Monoxidul de carbon este 4 valent. Carbonul - caracteristica elementului și proprietăți chimice
Monoxidul de carbon (IV) (dioxid de carbon, dioxid de carbon) în condiții normale este un gaz incolor, mai greu decât aerul, stabil termic, iar atunci când este comprimat și răcit, se transformă cu ușurință într-o stare lichidă și solidă.
Densitate - 1,997 g/l. CO2 solid, numit gheață carbonică, se sublimează la temperatura camerei. Se dizolvă slab în apă, reacționează parțial cu ea. Prezintă proprietăți acide. Redus cu metale active, hidrogen si carbon.
Formula chimică a monoxidului de carbon 4
Formula chimică a monoxidului de carbon (IV) CO2. Arată că această moleculă conține un atom de carbon (Ar = 12 amu) și doi atomi de oxigen (Ar = 16 amu). Formula chimică poate fi utilizată pentru a calcula greutatea moleculară a monoxidului de carbon (IV):
Mr (CO2) = Ar (C) + 2 × Ar (O);
Mr (CO2) = 12+ 2 × 16 = 12 + 32 = 44.
Exemple de rezolvare a problemelor
EXEMPLUL 1
Sarcină Când 26,7 g de aminoacid (CxHyOzNk) sunt arse într-un exces de oxigen, se formează 39,6 g de monoxid de carbon (IV), 18,9 g de apă și 4,2 g de azot. Determinați formula aminoacizilor.
Soluție Să întocmim o diagramă a reacției de ardere a unui aminoacid, notând numărul de atomi de carbon, hidrogen, oxigen și azot cu „x”, „y”, „z” și respectiv „k”:
CxHyOzNk + Oz → CO2 + H2O + N2.
Să determinăm masele elementelor care alcătuiesc această substanță. Valorile maselor atomice relative luate din Tabelul periodic al lui D.I. Mendeleev, rotunjiți la numere întregi: 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);
Să calculăm masele molare de dioxid de carbon și apă. După cum știți, masa molară a unei molecule este egală cu suma maselor atomice relative ale atomilor care alcătuiesc molecula (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.
Să definim formula chimică a aminoacidului:
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.
Prin urmare, cea mai simplă formulă a aminoacidului este C6H14O3N2.
Raspunde C6H14O3N2
EXEMPLUL 2
Sarcină Întocmește cea mai simplă formulă a unui compus în care fracțiunile de masă ale elementelor sunt aproximativ egale: carbon - 25,4%, hidrogen - 3,17%, oxigen - 33,86%, clor - 37,57%.
Soluție Fracția de masă a elementului X dintr-o moleculă cu compoziția HX se calculează prin următoarea formulă:
ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.
Să notăm numărul de atomi de carbon dintr-o moleculă cu „x”, numărul de atomi de azot ai hidrogenului cu „y”, numărul de atomi de oxigen cu „z” și numărul de atomi de clor cu „k”.
Să găsim masele atomice relative corespunzătoare ale elementelor carbon, hidrogen, oxigen și clor (valorile maselor atomice relative luate din Tabelul periodic al lui D.I.Mendeleev vor fi rotunjite la numere întregi).
Ar (C) = 12; Ar (H) = 14; Ar (O) = 16; Ar (CI) = 35,5.
Împărțim procentul de elemente la masele atomice relative corespunzătoare. Astfel, vom găsi raportul dintre numărul de atomi din molecula compusului:
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.
Aceasta înseamnă că cea mai simplă formulă pentru un compus de carbon, hidrogen, oxigen și clor va fi C2H3O2Cl.
- Denumirea - C (Carbon);
- Perioada - II;
- Grupa - 14 (IVa);
- Masa atomică - 12.011;
- Numărul atomic - 6;
- Raza atomului = 77 pm;
- Raza covalentă = 77 pm;
- Distribuția electronilor - 1s 2 2s 2 2p 2;
- punct de topire = 3550 ° C;
- punctul de fierbere = 4827 ° C;
- Electronegativitatea (Pauling / Alpred și Rohov) = 2,55 / 2,50;
- Stare de oxidare: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
- Densitatea (n. At.) = 2,25 g/cm3 (grafit);
- Volumul molar = 5,3 cm 3 / mol.
