Oxid uhelnatý je 4mocný. Uhlík - charakteristika prvku a chemické vlastnosti

Oxid uhelnatý (IV) (oxid uhličitý, oxid uhličitý) v normální podmínky je bezbarvý plyn, těžší než vzduch, tepelně stálý a po stlačení a ochlazení snadno přechází do kapalného a pevného skupenství.

Hustota - 1,997 g / l. Pevný CO2, nazývaný suchý led, sublimuje, když pokojová teplota... Špatně se rozpouští ve vodě, částečně s ní reaguje. Vykazuje kyselé vlastnosti. Redukováno aktivními kovy, vodíkem a uhlíkem.

Chemický vzorec oxidu uhelnatého 4
Chemický vzorec oxidu uhelnatého (IV) CO2. Ukazuje, že tato molekula obsahuje jeden atom uhlíku (Ar = 12 amu) a dva atomy kyslíku (Ar = 16 amu). Chemický vzorec lze použít k výpočtu molekulové hmotnosti oxidu uhelnatého (IV):

Mr (CO2) = Ar (C) + 2 x Ar (O);

Mr (CO2) = 12+ 2 × 16 = 12 + 32 = 44.

Příklady řešení problémů
PŘÍKLAD 1
Úkol Spálením 26,7 g aminokyseliny (CxHyOzNk) v přebytku kyslíku vznikne 39,6 g oxidu uhelnatého (IV), 18,9 g vody a 4,2 g dusíku. Určete vzorec aminokyselin.
Řešení Sestavme schéma spalovací reakce aminokyseliny, přičemž počet atomů uhlíku, vodíku, kyslíku a dusíku označíme „x“, „y“, „z“ a „k“, v tomto pořadí:
CxHyOzNk + Oz → CO2 + H2O + N2.

Stanovme hmotnosti prvků, které tvoří tuto látku. Hodnoty relativních atomových hmotností převzaté z periodické tabulky D.I. Mendělejev, zaokrouhlete nahoru na celá čísla: Ar (C) = 12 amu, Ar (H) = 1 amu, Ar (O) = 16 amu, Ar (N) = 14 amu

M (C) = n (C) x M (C) = n (C02) x M (C) = x M (C);

M (H) = n (H) x M (H) = 2 x n (H20) x M (H) = x M (H);

Vypočítejme molární hmotnosti oxidu uhličitého a vody. Jak víte, molární hmotnost molekuly se rovná součtu relativních atomových hmotností atomů, které tvoří molekulu (M = Mr):

M (C02) = Ar (C) + 2 x Ar (0) = 12+ 2 x 16 = 12 + 32 = 44 g/mol;

M (H20) = 2 x Ar (H) + Ar (O) = 2 x 1 + 16 = 2 + 16 = 18 g/mol.

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

M (H) = 2 x 18,9 / 18 x 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.

Definujeme chemický vzorec aminokyseliny:

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.

Nejjednodušší vzorec aminokyseliny je tedy C6H14O3N2.

Odpověď C6H14O3N2
PŘÍKLAD 2
Úkol Sestavte nejjednodušší vzorec sloučeniny, ve které jsou hmotnostní zlomky prvků přibližně stejné: uhlík - 25,4 %, vodík - 3,17 %, kyslík - 33,86 %, chlor - 37,57 %.
Řešení Hmotnostní zlomek prvek X v molekule složení HX se vypočítá podle následujícího vzorce:
ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100 %.

Označme počet atomů uhlíku v molekule „x“, počet atomů dusíku vodíku „y“, počet atomů kyslíku „z“ a počet atomů chloru „k“.

Najdeme odpovídající relativní atomové hmotnosti prvků uhlík, vodík, kyslík a chlor (hodnoty relativních atomových hmotností převzaté z periodické tabulky D.I.Mendělejeva budou zaokrouhleny na celá čísla).

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

Procento prvků vydělíme odpovídajícími relativními atomovými hmotnostmi. Zjistíme tedy poměr mezi počtem atomů v molekule sloučeniny:

X: y: z: k = co (C) / Ar (C): co (H) / Ar (H): co (O) / Ar (O): co (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 znamená, že nejjednodušší vzorec pro sloučeninu uhlíku, vodíku, kyslíku a chloru bude C2H3O2Cl.

