Соединений углерода . Оксид углерода (II) - угарный газ - соединение без запаха и цвета, горит голубоватым пламенем, легче воздуха и плохо растворим в воде.
СО
- несолеобразующий оксид, но при пропускании в расплав щелочи при высоком давлении образует соль муравьиной кислоты:
СО + KOH = HCOOK,
Поэтому СО часто считают ангидридом муравьиной кислоты:
HCOOH = CO + H 2 O,
Реакция протекает при действии концентрированной серной кислоты .
Строение окида углерода (II) .
Степень окисления +2. Связь выглядит следующим образом:
Стрелкой показана дополнительная связь, которая образуется по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов атома кислорода . Из-за этого связь в оксиде очень прочная, поэтому оксид способен вступать в реакции окисления-восстановления только при высоких температурах.
Получение окида углерода (II) .
1. Получают его в ходе реакции окисления простых веществ:
2 C + O 2 = 2 CO,
C + CO 2 = 2 CO,
2. При восстановлении СО самим углеродом или металлами. Реакция идет при нагревании:
Химические свойства окида углерода (II).
1. В нормальных условиях оксид углерода не взаимодействует с кислотами и с основаниями.
2. В кислороде воздуха оксид углерода горит голубовытым пламенем:
2СО + О 2 = 2СО 2,
3. При температуре оксид углерода восстанавливает металлы из оксидов:
FeO + CO = Fe + CO 2,
4. При взаимодействии оксида углерода с хлором образуется ядовитый газ - фосген . Реакция идет при облучении:
CO + Cl 2 = COCl 2,
5. Взаимодействует оксид углерода с водой:
C О + H 2 O = CO 2 + H 2,
Реакция обратима.
6. При нагревании оксид углерода образуется метиловый спирт:
CO + 2H 2 = CH 3 OH,
7. С металлами оксид углерода образует карбонилы (летучие соединения).
Моноокси́д углеро́да (уга́рный газ , о́кись углеро́да , оксид углерода(II) ) - бесцветный чрезвычайно токсичный газ без вкуса и запаха, легче воздуха (при нормальных условиях). Химическая формула - CO.
Строение молекулы
Благодаря наличию тройной связи молекула CO весьма прочна (энергия диссоциации 1069 кДж/моль , или 256 ккал/моль , что больше, чем у любых других двухатомных молекул) и имеет малое межъядерное расстояние (d C≡O =0,1128 нм или 1,13 Å ).
Молекула слабо поляризована, её электрический дипольный момент μ = 0,04⋅10 −29 Кл·м . Многочисленные исследования показали, что отрицательный заряд в молекуле CO сосредоточен на атоме углерода C − ←O + (направление дипольного момента в молекуле противоположно предполагавшемуся ранее). Энергия ионизации 14,0 эВ , силовая константа связи k = 18,6 .
Свойства
Оксид углерода(II) представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха. Горюч. Так называемый «запах угарного газа» на самом деле представляет собой запах органических примесей.
| Стандартная энергия Гиббса образования ΔG | −137,14 кДж/моль (г.) (при 298 К) |
| Стандартная энтропия образования S | 197,54 Дж/моль·K (г.) (при 298 К) |
| Стандартная мольная теплоёмкость C p | 29,11 Дж/моль·K (г.) (при 298 К) |
| Энтальпия плавления ΔH пл | 0,838 кДж/моль |
| Энтальпия кипения ΔH кип | 6,04 кДж/моль |
| Критическая температура t крит | −140,23 °C |
| Критическое давление P крит | 3,499 МПа |
| Критическая плотность ρ крит | 0,301 г/см³ |
Основными типами химических реакций, в которых участвует оксид углерода(II), являются реакции присоединения и окислительно-восстановительные реакции , в которых он проявляет восстановительные свойства.
При комнатных температурах CO малоактивен, его химическая активность значительно повышается при нагревании и в растворах. Так, в растворах он восстанавливает соли , , и других до металлов уже при комнатной температуре. При нагревании восстанавливает и другие металлы, например CO + CuO → Cu + CO 2 . Это широко используется в пирометаллургии . На реакции CO в растворе с хлоридом палладия основан способ качественного обнаружения CO, см. ниже.
Окисление СО в растворе часто идёт с заметной скоростью лишь в присутствии катализатора. При подборе последнего основную роль играет природа окислителя. Так, KMnO 4 быстрее всего окисляет СО в присутствии мелкораздробленного серебра , K 2 Cr 2 O 7 - в присутствии солей , KClO 3 - в присутствии OsO 4 . В общем, по своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный водород.
Ниже 830 °C более сильным восстановителем является CO, - выше - водород. Поэтому равновесие реакции
H 2 O + C O ⇄ C O 2 + H 2 {\displaystyle {\mathsf {H_{2}O+CO\rightleftarrows CO_{2}+H_{2}}}}до 830 °C смещено вправо, выше 830 °C влево.
Интересно, что существуют бактерии, способные за счёт окисления СО получать необходимую им для жизни энергию.
Оксид углерода(II) горит пламенем синего цвета (температура начала реакции 700 °C ) на воздухе:
2 C O + O 2 → 2 C O 2 {\displaystyle {\mathsf {2CO+O_{2}\rightarrow 2CO_{2}}}} (ΔG ° 298 = −257 кДж, ΔS ° 298 = −86 Дж/K).Температура горения CO может достигать 2100 °C . Реакция горения является цепной, причём инициаторами служат небольшие количества водородсодержащих соединений (вода, аммиак , сероводород и др.)
Благодаря такой хорошей теплотворной способности, CO является компонентом разных технических газовых смесей (см., например генераторный газ), используемых, в том числе, для отопления. В смеси с воздухом взрывоопасен; нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени: от 12,5 до 74 % (по объёму) .
