Оксид углерода 4 валентный. Углерод — характеристика элемента и химические свойства

Оксид углерода (IV) (диоксид углерода, углекислый газ) в обычных условиях представляет собой бесцветный газ, тяжелее воздуха, термически устойчивый, а при сжатии и охлаждении легко переходящий в жидкое и твердое состояния.

Плотность – 1,997 г/л. Твердый CO2, носящий название «сухой лед», возгоняется при комнатной температуре. Плохо растворяется в воде, частично реагируя с ней. Проявляет кислотные свойства. Восстанавливается активными металлами, водородом и углеродом.

Химическая формула оксида углерода 4
Химическая формула оксида углерода (IV) CO2. Она показывает, что в состав данной молекулы входят один атом углерода (Ar = 12 а.е.м.) и два атома кислорода (Ar = 16 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу оксида углерода (IV):

Mr(CO2) = Ar(C) + 2×Ar(O);

Mr(CO2) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44.

Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Задание При сжигании 26,7 г аминокислоты (CxHyOzNk) в избытке кислорода образуется 39,6 г оксида углерода (IV), 18,9 г воды и 4,2 г азота. Определите формулу аминокислоты.
Решение Составим схему реакции сгорания аминокислоты обозначив количество атомов углерода, водорода, кислорода и азота за «x», «у», «z» и «k» соответственно:
CxHyOzNk+ Oz→CO2 + H2O + N2.

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м., Ar(N) = 14 а.е.м.

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);

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

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

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

M(C) = ×12 = 10,8 г;

M(H) = 2×18,9 / 18 ×1= 2,1 г.

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

Определим химическую формулу аминокислоты:

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.

Значит простейшая формула аминокислоты C6H14O3N2.

Ответ C6H14O3N2
ПРИМЕР 2
Задание Составьте простейшую формулу соединения, в котором массовые доли элементов приближенно равны: углерода – 25,4%, водорода – 3,17%, кислорода – 33,86%, хлора – 37,57%.
Решение Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Обозначим число атомов углерода в молекуле через «х», число атомов азота водорода через «у», число атомов кислорода за «z» и число атомов хлора за «k».

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов углерода, водорода, кислорода и хлора (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

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

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

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.

Значит простейшая формула соединения углерода, водорода, кислорода и хлора будет иметь вид C2H3O2Cl.

• Обозначение - C (Carbon);
• Период - II;
• Группа - 14 (IVa);
• Атомная масса - 12,011;
• Атомный номер - 6;
• Радиус атома = 77 пм;
• Ковалентный радиус = 77 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 2 ;
• t плавления = 3550°C;
• t кипения = 4827°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 2,55/2,50;
• Степень окисления: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Плотность (н. у.) = 2,25 г/см 3 (графит);
• Молярный объем = 5,3 см 3 /моль.

Соединения углерода:

Углерод в виде древесного угля известен человеку с незапамятных времен, поэтому, о дате его открытия говорить не имеет смысла. Собственно свое название "углерод" получил в 1787 году, когда была опубликована книга "Метод химической номенклатуры", в которой вместо французского названия «чистый уголь» (charbone pur) появился термин «углерод» (carbone).

Углерод обладает уникальной способностью образовывать полимерные цепочки неограниченной длины, порождая тем самым огромный класс соединений, изучением которых занимается отдельный раздел химии - органическая химия. Органические соединения углерода лежат в основе земной жизни, поэтому, о важности углерода, как химического элемента, говорить не имеет смысла - он основа жизни на Земле.

Сейчас рассмотрим углерод с точки зрения неорганической химии.

Рис. Строение атома углерода .

Электронная конфигурация углерода - 1s 2 2s 2 2p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у углерода находятся 4 электрона: 2 спаренных на s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома углерода в возбужденное состояние (требует энергетических затрат) один электрон с s-подуровня "покидает" свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома углерода приобретает следующий вид: 1s 2 2s 1 2p 3 .

Рис. Переход атома углерода в возбужденное состояние.

Такая "рокировка" существенно расширяет валентные возможности атомов углерода, которые могут принимать степень окисления от +4 (в соединениях с активными неметаллами) до -4 (в соединениях с металлами).

В невозбужденном состоянии атом углерода в соединениях имеет валентность 2, например, CO(II), а в возбужденном - 4: CO 2 (IV).

"Уникальность" атома углерода заключается в том, что на его внешнем энергетическом уровне находятся 4 электрона, поэтому, для завершения уровня (к чему, собственно, стремятся атомы любого химического элемента) он может с одинаковым "успехом", как отдавать, так и присоединять электроны с образованием ковалентных связей (см. Ковалентная связь).

