Ugljen monoksid je 4 valentan. Ugljik - karakteristike elementa i hemijska svojstva

Ugljični monoksid (IV) (ugljični dioksid, ugljični dioksid) u normalnim uslovima je bezbojni gas, teži od vazduha, termički stabilan, a kada se kompresuje i ohladi, lako prelazi u tečno i čvrsto stanje.

Gustina - 1.997 g / l. Čvrsti CO2, koji se naziva suvi led, sublimira kada sobnoj temperaturi... Slabo se rastvara u vodi, djelimično reaguje s njom. Pokazuje kisela svojstva. Redukovano aktivnim metalima, vodikom i ugljikom.

Hemijska formula ugljen monoksida 4
Hemijska formula ugljen monoksida (IV) CO2. Pokazuje da ovaj molekul sadrži jedan atom ugljika (Ar = 12 amu) i dva atoma kiseonika (Ar = 16 amu). Hemijska formula se može koristiti za izračunavanje molekulske težine ugljičnog monoksida (IV):

Mr (CO2) = Ar (C) + 2 × Ar (O);

Mr (CO2) = 12+ 2 × 16 = 12 + 32 = 44.

Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
Zadatak Kada se 26,7 g aminokiseline (CxHyOzNk) sagori u višku kiseonika, nastaje 39,6 g ugljen monoksida (IV), 18,9 g vode i 4,2 g azota. Odredite formulu aminokiselina.
Rješenje Nacrtajmo dijagram reakcije sagorijevanja aminokiseline, označavajući broj ugljikovih atoma, vodika, kisika i dušika sa "x", "y", "z" i "k", redom:
CxHyOzNk + Oz → CO2 + H2O + N2.

Odredimo mase elemenata koji čine ovu supstancu. Vrijednosti relativnih atomskih masa preuzete iz periodnog sistema D.I. Mendeljejev, zaokruži na cijele brojeve: Ar (C) = 12 amu, Ar (H) = 1 amu, Ar (O) = 16 amu, Ar (N) = 14 amu

M (C) = n (C) × M (C) = n (CO2) × M (C) = × M (C);

M (H) = n (H) × M (H) = 2 × n (H2O) × M (H) = × M (H);

Izračunajmo molarne mase ugljičnog dioksida i vode. Kao što znate, molarna masa molekula jednaka je zbroju relativnih atomskih masa atoma koji čine molekul (M = Mr):

M (CO2) = Ar (C) + 2 × Ar (O) = 12+ 2 × 16 = 12 + 32 = 44 g/mol;

M (H2O) = 2 × Ar (H) + Ar (O) = 2 × 1 + 16 = 2 + 16 = 18 g / mol.

M (C) = x 12 = 10,8 g;

M (H) = 2 × 18,9 / 18 × 1 = 2,1 g.

M (O) = m (CxHyOzNk) - m (C) - m (H) - m (N) = 26,7 - 10,8 - 2,1 - 4,2 = 9,6 g.

Mi definišemo hemijska formula amino kiseline:

X: y: z: k = m (C) / Ar (C): m (H) / Ar (H): m (O) / Ar (O): m (N) / Ar (N);

X: y: z: k = 10,8 / 12: 2,1 / 1: 9,6 / 16: 4,2 / 14;

X: y: z: k = 0,9: 2,1: 0,41: 0,3 = 3: 7: 1,5: 1 = 6: 14: 3: 2.

Stoga je najjednostavnija formula aminokiseline C6H14O3N2.

Odgovor C6H14O3N2
PRIMJER 2
Zadatak Sastaviti najjednostavniju formulu jedinjenja u kojoj su maseni udjeli elemenata približno jednaki: ugljik - 25,4%, vodonik - 3,17%, kisik - 33,86%, klor - 37,57%.
Rješenje Maseni udio element X u molekulu sastava HX izračunava se po sljedećoj formuli:
ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Označimo broj atoma ugljika u molekulu sa "x", broj atoma azota u vodiku sa "y", broj atoma kiseonika sa "z", a broj atoma hlora sa "k".

