не спите в закрытой комнате с сандалом или мангалом, не закрывайте дымоход, пока угли не погасли полностью, проветривайте комнату, установите датчик CO.

CO₂ и угольная кислота (практическая работа 1)

Оксид углерода(IV) получают в лаборатории из мрамора и соляной кислоты: $CaCO_{3} + 2 HCl \overset{}{\to} CaCl_{2} + H_{2} O + CO_{2} ↑$ . Он в 1,5 раза тяжелее воздуха (при н. у. 1,98 г/л, воздух 1,29 г/л), поэтому его собирают в сосуд отверстием вверх, вытесняя воздух, и сосуд заполняется со дна — нижняя свеча гаснет первой. CO₂ не поддерживает горение (огнетушители), бесцветен и не имеет запаха. Обнаружение: горящая лучинка гаснет; известковая вода мутнеет: $Ca (OH)_{2} + CO_{2} \overset{}{\to} CaCO_{3} ↓ + H_{2} O$ . При 20 °C в 1 л воды растворяется ≈ 1,7 г CO₂; раствор слабокислый — лакмус краснеет (pH ≈ 4): $CO_{2} + H_{2} O \overset{}{⇌} H_{2} CO_{3}$ , $H_{2} CO_{3} \overset{}{⇌} H^{+} + HCO_{3}^{-}$ . Угольная кислота неустойчива и слаба, существует только в растворе; при открывании газированной воды CO₂ улетучивается. Твёрдый CO₂ — «сухой лёд» — при нормальном давлении при −78,5 °C испаряется, не плавясь. В природе растения поглощают CO₂ при фотосинтезе: $6 CO_{2} + 6 H_{2} O \overset{}{\to} C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2}$ ; дыхание и горение возвращают его — это круговорот углерода. Безопасность: с кислотой работайте в защитных очках; возле горящей свечи уберите волосы.

Карбонаты и гидрокарбонаты (лабораторная работа 1)

Угольная кислота даёт два вида солей: карбонаты (CaCO₃, Na₂CO₃) и гидрокарбонаты (Ca(HCO₃)₂, NaHCO₃). Карбонаты щелочных металлов и аммония, а также гидрокарбонаты растворимы в воде, остальные карбонаты (CaCO₃, MgCO₃, BaCO₃) практически нерастворимы. Они превращаются друг в друга: $CaCO_{3} + CO_{2} + H_{2} O \overset{}{\to} Ca (HCO_{3})_{2}$ — подземные воды с CO₂ растворяют известняк; при нагревании или падении давления идёт обратная реакция: $Ca (HCO_{3})_{2} \overset{}{\to} CaCO_{3} ↓ + CO_{2} ↑ + H_{2} O$ — так образуются сталактиты и сталагмиты в пещерах и накипь в чайнике. Пищевая сода при нагревании разлагается: $2 NaHCO_{3} \overset{}{\to} Na_{2} CO_{3} + H_{2} O + CO_{2} ↑$ (разрыхление теста), а кальцинированная сода Na₂CO₃ устойчива (плавится при 851 °C). Качественная реакция на карбонат-ион: при действии кислоты выделяется CO₂, который мутнит известковую воду: $CO_{3}^{2 -} + 2 H^{+} \overset{}{\to} H_{2} O + CO_{2} ↑$ . Хлориды и сульфаты так не «шипят».

Безопасность и модель

Безопасность: спиртовку зажигайте спичкой и гасите колпачком; не направляйте отверстие нагреваемой пробирки на себя и других; газоотводную трубку сначала выньте из известковой воды, а потом прекращайте нагревание (иначе жидкость втянется в горячую пробирку). С соляной кислотой работайте в очках. Модель: CO в комнате принят равномерно перемешанным (модель одного «ящика»); количество CO от обогревателей (сандал ≈ 8 г/ч, печь с рано закрытым дымоходом ≈ 25 г/ч) — приблизительные модельные значения, в реальности всё сильно зависит от топлива, комнаты и вентиляции; COHb приближается к равновесию Холдейна с периодом полуустановления ≈ 4 часа (в покое). Время в комнате ускорено: 1 с ≈ 10 мин. Точки — схематическое изображение CO: настоящий газ не виден. Принято, что CO₂ в стакане не смешивается с воздухом, а собирается слоем; известковая вода и вода с лакмусом полностью поглощают CO₂ (вода с лакмусом — до насыщения), около 10 % газа, выделившегося из нагретой соды, поглощается известковой водой. Модели решёток показаны в реальных расстояниях, увеличенных в ≈ 10⁸ раз.

Знаете ли вы?

Фуллерен C₆₀ в 1985 году открыли Гарри Крото, Роберт Керл и Ричард Смолли (Нобелевская премия 1996 года); его молекула похожа на футбольный мяч — 12 пятиугольников и 20 шестиугольников.
Графен — слой графита толщиной в один атом — в 2004 году выделили с помощью обычной липкой ленты Андрей Гейм и Константин Новосёлов; в 2010 году они получили Нобелевскую премию по физике.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс
Фосфор и минеральные удобрения — 8 класс
Кремний и силикаты — 9 класс
Выплавка чугуна и стали — 9 класс
Металлы и сплавы — 9 класс
Щелочные металлы и сода — 9 класс
Алюминий и его соединения — 9 класс