Süsinikmonooksiid on 4-valentne. Süsinik – elemendi omadused ja keemilised omadused

Süsinikoksiid (IV) (süsinikdioksiid, süsinikdioksiid) sisse normaalsetes tingimustes on värvitu gaas, õhust raskem, termiliselt stabiilne ning kokkusurumisel ja jahutamisel muutub see kergesti vedelaks ja tahkeks.

Tihedus - 1,997 g / l. Tahke CO2, mida nimetatakse kuivaks jääks, sublimeerub, kui toatemperatuuril... See lahustub vees halvasti, reageerib sellega osaliselt. Näitab happelisi omadusi. Redutseeritud aktiivsete metallide, vesiniku ja süsinikuga.

Süsinikmonooksiidi keemiline valem 4
Süsinikmonooksiidi (IV) CO2 keemiline valem. See näitab, et see molekul sisaldab ühte süsinikuaatomit (Ar = 12 amu) ja kahte hapnikuaatomit (Ar = 16 amu). Süsinikmonooksiidi (IV) molekulmassi arvutamiseks saab kasutada keemilist valemit:

Mr (CO2) = Ar (C) + 2 × Ar (O);

Hr (CO2) = 12+ 2 × 16 = 12 + 32 = 44.

Näited probleemide lahendamisest
NÄIDE 1
Ülesanne 26,7 g aminohappe (CxHyOzNk) põletamisel hapniku liiases tekib 39,6 g vingugaasi (IV), 18,9 g vett ja 4,2 g lämmastikku. Määrake aminohappe valem.
Lahendus Koostagem aminohappe põlemisreaktsiooni diagramm, mis tähistab süsinikuaatomite, vesiniku, hapniku ja lämmastiku arvu vastavalt "x", "y", "z" ja "k" abil:
CxHyOzNk + Oz → CO2 + H2O + N2.

Määrame selle aine moodustavate elementide massid. Suhteliste aatommasside väärtused, mis on võetud D.I. perioodilisest tabelist. Mendelejev, ümardage täisarvudeni: 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);

Arvutame süsihappegaasi ja vee molaarmassid. Nagu teate, on molekuli molaarmass võrdne molekuli moodustavate aatomite suhteliste aatommasside summaga (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.

Me määratleme keemiline valem aminohapped:

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.

Seega on aminohappe lihtsaim valem C6H14O3N2.

Vastus C6H14O3N2
NÄIDE 2
Ülesanne Koostage lihtsaim valem ühendist, milles elementide massiosad on ligikaudu võrdsed: süsinik - 25,4%, vesinik - 3,17%, hapnik - 33,86%, kloor - 37,57%.
Lahendus Massiosa element X koostisega HX molekulis arvutatakse järgmise valemiga:
ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Tähistame molekulis olevate süsinikuaatomite arvu tähega "x", vesiniku lämmastikuaatomite arvu "y"-ga, hapnikuaatomite arvu "z"-ga ja klooriaatomite arvu "k-ga".

Leiame elementide süsiniku, vesiniku, hapniku ja kloori vastavad suhtelised aatommassid (D.I.Mendelejevi perioodilisest tabelist võetud suhteliste aatommasside väärtused ümardatakse täisarvudeks).

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

Jagame elementide protsendi vastava suhtelise aatommassiga. Seega leiame ühendi molekulis olevate aatomite arvu suhte:

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.

See tähendab, et süsiniku, vesiniku, hapniku ja kloori ühendi lihtsaim valem on C2H3O2Cl.

• Nimetus - C (süsinik);
• Periood - II;
• Rühm - 14 (IVa);
• Aatommass - 12,011;
• Aatomarv - 6;
• Aatomi raadius = 77 pm;
• kovalentne raadius = 77 pm;
• Elektronide jaotus - 1s 2 2s 2 2p 2;
• sulamistemperatuur = 3550 °C;
• keemistemperatuur = 4827 °C;
• Elektronegatiivsus (Pauling / Alpred ja Rohov) = 2,55 / 2,50;
• Oksüdatsiooniaste: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Tihedus (n. At.) = 2,25 g / cm 3 (grafiit);
• Molaarmaht = 5,3 cm 3 / mol.

Süsinikuühendid:

Süsinik söe kujul on inimestele teada olnud iidsetest aegadest, seetõttu pole mõtet selle avastamise kuupäevast rääkida. Nimetus "süsinik" sai tegelikult aastal 1787, mil ilmus raamat "Keemilise nomenklatuuri meetod", milles prantsuskeelse nimetuse "pure coal" (charbone pur) asemel ilmus termin "süsinik" (carbone).