Nađimo odgovarajuće relativne atomske mase elemenata ugljika, vodika, kisika i hlora (vrijednosti relativnih atomskih masa preuzete iz periodnog sistema D.I.Mendeljejeva zaokružit će se na cijele brojeve).

Ar (C) = 12; Ar (H) = 14; Ar (O) = 16; Ar (Cl) = 35,5.

Dijelimo postotak elemenata odgovarajućim relativnim atomskim masama. Tako ćemo pronaći omjer između broja atoma u molekuli spoja:

X: y: z: k = ω (C) / Ar (C): ω (H) / Ar (H): ω (O) / Ar (O): ω (Cl) / Ar (Cl);

X: y: z: k = 25,4 / 12: 3,17 / 1: 33,86 / 16: 37,57 / 35,5;

X: y: z: k = 2,1: 3,17: 2,1: 1,1 = 2: 3: 2: 1.

To znači da će najjednostavnija formula za spoj ugljika, vodika, kisika i hlora biti C2H3O2Cl.

• Oznaka - C (Carbon);
• Razdoblje - II;
• Grupa - 14 (IVa);
• Atomska masa - 12.011;
• Atomski broj - 6;
• Radijus atoma = 77 pm;
• Kovalentni radijus = 77 pm;
• Raspodjela elektrona - 1s 2 2s 2 2p 2;
• tačka topljenja = 3550°C;
• tačka ključanja = 4827 °C;
• Elektronegativnost (Pauling / Alpred i Rohov) = 2,55 / 2,50;
• Oksidacijsko stanje: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Gustina (n. At.) = 2,25 g/cm 3 (grafit);
• Molarni volumen = 5,3 cm 3 / mol.

Jedinjenja ugljenika:

Ugljik u obliku drvenog uglja poznat je čovjeku od pamtivijeka, stoga nema smisla govoriti o datumu njegovog otkrića. Naime, naziv "ugljenik" dobio je 1787. godine, kada je objavljena knjiga "Metoda hemijske nomenklature", u kojoj se umjesto francuskog naziva "čisti ugalj" (charbone pur) pojavljuje izraz "ugljik" (ugljik).

Ugljik ima jedinstvenu sposobnost da formira polimerne lance neograničene dužine, čime nastaje ogromna klasa jedinjenja koja se proučavaju u posebnoj grani hemije - organskoj hemiji. Organska jedinjenja ugljik su u srži života na zemlji, stoga je važnost ugljika, kao hemijski element, nema smisla govoriti - on je osnova života na Zemlji.

Pogledajmo sada ugljenik sa stanovišta neorganske hemije.

Rice. Struktura atoma ugljika.

Elektronska konfiguracija ugljenika je 1s 2 2s 2 2p 2 (vidi. Elektronska struktura atoma). Na vanjskom energetskom nivou, ugljenik ima 4 elektrona: 2 uparena na s-podnivou + 2 neuparena na p-orbitalama. Kada atom ugljika prijeđe u pobuđeno stanje (zahtijeva potrošnju energije), jedan elektron sa s-podnivoa "napušta" svoj par i odlazi na p-podnivo, gdje postoji jedna slobodna orbitala. Dakle, u pobuđenom stanju, elektronska konfiguracija atoma ugljika ima sljedeći oblik: 1s 2 2s 1 2p 3.

Rice. Prijelaz atoma ugljika u pobuđeno stanje.

Takva "rokada" značajno proširuje valentne mogućnosti atoma ugljika, koji mogu uzeti oksidacijsko stanje od +4 (u spojevima s aktivnim nemetalima) do -4 (u spojevima s metalima).

U nepobuđenom stanju, atom ugljika u jedinjenjima ima valenciju 2, na primjer, CO (II), au pobuđenom stanju ima valencu 4: CO 2 (IV).