Carbonul sub formă de cărbune este cunoscut omului din timpuri imemoriale, prin urmare, nu are sens să vorbim despre data descoperirii sale. De fapt, numele său „carbon” a primit în 1787, când a fost publicată cartea „Metoda de nomenclatură chimică”, în care în locul numelui francez „cărbune pur” (charbone pur) a apărut termenul „carbon” (carbon).
Carbonul are capacitatea unică de a forma lanțuri polimerice de lungime nelimitată, dând astfel naștere unei clase uriașe de compuși, care sunt studiate într-o ramură separată a chimiei - chimia organică. Compușii organici ai carbonului sunt baza vieții pe Pământ, prin urmare, nu are sens să vorbim despre importanța carbonului ca element chimic - este baza vieții pe Pământ.
Acum să privim carbonul din punctul de vedere al chimiei anorganice.
Orez. Structura atomului de carbon.
Configurația electronică a carbonului este 1s 2 2s 2 2p 2 (vezi. Structura electronică a atomilor). La nivelul energiei externe, carbonul are 4 electroni: 2 perechi la subnivelul s + 2 nepereche la orbitalii p. Când un atom de carbon trece într-o stare excitată (necesită consum de energie), un electron de la subnivelul s „își părăsește” perechea și merge la subnivelul p, unde există un orbital liber. Astfel, în stare excitată, configurația electronică a unui atom de carbon ia următoarea formă: 1s 2 2s 1 2p 3.
Orez. Trecerea unui atom de carbon la o stare excitată.
O astfel de „rodare” extinde semnificativ capacitățile de valență ale atomilor de carbon, care pot lua starea de oxidare de la +4 (în compușii cu nemetale active) la -4 (în compușii cu metale).
În starea neexcitată, atomul de carbon din compuși are o valență de 2, de exemplu, CO (II), iar în stare excitată are o valență de 4: CO 2 (IV).
„Unicitatea” atomului de carbon constă în faptul că la nivelul său de energie externă există 4 electroni, prin urmare, pentru a completa nivelul (pe care, de fapt, se străduiesc atomii oricărui element chimic), poate, cu același „succes”, ambii dau și atașează electroni cu formarea de legături covalente (vezi. Legătura covalentă).
Carbonul ca substanță simplă
Ca substanță simplă, carbonul poate fi sub forma mai multor modificări alotropice:
- Diamant
- Grafit
- Fullerene
- carabină
Diamant
Orez. Rețeaua cristalină a unui diamant.
Proprietățile diamantului:
- substanță cristalină incoloră;
- cea mai dură substanță din natură;
- are un efect refractiv puternic;
- conduce prost căldura și electricitatea.
Orez. Tetraedru de diamant.
Duritatea excepțională a diamantului se explică prin structura rețelei sale cristaline, care are forma unui tetraedru - în centrul tetraedrului se află un atom de carbon, care este legat prin legături la fel de puternice cu patru atomi vecini care formează vârfurile. a tetraedrului (vezi figura de mai sus). Această „construcție”, la rândul ei, este asociată cu tetraedrele vecine.
Grafit
Orez. Rețea cristalină de grafit.
Proprietățile grafitului:
- o substanță moale de culoare gri cristalină cu o structură stratificată;
- are un luciu metalic;
- conduce bine electricitatea.
În grafit, atomii de carbon formează hexagoane regulate situate într-un singur plan, organizate în straturi nesfârșite.
În grafit, legăturile chimice dintre atomii de carbon adiacenți sunt formate din trei electroni de valență ai fiecărui atom (prezentați cu albastru în figura de mai jos), în timp ce al patrulea electron (indicat cu roșu) al fiecărui atom de carbon este situat pe o perpendiculară a orbitalului p. faţă de planul stratului de grafit.nu participă la formarea legăturilor covalente în planul stratului. „Scopul” său este diferit - interacționând cu „fratele” său situat într-un strat adiacent, asigură o legătură între straturile de grafit, iar mobilitatea ridicată a electronilor p determină buna conductivitate electrică a grafitului.
Orez. Distribuția orbitalilor atomului de carbon în grafit.
Fullerene
Orez. Rețea cristalină fullerenă.
Proprietăți fullerene:
- o moleculă de fullerenă este o colecție de atomi de carbon închisă în sfere goale, cum ar fi o minge de fotbal;
- este o substanță cristalină fină galben-portocalie;
- punct de topire = 500-600 ° C;
- semiconductor;
- face parte din mineralul shungit.
carabină
Proprietățile carabinei:
- substanță neagră inertă;
- constă din molecule liniare polimerice în care atomii sunt legați prin legături simple și triple alternative;
- semiconductor.