• Označení - C (Carbon);
• Období - II;
• skupina - 14 (IVa);
• Atomová hmotnost - 12,011;
• Atomové číslo - 6;
• poloměr atomu = 77 pm;
• Kovalentní poloměr = 77 pm;
• Distribuce elektronů - 1s 2 2s 2 2p 2;
• teplota tání = 3550 °C;
• bod varu = 4827 °C;
• Elektronegativita (Pauling / Alpred a Rohov) = 2,55 / 2,50;
• Oxidační stav: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Hustota (n. At.) = 2,25 g/cm3 (grafit);
• Molární objem = 5,3 cm 3 / mol.

Sloučeniny uhlíku:

Uhlík ve formě dřevěného uhlí je člověku znám od nepaměti, proto nemá smysl hovořit o datu jeho objevení. Vlastně svůj název „uhlík“ dostal v roce 1787, kdy vyšla kniha „Metoda chemické nomenklatury“, ve které se místo francouzského názvu „čisté uhlí“ (charbone pur) objevil výraz „uhlík“ (uhlík).

Uhlík má jedinečnou schopnost tvořit polymerní řetězce neomezené délky, čímž vzniká obrovská třída sloučenin, které jsou studovány v samostatném oboru chemie – organické chemii. Organické sloučeniny uhlík jsou jádrem života na Zemi, proto význam uhlíku, as chemický prvek, nemá smysl mluvit - on je základem života na Zemi.

Nyní se podívejme na uhlík z pohledu anorganické chemie.

Rýže. Struktura atomu uhlíku.

Elektronová konfigurace uhlíku je 1s 2 2s 2 2p 2 (viz. Elektronová struktura atomů). Na vnější energetické úrovni má uhlík 4 elektrony: 2 spárované na s-podúrovni + 2 nepárové na p-orbitalech. Když atom uhlíku přejde do excitovaného stavu (vyžaduje spotřebu energie), jeden elektron z podúrovně s „opustí“ svůj pár a přejde do podúrovně p, kde je jeden volný orbital. V excitovaném stavu má tedy elektronová konfigurace atomu uhlíku následující tvar: 1s 2 2s 1 2p 3.

Rýže. Přechod atomu uhlíku do excitovaného stavu.

Takové „rošáda“ výrazně rozšiřuje valenční schopnosti atomů uhlíku, které mohou nabývat oxidačního stavu od +4 (u sloučenin s aktivními nekovy) do -4 (u sloučenin s kovy).

V neexcitovaném stavu má atom uhlíku ve sloučeninách valenci 2, například CO (II), a v excitovaném stavu má valenci 4: CO 2 (IV).

„Unikátnost“ atomu uhlíku spočívá v tom, že na jeho vnější energetické úrovni jsou 4 elektrony, takže k dokončení úrovně (o kterou ve skutečnosti usilují atomy jakéhokoli chemického prvku) může stejný "úspěch", oba dávají a připojují elektrony s tvorbou kovalentních vazeb (viz. Kovalentní vazba).

Uhlík jako jednoduchá látka

Jako jednoduchá látka může být uhlík ve formě několika alotropních modifikací:

• diamant
• Grafit
• Fulleren
• Carbin

diamant

Rýže. Krystalová mřížka diamantu.

Vlastnosti diamantu:

• bezbarvá krystalická látka;
• nejtvrdší látka v přírodě;
• má silný refrakční účinek;
• špatně vede teplo a elektřinu.

Rýže. Diamantový čtyřstěn.

Výjimečná tvrdost diamantu je vysvětlena strukturou jeho krystalové mřížky, která má tvar čtyřstěnu - ve středu čtyřstěnu se nachází atom uhlíku, který je vázán rovnoměrně silné vazby se čtyřmi sousedními atomy tvořícími vrcholy čtyřstěnu (viz obrázek výše). Tato "stavba" je zase spojena se sousedními čtyřstěny.

Grafit

Rýže. Krystalová mřížka grafitu.

Vlastnosti grafitu:

• měkká krystalicky šedá látka vrstvené struktury;
• má kovový lesk;
• dobře vede elektřinu.

V grafitu tvoří atomy uhlíku pravidelné šestiúhelníky ležící v jedné rovině, organizované v nekonečných vrstvách.

V grafitu jsou chemické vazby mezi sousedními atomy uhlíku tvořeny třemi valenčními elektrony každého atomu (na obrázku níže znázorněny modře), zatímco čtvrtý elektron (zobrazený červeně) každého atomu uhlíku je umístěn na p-orbitalu ležícím kolmo. do roviny grafitové vrstvy.nepodílí se na tvorbě kovalentních vazeb v rovině vrstvy. Jeho „účel“ je jiný – interakcí se svým „bratrem“ ležícím v sousední vrstvě zajišťuje vazbu mezi grafitovými vrstvami a vysoká pohyblivost p-elektronů určuje dobrou elektrickou vodivost grafitu.