галогенами . Наибольшее практическое применение получила реакция с хлором :
C O + C l 2 → C O C l 2 . {\displaystyle {\mathsf {CO+Cl_{2}\rightarrow COCl_{2}}}.}Реакцией CO с F 2 , кроме карбонилфторида COF 2 , можно получить перекисное соединение (FCO) 2 O 2 . Его характеристики: температура плавления −42 °C , кипения +16 °C , обладает характерным запахом (похожим на запах озона), при нагревании выше 200 °C разлагается со взрывом (продукты реакции CO 2 , O 2 и COF 2), в кислой среде реагирует с иодидом калия по уравнению:
(F C O) 2 O 2 + 2 K I → 2 K F + I 2 + 2 C O 2 . {\displaystyle {\mathsf {(FCO)_{2}O_{2}+2KI\rightarrow 2KF+I_{2}+2CO_{2}.}}}Оксид углерода(II) реагирует с халькогенами . С серой образует сероксид углерода COS, реакция идёт при нагревании, по уравнению:
C O + S → C O S {\displaystyle {\mathsf {CO+S\rightarrow COS}}} (ΔG ° 298 = −229 кДж, ΔS ° 298 = −134 Дж/K).Получены также аналогичные селеноксид углерода COSe и теллуроксид углерода COTe.
Восстанавливает SO 2:
2 C O + S O 2 → 2 C O 2 + S . {\displaystyle {\mathsf {2CO+SO_{2}\rightarrow 2CO_{2}+S.}}}C переходными металлами образует горючие и ядовитые соединения - карбонилы , такие как , , , , и др. Некоторые из них летучие.
n C O + M e → [ M e (C O) n ] {\displaystyle {\mathsf {nCO+Me\rightarrow }}}Оксид углерода(II) незначительно растворяется в воде, однако не реагирует с ней. Также он не вступает в реакции с растворами щелочей и кислот . Однако реагирует с расплавами щелочей с образованием соответствующих формиатов :
C O + K O H → H C O O K . {\displaystyle {\mathsf {CO+KOH\rightarrow HCOOK.}}}Интересна реакция оксида углерода(II) с металлическим калием в аммиачном растворе. При этом образуется взрывчатое соединение диоксодикарбонат калия :
2 K + 2 C O → K 2 C 2 O 2 . {\displaystyle {\mathsf {2K+2CO\rightarrow K_{2}C_{2}O_{2}.}}} x C O + y H 2 → {\displaystyle {\mathsf {xCO+yH_{2}\rightarrow }}} спирты + линейные алканы.Этот процесс является источником производства таких важнейших промышленных продуктов как метанол , синтетическое дизельное топливо, многоатомные спирты, масла и смазки.
Физиологическое действие
Токсичность
Угарный газ очень токсичен.
Токсическое действие оксида углерода(II) обусловлено образованием карбоксигемоглобина - значительно более прочного карбонильного комплекса с гемоглобином , по сравнению с комплексом гемоглобина с кислородом (оксигемоглобином) . Таким образом, блокируются процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания . Концентрация в воздухе более 0,1 % приводит к смерти в течение одного часа .
- Пострадавшего следует вынести на свежий воздух. При отравлении лёгкой степени достаточно гипервентиляции лёгких кислородом.
- Искусственная вентиляция лёгких.
- Лобелин или кофеин под кожу.
- Карбоксилаза внутривенно.
Мировой медицине неизвестны надежные антидоты для применения в случае отравления угарным газом .
Защита от оксида углерода(II)
Эндогенный монооксид углерода
Эндогенный монооксид углерода вырабатывается в норме клетками организма человека и животных и выполняет функцию сигнальной молекулы. Он играет известную физиологическую роль в организме, в частности, является нейротрансмиттером и вызывает вазодилатацию . Ввиду роли эндогенного угарного газа в организме, нарушения его метаболизма связывают с различными заболеваниями, такими, как нейродегенеративные заболевания, атеросклероз кровеносных сосудов , гипертоническая болезнь , сердечная недостаточность , различные воспалительные процессы .
Эндогенный угарный газ образуется в организме благодаря окисляющему действию фермента гемоксигеназы на гем , являющийся продуктом разрушения гемоглобина и миоглобина , а также других гемосодержащих белков. Этот процесс вызывает образование в крови человека небольшого количества карбоксигемоглобина, даже если человек не курит и дышит не атмосферным воздухом (всегда содержащим небольшие количества экзогенного угарного газа), а чистым кислородом или смесью азота с кислородом.
Вслед за появившимися в 1993 году первыми данными о том, что эндогенный угарный газ является нормальным нейротрансмиттером в организме человека , а также одним из трёх эндогенных газов, которые в норме модулируют течение воспалительных реакций в организме (два других - оксид азота (II) и сероводород), эндогенный угарный газ привлёк значительное внимание клиницистов и исследователей как важный биологический регулятор. Было показано, что во многих тканях все три вышеупомянутых газа являются противовоспалительными веществами, вазодилататорами , а также вызывают ангиогенез . Однако не всё так просто и однозначно. Ангиогенез - не всегда полезный эффект, поскольку он, в частности, играет роль в росте злокачественных опухолей, а также является одной из причин повреждения сетчатки при макулярной дегенерации. В частности, важно отметить, что курение (основной источник угарного газа в крови, дающий в несколько раз большую концентрацию его, чем естественная продукция) повышает риск макулярной дегенерации сетчатки в 4-6 раз.