"Jedinstvenost" atoma ugljika leži u činjenici da se na njegovom vanjskom energetskom nivou nalaze 4 elektrona, dakle, da dovrši nivo (kojemu, zapravo, teže atomi bilo kojeg hemijskog elementa), može, uz isti "uspjeh", i daju i pridružuju elektrone formiranjem kovalentnih veza (vidi. Kovalentna veza).

Ugljik kao jednostavna supstanca

Kao jednostavna tvar, ugljik može biti u obliku nekoliko alotropnih modifikacija:

• dijamant
• Grafit
• Fuleren
• Carbin

dijamant

Rice. Kristalna rešetka dijamanta.

Svojstva dijamanata:

• bezbojna kristalna supstanca;
• najtvrđa supstanca u prirodi;
• ima snažan refraktivni efekat;
• slabo provodi toplotu i struju.

Rice. Dijamantski tetraedar.

Izuzetna tvrdoća dijamanta objašnjava se strukturom njegove kristalne rešetke, koja ima oblik tetraedra - u središtu tetraedra nalazi se atom ugljika, koji je jednako vezan jake veze sa četiri susjedna atoma koji formiraju vrhove tetraedra (vidi sliku iznad). Ova "konstrukcija" je pak povezana sa susjednim tetraedrima.

Grafit

Rice. Kristalna rešetka grafita.

Svojstva grafita:

• meka kristalna siva supstanca slojevite strukture;
• ima metalni sjaj;
• dobro provodi struju.

U grafitu, atomi ugljika formiraju pravilne šesterokute koji leže u jednoj ravni, organizirani u beskrajnim slojevima.

U grafitu, hemijske veze između susjednih atoma ugljika formiraju tri valentna elektrona svakog atoma (prikazano plavom bojom na donjoj slici), dok se četvrti elektron (prikazan crvenom bojom) svakog atoma ugljika nalazi na p-orbitali koja leži okomito do ravni grafitnog sloja.ne učestvuje u formiranju kovalentnih veza u ravni sloja. Njegova "svrha" je drugačija - u interakciji sa svojim "bratom" koji leži u susjednom sloju, osigurava vezu između slojeva grafita, a visoka pokretljivost p-elektrona određuje dobru električnu provodljivost grafita.

Rice. Raspodjela orbitala atoma ugljika u grafitu.

Fuleren

Rice. Kristalna rešetka fulerena.

Svojstva fulerena:

• molekul fulerena je skup atoma ugljika zatvorenih u šuplje sfere kao što je fudbalska lopta;
• to je žuto-narandžasta fina kristalna supstanca;
• tačka topljenja = 500-600°C;
• poluvodič;
• dio je minerala šungita.

Carbin

Svojstva karabina:

• inertna crna supstanca;
• sastoji se od polimernih linearnih molekula u kojima su atomi povezani naizmjeničnim jednostrukim i trostrukim vezama;
• poluprovodnik.

Hemijska svojstva ugljika

U normalnim uslovima, ugljenik je inertna supstanca, ali kada se zagreje, može da reaguje sa raznim jednostavnim i složenim supstancama.

Gore je već rečeno da se na vanjskom energetskom nivou ugljika nalaze 4 elektrona (ni tamo ni ovdje), stoga ugljik može i donirati i primiti elektrone, pokazujući redukciona svojstva u nekim jedinjenjima, a oksidirajući u drugima.

Karbon je redukciono sredstvo u reakcijama sa kiseonikom i drugim elementima sa većom elektronegativnošću (vidi tabelu elektronegativnosti elemenata):

• kada se zagrije na zraku, gori (sa viškom kisika s stvaranjem ugljičnog dioksida; s nedostatkom - ugljičnog monoksida (II)):
  C + O 2 = CO 2;
  2C + O 2 = 2CO.
• reagira na visokim temperaturama s parama sumpora, lako stupa u interakciju s hlorom, fluorom:
  C + 2S = CS 2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F 2 + C = CF 4
• kada se zagrije, reducira mnoge metale i nemetale iz oksida:
  C 0 + Cu +2 O = Cu 0 + C +2 O;
  C 0 + C +4 O 2 = 2C +2 O
• na temperaturi od 1000°C reagira s vodom (proces gasifikacije), pri čemu nastaje vodeni plin:
  C + H 2 O = CO + H 2;

Ugljik pokazuje oksidirajuća svojstva u reakcijama s metalima i vodikom:

• reaguje sa metalima i formira karbide:
  Ca + 2C = CaC 2
• u interakciji s vodikom, ugljik formira metan:
  C + 2H 2 = CH 4

Carbon get termička razgradnja njegovi spojevi ili piroliza metana (na visokoj temperaturi):
CH 4 = C + 2H 2.

