Пособие-репетитор по химии

Продолжение. Cм. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11, 21/2007;
2, 7, 11, 18, 19, 21/2008;
1, 3, 10, 11, 16, 21/2009;

ЗАНЯТИЕ 33

 

10-й класс (первый год обучения)

Углерод и его соединения

П л а н

1. Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.

2. Краткая история открытия и происхождение названия.

3. Физические свойства. Аллотропные модификации углерода.

4. Химические свойства.

5. Нахождение в природе.

6. Основные методы получения.

7. Важнейшие соединения углерода (угарный газ, углекислый газ, угольная кислота и ее соли).

Углерод находится в главной подгруппе IV группы периодической системы химических элементов. Электронная формула атома углерода имеет вид 1s²2s²p², это р-элемент, проявляющий неметаллические свойства. В невозбужденном состоянии углерод проявляет валентность II, при переходе в возбужденное состояние – IV. Характерные степени окисления в соединениях –4, +2, +4, например: .

С: 1s²2s²2p² (валентность II),

С*: 1s²2s¹2p³ (валентность IV).

Характерной особенностью углерода является его способность к образованию углерод-углеродных цепей, что обуславливает существование органических молекул. Для органических соединений понятие степени окисления является очень условным, например:

Русское название углерода означает “рождающий уголь”. Латинское название carboneum также означает “уголь”.

Ф и з и ч е с к и е  с в о й с т в а

Химический элемент углерод в виде простого вещества образует несколько аллотропных модификаций.

Алмаз – аллотропная модификация углерода, существующая в природе и полученная искусственным путем. По внешнему виду это прозрачные кристаллы высокой твердости. После обработки природных алмазов получают драгоценный камень – бриллиант. Кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение, расстояние между всеми атомами углерода одинаковое, что обусловлено их sp³-гибридизацией. В кристаллической решетке алмаза отсутствуют свободные электроны, поэтому алмаз не проводит электрического тока. Химическая активность алмаза ниже активности другой аллотропной модификации углерода – графита.

Графит – мягкое темно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. Графит легко измельчается (порошок графита называется сажей). Кристаллическая решетка графита имеет слоистое строение и состоит из слоев правильных шестиугольников, конденсированных по всем сторонам. Атомы углерода в графите находятся в состоянии sp²-гибридизации. В образовании химических связей участвуют три электрона атома углерода, а четвертый электрон остается относительно свободным, что обеспечивает высокую электропроводность графита.

Карбин – аллотропная модификация углерода, очень редко встречающаяся в природе. Это полимер, состоящий из линейных макромолекул, атомы углерода находятся в состоянии sp-гибридизации. Карбин – прозрачное и бесцветное вещество, полупроводник. В химическом отношении менее активен, чем графит. Широкого применения не имеет.

Фуллерен – порошок темного цвета (после очистки перекристаллизацией – желтые кристаллы), полупроводник. В природе эта аллотропная модификация углерода не встречается, получена искусственным путем, в настоящее время изучаются свойства фуллерена. Состоит из молекул состава С₆₀ или С₇₀, атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации. Объемная молекула фуллерена имеет полициклическое строение, по внешнему виду напоминает футбольный мяч.

Х и м и ч е с к и е  с в о й с т в а

В химическом отношении углерод при обычных условиях малоактивен, но при нагревании реагирует со многими простыми и сложными веществами. В реакциях углерод может быть как восстановителем, так и окислителем.

Н₂ (+/–)*:

C + 2H₂   CH₄.

О₂ (+):

C + O₂   CO₂,

2C + O₂   2CO.

Металлы (+/–):

4Al + 3C   Al₄C₃,

2C + Ca   CaC₂,

Ag, Au, Pt + реакция не идет.

Неметаллы (+/–):

С + 2S CS₂,

C + 2F₂  CF₄.

Н₂О (+):

С + Н₂О (г. ) CO + H₂.