Существует теория о том, что в некоторых синапсах нервных клеток, где происходит долговременное запоминание информации, принимающая клетка в ответ на принятый сигнал вырабатывает эндогенный угарный газ, который передаёт сигнал обратно передающей клетке, чем сообщает ей о своей готовности и в дальнейшем принимать сигналы от неё и повышая активность клетки-передатчика сигнала. Некоторые из этих нервных клеток содержат гуанилатциклазу, фермент, который активируется при воздействии эндогенного угарного газа.
Исследования, посвящённые роли эндогенного угарного газа как противовоспалительного вещества и цитопротектора, проводились во множестве лабораторий по всему миру. Эти свойства эндогенного угарного газа делают воздействие на его метаболизм интересной терапевтической мишенью для лечения таких разных патологических состояний, как повреждение тканей, вызванное ишемией и последующей реперфузией (а это, например, инфаркт миокарда , ишемический инсульт), отторжение трансплантата, атеросклероз сосудов, тяжёлый сепсис , тяжёлая малярия , аутоиммунные заболевания. Проводились в том числе и клинические испытания на человеке, однако результаты их пока ещё не опубликованы .
Суммируя, то, что известно на 2015 год о роли эндогенного угарного газа в организме, можно изложить следующим образом :
- Эндогенный угарный газ - одна из важных эндогенных сигнальных молекул;
- Эндогенный угарный газ модулирует функции ЦНС и сердечно-сосудистой системы ;
- Эндогенный угарный газ ингибирует агрегацию тромбоцитов и их адгезию к стенкам сосудов;
- Влияние на обмен эндогенного угарного газа в будущем может быть одной из важных терапевтических стратегий при ряде заболеваний.
История открытия
Токсичность дыма, выделяющегося при горении угля, была описана ещё Аристотелем и Галеном .
Оксид углерода(II) был впервые получен французским химиком Жаком де Лассоном в при нагревании оксида цинка с углём, но первоначально его ошибочно приняли за водород, так как он сгорал синим пламенем.
То, что в состав этого газа входит углерод и кислород, выяснил в английский химик Вильям Крюйкшенк . Токсичность газа была исследована в 1846 году французским медиком Клодом Бернаром в опытах на собаках .
Оксид углерода(II) вне атмосферы Земли впервые был обнаружен бельгийским учёным М. Мижотом (M. Migeotte) в 1949 году по наличию основной колебательно-вращательной полосы в ИК-спектре Солнца. Оксид углерода(II) в межзвёздной среде был обнаружен в 1970 г.
Получение
Промышленный способ
- Образуется при горении углерода или соединений на его основе (например, бензина) в условиях недостатка кислорода :
- или при восстановлении диоксида углерода раскалённым углём:
Эта реакция происходит при печной топке, когда слишком рано закрывают печную заслонку (пока окончательно не прогорели угли). Образующийся при этом оксид углерода(II) вследствие своей ядовитости вызывает физиологические расстройства («угар») и даже смерть (см. ниже), отсюда и одно из тривиальных названий - «угарный газ» .
Реакция восстановления диоксида углерода обратимая, влияние температуры на состояние равновесия этой реакции приведено на графике. Протекание реакции вправо обеспечивает энтропийный фактор, а влево - энтальпийный. При температуре ниже 400 °C равновесие практически полностью сдвинуто влево, а при температуре выше 1000 °C вправо (в сторону образования CO). При низких температурах скорость этой реакции очень мала, поэтому оксид углерода(II) при нормальных условиях вполне устойчив. Это равновесие носит специальное название равновесие Будуара .
- Смеси оксида углерода(II) с другими веществами получают при пропускании воздуха, водяного пара и т. п. сквозь слой раскалённого кокса, каменного или бурого угля и т. п. (см. генераторный газ , водяной газ , смешанный газ , синтез-газ).
Лабораторный способ
- Разложение жидкой муравьиной кислоты под действием горячей концентрированной серной кислоты либо пропускание газообразной муравьиной кислоты над оксидом фосфора P 2 O 5 . Схема реакции:
- Нагревание смеси щавелевой и концентрированной серной кислот . Реакция идёт по уравнению:
- Нагревание смеси гексацианоферрата(II) калия с концентрированной серной кислотой. Реакция идёт по уравнению:
- Восстановлением из карбоната цинка магнием при нагревании:
Определение оксида углерода(II)
Качественно можно определить наличие CO по потемнению растворов хлорида палладия (или пропитанной этим раствором бумаги). Потеменение связано с выделением мелкодисперсного металлического палладия по схеме:
P d C l 2 + C O + H 2 O → P d ↓ + C O 2 + 2 H C l . {\displaystyle {\mathsf {PdCl_{2}+CO+H_{2}O\rightarrow Pd\downarrow +CO_{2}+2HCl.}}}Эта реакция очень чувствительная. Стандартный раствор: 1 грамм хлорида палладия на литр воды.
Количественное определение оксида углерода(II) основано на иодометрической реакции:
5 C O + I 2 O 5 → 5 C O 2 + I 2 . {\displaystyle {\mathsf {5CO+I_{2}O_{5}\rightarrow 5CO_{2}+I_{2}.}}}Применение
- Оксид углерода(II) является промежуточным реагентом, используемым в реакциях с водородом в важнейших промышленных процессах для получения органических спиртов и неразветвлённых углеводородов.
- Оксид углерода(II) применяется для обработки мяса животных и рыбы, придаёт им ярко-красный цвет и вид свежести, не изменяя вкуса (технологии Clear smoke и Tasteless smoke ). Допустимая концентрация CO равна 200 мг/кг мяса.
- Оксид углерода(II) является основным компонентом генераторного газа , использовавшегося в качестве топлива в газогенераторных автомобилях .