Süsinikul on ainulaadne võime moodustada piiramatu pikkusega polümeeriahelaid, tekitades seeläbi tohutu hulga ühendeid, mida uuritakse eraldi keemiaharus - orgaanilises keemias. Orgaanilised ühendid süsinik on maapealse elu keskmes, seetõttu on süsiniku tähtsus, nagu keemiline element, pole mõtet rääkida – ta on Maal elu aluseks.

Vaatame nüüd süsinikku anorgaanilise keemia vaatevinklist.

Riis. Süsinikuaatomi struktuur.

Süsiniku elektrooniline konfiguratsioon on 1s 2 2s 2 2p 2 (vt. Aatomite elektrooniline struktuur). Välisel energiatasemel on süsinikul 4 elektroni: 2 paaris s-alamtasandil + 2 paaritumata p-orbitaalidel. Kui süsinikuaatom läheb ergastatud olekusse (nõuab energiatarbimist), siis üks elektron s-alatasandilt "lahkub" oma paarist ja läheb p-alatasandile, kus on üks vaba orbitaal. Seega on ergastatud olekus süsinikuaatomi elektrooniline konfiguratsioon järgmine: 1s 2 2s 1 2p 3.

Riis. Süsinikuaatomi üleminek ergastatud olekusse.

Selline "valamine" laiendab oluliselt süsinikuaatomite valentsivõimet, mis võib viia oksüdatsiooniastme +4 (aktiivsete mittemetallidega ühendites) kuni -4 (metallidega ühendites).

Ergastamata olekus on süsinikuaatomi valents ühendites 2, näiteks CO (II), ja ergastatud olekus on selle valents 4: CO 2 (IV).

Süsinikuaatomi "ainulaadsus" seisneb selles, et selle välisel energiatasemel on 4 elektroni, mistõttu taseme (mida tegelikult iga keemilise elemendi aatomid püüdlevad) lõpetamiseks suudab see sama "edu", nii annavad kui seovad elektrone kovalentsete sidemete moodustumisega (vt. Kovalentne side).

Süsinik kui lihtne aine

Lihtsa ainena võib süsinik olla mitme allotroopse modifikatsiooni kujul:

• Teemant
• Grafiit
• Fullereen
• Karbiin

Teemant

Riis. Teemandi kristallvõre.

Teemantide omadused:

• värvitu kristalne aine;
• kõige kõvem aine looduses;
• on tugev murdumisefekt;
• juhib halvasti soojust ja elektrit.

Riis. Teemanttetraeeder.

Teemandi erakordne kõvadus on seletatav selle kristallvõre struktuuriga, millel on tetraeedri kuju - tetraeedri keskel on süsinikuaatom, mis on seotud võrdselt tugevad sidemed nelja naaberaatomiga, mis moodustavad tetraeedri tipud (vt ülaltoodud joonist). See "konstruktsioon" on omakorda seotud naabertetraeedritega.

Grafiit

Riis. Grafiidi kristallvõre.

Grafiidi omadused:

• kihilise struktuuriga pehme kristalne hall aine;
• on metallilise läikega;
• juhib hästi elektrit.

Grafiidis moodustavad süsinikuaatomid korrapäraseid kuusnurki, mis asuvad ühes tasapinnas ja on organiseeritud lõpututeks kihtideks.

Grafiidis moodustavad külgnevate süsinikuaatomite vahelised keemilised sidemed iga aatomi kolme valentselektroniga (alloleval joonisel näidatud sinisega), samas kui iga süsinikuaatomi neljas elektron (näidatud punasega) asub p-orbitaalil risti. grafiidikihi tasapinnale.ei osale kovalentsete sidemete tekkes kihi tasapinnal. Selle "otstarve" on erinev – suheldes naaberkihis lebava "vennaga", loob see side grafiidikihtide vahel ning p-elektronide suur liikuvus määrab grafiidi hea elektrijuhtivuse.

Riis. Süsinikuaatomi orbitaalide jaotus grafiidis.

Fullereen

Riis. Fullereeni kristallvõre.

Fullereeni omadused:

• fullereeni molekul on süsinikuaatomite kogum, mis on suletud õõnsatesse sfääridesse nagu jalgpallipall;
• see on kollakasoranž peen kristalne aine;
• sulamistemperatuur = 500-600 ° C;
• pooljuht;
• on šungiidi mineraali osa.

Karbiin

Karabiini omadused:

• inertne must aine;
• koosneb polümeersetest lineaarsetest molekulidest, milles aatomid on seotud vahelduvate üksik- ja kolmiksidemetega;
• pooljuht.