Основные оксиды (+):

2PbO + C  2Pb + CO₂,

CaO + C  Ca + CO,

или

CaO + 3C (кокс)  CaC₂ + CO.

Кислотные оксиды (–).

Основания (–).

Кислоты-неокислители (–).

Кислоты-окислители (+):

С + 2H₂SO₄ (конц.) = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O,

С + 4HNO₃ (конц.) = CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O,

3С + 4HNO₃ (разб.) = 3CO₂ + 4NO + 2H₂O.

Соли (+):

В природе углерод встречается как в виде простого вещества (см. аллотропные модификации), так и в виде соединений, важнейшими из которых являются: мел, мрамор, известняк (CaCO₃), доломит (CaCO₃•MgCO₃) и др. В атмосфере углерод содержится в виде угарного и углекислого газов. Соединения углерода – основные компоненты природного топлива. Кроме того, все органические соединения являются соединениями углерода.

В а ж н е й ш и е  с о е д и н е н и я у г л е р о д а

Оксид углерода(II), или угарный газ (СО). Газ без цвета, вкуса и запаха, легче воздуха, плохо растворим в воде, токсичен. Термически устойчив. Атомы в молекуле угарного газа связаны двумя видами ковалентной связи: ковалентной полярной и донорно-акцепторной (кислород является донором, углерод – акцептором):

По химическим свойствам угарный газ является несолеобразующим оксидом, химически достаточно пассивен. При повышенной температуре оксид углерода(II) взаимодействует с кислородом и оксидами металлов, являясь сильным восстановителем, например:

2CO + O₂  2CO₂,

CO + MgO  Mg + CO₂.

При пропускании смеси угарного газа и хлора через слой активированного угля можно получить ядовитый газ фосген (химическое оружие, вызывает паралич дыхательных путей):

CO + Cl₂ COCl₂.

При нагревании монооксида углерода с водородом в присутствии катализатора при повышенном давлении образуется метиловый спирт:

CO + 2H₂   CH₃OH.

При пропускании угарного газа через расплав щелочи при высоком давлении образуется соль муравьиной кислоты, поэтому формально монооксид углерода можно рассматривать как ангидрид муравьиной кислоты:

CO + KOH (расплав)   HCOOK.

Лабораторный метод получения угарного газа – разложение муравьиной кислоты при нагревании в присутствии дегидратирующего агента:

HCOOH   CO + H₂O.

Кроме того, угарный газ можно получить неполным сжиганием кокса или восстановлением углекислого газа раскаленным коксом (t > 1000 °С):

2C + O₂  2CO,

CO₂ + С  2CO.

Оксид углерода(IV), или углекислый газ (СО₂). Газ без цвета, вкуса и запаха, тяжелее воздуха, растворим в воде (88 объемов углекислого газа в 100 объемах воды), не поддерживает горения и дыхания (правда, в атмосфере углекислого газа могут гореть некоторые активные металлы, отнимая кислород, например магний):

CO₂ + 2Mg  2MgO + C.

В молекуле CO₂ атом углерода образует две -связи c атомами кислорода. В образовании -связей принимают участие две гибридные sp-орбитали. Поэтому молекула углекислого газа имеет линейное строение, неполярна:

В химическом отношении диоксид углерода проявляет все свойства кислотного оксида:

CO₂ + H₂O H₂CO₃,

CO₂ + CaO CaCO₃,

CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O

или

CO₂ + NaOH = NaHCO₃.

Качественная реакция на углекислый газ – пропускание его через известковую или баритовую воду:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O, 

аналогично протекает реакция с Ba(OH)₂.

Углекислый газ можно получить разложением известняка:

CaCO₃  CaO + CO₂,

действием на карбонаты металлов растворами сильных минеральных кислот:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂,

при полном сжигании кокса:

C + O₂  CO₂.