- Угарный газ от выхлопа двигателей применялся нацистами в годы Второй мировой войны для массового умерщвления людей путём отравления.
Оксид углерода(II) в атмосфере Земли
Различают природные и антропогенные источники поступления в атмосферу Земли . В естественных условиях, на поверхности Земли, CO образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений и при сгорании биомассы, в основном в ходе лесных и степных пожаров. Оксид углерода(II) образуется в почве как биологическим путём (выделение живыми организмами), так и небиологическим. Экспериментально доказано выделение оксида углерода(II) за счёт обычных в почвах фенольных соединений, содержащих группы OCH 3 или OH в орто- или пара-положениях по отношению к первой гидроксильной группе.
Общий баланс продуцирования небиологического CO и его окисления микроорганизмами зависит от конкретных экологических условий, в первую очередь от влажности и значения . Например, из аридных почв оксид углерода(II) выделяется непосредственно в атмосферу, создавая таким образом локальные максимумы концентрации этого газа.
В атмосфере СО является продуктом цепочек реакций с участием метана и других углеводородов (в первую очередь, изопрена).
Основным антропогенным источником CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания . Оксид углерода образуется при сгорании углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха (подается недостаточное количество кислорода для окисления CO в CO 2). В прошлом значительную долю антропогенного поступления CO в атмосферу обеспечивал светильный газ , использовавшийся для освещения помещений в XIX веке . По составу он примерно соответствовал водяному газу , то есть содержал до 45 % оксида углерода(II). В коммунальной сфере не применяется в виду наличия значительно более дешёвого и энергоэффективного аналога -
Оксиды углерода
Последние годы в педагогической науке отдается предпочтение личностно ориентированному обучению. Формирование индивидуальных качеств личности происходит в процессе деятельности: учебы, игры, труда. Поэтому важным фактором обучения является организация процесса обучения, характер взаимоотношений учителя с учащимися и учащихся между собой. Исходя из этих представлений, я пытаюсь особым образом построить учебно-воспитательный процесс. При этом каждый ученик выбирает свой темп изучения материала, имеет возможность работать на доступном ему уровне, в ситуации успеха. На уроке удается осваивать и совершенствовать не только предметные, но и такие общеучебные умения и навыки, как постановка учебной цели, выбор средств и путей ее достижения, осуществление контроля за своими достижениями, коррекция ошибок. Учащиеся учатся работать с литературой, составлять конспекты, схемы, рисунки, работать в группе, в паре, индивидуально, вести конструктивный обмен мнениями, логически рассуждать и делать выводы.
Проводить такие уроки непросто, но при удаче чувствуешь удовлетворение. Предлагаю сценарий одного из своих уроков. На нем присутствовали коллеги, администрация и психолог.
Тип урока. Изучение нового материала.
Цели. На основе мотивации и актуализации опорных знаний и навыков учащихся рассмотреть строение, физические и химические свойства, получение и применение угарного и углекислого газов.
Статья подготовлена при поддержке сайта www.Artifex.Ru. Если вы решили расширить свои знания в области современного искусства, то оптимальным решением станет посетить сайт www.Artifex.Ru. Творческий альманах ARTIFEX позволит вам, не выходя из дома, ознакомиться с работами современного искусства. Более подробную информацию вы сможете найти на сайте www.Artifex.Ru. Никогда не поздно начинать расширять свой кругозор и чувство прекрасного.
Оборудование и реактивы. Карточки «Программированный опрос», плакат-схема, приборы для получения газов, стаканы, пробирки, огнетушитель, спички; известковая вода, оксид натрия, мел, соляная кислота, растворы индикаторов, H 2 SO 4 (конц.), HCOOH, Fe 2 O 3 .
Плакат-схема
«Строение молекулы угарного газа (оксида
углерода(II)) СО»
ХОД УРОКА
Столы для учащихся в кабинете расставлены по кругу. Учитель и учащиеся имеют возможность свободно пересесть за лабораторные столы (1, 2, 3). На урок дети садятся за учебные столы (4, 5, 6, 7, …) друг с другом по желанию (свободные группы по 4 человека).
Учитель. Мудрая китайская пословица (записана красиво на доске) гласит :
«Я слышу – я забываю,
Я вижу – я запоминаю,
Я делаю – я понимаю».
Вы согласны с выводами китайских мудрецов?
А какие русские пословицы отражают китайскую мудрость?
Дети приводят примеры.
Учитель. Действительно, только творя, созидая можно получить ценный продукт: новые вещества, приборы, машины, а также нематериальные ценности – выводы, обобщения, умозаключения. Предлагаю вам сегодня принять участие в исследовании свойств двух веществ. Известно, что при прохождении технического осмотра автомобиля водитель предоставляет справку о состоянии выхлопных газов автомобиля. Концентрация какого газа указывается в справке?
(О т в е т. СО.)
Ученик. Этот газ ядовит. Попадая в кровь, он вызывает отравление организма («угорание», отсюда и название оксида – угарный газ). В количествах, опасных для жизни, он содержится в выхлопных газах автомобиля (зачитывает сообщение из газеты о том, что угорел насмерть заснувший при работающем двигателе в гараже водитель). Противоядием при отравлении угарным газом служит вдыхание свежего воздуха и чистого кислорода. Другим оксидом углерода является углекислый газ.
Учитель. На ваших столах лежит карточка «Программированный опрос». Ознакомьтесь с ее содержанием и на чистом листочке отметьте номера тех заданий, ответы на которые вам известны на основании вашего жизненного опыта. Напротив номера задания–утверждения напишите формулу оксида углерода, к которому относится это утверждение.
Ученики-консультанты (2 человека) собирают листы с ответами и на основе результатов ответов формируют новые группы для последующей работы.