Углерод, как простое вещество

Как простое вещество углерод может находиться в виде нескольких аллотропных модификаций:

• Алмаз
• Графит
• Фуллерен
• Карбин

Алмаз

Рис. Кристаллическая решетка алмаза.

Свойства алмаза :

• бесцветное кристаллическое вещество;
• самое твердое вещество в природе;
• обладает сильным преломляющим эффектом;
• плохо проводит тепло и электричество.

Рис. Тетраэдр алмаза.

Исключительная твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки, которая имеет форму тетраэдра - в центре тетраэдра находится атом углерода, который связан равноценно прочными связями с четырьмя соседними атомами, образующими вершины тетраэдра (см. рисунок выше). Такая "конструкция" в свою очередь связана с соседними тетраэдрами.

Графит

Рис. Кристаллическая решетка графита.

Свойства графита:

• мягкое кристаллическое вещество серого цвета слоистой структуры;
• обладает металлическим блеском;
• хорошо проводит электричество.

В графите атомы углерода образуют правильные шестиугольники, лежащие в одной плоскости, организованные в бесконечные слои.

В графите химические связи между соседними атомами углерода образованы за счет трех валентных электронов каждого атома (изображены синим цветом на рисунке ниже), при этом четвертый электрон (изображен красным цветом) каждого атома углерода, расположенный на p-орбитали, лежащей перпендикулярно плоскости слоя графита, не участвует в образовании ковалентных связей в плоскости слоя. Его "предназначение" заключается в другом - взаимодействуя со своим "собратом", лежащим в соседнем слое, он обеспечивает связь между слоями графита, а высокая подвижность p-электронов обусловливает хорошую электропроводность графита.

Рис. Распределение орбиталей атома углерода в графите.

Фуллерен

Рис. Кристаллическая решетка фуллерена.

Свойства фуллерена:

• молекула фуллерена представляет собой совокупность атомов углерода, замкнутых в полые сферы типа футбольного мяча;
• это мелкокристаллическое вещество желто-оранжевого цвета;
• температура плавления = 500-600°C;
• полупроводник;
• входит в состав минерала шунгита.

Карбин

Свойства карбина:

• инертное вещество черного цвета;
• состоит из полимерных линейных молекул, в которых атомы связаны чередующимися одинарными и тройными связями;
• полупроводник.

Химические свойства углерода

При нормальных условиях углерод является инертным веществом, но при нагревании может реагировать с разнообразными простыми и сложными веществами.

Выше уже было сказано, что на внешнем энергетическом уровне углерода находится 4 электрона (ни туда, ни сюда), поэтому углерод может, как отдавать электроны, так и принимать их, проявляя в одних соединениях восстановительные свойства, а в других - окислительные.

Углерод является восстановителем в реакциях с кислородом и другими элементами, имеющими более высокую электроотрицательность (см. таблицу электроотрицательности элементов):

• при нагревании на воздухе горит (при избытке кислорода с образованием углекислого газа; при его недостатке - оксида углерода(II)):
  C + O 2 = CO 2 ;
  2C + O 2 = 2CO.
• реагирует при высоких температурах с парами серы, легко взаимодействует с хлором, фтором:
  C + 2S = CS 2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F 2 + C = CF 4
• при нагревании восстанавливает из оксидов многие металлы и неметаллы:
  C 0 + Cu +2 O = Cu 0 + C +2 O;
  C 0 +C +4 O 2 = 2C +2 O
• при температуре 1000°C реагирует с водой (процесс газификации), с образованием водяного газа:
  C + H 2 O = CO + H 2 ;

Углерод проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и водородом:

• реагирует с металлами с образованием карбидов:
  Ca + 2C = CaC 2
• взаимодействуя с водородом, углерод образует метан:
  C + 2H 2 = CH 4

Углерод получают термическим разложением его соединений или пиролизом метана (при высокой температуре):
CH 4 = C + 2H 2 .

Применение углерода

Соединения углерода нашли самое широкое применение в народном хозяйстве, перечислить все их не представляется возможным, укажем только некоторые:

• графит применяется для изготовления грифелей карандашей, электродов, плавильных тиглей, как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, как смазочный материал;
• алмазы применяются в ювелирном деле, в качестве режущего инструмента, в буровом оборудовании, как абразивный материал;
• в качестве восстановителя углерод используют для получения некоторых металлов и неметаллов (железа, кремния);
• углерод составляет основную массу активированного угля, который нашел широчайшее применение, как в быту (например, в качестве адсорбента для очистки воздуха и растворов), так и в медицине (таблетки активированного угля) и в промышленности (в качестве носителя для каталитических добавок, катализатора полимеризации и проч.).