Rýže. Rozložení orbitalů atomu uhlíku v grafitu.

Fulleren

Rýže. Fullerenová krystalová mřížka.

Vlastnosti fulerenů:

• molekula fullerenu je soubor atomů uhlíku uzavřených v dutých koulích, jako je fotbalový míč;
• je to žlutooranžová jemná krystalická látka;
• teplota tání = 500-600 °C;
• polovodič;
• je součástí minerálu šungit.

Carbin

Vlastnosti karabiny:

• inertní černá látka;
• sestává z polymerních lineárních molekul, ve kterých jsou atomy spojeny střídajícími se jednoduchými a trojnými vazbami;
• polovodič.

Chemické vlastnosti uhlíku

Za normálních podmínek je uhlík inertní látkou, ale při zahřátí může reagovat s řadou jednoduchých i složitých látek.

Již bylo řečeno výše, že na vnější energetické úrovni uhlíku jsou 4 elektrony (ani tam, ani zde), uhlík tedy může elektrony darovat i přijímat, přičemž u některých sloučenin vykazuje redukční vlastnosti a u jiných oxiduje.

Uhlík je redukční činidlo při reakcích s kyslíkem a jinými prvky s vyšší elektronegativitou (viz tabulka elektronegativit prvků):

• při zahřívání na vzduchu hoří (s nadbytkem kyslíku za vzniku oxidu uhličitého; s jeho nedostatkem - oxid uhelnatý (II)):
  C + 02 = C02;
  2C + 02 = 2CO.
• reaguje při vysokých teplotách s parami síry, snadno interaguje s chlórem, fluorem:
  C + 2S = CS 2
  C + 2CI2 = CCI4
  2F2 + C = CF4
• při zahřátí redukuje mnoho kovů a nekovů z oxidů:
  Co + Cu +20 = Cuo + C +20;
  Co + C + 4 O 2 = 2C + 20
• při teplotě 1000 °C reaguje s vodou (proces zplyňování) za vzniku vodního plynu:
  C + H20 = CO + H2;

Uhlík vykazuje oxidační vlastnosti při reakcích s kovy a vodíkem:

• reaguje s kovy za vzniku karbidů:
  Ca + 2C = CaC2
• při interakci s vodíkem uhlík tvoří metan:
  C + 2H2 = CH4

Získejte uhlík tepelný rozklad jeho sloučeniny nebo pyrolýza metanu (při vysoké teplotě):
CH4 = C + 2H2.

Aplikace uhlíku

Sloučeniny uhlíku jsou široce používány v národní ekonomika, není možné vyjmenovat všechny, uvedeme jen některé:

• grafit se používá k výrobě tužek, elektrod, tavných kelímků, jako moderátor neutronů v jaderné reaktory jako lubrikant;
• diamanty se používají ve špercích, jako řezný nástroj, ve vrtacích zařízeních, jako brusný materiál;
• jako redukční činidlo se uhlík používá k získání určitých kovů a nekovů (železo, křemík);
• uhlík tvoří většinu aktivního uhlí, které našlo široké uplatnění jak v každodenním životě (například jako adsorbent pro čištění vzduchu a roztoků), tak v lékařství (tablety s aktivním uhlím) a v průmyslu (jako nosič katalytických přísad polymerační katalyzátor atd.).

(IV) (CO 2, oxid uhličitý, oxid uhličitý) je bezbarvý plyn bez zápachu a chuti, který je těžší než vzduch a je rozpustný ve vodě.

Za normálních podmínek přechází pevný oxid uhličitý přímo do plynného skupenství a obchází kapalné skupenství.

S velkým množstvím oxidu uhelnatého se lidé začnou dusit. Koncentrace vyšší než 3 % vede k rychlému dýchání a nad 10 % dochází ke ztrátě vědomí a smrti.

Chemické vlastnosti oxidu uhelnatého.

Kysličník uhelnatý - to je anhydrid kyseliny uhličitý H2CO3.

Pokud oxid uhelnatý prochází hydroxidem vápenatým (vápennou vodou), pozoruje se bílá sraženina:

Ca(ACH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 Ach,

Pokud se oxid uhličitý bere v přebytku, pozoruje se tvorba hydrogenuhličitanů, které se rozpouštějí ve vodě:

CaC03 + H20 + C02 = Ca (HC03) 2,

Které se pak při zahřátí rozpadají:

2KNC03 = K2C03 + H20 + CO2

Použití oxidu uhelnatého.