Угольная кислота (H₂CO₃) и ее соли. Угольная кислота – слабая двухосновная кислота, в свободном виде не получена, существует только в растворе. Молекула имеет полярное строение, атомы углерода в sp²-гибридизации. Термически неустойчива, проявляет все свойства, характерные для слабых кислот (даже органические кислоты вытесняют угольную из ее солей):

H₂CO₃ H₂O + CO₂,

H₂CO₃ + Zn = ZnCO₃ + H₂,

H₂CO₃ + CaO = CaCO₃ + H₂O.

Угольная кислота, как двухосновная, образует два типа солей: карбонаты и гидрокарбонаты:

Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, разлагаются при нагревании, например:

MgCO₃  MgO + CO₂,

но Na₂CO₃ .

Качественной реакцией на карбонаты и гидрокарбонаты является их взаимодействие с растворами сильных минеральных кислот, например:

Na₂CO₃ + 2HCl = NaCl + H₂O + CO₂,

NaHCO₃ + HCl = NaCl + H₂O + CO₂.

Тест по теме “Углерод и его соединения”

1. Углерод восстанавливает концентрированную азотную кислоту до соединения:

а) азот;

б) оксид азота(II);

в) оксид азота(IV);

г) аммиак.

2. При насыщении известковой воды углекислым газом вначале выпадает осадок массой 20 г, который затем полностью растворяется. Минимальный объем (в л) газа при н.у., который необходим для этого, равен:

а) 4,48; б) 22,4; в) 11,2; г) 8,96.

3. Углерод может необратимо взаимодействовать с:

а) кальцием; б) оксидом кальция;

в) водородом; г) серой.

4. Сколько электронов участвует в образовании химических связей в молекуле углекислого газа?

а) 8; б) 6; в) 4; г) 2.

5. Какие газы тяжелее воздуха?

а) Угарный газ; б) углекислый газ;

в) фосген; г) метан.

6. Сумма коэффициентов в уравнении реакции взаимодействия углерода с концентрированной серной кислотой равна:

а) 6; б) 8; в) 5; г) реакция невозможна.

7. Какие кислоты способны вытеснить угольную кислоту из раствора ее соли?

а) Соляная; б) уксусная;

в) дихромовая; г) кремниевая.

8. Образец газа массой 112 г при н.у. занимает объем 89,6 л. Определите газ.

а) Кислород; б) азот;

в) углекислый газ; г) угарный газ.

9. В молекуле угольной кислоты число -связей равно:

а) 1; б) 3; в) 5; г) 6.

10. В результате реакции

MgCO₃ = MgO + CO₂ – 102 кДж

поглотилось 5,1 кДж теплоты. Объем (в л) выделившегося углекислого газа (н.у.) равен:

а) 11,2; б) 1,12; в) 2,24; г) 22,4.

Ключ к тесту

Задачи и упражнения на углерод и его соединения

Ц е п о ч к и  п р е в р а щ е н и й

1. Углерод —> метан —> угарный газ —> углекислый газ —> карбонат кальция —> гидрокарбонат кальция —> углекислый газ —> угарный газ.

2. Оксид кальция —> карбид кальция —> гидроксид кальция —> гидрокарбонат кальция —> карбонат кальция —> оксид кальция.

3. Угольная кислота —> углекислый газ —> угарный газ (+ оксид железа(II)) —> А (+ вода, + карбонат бария) —> В —> углекислый газ.

1. Рассчитайте среднюю молярную массу и плотность по диоксиду углерода смеси газов, содержащей по объему 38 % фосгена и 62 % углекислого газа (н.у.).

Ответ. M(смеси) = 64,9 г/моль; D_CO2 = 1,475.

2. После прокаливания смеси карбонатов магния и кальция масса выделившегося газа оказалась в 1,1 раза меньше массы твердого остатка. Определите массовые доли веществ в исходной смеси.

Ответ. (MgCO₃) = 43,3 %;
(CaCO₃) = 56,7 %.