(IV ) (СО 2 , диоксид углерода, углекислый газ) представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха, который тяжелее воздуха и растворим в воде .

В обычных условиях твердый диоксид углерода переходит сразу в газообразное состояние, минуя состояние жидкости.

При большом количестве оксид углерода люди начинают задыхаться. Концентрация более 3% приводит к учащенному дыханию, а свыше 10 % наблюдается потеря сознания и смерть.

Химические свойства оксида углерода.

Оксид углерода - это ангидрид угольной кислоты Н 2 СО 3 .

Если пропускать оксид углерода через гидроксид кальция (известковая вода), то наблюдается выпадение осадка белого цвета:

Ca (OH ) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O,

Если углекислый газ взят в избытке, то наблюдается образование гидрокарбонатов, которые растворяются в воде:

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

Которые потом распадаются при нагревании:

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

Применение оксида углерода.

Используют диоксид углерода в различных областях промышленности. В химическом производстве - как хладагент.

В пищевой промышленности используют его как консервант Е290. Хоть ему и присвоили «условно безопасный», на самом деле это не так. Медики доказали, что частое употребление в пищу Е290 приводит к накоплению токсичного ядовитого соединения. Поэтому надо внимательнее читать этикетки на продуктах.

Оксиды углерода (II) и (IV)

Интегрированный урок по химии и биологии

Задачи: изучить и систематизировать знания об оксидах углерода (II) и (IV); раскрыть взаимосвязь живой и неживой природы; закрепить знания о влиянии оксидов углерода на организм человека; закрепить навыки умения работать с лабораторным оборудованием.

Оборудование: раствор НСl, лакмус, Ca(OH) 2 , CaCO 3 , стеклянная палочка, самодельные таблицы, переносная доска, шаростержневая модель.

ХОД УРОКА

Учитель биологии сообщает тему и задачи урока.

Учитель химии. Основываясь на учении о ковалентной связи, составьте электронную и структурную формулы оксидов углерода (II) и (IV).

Химическая формула оксида углерода (II) – СО, атом углерода находится в нормальном состоянии.

За счет спаривания неспаренных электронов образуются две ковалентные полярные связи, а третья ковалентная связь образуется по донорно-акцепторному механизму. Донором является атом кислорода, т.к. он предоставляет свободную пару электронов; акцептором – атом углерода, т.к. предоставляет свободную орбиталь.

В промышленности оксид углерода (II) получают, пропуская СО 2 над раскаленным углем при высокой температуре. Он образуется также в процессе сгорания угля при недостатке кислорода. (Ученик записывает уравнение реакции на доске )

В лаборатории СО получают действием концентрированной Н 2 SО 4 на муравьиную кислоту. (Уравнение реакции записывает учитель .)

Учитель биологии. Итак, вы познакомились с получением оксида углерода (II). А какими физическими свойствами обладает оксид углерода (II)?

Ученик. Это бесцветный газ, ядовитый, без запаха, легче воздуха, плохо растворяется в воде, температура кипения –191,5 °C, затвердевает при –205 °С.

Учитель химии. Угарный газ в количествах, опасных для жизни человека, содержится в выхлопных газах автомобилей. Поэтому гаражи должны хорошо проветриваться, особенно при запуске двигателя.

Учитель биологии. Какое влияние оказывает угарный газ на организм человека?

Ученик. Угарный газ крайне ядовит для человека – это объясняется тем, что он образует карбоксигемоглобин. Карбоксигемоглобин – очень прочное соединение. В результате его образования гемоглобин крови не взаимодействует с кислородом, и при сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания.

Учитель биологии. Какую первую помощь необходимо оказать человеку при отравлении угарным газом?

Ученики. Надо вызвать «скорую помощь», пострадавшего надо вынести на улицу, сделать искусственное дыхание, помещение хорошо проветрить.

Учитель химии. Напишите химическую формулу оксида углерода (IV) и, используя шаростержневую модель, постройте его структуру.

Атом углерода находится в возбужденном состоянии. Все четыре ковалентные полярные связи образовались за счет спаривания неспаренных электронов. Однако из-за линейного строения молекула его в целом неполярна.
В промышленности СО 2 получают при разложении карбоната кальция в производстве извести.
(Ученик записывает уравнение реакции .)

В лаборатории СО 2 получают при взаимодействии кислот с мелом или мрамором.
(Учащиеся выполняют лабораторный опыт. )

Учитель биологии. В результате каких процессов образуется углекислый газ в организме?