Oxid uhličitý využívají v různých průmyslových odvětvích. V chemickém průmyslu se používá jako chladivo.

V potravinářském průmyslu se používá jako konzervant E290. Přestože mu bylo přiděleno „podmíněně bezpečné“, ve skutečnosti tomu tak není. Lékaři prokázali, že častá konzumace E290 vede k hromadění toxické jedovaté sloučeniny. Proto je třeba pečlivě číst etikety na výrobcích.

Oxidy uhlíku (II) a (IV)

Integrovaná výuka chemie a biologie

úkoly: studovat a systematizovat znalosti o oxidech uhlíku (II) a (IV); odhalit vztah mezi živou a neživou přírodou; upevnit poznatky o vlivu oxidů uhlíku na lidský organismus; upevnit dovednosti ve schopnosti práce s laboratorním vybavením.

Zařízení: Roztok HCl, lakmus, Ca (OH) 2, CaCO 3, skleněná tyčinka, domácí stolky, přenosná deska, model s koulí a tyčí.

BĚHEM lekcí

Učitel biologie sděluje téma a cíle lekce.

Učitel chemie. Na základě nauky o kovalentní vazbě sestavit elektronický a strukturní vzorec oxidy uhlíku (II) a (IV).

Chemický vzorec oxidu uhelnatého (II) je CO, atom uhlíku je v normálním stavu.

Díky párování nepárových elektronů vznikají dvě kovalentní polární vazby a třetí kovalentní vazba je tvořen mechanismem donor-akceptor. Dárcem je atom kyslíku, protože poskytuje volný pár elektronů; akceptorem je atom uhlíku, protože poskytuje volný orbitál.

V průmyslu se oxid uhelnatý (II) získává průchodem CO 2 přes žhavé uhlí při vysoké teplotě. Vzniká také při spalování uhlí s nedostatkem kyslíku. ( Žák psaní rovnice reakce na tabuli)

V laboratoři se CO získává působením koncentrované H 2 SO 4 na kyselinu mravenčí. ( Učitel zapíše reakční rovnici.)

Učitel biologie. Takže jste se seznámili s výrobou oxidu uhelnatého (II). A co fyzikální vlastnosti obsahuje oxid uhelnatý (II)?

Student. Je to bezbarvý plyn, jedovatý, bez zápachu, lehčí než vzduch, špatně rozpustný ve vodě, bod varu –191,5 °C, tuhne při –205 °C.

Učitel chemie. Oxid uhelnatý v množství, které je nebezpečné pro lidský život, je obsaženo ve výfukových plynech automobilů. Garáže by proto měly být dobře větrané, zejména při startování motoru.

Učitel biologie. Jaký vliv má oxid uhelnatý na lidský organismus?

Student. Oxid uhelnatý je pro člověka extrémně toxický – je to dáno tím, že tvoří karboxyhemoglobin. Karboxyhemoglobin je velmi silná sloučenina. V důsledku jeho tvorby krevní hemoglobin neinteraguje s kyslíkem a v případě těžké otravy může člověk zemřít hladem kyslíkem.

Učitel biologie. Jaká první pomoc by měla být poskytnuta člověku při otravě oxidem uhelnatým?

Studenti. Je nutné zavolat sanitku, oběť vyvést na ulici, dát umělé dýchání, místnost dobře větrat.

Učitel chemie. Napište chemický vzorec oxidu uhelnatého (IV) a pomocí modelu kuličky a tyče sestavte jeho strukturu.

Atom uhlíku je v excitovaném stavu. Všechny čtyři kovalentní polární vazby jsou tvořeny párováním nepárových elektronů. Díky lineární struktuře je však jeho molekula obecně nepolární.
V průmyslu se CO 2 získává rozkladem uhličitanu vápenatého při výrobě vápna.
(Žák zapíše reakční rovnici.)

V laboratoři se CO 2 získává interakcí kyselin s křídou nebo mramorem.
(Studenti provádějí laboratorní experiment.)

Učitel biologie. V důsledku jakých procesů vzniká v těle oxid uhličitý?

Student. Oxid uhličitý vzniká v těle v důsledku oxidačních reakcí organická hmota které tvoří buňku.

(Studenti provádějí laboratorní experiment.)

Vápenná kaše se zakalila, protože vzniká uhličitan vápenatý. Kromě procesu dýchání se CO2 uvolňuje v důsledku fermentace a hniloby.

Učitel biologie. Ovlivňuje fyzická aktivita dýchací proces?