3. Через известковую воду пропустили 1,344 л (н.у.) смеси оксидов углерода. Выпавший осадок отфильтровали и прокалили. Масса полученного вещества составила 1,4 г. Определите массу исходной газовой смеси и ее относительную плотность по воздуху.

Решение

При пропускании смеси СО и СО₂ через раствор Са(ОН)₂

СО не реагирует с Са(ОН)₂:

СО₂ образует осадок СаСО₃:

При прокаливании СаСО₃ образуется СаО:

Количество вещества в смеси СО и СО₂:

(смеси) = V/V_M = 1,344 / 22,4 = 0,06 моль;

(СaO) = m(CaO) / M(CaO) = 1,4 / 56 = 0,025 моль.

Из уравнений (2) и (3) следует:

(СaO) = (СaCO₃) = (СO₂).

Количество взятого СO₂ (реакция 2) составляет:

(СO₂) = 0,025 моль, тогда

(СO) = 0,06 – 0,025 = 0,035 моль.

m(CO₂) = M(CO₂) • (СO₂) = 44?0,025 = 1,1 г,

m(CO) = M(CO) • (СO) = 28?0,035 = 0,98 г,

m(смеси СО и CO₂) = 1,1 + 0,98 = 2,08 г.

Определим M_ср смеси СО и CO₂:

M_ср = m(смеси) / • (смеси) = 2,08 / 0,06 = 34,7 г/моль.

Откуда

D_возд = M_ср / M_возд = 34,7 / 29 = 1,195.

Ответ. m(смеси) = 2,08 г; D_возд = 1,195.

4. Углекислый газ, полученный при полном сгорании 4,48 л метана (н.у.), полностью поглотили 200 г 7%-го раствора гидроксида натрия. Определите состав полученного раствора.

Ответ. NaHCO₃ – 2 %; Na₂CO₃ – 7,6 %.

5. 400 г смеси карбоната и гидрокарбоната натрия прокалили при 300 °С до постоянной массы, равной 276 г. Определите массовые доли веществ в исходной смеси.

Ответ. Na₂CO₃ – 16 %; NaHCO₃ – 84 %.

6. Вычислите объем углекислого газа, который добавили к 5,6 л угарного газа, если известно, что число электронов в полученной смеси стало в 14,5 раз больше числа Авогадро. Объемы газов измерены при н.у.

Ответ. V(CO₂) = 11,2 л.

7. При разложении смеси карбонатов магния и кальция массой 14,2 г выделилось 3,36 л (н.у.) углекислого газа. Определите массовые доли карбонатов в исходной смеси.

Ответ. MgCO₃ – 29,6 %; CaCO₃ – 70,4 %.

 

1. Растворение образца карбоната кальция в соляной кислоте при 18 °С заканчивается через 90 с, а при 38 °С такой же образец соли растворяется за 10 с. За какое время данный образец карбоната кальция растворится при 48 °С?

Ответ. Зa 3,3 с.

2. Углекислый газ, образовавшийся при сжигании 15 г угля, содержащего 20 % негорючих примесей, пропущен через 480 г 10%-го раствора гидроксида натрия. Рассчитайте массовые доли образовавшихся в растворе солей.

Ответ. NaHCO₃ – 13,6 %; Na₂CO₃ – 4,3 %.

3. Для полного осаждения карбоната кальция к 100 г 10,6%-го раствора карбоната натрия добавили 22,2%-й раствор хлорида кальция. Какую массу воды необходимо удалить из фильтрата, чтобы получить 20%-й раствор хлорида натрия?

Р е ш е н и е

Уравнение протекающей реакции:

Na₂CO₃ + CaCl₂ = CaCO₃ + 2NaCl.

Определим количество вещества исходного Na₂CO₃:

(Na₂CO₃) = m(р-ра Na₂CO₃)•(Na₂CO₃) / M(Na₂CO₃) = 100•0,106/106 = 0,1 моль.