Primjena ugljika

Ugljična jedinjenja se široko koriste u nacionalna ekonomija, nije moguće navesti sve, navešćemo samo neke:

• grafit se koristi za proizvodnju olovke, elektroda, lonaca za topljenje, kao moderator neutrona u nuklearnih reaktora kao mazivo;
• dijamanti se koriste u nakitu, kao alat za rezanje, u opremi za bušenje, kao abrazivni materijal;
• kao redukciono sredstvo, ugljenik se koristi za dobijanje određenih metala i nemetala (gvožđe, silicijum);
• ugljen čini većinu aktivnog ugljena, koji je našao široku upotrebu i u svakodnevnom životu (na primjer, kao adsorbens za pročišćavanje zraka i otopina), i u medicini (tablete s aktivnim ugljenom) i u industriji (kao nosač za katalitičke aditive , katalizator polimerizacije itd.).

(IV) (CO 2, ugljični dioksid, ugljični dioksid) je gas bez boje, mirisa i ukusa koji je teži od vazduha i rastvorljiv u vodi.

U normalnim uslovima, čvrsti ugljen-dioksid prelazi direktno u gasovito stanje, zaobilazeći tečno stanje.

Sa puno ugljičnog monoksida ljudi se počinju gušiti. Koncentracija veća od 3% dovodi do ubrzanog disanja, a preko 10% dolazi do gubitka svijesti i smrti.

Hemijska svojstva ugljičnog monoksida.

Ugljen monoksid - ovo je ugljični anhidrid H 2 CO 3.

Ako se ugljični monoksid propušta kroz kalcijev hidroksid (vapnenu vodu), uočava se bijeli talog:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 Oh,

Ako se ugljični dioksid uzima u višku, tada se uočava stvaranje bikarbonata koji se otapaju u vodi:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca (HCO 3) 2,

Koje se zatim raspadaju kada se zagreju:

2KNCO 3 = K 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Upotreba ugljen monoksida.

Koriste ugljični dioksid u raznim industrijama. U hemijskoj industriji koristi se kao rashladno sredstvo.

U prehrambenoj industriji koristi se kao konzervans E290. Iako mu je dodijeljeno "uslovno sigurno", u stvari nije. Doktori su dokazali da česta konzumacija E290 dovodi do nakupljanja toksičnog otrovnog spoja. Stoga morate pažljivo pročitati etikete na proizvodima.

Ugljični oksidi (II) i (IV)

Integrisani čas hemije i biologije

Zadaci: proučavanje i sistematizacija znanja o ugljeničnim oksidima (II) i (IV); otkriti odnos žive i nežive prirode; konsolidovati znanja o uticaju ugljen-oksida na ljudski organizam; učvrstiti vještine rada sa laboratorijskom opremom.

Oprema: HCl rastvor, lakmus, Ca (OH) 2, CaCO 3, staklena šipka, domaći stolovi, prenosiva daska, model sa kuglom i štapom.

TOKOM NASTAVE

Nastavnik biologije komunicira temu i ciljeve lekcije.

Nastavnik hemije. Na osnovu doktrine kovalentne veze sastavite elektronski i strukturnu formulu ugljični oksidi (II) i (IV).

Hemijska formula ugljičnog monoksida (II) je CO, atom ugljika je u svom normalnom stanju.