Student. Při nadměrné fyzické (svalové) zátěži svaly spotřebují kyslík rychleji, než ho krev dokáže dodat, a fermentací pak syntetizují ATP nezbytný pro svou práci. Ve svalech se tvoří kyselina mléčná C 3 H 6 O 3, která se dostává do krevního oběhu. Hromadění velkého množství kyseliny mléčné je pro tělo škodlivé. Po velké fyzické námaze nějakou dobu těžce dýcháme – platíme „kyslíkový dluh“.

Učitel chemie. Při spalování fosilních paliv se do atmosféry uvolňuje velké množství oxidu uhelnatého (IV). Doma používáme jako palivo zemní plyn, z 90 % je to metan (CH 4). Navrhuji, aby jeden z vás šel k tabuli, napsal rovnici reakce a analyzoval ji z hlediska oxidace-redukce.

Učitel biologie. Proč nelze k vytápění místnosti použít plynové trouby?

Student. Metan je nedílnou součástí zemního plynu. Při hoření se ve vzduchu zvyšuje obsah oxidu uhličitého a ubývá kyslíku. ( Práce s tabulkou „Obsah CO 2 ve vzduchu".)
Když vzduch obsahuje 0,3 % CO 2 , člověk zažívá zrychlené dýchání; na 10% - ztráta vědomí, na 20% - okamžitá paralýza a rychlá smrt. Dítě potřebuje především čistý vzduch, protože spotřeba kyslíku tkáněmi rostoucího organismu je větší než u dospělého. Proto je nutné místnost pravidelně větrat. Pokud je v krvi nadbytek CO 2, zvyšuje se dráždivost dýchacího centra a dýchání se stává častějším a hlubším.

Učitel biologie. Zvažte roli oxidu uhelnatého (IV) v životě rostlin.

Student. U rostlin dochází k tvorbě organické hmoty z CO 2 a H 2 O na světle, kromě organické hmoty vzniká kyslík.

Fotosyntéza reguluje obsah oxidu uhličitého v atmosféře, což zabraňuje růstu teploty planety. Rostliny ročně absorbují 300 miliard tun oxidu uhličitého z atmosféry. V procesu fotosyntézy se ročně uvolní do atmosféry 200 miliard tun kyslíku. Ozón se tvoří z kyslíku během bouřky.

Učitel chemie. Zvážit Chemické vlastnosti oxid uhelnatý (IV).

Učitel biologie. Jaký význam má kyselina uhličitá v lidském těle při dýchání? ( Fragment filmového pásu.)
Enzymy v krvi přeměňují oxid uhličitý na kyselinu uhličitou, která se disociuje na vodíkové a hydrogenuhličitanové ionty. Pokud krev obsahuje nadbytek H + iontů, tzn. pokud je kyselost krve zvýšena, pak se některé ionty H + spojí s hydrogenuhličitanovými ionty, vytvářejí kyselinu uhličitou a tím zbavují krev přebytečných iontů H +. Pokud je v krvi příliš málo H + -iontů, pak kyselina uhličitá disociuje a koncentrace H + -iontů v krvi se zvyšuje. Při 37 °C je pH krve 7,36.
V těle je oxid uhličitý přenášen krví ve formě chemické sloučeniny- hydrogenuhličitany sodné a draselné.

Zajištění materiálu

Test

Z navrhovaných procesů výměny plynů v plicích a tkáních musí ti, kteří provádějí první možnost, vybrat šifry správných odpovědí vlevo a druhou vpravo.

(1) Přenos O 2 z plic do krve. (třináct)
(2) Přenos O 2 z krve do tkáně. (14)
(3) Přenos CO 2 z tkání do krve. (15)
(4) Přenos CO 2 z krve do plic. (šestnáct)
(5) Příjem O 2 erytrocyty. (17)
(6) Uvolňování O 2 z erytrocytů. (osmnáct)
(7) Přeměna arteriální krve na venózní krev. (devatenáct)
(8) Přeměna venózní krve na arteriální. (dvacet)
(9) Přestávka chemická vazba O 2 s hemoglobinem. (21)
(10) Chemická vazba O 2 na hemoglobin. (22)
(11) Kapiláry v tkáních. (23)
(12) Plicní kapiláry. (24)

Otázky první možnosti

1. Procesy výměny plynů v tkáních.
2. Fyzikální děje při výměně plynů.

Otázky druhé možnosti

1. Procesy výměny plynů v plicích.
2. Chemické procesy při výměně plynů

Úkol

Určete objem oxidu uhelnatého (IV), který se uvolní při rozkladu 50 g uhličitanu vápenatého.