Программированный опрос «Оксиды углерода»
1. Молекула этого оксида состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода.
2. Связь между атомами в молекуле – ковалентная полярная.
3. Газ, практически нерастворимый в воде.
4. В молекуле этого оксида один атом углерода и два атома кислорода.
5. Запаха и цвета не имеет.
6. Газ, растворимый в воде.
7. Не сжижается даже при –190 °С (t кип = –191,5 °С).
8. Кислотный оксид.
9. Легко сжимается, при 20 °C под давлением 58,5 атм становится жидким, затвердевает в «сухой лед».
10. Не ядовит.
11. Несолеобразующий.
12. Горюч.
13. Взаимодействует с водой.
14. Взаимодействует с основными оксидами.
15. Реагирует с оксидами металлов, восстанавливая из них свободные металлы.
16. Получают взаимодействием кислот с солями угольной кислоты.
17. Яд.
18. Взаимодействует со щелочами.
19. Источник углерода, усваиваемого растениями, в парниках и теплицах приводит к повышению урожая.
20. Используется при газировании воды и напитков.
Учитель. Ознакомьтесь еще раз с содержанием карточки. Сгруппируйте информацию в 4 блока:
строение,
физические свойства,
химические свойства,
получение.
Учитель предоставляет возможность выступить каждой группе учащихся, обобщает выступления. Затем учащиеся разных групп выбирают свой план работы – порядок изучения оксидов. С этой целью они нумеруют блоки информации и обосновывают свой выбор. Очередность изучения может быть такой, как записана выше, или с любой другой комбинацией отмеченных четырех блоков.
Учитель обращает внимание учащихся на ключевые моменты темы. Поскольку оксиды углерода газообразные вещества, с ними нужно обращаться осторожно (правила техники безопасности). Учитель утверждает план каждой группы и распределяет консультантов (заранее подготовленных учеников).
Демонстрационные опыты
1. Переливание углекислого газа из стакана в стакан.
2. Тушение свечей в стакане по мере накопления СО 2 .
3. В стакан с водой опустить несколько небольших кусочков «сухого льда». Вода забурлит, и из нее повалит густой белый дым.
Газ СО 2 сжижается уже при комнатной температуре под давлением 6 МПа. В жидком состоянии он хранится и транспортируется в стальных баллонах. Если открыть вентиль такого баллона, то жидкий СО 2 начнет испаряться, в силу чего происходит сильное охлаждение и часть газа превращается в снегообразную массу – «сухой лед», который прессуют и используют для хранения мороженого.
4. Демонстрация огнетушителя химического пенного (ОХП) и объяснение принципа его работы с использованием модели – пробирки с пробкой и газоотводной трубкой.
Информация по строению за столом № 1 (инструкционные карточки 1 и 2, строение молекул СО и СО 2).
Сведения о физических свойствах – за столом № 2 (работа с учебником – Габриелян О.С. Химия-9. М.: Дрофа, 2002, с. 134–135).
Данные о получении и химических свойствах – на столах № 3 и 4 (инструкционные карточки 3 и 4, инструкция по проведению практической работы, с. 149–150 учебника).
Практическая работа В пробирку внесите несколько кусочков мела или мрамора и прилейте немного разбавленной соляной кислоты. Быстро закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Конец трубки опустите в другую пробирку, в которой находится 2–3 мл известковой воды. Несколько минут наблюдайте, как через известковую воду проходят пузырьки газа. Затем выньте конец газоотводной трубки из раствора и сполосните его в дистиллированной воде. Опустите трубку в другую пробирку с 2–3 мл дистиллированной воды и пропустите через нее газ. Через несколько минут выньте трубку из раствора, добавьте к полученному раствору несколько капель синего лакмуса. В пробирку налейте 2–3 мл разбавленного раствора гидроксида натрия и добавьте к нему несколько капель фенолфталеина. Затем через раствор пропустите газ. Ответьте на вопросы. Вопросы 1. Что происходит, если на мел или мрамор действуют соляной кислотой? 2. Почему при пропускании углекислого газа через известковую воду сначала происходит помутнение раствора, а затем растворение извести? 3. Что происходит при пропускании оксида углерода(IV) через дистиллированную воду? Напишите уравнения соответствующих реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионом видах. Распознавание карбонатов В четырех пробирках, выданных вам, находятся кристаллические вещества: сульфат натрия, хлорид цинка, карбонат калия, силикат натрия. Определите, какое вещество находится в каждой пробирке. Составьте уравнения реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном видах. |
Домашнее задание
Учитель предлагает взять карточку «Программированный опрос» домой и при подготовке к следующему уроку продумать способы получения информации. (Как ты узнал, что изучаемый газ сжижается, взаимодействует с кислотой, ядовит и т.д.?)
Самостоятельная работа учащихся
Практическую работу группы детей выполняют с разной скоростью. Поэтому тем, кто завершит работу быстрее, предлагаются игры.
Пятый лишний
У четырех веществ можно найти что-то общее, а пятое вещество выбивается из ряда, лишнее.
1. Углерод, алмаз, графит, карбид, карбин. (Карбид.)
2. Антрацит, торф, кокс, нефть, стекло. (Стекло.)
3. Известняк, мел, мрамор, малахит, кальцит. (Малахит.)
4. Кристаллическая сода, мрамор, поташ, каустик, малахит. (Каустик.)
5. Фосген, фосфин, синильная кислота, цианид калия, сероуглерод. (Фосфин.)
6. Морская вода, минеральная вода, дистиллированная вода, грунтовая вода, жесткая вода. (Дистиллированная вода.)
7. Известковое молоко, пушонка, гашеная известь, известняк, известковая вода. (Известняк.)