Proprietățile chimice ale carbonului
În condiții normale, carbonul este o substanță inertă, dar atunci când este încălzit, poate reacționa cu o varietate de substanțe simple și complexe.
S-a spus deja mai sus că la nivelul energetic extern al carbonului există 4 electroni (nici acolo, nici acolo), prin urmare carbonul poate dona și primi electroni, prezentând proprietăți reducătoare în unii compuși și oxidanți în alții.
Carbonul este agent de reducereîn reacțiile cu oxigenul și alte elemente cu o electronegativitate mai mare (vezi tabelul cu electronegativitatea elementelor):
- când este încălzit în aer, arde (cu un exces de oxigen cu formarea de dioxid de carbon; cu lipsa acestuia - monoxid de carbon (II)):
C + O2 = C02;
2C + O2 = 2CO. - reacționează la temperaturi ridicate cu vaporii de sulf, interacționează ușor cu clorul, fluorul:
C + 2S = CS 2
C + 2Cl 2 = CCl 4
2F 2 + C = CF 4 - atunci când este încălzit, reduce multe metale și nemetale din oxizi:
C0 + Cu +2O = Cuo + C +2O;
C 0 + C + 4 O 2 = 2C + 2 O - la o temperatură de 1000 ° C, reacţionează cu apa (proces de gazeificare), cu formarea de apă gazoasă:
C + H20 = CO + H2;
Carbonul prezintă proprietăți oxidante în reacțiile cu metale și hidrogen:
- reacţionează cu metalele pentru a forma carburi:
Ca + 2C = CaC 2 - interacționând cu hidrogenul, carbonul formează metan:
C + 2H2 = CH4
Carbonul se obține prin descompunerea termică a compușilor săi sau prin piroliza metanului (la temperaturi ridicate):
CH4 = C + 2H2.
Aplicarea carbonului
Compușii de carbon au găsit cea mai largă aplicație în economia națională, nu este posibil să-i enumeram pe toți, vom indica doar câteva:
- grafitul este utilizat pentru fabricarea mineriilor de creion, electrozilor, creuzetelor de topire, ca moderator de neutroni în reactoare nucleare, ca lubrifiant;
- diamantele sunt folosite în bijuterii, ca unealtă de tăiere, în echipamentele de găurit, ca material abraziv;
- ca agent reducător, carbonul este folosit pentru a obține anumite metale și nemetale (fier, siliciu);
- cărbunele constituie cea mai mare parte a cărbunelui activat, care a găsit o utilizare pe scară largă atât în viața de zi cu zi (de exemplu, ca adsorbant pentru purificarea aerului și a soluțiilor), cât și în medicină (tablete de cărbune activ) și în industrie (ca purtător pentru aditivi catalitici). , catalizator de polimerizare etc.).
(IV) (CO2, dioxid de carbon, dioxid de carbon) este un gaz incolor, inodor și fără gust, mai greu decât aerul și solubil în apă.
În condiții normale, dioxidul de carbon solid trece direct în stare gazoasă, ocolind starea lichidă.
Cu mult monoxid de carbon, oamenii încep să se sufoce. O concentrație de peste 3% duce la respirație rapidă, iar peste 10% are loc pierderea conștienței și moartea.
Proprietățile chimice ale monoxidului de carbon.
Monoxid de carbon - aceasta este anhidrida carbonica H2CO3.
Dacă monoxidul de carbon este trecut prin hidroxid de calciu (apă de var), se observă un precipitat alb:
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 Oh,
Dacă dioxidul de carbon este luat în exces, se observă formarea de bicarbonați, care se dizolvă în apă:
CaCO3 + H2O + CO2 = Ca (HCO3)2,
Care apoi se dezintegrează când sunt încălzite:
2KNCO3 = K2CO3 + H2O + CO2
Utilizarea monoxidului de carbon.
Ei folosesc dioxid de carbon în diverse industrii. În industria chimică, este folosit ca agent frigorific.
În industria alimentară, este folosit ca conservant E290. Deși i s-a atribuit „condițional sigur”, de fapt nu este. Medicii au dovedit că consumul frecvent de E290 duce la acumularea unui compus otrăvitor toxic. Prin urmare, trebuie să citiți cu atenție etichetele de pe produse.