Zbog uparivanja nesparenih elektrona nastaju dvije kovalentne polarne veze, a treća kovalentna veza nastaje mehanizmom donor-akceptor. Donator je atom kiseonika, jer daje slobodan par elektrona; akceptor je atom ugljika, jer pruža besplatnu orbitalu.

U industriji, ugljen monoksid (II) se dobija propuštanjem CO 2 preko vrućeg uglja na visokoj temperaturi. Takođe nastaje prilikom sagorevanja uglja uz nedostatak kiseonika. ( Učenik zapisuje jednačinu reakcije na tabli)

U laboratoriji se CO dobiva djelovanjem koncentrirane H 2 SO 4 na mravlju kiselinu. ( Nastavnik zapisuje jednačinu reakcije.)

Nastavnik biologije. Dakle, upoznali ste se sa proizvodnjom ugljičnog monoksida (II). I šta fizička svojstva posjeduje ugljen monoksid (II)?

Student. To je bezbojni gas, otrovan, bez mirisa, lakši od vazduha, slabo rastvorljiv u vodi, tačka ključanja –191,5°C, stvrdnjava se na –205°C.

Nastavnik hemije. Ugljen monoksid u količinama opasnim po ljudski život nalazi se u izduvnim gasovima automobila. Stoga, garaže treba dobro prozračiti, posebno pri paljenju motora.

Nastavnik biologije. Kakav je efekat ugljen monoksida na ljudski organizam?

Student. Ugljični monoksid je izuzetno toksičan za ljude - to je zbog činjenice da stvara karboksihemoglobin. Karboksihemoglobin je veoma jako jedinjenje. Kao rezultat njegovog stvaranja, hemoglobin u krvi ne stupa u interakciju s kisikom, a u slučaju teškog trovanja osoba može umrijeti od gladovanja kisikom.

Nastavnik biologije. Koju prvu pomoć treba pružiti osobi u slučaju trovanja ugljičnim monoksidom?

Studenti. Potrebno je pozvati hitnu pomoć, žrtvu izvesti na ulicu, dati vještačko disanje, prostoriju dobro provjetriti.

Nastavnik hemije. Napišite hemijsku formulu ugljičnog monoksida (IV) i, koristeći model kuglice i štapa, izgradite njegovu strukturu.

Atom ugljenika je u pobuđenom stanju. Sve četiri kovalentne polarne veze nastaju uparivanjem nesparenih elektrona. Međutim, zbog svoje linearne strukture, njegova molekula je općenito nepolarna.
U industriji se CO 2 dobija razgradnjom kalcijum karbonata u proizvodnji kreča.
(Učenik zapisuje jednačinu reakcije.)

U laboratoriji, CO 2 se dobija interakcijom kiselina sa kredom ili mramorom.
(Učenici izvode laboratorijski eksperiment.)

Nastavnik biologije. Kao rezultat kojih procesa nastaje ugljični dioksid u tijelu?

Student. Ugljični dioksid nastaje u tijelu kao rezultat oksidacijskih reakcija organska materija koji čine ćeliju.

(Učenici izvode laboratorijski eksperiment.)

Krečna kaša se zamutila jer nastaje kalcijum karbonat. Osim procesa disanja, CO2 se oslobađa kao rezultat fermentacije i propadanja.

Nastavnik biologije. Da li fizička aktivnost utiče na proces disanja?

Student. Uz prekomjerno fizičko (mišićno) opterećenje, mišići koriste kisik brže nego što ga krv može dostaviti, a zatim fermentacijom sintetiziraju ATP neophodan za svoj rad. U mišićima se stvara mliječna kiselina C 3 H 6 O 3 koja ulazi u krvotok. Nakupljanje velikih količina mliječne kiseline je štetno za tijelo. Nakon teškog fizičkog napora, neko vrijeme teško dišemo - plaćamo "dug za kiseonik".

Nastavnik hemije. Velika količina ugljičnog monoksida (IV) oslobađa se u atmosferu kada se sagorijevaju fosilna goriva. Kod kuće koristimo prirodni gas kao gorivo, a on je skoro 90% metana (CH 4). Predlažem da neko od vas ode do ploče, napiše jednačinu reakcije i analizira je u smislu oksidacije-redukcije.