8. Li 2 СО 3 ; (NH 4) 2 CO 3 ; СаСО 3 ; K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 . (CaCO 3 .)
Синонимы
Напишите химические формулы веществ или их названия.
1. Галоген – … (Хлор или бром.)
2. Магнезит – … (MgCO 3 .)
3. Мочевина – … (Карбамид H 2 NC(O)NH 2 .)
4. Поташ – … (K 2 CO 3 .)
5. Сухой лед – … (CO 2 .)
6. Оксид водорода – … (Вода. )
7. Нашатырный спирт – … (10%-й водный раствор аммиака. )
8. Соли азотной кислоты – … (Нитраты – KNO 3 , Ca(NO 3) 2 , NaNO 3 .)
9. Природный газ – … (Метан CН 4 .)
Антонимы
Напишите химические термины, противоположные по значению предложенным.
1. Окислитель – … (Восстановитель. )
2. Донор электронов – … (Акцептор электронов. )
3. Кислотные свойства – … (Осно"вные свойства. )
4. Диссоциация – … (Ассоциация. )
5. Адсорбция – … (Десорбция. )
6. Анод – … (Катод. )
7. Анион – … (Катион. )
8. Металл – … (Неметалл. )
9. Исходные вещества – … (Продукты реакции. )
Поиск закономерностей
Установите признак, объединяющий указанные вещества и явления.
1. Алмаз, карбин, графит – … (Аллотропные модификации углерода. )
2. Стекло, цемент, кирпич – … (Строительные материалы. )
3. Дыхание, гниение, извержение вулкана – … (Процессы, сопровождающиеся выделением углекислого газа. )
4. СО, СО 2 , СН 4 , SiH 4 – … (Cоединения элементов IV группы. )
5. NaHCO 3 , CaCO 3 , CO 2 , H 2 CO 3 – … (Кислородные соединения углерода. )
Многие газообразные вещества, существующие в природе и получаемые при производствах, являются сильными отравляющими соединениями. Известно, что хлор использовался как биологическое оружие, пары брома обладают сильно разъедающим действием на кожу, сероводород вызывает отравление и так далее.
Одним из таких веществ является и монооксид углерода или угарный газ, формула которого имеет свои особенности в структуре. О нем и пойдет речь дальше.
Химическая формула угарного газа
Эмпирический вид формулы рассматриваемого соединения следующий: СО. Однако такая форма дает характеристику лишь о качественном и количественном составе, но не затрагивает особенности строения и порядок соединения атомов в молекуле. А он отличается от такового во всех прочих подобных газах.
Именно эта особенность влияет на проявляемые соединением физические и химические свойства. Какая же это структура?
Строение молекулы
Во-первых, по эмпирической формуле видно, что валентность углерода в соединении равна II. Так же, как и у кислорода. Следовательно, каждый из них может сформировать по две формула угарного газа СО это наглядно подтверждает.
Так и происходит. Между атомом углерода и кислорода по механизму обобществления неспаренных электронов происходит образование двойной ковалентной полярной связи. Таким образом, угарного газа принимает вид С=О.
Однако на этом особенности молекулы не заканчиваются. По донорно-акцепторному механизму в молекуле происходит формирование третьей, дативной или семиполярной связи. Чем это объясняется? Так как после образования по обменному порядку у кислорода остается две пары электронов, а у атома углерода - пустая орбиталь, то последний выступает в роли акцептора одной из пар первого. Другими словами, пара электронов кислорода размещается на свободной орбитали углерода и происходит образование связи.
Так, углерод - акцептор, кислород - донор. Поэтому формула угарного газа в химии принимает следующий вид: С≡О. Такая структуризация сообщает молекуле дополнительную химическую стабильность и инертность в проявляемых свойствах при обычных условиях.
Итак, связи в молекуле монооксида углерода:
- две ковалентные полярные, образованные по обменному механизму за счет обобществления неспаренных электронов;
- одна дативная, сформированная по донорно-акцепторному взаимодействию между парой электронов и свободной орбиталью;
- всего связей в молекуле - три.
Физические свойства
Есть ряд характеристик, которыми, как и любое другое соединение, обладает угарный газ. Формула вещества четко дает понять, что кристаллическая решетка молекулярная, состояние при обычных условиях газообразное. Отсюда вытекают следующие физические параметры.
- С≡О - угарный газ (формула), плотность - 1,164 кг/м 3 .
- Температура кипения и плавления соответственно: 191/205 0 С.
- Растворяется в: воде (незначительно), эфире, бензоле, спирте, хлороформе.
- Не имеет вкуса и запаха.
- Бесцветен.
С биологической точки зрения крайне опасен для всех живых существ, кроме определенных видов бактерий.
Химические свойства
С точки зрения химической активности, одно из самых инертных веществ при обычных условиях - это угарный газ. Формула, в которой отражены все связи в молекуле, подтверждает это. Именно из-за такой прочной структуры данное соединение при стандартных показателях окружающей среды практически не вступает ни в какие взаимодействия.
Однако следует хотя бы немного нагреть систему, как дативная связь в молекуле рушится, как и ковалентные. Тогда монооксид углерода начинает проявлять активные восстановительные свойства, причем достаточно сильные. Так, он способен взаимодействовать с:
- кислородом;
- хлором;
- щелочами (расплавы);
- с оксидами и солями металлов;
- с серой;
- незначительно с водой;
- с аммиаком;
- с водородом.
Поэтому, как уже оговаривалось выше, свойства, которые проявляет угарный газ, формула его во многом объясняет.
Нахождение в природе
Основной источник СО в атмосфере Земли - лесные пожары. Ведь главный способ образования данного газа естественным путем - это неполное сгорание различного вида топлива, в основном органической природы.