Oxizi de carbon (II) și (IV)
Lecție integrată de chimie și biologie
Sarcini: studierea și sistematizarea cunoștințelor despre oxizii de carbon (II) și (IV); să dezvăluie relația dintre natura vie și cea neînsuflețită; să consolideze cunoștințele despre efectul oxizilor de carbon asupra organismului uman; pentru a consolida abilitățile abilității de a lucra cu echipamente de laborator.
Echipament: Soluție de HCl, turnesol, Ca (OH) 2, CaCO 3, tijă de sticlă, mese de casă, tablă portabilă, model ball-and-stick.
ÎN CURILE CLASURILOR
Profesor de biologie comunică tema și obiectivele lecției.
Profesor de chimie. Pe baza teoriei legăturilor covalente, scrieți formulele electronice și structurale ale oxizilor de carbon (II) și (IV).
Formula chimică a monoxidului de carbon (II) este CO, atomul de carbon este în stare normală.
Datorită împerecherii electronilor nepereche, se formează două legături polare covalente, iar a treia legătură covalentă este formată prin mecanismul donor-acceptor. Donatorul este un atom de oxigen, deoarece oferă o pereche liberă de electroni; acceptorul este un atom de carbon, deoarece oferă un orbital liber.
În industrie, monoxidul de carbon (II) se obține prin trecerea CO 2 peste un cărbune încins la temperatură ridicată. De asemenea, se formează în timpul arderii cărbunelui cu lipsă de oxigen. ( Elevul care scrie ecuația reacției pe tablă)
În laborator, CO se obţine prin acţiunea H 2 SO 4 concentrat asupra acidului formic. ( Profesorul notează ecuația reacției.)
Profesor de biologie. Deci, v-ați familiarizat cu producția de monoxid de carbon (II). Și care sunt proprietățile fizice ale monoxidului de carbon (II)?
Student. Este un gaz incolor, otrăvitor, inodor, mai ușor decât aerul, slab solubil în apă, punct de fierbere –191,5 °C, se solidifică la –205 °C.
Profesor de chimie. Monoxidul de carbon în cantități periculoase pentru viața umană este conținut în gazele de eșapament ale mașinilor. Prin urmare, garajele ar trebui să fie bine ventilate, mai ales la pornirea motorului.
Profesor de biologie. Care este efectul monoxidului de carbon asupra corpului uman?
Student. Monoxidul de carbon este extrem de toxic pentru oameni - acest lucru se datorează faptului că formează carboxihemoglobină. Carboxihemoglobina este un compus foarte puternic. Ca urmare a formării sale, hemoglobina din sânge nu interacționează cu oxigenul, iar în caz de otrăvire severă, o persoană poate muri din cauza inaniției de oxigen.
Profesor de biologie. Ce prim ajutor ar trebui acordat unei persoane în caz de otrăvire cu monoxid de carbon?
Elevi. Este necesar să chemați o ambulanță, victima trebuie scoasă în stradă, respirație artificială trebuie făcută, camera trebuie bine ventilată.
Profesor de chimie. Scrieți formula chimică a monoxidului de carbon (IV) și, folosind un model cu bile și băț, construiți-i structura.
Atomul de carbon este într-o stare excitată. Toate cele patru legături polare covalente sunt formate prin împerecherea electronilor neperechi. Cu toate acestea, datorită structurii sale liniare, molecula sa este în general nepolară.
În industrie, CO 2 se obține din descompunerea carbonatului de calciu în producția de var.
(Elevul notează ecuația reacției.)
În laborator, CO 2 se obține prin interacțiunea acizilor cu creta sau marmura.
(Elevii efectuează un experiment de laborator.)
Profesor de biologie. Ca urmare a ce procese se formează dioxid de carbon în organism?
Student. Dioxidul de carbon se formează în organism ca urmare a reacțiilor de oxidare a substanțelor organice care alcătuiesc celula.
(Elevii efectuează un experiment de laborator.)
Slamul de var a devenit tulbure deoarece se formează carbonat de calciu. Pe lângă procesul de respirație, CO2 este eliberat ca urmare a fermentației și a degradarii.
Profesor de biologie. Activitatea fizică afectează procesul de respirație?
Student. Cu o sarcină fizică (musculară) excesivă, mușchii folosesc oxigenul mai repede decât îl poate furniza sângele și apoi sintetizează ATP-ul necesar pentru activitatea lor prin fermentație. În muşchi se formează acid lactic C 3 H 6 O 3, care intră în sânge. Acumularea unor cantități mari de acid lactic este dăunătoare organismului. După efort fizic intens, respirăm greu de ceva timp - plătim „datoria de oxigen”.