Süsiniku keemilised omadused

Tavatingimustes on süsinik inertne aine, kuid kuumutamisel võib see reageerida mitmesuguste lihtsate ja keerukate ainetega.

Eespool on juba öeldud, et süsiniku välisenergia tasemel on 4 elektroni (ei seal ega siin), mistõttu süsinik võib elektrone nii loovutada kui vastu võtta, avaldades mõnes ühendis redutseerivaid, teistes oksüdeeruvaid omadusi.

Süsinik on redutseerija reaktsioonides hapniku ja teiste suurema elektronegatiivsusega elementidega (vt elementide elektronegatiivsuse tabelit):

• õhus kuumutamisel põleb (hapniku ülejäägiga koos süsinikdioksiidi moodustumisega; selle puudumisega - süsinikmonooksiid (II)):
  C + O2 = CO2;
  2C + O 2 = 2CO.
• reageerib kõrgel temperatuuril väävliaurudega, interakteerub kergesti kloori, fluoriga:
  C + 2S = CS 2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F 2 + C = CF 4
• kuumutamisel redutseerib see oksiididest palju metalle ja mittemetalle:
  C 0 + Cu + 2 O = Cu 0 + C + 2 O;
  C 0 + C +4 O 2 = 2C + 2 O
• temperatuuril 1000 ° C reageerib see veega (gaasistamisprotsess), moodustades vesigaasi:
  C + H2O = CO + H2;

Süsinikul on reaktsioonides metallide ja vesinikuga oksüdeerivad omadused:

• reageerib metallidega, moodustades karbiide:
  Ca + 2C = CaC 2
• vesinikuga suhtlemisel moodustab süsinik metaani:
  C + 2H2 = CH4

Süsiniku hankimine termiline lagunemine selle ühendid või metaani pürolüüs (kõrgel temperatuuril):
CH4 = C + 2H2.

Süsiniku kasutamine

Süsinikuühendeid kasutatakse laialdaselt rahvamajandus, ei ole võimalik neid kõiki loetleda, toome välja vaid mõned:

• grafiiti kasutatakse pliiatsijuhtmete, elektroodide, sulatustiiglite valmistamiseks, neutronite moderaatorina tuumareaktorid määrdeainena;
• teemante kasutatakse ehetes, lõikeriistana, puurimisseadmetes, abrasiivse materjalina;
• redutseerijana kasutatakse süsinikku teatud metallide ja mittemetallide (raud, räni) saamiseks;
• süsinik moodustab põhiosa aktiivsöest, mis on leidnud laialdast kasutust nii igapäevaelus (näiteks adsorbendina õhu ja lahuste puhastamisel) kui ka meditsiinis (aktiivsöe tabletid) ja tööstuses (katalüütiliste lisandite kandjana) , polümerisatsiooni katalüsaator jne).

(IV) (CO 2, süsinikdioksiid, süsinikdioksiid) on värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas, mis on õhust raskem ja vees lahustuv.

Normaaltingimustes läheb tahke süsinikdioksiid otse gaasilisse olekusse, möödudes vedelast olekust.

Suure vingugaasi korral hakkavad inimesed lämbuma. Üle 3% kontsentratsioon põhjustab kiiret hingamist ja üle 10% teadvusekaotust ja surma.

Süsinikmonooksiidi keemilised omadused.

Vingugaas - see on süsinikanhüdriid H2CO3.

Kui süsinikmonooksiid juhitakse läbi kaltsiumhüdroksiidi (lubjavee), tekib valge sade:

Ca(Oh) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 Oh,

Kui süsihappegaasi võetakse liigselt, siis moodustuvad vesinikkarbonaadid, mis lahustuvad vees:

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

Mis siis kuumutamisel lagunevad:

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

Süsinikmonooksiidi kasutamine.

Nad kasutavad süsinikdioksiidi erinevates tööstusharudes. Keemiatööstuses kasutatakse seda külmutusagensina.

Toiduainetööstuses kasutatakse seda säilitusainena E290. Kuigi sellele määrati "tinglikult ohutu", tegelikult see nii pole. Arstid on tõestanud, et E290 sagedane tarbimine põhjustab mürgise mürgise ühendi kogunemist. Seetõttu peate hoolikalt lugema toodete etikette.

Süsinikoksiidid (II) ja (IV)

Keemia ja bioloogia integreeritud tund

Ülesanded: uurida ja süstematiseerida teadmisi süsinikoksiidide (II) ja (IV) kohta; paljastada elusa ja eluta looduse suhet; kinnistada teadmisi süsinikoksiidide mõjust inimorganismile; kinnistada laboriseadmetega töötamise oskusi.