Ученик. Углекислый газ образуется в организме в результате реакций окисления органических веществ, входящих в состав клетки.

(Учащиеся выполняют лабораторный опыт. )

Известковый раствор стал мутным, т.к. образуется карбонат кальция. Кроме процесса дыхания, СО2 выделяется в результате брожения, гниения.

Учитель биологии. Влияет ли физическая нагрузка на процесс дыхания?

Ученик. При чрезмерной физической (мышечной) нагрузке мышцы используют кислород быстрее, чем кровь успевает его доставить, и тогда они синтезируют необходимую для их работы АТФ путем брожения. В мышцах образуется молочная кислота C 3 H 6 O 3 , которая поступает в кровь. Накопление большого количества молочной кислоты вредно для организма. После тяжелой физической нагрузки мы еще некоторое время тяжело дышим – выплачиваем «кислородную задолженность».

Учитель химии. Большое количество оксида углерода (IV) выделяется в атмосферу при сжигании органического топлива. Дома мы в качестве топлива используем природный газ, а он почти на 90% состоит из метана (СН 4). Я предлагаю одному из вас выйти к доске, составить уравнение реакции и разобрать его с точки зрения окисления-восстановления.

Учитель биологии. Почему нельзя использовать газовые печи для отопления помещения?

Ученик. Метан – составная часть природного газа. При его горении содержание углекислого газа в воздухе повышается, а кислорода – понижается. (Работа с таблицей «Содержание СО 2 в воздухе» .)
При содержании в воздухе 0,3% СО 2 у человека наблюдается учащенное дыхание; при 10% – потеря сознания, при 20% – мгновенный паралич и быстрая смерть. Особенно нуждается в чистом воздухе ребенок, потому что потребление кислорода тканями растущего организма больше, чем у взрослого. Следовательно, необходимо регулярно проветривать помещение. Если в крови есть избыток СО 2 , возбудимость дыхательного центра повышается и дыхание становится более частым и глубоким.

Учитель биологии. Рассмотрим роль оксида углерода (IV) в жизни растений.

Ученик. У растений образование органических веществ происходит из СО 2 и Н 2 O на свету, кроме органических веществ образуется кислород.

Фотосинтез регулирует содержание углекислого газа в атмосфере, что препятствует повышению температуры на планете. Ежегодно растения поглощают из атмосферы 300 млрд т углекислого газа. В процессе фотосинтеза в атмосферу ежегодно выделяется 200 млрд т кислорода. Из кислорода во время грозы образуется озон.

Учитель химии. Рассмотрим химические свойства оксида углерода (IV).

Учитель биологии. Какое значение имеет угольная кислота в организме человека в процессе дыхания? (Фрагмент диафильма .)
Содержащиеся в крови ферменты превращают углекислый газ в угольную кислоту, которая диссоциирует на ионы водорода и гидрокарбоната. Если в крови содержится избыток ионов Н + , т.е. если кислотность крови повышена, то часть ионов Н + соединяется с гидрокарбонат-ионами, образуя угольную кислоту и освобождая тем самым кровь от избытка Н + -ионов. Если же в крови слишком мало Н + -ионов, то угольная кислота диссоциирует и концентрация Н + -ионов в крови повышается. При температуре 37 °С рН крови равен 7,36.
В организме углекислый газ переносится кровью в виде химических соединений – гидрокарбонатов натрия и калия.

Закрепление материала

Тест

Из предложенных процессов газообмена в легких и тканях выполняющие первый вариант должны выбрать шифры правильных ответов слева, а второй – справа.

(1) Переход O 2 из легких в кровь. (13)
(2) Переход O 2 из крови в ткани. (14)
(3) Переход СO 2 из тканей в кровь. (15)
(4) Переход СO 2 из крови в легкие. (16)
(5) Поглощение O 2 эритроцитами. (17)
(6) Выделение O 2 из эритроцитов. (18)
(7) Превращение артериальной крови в венозную. (19)
(8) Превращение венозной крови в артериальную. (20)
(9) Разрыв химической связи O 2 с гемоглобином. (21)
(10) Химическое связывание O 2 с гемоглобином. (22)
(11) Капилляры в тканях. (23)
(12) Легочные капилляры. (24)

Вопросы первого варианта

1. Процессы газообмена в тканях.
2. Физические процессы при газообмене.

Вопросы второго варианта

1. Процессы газообмена в легких.
2. Химические процессы при газообмене

Задача

Определите объем оксида углерода (IV), который выделяется при разложении 50 г карбоната кальция.