Антропогенные источники загрязнения воздуха монооксидом углерода так же немаловажны и дают по массовой доле такой же процент, как и природные. К ним относятся:
- дым от работы фабрик и заводов, металлургических комплексов и прочих промышленных предприятий;
- выхлопные газы из двигателей внутреннего сгорания.
В природных условиях угарный газ легко окисляется кислородом воздуха и парами воды до углекислого газа. На этом основана первая помощь при отравлении этим соединением.
Получение
Стоит указать одну особенность. Угарный газ (формула), углекислый газ (строение молекулы) соответственно выглядят так: С≡О и О=С=О. Разница на один атом кислорода. Поэтому промышленный способ получения монооксида основан на реакции между диоксидом и углем: СО 2 + С = 2СО. Это самый простой и распространенный способ синтеза данного соединения.
В лаборатории используют различные органические соединения, соли металлов и комплексные вещества, так как выход продукта не ожидают слишком большим.
Качественный реагент на наличие в воздухе или растворе угарного газа - хлорид палладия. При их взаимодействии формируется чистый металл, который вызывает потемнение раствора или поверхности бумаги.
Биологическое действие на организм
Как уже оговаривалось выше, угарный газ - это очень ядовитый бесцветный, опасный и смертоносный вредитель для человеческого организма. Да и не только именно человеческого, а вообще любого живого. Растения, которые находятся под воздействием выхлопных газов автомобилей, гибнут очень быстро.
В чем же именно заключается биологическое воздействие монооксида углерода на внутреннюю среду животных существ? Все дело в формировании прочных комплексных соединений белка крови гемоглобина и рассматриваемого газа. То есть вместо кислорода захватываются молекулы яда. Клеточное дыхание мгновенно блокируется, газообмен становится невозможным в нормальном его течении.
В результате происходит постепенная блокировка всех молекул гемоглобина и, как следствие, смерть. Достаточно поражения всего на 80%, чтобы исход отравления стал летальным. Для этого концентрация угарного газа в воздухе должна составлять 0,1 %.
Первыми признаками, по которым можно определить наступление отравления этим соединением, являются:
- головная боль;
- головокружение;
- потеря сознания.
Первая помощь - выйти на свежий воздух, где угарный газ под влиянием кислорода превратится в углекислый, то есть обезвредится. Случаи смертей от действия рассматриваемого вещества очень часты, особенно в домах с Ведь при сгорании дров, угля и другого вида топлива в качестве побочного продукта обязательно образуется этот газ. Соблюдение правил техники безопасности крайне важно для сохранения жизни и здоровья человека.
Также много случаев отравления в гаражных помещениях, где собрано много работающих двигателей автомобилей, но недостаточно подведен приток свежего воздуха. Смерть при превышении допустимой концентрации наступает уже через час. Ощутить присутствие газа физически невозможно, ведь ни запаха, ни цвета у него нет.
Использование в промышленности
Кроме того, монооксид углерода применяют:
- для обработки мясных и рыбных продуктов, что позволяет придать им свежий вид;
- для синтезов некоторых органических соединений;
- как компонент генераторного газа.
Поэтому это вещество является не только вредоносным и опасным, но еще и весьма полезным для человека и его хозяйственной деятельности.
Все, что нас окружает, состоит из соединений различных химических элементов. Мы дышим не просто воздухом, а сложным органическим соединением, имеющим в своем составе кислород, азот, водород, двуокись углерода и другие необходимые составляющие. Влияние множества этих элементов на организм человека в частности и на жизнь на Земле в целом еще не изучено до конца. Для того чтобы понимать процессы взаимодействия элементов, газов, солей и других образований друг с другом, в школьный курс и был введен предмет «Химия». 8 класс - это старт уроков химии по утвержденной общеобразовательной программе.
Одним из самых распространенных соединений, содержащихся как в земной коре, так и в атмосфере, является оксид. Оксидом называется соединение любого химического элемента с атомом кислорода. Даже источник всего живого на Земле - вода, является оксидом водорода. Но в данной статье речь пойдет не об оксидах в общем, а об одном из самых часто встречаемых соединений - оксиде углерода. Данные соединения получаются путем слияния атомов кислорода и углерода. Эти соединения могут иметь в своем составе различные количества атомов углерода и кислорода, однако следует выделить два основных соединения углерода с кислородом: угарный газ и углекислый газ.
Химическая формула и способ получения угарного газа
Какова же его формула? Оксид углерода довольно легко запомнить - CO. Молекула угарного газа образуется тройной связью, в связи с чем обладает довольно высокой прочностью соединения и имеет очень небольшое межъядерное расстояние (0,1128 нм). Энергия разрыва данного химического соединения составляет 1076 кДж/Моль. Тройная связь возникает вследствие того, что элемент углерод имеет в своей структуре атома p-орбиталь, не занятую электронами. Это обстоятельство создает для атома углерода возможность стать акцептором электронной пары. А атом кислорода, наоборот, имеет на одной из p-орбиталей неразделенную пару электронов, а значит имеет электронно-донорные возможности. При соединении этих двух атомов кроме двух ковалентных связей появляется еще и третья - донорно-акцепторная ковалентная связь.
Существуют различные способы получения CO. Одним из самых простейших является пропускание углекислого газа над раскаленным углем. В лабораторных условиях угарный газ получают при помощи следующей реакции: муравьиную кислоту нагревают с серной кислотой, которая разделяет муравьиную кислоту на воду и угарный газ.
Также CO выделяется при нагревании щавелевой и серной кислоты.