Varustus: HCl lahus, lakmus, Ca (OH) 2, CaCO 3, klaaspulk, isetehtud lauad, kaasaskantav plaat, palli-pulga mudel.

TUNNIDE AJAL

Bioloogia õpetaja edastab tunni teema ja eesmärgid.

Keemia õpetaja. Kovalentse sideme õpetuse põhjal koostada elektrooniline ja struktuurvalem süsinikoksiidid (II) ja (IV).

Süsinikmonooksiidi (II) keemiline valem on CO, süsinikuaatom on normaalses olekus.

Paaritute elektronide paaritumise tõttu moodustub kaks kovalentset polaarset sidet ja kolmas kovalentne side moodustub doonor-aktseptor mehhanismi abil. Doonoriks on hapnikuaatom, sest see annab vaba elektronpaari; aktseptor on süsinikuaatom, kuna pakub tasuta orbitaali.

Tööstuses saadakse süsinikmonooksiidi (II) CO 2 juhtimisel üle kuuma söe kõrgel temperatuuril. Samuti tekib see söe põlemisel hapnikupuudusega. ( Õpilane kirjutab tahvlile reaktsioonivõrrandi)

Laboris saadakse CO kontsentreeritud H 2 SO 4 toimel sipelghappele. ( Õpetaja kirjutab reaktsioonivõrrandi üles.)

Bioloogia õpetaja. Niisiis, tutvusite süsinikmonooksiidi (II) tootmisega. Ja mida füüsikalised omadused sisaldab süsinikmonooksiidi (II)?

Üliõpilane. See on värvitu gaas, mürgine, lõhnatu, õhust kergem, vees halvasti lahustuv, keemistemperatuur –191,5 °C, tahkub –205 °C juures.

Keemia õpetaja. Vingugaasi leidub autode heitgaasides inimelule ohtlikes kogustes. Seetõttu peaksid garaažid olema hästi ventileeritud, eriti mootori käivitamisel.

Bioloogia õpetaja. Milline on süsinikmonooksiidi mõju inimorganismile?

Üliõpilane. Süsinikoksiid on inimestele äärmiselt mürgine – see on tingitud asjaolust, et see moodustab karboksühemoglobiini. Karboksühemoglobiin on väga tugev ühend. Selle moodustumise tulemusena ei suhtle vere hemoglobiin hapnikuga ning raske mürgistuse korral võib inimene hapnikunälga surra.

Bioloogia õpetaja. Millist esmaabi tuleks anda inimesele vingugaasimürgistuse korral?

Õpilased. On vaja kutsuda kiirabi, kannatanu tuleb tänavale viia, teha kunstlikku hingamist, ruum peab olema hästi ventileeritud.

Keemia õpetaja. Kirjutage süsinikmonooksiidi keemiline valem (IV) ja koostage palli ja pulga mudeli abil selle struktuur.

Süsinikuaatom on ergastatud olekus. Kõik neli kovalentset polaarset sidet moodustuvad paaritute elektronide sidumisel. Kuid selle lineaarse struktuuri tõttu on selle molekul üldiselt mittepolaarne.
Tööstuses saadakse CO 2 kaltsiumkarbonaadi lagunemisel lubja tootmisel.
(Õpilane kirjutab üles reaktsioonivõrrandi.)

Laboris saadakse CO 2 hapete koosmõjul kriidi või marmoriga.
(Õpilased teevad laborikatse.)

Bioloogia õpetaja. Milliste protsesside tulemusena tekib kehas süsihappegaas?

Üliõpilane. Süsinikdioksiid tekib organismis oksüdatsioonireaktsioonide tulemusena orgaaniline aine mis moodustavad raku.

(Õpilased teevad laborikatse.)

Lubjapuder muutus häguseks, sest moodustub kaltsiumkarbonaat. Lisaks hingamisprotsessile vabaneb CO2 käärimise ja lagunemise tulemusena.

Bioloogia õpetaja. Kas füüsiline aktiivsus mõjutab hingamisprotsessi?

Üliõpilane.Ülemäärase füüsilise (lihas)koormuse korral kasutavad lihased hapnikku kiiremini, kui veri suudab seda kohale toimetada ning seejärel sünteesivad nad fermentatsiooni teel oma tööks vajalikku ATP-d. Lihastes moodustub piimhape C 3 H 6 O 3, mis siseneb vereringesse. Piimhappe suurte koguste kogunemine on organismile kahjulik. Pärast suurt füüsilist pingutust hingame mõnda aega raskelt - maksame "hapnikuvõlga".