Nastavnik biologije. Zašto se plinske peći ne mogu koristiti za grijanje prostorije?

Student. Metan je sastavni dio prirodnog plina. Kada gori, sadržaj ugljičnog dioksida u zraku se povećava, a kisik se smanjuje. ( Rad sa tabelom „Sadržaj CO 2 u vazduhu".)
Kada vazduh sadrži 0,3% CO 2, osoba doživljava ubrzano disanje; kod 10% - gubitak svijesti, kod 20% - trenutna paraliza i brza smrt. Djetetu je posebno potreban čist zrak, jer je potrošnja kisika u tkivima organizma u razvoju veća nego kod odrasle osobe. Zbog toga je potrebno redovno provetravati prostoriju. Ako postoji višak CO 2 u krvi, povećava se ekscitabilnost respiratornog centra, a disanje postaje sve češće i dublje.

Nastavnik biologije. Razmotrite ulogu ugljičnog monoksida (IV) u životu biljaka.

Student. U biljkama se formiranje organske materije odvija iz CO 2 i H 2 O na svjetlosti, osim organske tvari nastaje kisik.

Fotosinteza reguliše sadržaj ugljičnog dioksida u atmosferi, što sprječava porast temperature planete. Biljke apsorbuju 300 milijardi tona ugljen-dioksida iz atmosfere godišnje. U procesu fotosinteze godišnje se u atmosferu ispusti 200 milijardi tona kiseonika. Ozon se formira iz kiseonika tokom grmljavine.

Nastavnik hemije. Razmislite Hemijska svojstva ugljen monoksid (IV).

Nastavnik biologije. Koja je važnost ugljene kiseline u ljudskom tijelu tokom disanja? ( Fragment filmske trake.)
Enzimi u krvi pretvaraju ugljični dioksid u ugljičnu kiselinu, koja se disocira na vodikove i bikarbonatne ione. Ako krv sadrži višak H+ jona, tj. ako je kiselost krvi povećana, tada se neki od H+ iona spajaju sa bikarbonatnim ionima, stvarajući ugljičnu kiselinu i na taj način oslobađajući krv od viška H+ iona. Ako je u krvi premalo H + -iona, ugljična kiselina se disocira i koncentracija H + -iona u krvi raste. Na 37°C pH krvi je 7,36.
U tijelu, ugljični dioksid se prenosi krvlju u obliku hemijska jedinjenja- natrijum i kalijum bikarbonati.

Osiguravanje materijala

Test

Od predloženih procesa razmjene plinova u plućima i tkivima, oni koji izvode prvu opciju moraju odabrati šifre tačnih odgovora na lijevoj, a na drugoj desnoj strani.

(1) Prijenos O2 iz pluća u krv. (trinaest)
(2) Prijenos O2 iz krvi u tkivo. (14)
(3) Prijenos CO 2 iz tkiva u krv. (15)
(4) Prijenos CO 2 iz krvi u pluća. (šesnaest)
(5) Upijanje O2 eritrocitima. (17)
(6) Oslobađanje O2 iz eritrocita. (osamnaest)
(7) Pretvaranje arterijske krvi u vensku krv. (devetnaest)
(8) Pretvaranje venske krvi u arterijsku. (dvadeset)
(9) Pauza hemijska veza O 2 sa hemoglobinom. (21)
(10) Hemijsko vezivanje O 2 za hemoglobin. (22)
(11) Kapilare u tkivima. (23)
(12) Plućne kapilare. (24)

Prva opcija pitanja

1. Procesi razmjene gasova u tkivima.
2. Fizički procesi pri razmjeni gasa.

Druga opcija pitanja

1. Procesi izmjene plinova u plućima.
2. Hemijski procesi tokom izmjene gasa

Zadatak

Odredite zapreminu ugljičnog monoksida (IV) koji se oslobađa pri razgradnji 50 g kalcijum karbonata.