Из уравнения реакции:

(CaCl₂) = (Na₂CO₃) = 0,1 моль,

(CaCO₃) = 0,1 моль, (NaCl) = 0,2 моль.

m(СaCl₂) = (CaCl₂)•M(CaCl₂) = 0,1•111 = 11,1 г.

Найдем массу добавленного раствора CaCl₂:

m(р-ра CaCl₂) = m(CaCl₂) / (CaCl₂) = 11,1 / 0,222 = 50 г.

m(NaCl) = (NaCl)•M(NaCl) = 0,2•58,5 = 11,7 г.

По условию задачи в полученном растворе:

(NaCl) = 0,2 = m(NaCl) / m(р-ра),

следовательно,

m(р-ра) = 11,7 / 0,2 = 58,5 г.

m(р-ра) = m(р-ра Na₂CO₃) + m(р-ра CaCl₂) – m(CaCO₃) – m(H₂O);

m(CaCO₃) = (CaCO₃)•M(CaCO₃) = 0,1•100 = 10 г.

Определяем массу удаленной воды:

58,5 = 100 + 50 – 10 – m(H₂O),

m(H₂O) = 81,5 г.

Ответ. 81,5 г воды.

4. Найдите массу раствора с массовой долей карбоната натрия 5 % и массу декагидрата карбоната натрия, которые потребуются для приготовления 200 г 10%-го раствора карбоната натрия.

Ответ. 5%-й раствор Na₂CO₃ – 168,75 г; Na₂CO₃•10H₂O – 31,25 г.

5. Плотности по воздуху паров хлорида и бромида одного и того же элемента равны соответственно 5,31 и 11,45. Какой элемент входит в указанные галогениды?

Ответ. Углерод.

6. При длительном прокаливании некоторой массы гидрокарбоната двухвалентного металла выделилось 17,92 л газа (н.у.), а масса оставшегося вещества составила 31,8 г. Определите состав и массу исходного гидрокарбоната.

Ответ. Cu(HCO₃)₂ – 74,4 г.

К а ч е с т в е н н ы е  з а д а ч и

1. С какими из перечисленных ниже соединений будет реагировать углекислый газ: негашеная известь, гашеная известь, каустическая сода, кристаллическая сода, магний, серная кислота, серный ангидрид. Подтвердите свой ответ уравнениями реакций.

Ответ. Уравнения реакций:

CaO + CO₂  СaCO₃;

Na₂CO₃•10H₂O + СО₂ —> NaHCO₃;

Mg + CO₂  MgO + CO;

H₂SO₄ + CO₂ ...;

SO₃ + CO₂ ....

2. Вещество А, входящее в состав одного из самых распространенных в земной коре минералов, разлагается при высокой температуре на два оксида, один из которых В всегда образуется в процессе жизнедеятельности. При взаимодействии вещества В с графитом при нагревании получается токсичный для теплокровных животных газ С, без цвета и запаха, горючий. Идентифицируйте вещества, составьте уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – СaCO₃, В – СО₂, C – CO.

Уравнения реакций:

СaCO₃ CaO + CO₂,

CO₂ + C 2CO.

3. При пропускании бесцветного газа А без запаха над простым веществом В при высокой температуре образуется только одно вещество С, которое восстанавливает оксид D черного цвета до красного металла Е. Идентифицируйте вещества, составьте уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – CO₂, В – С,

C – CO, D – CuO, E – Cu.

Уравнения реакций:

CO₂ + C 2CO,

CuO + CO Сu + CO₂.

4. При нагревании соли А, используемой в пищевой отрасли промышленности, образуется соль В и бесцветный газ без запаха С. При действии на соль В соляной кислоты выделяется газ С. Идентифицируйте вещества, составьте уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – NaHCO₃,

В – Na₂CO₃, С – CO₂.

Уравнения реакций:

2NaHCO₃ Na₂CO₃ + H₂O + CO₂,

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaСl + H₂O + CO₂.

 

---

* Знак +/– означает, что данная реакция протекает не со всеми реагентами или в специфических условиях.

Продолжение следует