Profesor de chimie. O cantitate mare de monoxid de carbon (IV) este eliberată în atmosferă atunci când sunt arse combustibili fosili. Acasă, folosim gaze naturale drept combustibil și este aproape 90% metan (CH 4). Îți sugerez unuia dintre voi să meargă la tablă, să scrie ecuația reacției și să o analizeze în termeni de oxidare-reducere.
Profesor de biologie. De ce cuptoarele pe gaz nu pot fi folosite pentru a încălzi o cameră?
Student. Metanul este o parte integrantă a gazelor naturale. Când arde, conținutul de dioxid de carbon din aer crește, iar oxigenul scade. ( Lucrul cu tabelul „Conținut CO2 in aer".)
Când aerul conține 0,3% CO 2, o persoană experimentează o respirație rapidă; la 10% - pierderea conștienței, la 20% - paralizie instantanee și moarte rapidă. Un copil are nevoie în special de aer curat, deoarece consumul de oxigen de către țesuturile unui organism în creștere este mai mare decât cel al unui adult. Prin urmare, este necesar să ventilați în mod regulat camera. Dacă există un exces de CO 2 în sânge, excitabilitatea centrului respirator crește și respirația devine mai frecventă și mai profundă.
Profesor de biologie. Luați în considerare rolul monoxidului de carbon (IV) în viața plantelor.
Student. La plante, formarea materiei organice are loc din CO 2 si H 2 O la lumina, pe langa materia organica se formeaza si oxigen.
Fotosinteza reglează conținutul de dioxid de carbon din atmosferă, ceea ce împiedică creșterea temperaturii planetei. Plantele absorb 300 de miliarde de tone de dioxid de carbon din atmosferă anual. În procesul de fotosinteză, 200 de miliarde de tone de oxigen sunt eliberate în atmosferă anual. Ozonul se formează din oxigen în timpul unei furtuni.
Profesor de chimie. Luați în considerare proprietățile chimice ale monoxidului de carbon (IV).
Profesor de biologie. Care este importanța acidului carbonic în corpul uman în timpul respirației? ( Fragment de bandă de film.)
Enzimele din sânge transformă dioxidul de carbon în acid carbonic, care se disociază în ioni de hidrogen și bicarbonat. Dacă sângele conține un exces de ioni H +, adică. dacă aciditatea sângelui crește, atunci unii dintre ionii de H + se combină cu ionii de bicarbonat, formând acid carbonic și eliberând astfel sângele de excesul de ioni de H +. Dacă în sânge sunt prea puțini ioni de H +, atunci acidul carbonic se disociază și crește concentrația de ioni de H + în sânge. La 37 ° C, pH-ul sângelui este de 7,36.
În organism, dioxidul de carbon este transportat de sânge sub formă de compuși chimici - bicarbonați de sodiu și potasiu.
Asigurarea materialului
Test
Dintre procesele de schimb de gaze propuse în plămâni și țesuturi, cei care efectuează prima variantă trebuie să aleagă cifrurile răspunsurilor corecte din stânga, iar a doua din dreapta.
(1) Transferul de O 2 din plămâni în sânge. (13)
(2) Transferul de O 2 din sânge în țesut. (paisprezece)
(3) Transferul de CO 2 din țesuturi în sânge. (15)
(4) Transferul de CO 2 din sânge în plămâni. (16)
(5) Absorbția O 2 de către eritrocite. (17)
(6) Eliberarea de O 2 din eritrocite. (optsprezece)
(7) Conversia sângelui arterial în sânge venos. (19)
(8) Conversia sângelui venos în arterial. (douăzeci)
(9) Ruperea legăturii chimice a O 2 cu hemoglobina. (21)
(10) Legarea chimică a O2 de hemoglobină. (22)
(11) Capilare în țesuturi. (23)
(12) Capilare pulmonare. (24)
Întrebări cu prima opțiune
1. Procese de schimb de gaze în țesuturi.
2. Procese fizice în timpul schimbului de gaze.
Întrebări de a doua opțiune
1.
Procesele de schimb de gaze în plămâni.
2. Procese chimice în timpul schimbului de gaze
Sarcină
Determinați volumul de monoxid de carbon (IV) care se eliberează în timpul descompunerii a 50 g de carbonat de calciu.