Keemia õpetaja. Fossiilkütuste põletamisel eraldub atmosfääri suur hulk süsinikmonooksiidi (IV). Kodus kasutame kütusena maagaasi ja see on peaaegu 90% metaan (CH 4). Soovitan ühel teist minna tahvli juurde, kirjutada reaktsiooni võrrand ja analüüsida seda oksüdatsiooni-redutseerimise aspektist.

Bioloogia õpetaja. Miks ei saa gaasiahju kasutada ruumi kütmiseks?

Üliõpilane. Metaan on maagaasi lahutamatu osa. Põlemisel suureneb süsihappegaasi sisaldus õhus ja hapnikusisaldus väheneb. ( Töötamine tabeliga "Sisu CO 2 õhus".)
Kui õhk sisaldab 0,3% CO 2, kogeb inimene kiiret hingamist; 10% -l - teadvusekaotus, 20% -l - kohene halvatus ja kiire surm. Laps vajab eriti puhast õhku, sest kasvava organismi kudede hapnikutarbimine on suurem kui täiskasvanul. Seetõttu on vaja ruumi regulaarselt ventileerida. Kui veres on ülemäärane CO 2, suureneb hingamiskeskuse erutuvus ning hingamine muutub sagedasemaks ja sügavamaks.

Bioloogia õpetaja. Mõelge süsinikmonooksiidi (IV) rollile taimede elus.

Üliõpilane. Taimedes toimub orgaanilise aine teke CO 2 ja H 2 O-st valguse käes, lisaks orgaanilisele ainele tekib hapnik.

Fotosüntees reguleerib süsinikdioksiidi sisaldust atmosfääris, mis takistab planeedil temperatuuri tõusu. Taimed neelavad igal aastal atmosfäärist 300 miljardit tonni süsinikdioksiidi. Fotosünteesi käigus eraldub aastas atmosfääri 200 miljardit tonni hapnikku. Osoon tekib äikese ajal hapnikust.

Keemia õpetaja. Kaaluge Keemilised omadused süsinikmonooksiid (IV).

Bioloogia õpetaja. Mis tähtsus on süsihappel inimese organismis hingamise ajal? ( Filmiriba fragment.)
Veres sisalduvad ensüümid muudavad süsihappegaasi süsihappeks, mis dissotsieerub vesiniku- ja vesinikkarbonaadiioonideks. Kui veri sisaldab H + ioone liigses koguses, s.o. kui vere happesus on suurenenud, ühinevad osa H + ioonidest vesinikkarbonaadi ioonidega, moodustades süsihappe ja vabastades seeläbi vere liigsetest H + ioonidest. Kui veres on liiga vähe H + -ioone, siis süsihape dissotsieerub ja H + -ioonide kontsentratsioon veres suureneb. Temperatuuril 37 ° C on vere pH 7,36.
Kehas kannab süsihappegaasi veri kujul keemilised ühendid- naatrium- ja kaaliumvesinikkarbonaadid.

Materjali kinnitamine

Test

Kopsudes ja kudedes kavandatavatest gaasivahetusprotsessidest peavad esimese võimaluse sooritajad valima vasakult õigete vastuste šifrid ja paremalt teise.

(1) O 2 ülekandmine kopsudest verre. (kolmteist)
(2) O 2 ülekandmine verest kudedesse. (14)
(3) CO 2 ülekanne kudedest verre. (15)
(4) CO 2 ülekanne verest kopsudesse. (kuusteist)
(5) O 2 omastamine erütrotsüütide poolt. (17)
(6) O 2 vabanemine erütrotsüütidest. (kaheksateist)
(7) Arteriaalse vere muundamine venoosseks vereks. (üheksateist)
(8) Venoosse vere muundamine arteriaalseks. (kakskümmend)
(9) Paus keemiline side O 2 hemoglobiiniga. (21)
(10) O 2 keemiline seondumine hemoglobiiniga. (22)
(11) Kapillaarid kudedes. (23)
(12) Kopsukapillaarid. (24)

Esimese valiku küsimused

1. Gaasivahetuse protsessid kudedes.
2. Füüsikalised protsessid gaasivahetusel.

Teise variandi küsimused

1. Gaasivahetusprotsessid kopsudes.
2. Keemilised protsessid gaasivahetusel

Ülesanne

Määrake süsinikmonooksiidi (IV) maht, mis vabaneb 50 g kaltsiumkarbonaadi lagunemisel.