Физические свойства CO
Оксид углерода (2) обладает следующими физическими свойствами - это бесцветный газ, не имеющий ярко выраженного запаха. Все посторонние запахи, появляющиеся при утечке угарного газа, являются продуктами распада органических примесей. Он намного легче воздуха, чрезвычайно токсичен, очень плохо растворяется в воде и отличается высокой степенью горючести.
Самое главное свойство CO - его отрицательное воздействие на организм человека. Отравление угарным газом может привести к летальному исходу. Более подробно о воздействии оксида углерода на организм человека будет рассказано ниже.
Химические свойства CO
Основные химические реакции, в которых могут применяться оксиды углерода (2) - это окислительно-восстановительная реакция, а также реакция присоединения. Окислительно-восстановительная реакция выражается в способности CO восстанавливать металл из оксидов при помощи их смешивания с дальнейшим нагреванием.
При взаимодействии с кислородом происходит образование углекислого газа с выделением значительного количества теплоты. Угарный газ горит синеватым пламенем. Очень важная функция оксида углерода - его взаимодействие с металлами. В результате подобных реакций образуются карбонилы металлов, подавляющее большинство которых являются кристаллическими веществами. Они применяются для изготовления сверхчистых металлов, а также для нанесения металлического покрытия. Кстати, карбонилы неплохо себя зарекомендовали в качестве катализаторов химических реакций.
Химическая формула и способ получения углекислого газа
Углекислый газ, или двуокись углерода, имеет химическую формулу CO 2 . Структура молекулы несколько отличается от структуры CO. В данном образовании углерод имеет степень окисления, равную +4. Структура молекулы линейная, а значит, неполярная. Молекула CO 2 не обладает такой сильной прочностью, как CO. В земной атмосфере содержится около 0,03% углекислоты по общему объему. Увеличение этого показателя разрушает озоновый слой Земли. В науке это явление называется парниковым эффектом.
Получить углекислый газ можно различными путями. В промышленности он образуется в результате горения дымовых газов. Может быть побочным продуктом в процессе изготовления алкоголя. Его можно получить в процессе разложения воздуха на основные составляющие, такие как азот, кислород, аргон и другие. В лабораторных условиях оксид углерода (4) можно получить в процессе обжига известняка, а в домашних условиях добыть углекислый газ можно при помощи реакции лимонной кислоты и пищевой соды. Кстати, именно таким образом изготавливались газированные напитки в самом начале их производства.
Физические свойства CO 2
Углекислый газ представляет собой бесцветное газообразное вещество без характерного резкого запаха. Из-за высокого числа окисления данный газ обладает слегка кисловатым привкусом. Данный продукт не поддерживает процесс горения, так как сам является результатом горения. При повышенной концентрации углекислого газа человек утрачивает способность дышать, что приводит к летальному исходу. Более подробно о воздействии углекислого газа на организм человека будет рассказано далее. CO 2 намного тяжелее воздуха и прекрасно растворяется в воде даже при комнатной температуре.
Одним из самых интересных свойств углекислого газа является то, что у него нет жидкого агрегатного состояния при нормальном атмосферном давлении. Однако если воздействовать на структуру углекислого газа воздействие температурой в -56,6 °С и давлением около 519 кПа, то он трансформируется в бесцветную жидкость.
При существенном понижении температуры газ находится в состоянии так называемого «сухого льда» и испаряется при температуре выше чем -78 о С.
Химические свойства CO 2
По своим химическим свойствам оксид углерода (4), формула которого CO 2 , является типичным кислотным оксидом и обладает всеми его свойствами.
1. При взаимодействии с водой образуется угольная кислота, обладающая слабой кислотностью и малой устойчивостью в растворах.
2. При взаимодействии с щелочами углекислый газ образует соответствующую соль и воду.
3. Во время взаимодействия с оксидами активного металла способствует образованию солей.
4. Не поддерживает процесс горения. Активировать данный процесс могут только некоторые активные металлы, такие как литий, калий, натрий.
Влияние угарного газа на организм человека
Вернемся к основной проблеме всех газов - влиянию на организм человека. Угарный газ относится к группе крайне опасных для жизни газов. Для человека и животного он является чрезвычайно сильным ядовитым веществом, которое при попадании в организм серьезно поражает кровь, нервную систему организма и мышцы (в том числе и сердце).
Оксид углерода в воздухе невозможно распознать, так как этот газ не имеет никакого ярко выраженного запаха. Именно этим он и опасен. Попадая через легкие в организм человека, угарный газ активизирует свою разрушительную деятельность в крови и в сотни раз быстрее кислорода начинает взаимодействовать с гемоглобином. В результате этого появляется очень стойкое соединение под названием карбоксигемоглобин. Оно препятствует доставке кислорода из легких к мышцам, что приводит к мышечному голоданию тканей. Особенно серьезно страдает от этого головной мозг.
Из-за отсутствия возможности распознать отравление угарным газом через обоняние, следует знать некоторые основные признаки, которые проявляются на ранних этапах:
- головокружение, сопровождающееся головной болью;
- шум в ушах и мерцание перед глазами;
- сильное сердцебиение и одышка;
- покраснение лица.
В дальнейшем у жертвы отравления появляется сильная слабость, иногда рвота. В тяжелых случаях отравления возможны непроизвольные судороги, сопровождающиеся дальнейшей потерей сознания и комой. Если же пациенту своевременно не будет оказана соответствующая медицинская помощь, то возможен летальный исход.
Влияние углекислого газа на организм человека
Оксиды углерода с кислотностью +4 относятся к разделу удушающих газов. Иными словами, углекислый газ не является токсичным веществом, однако может существенно влиять на приток кислорода к организму. При повышении уровня углекислого газа до 3-4% у человека возникает серьезная слабость, его начинает клонить в сон. При повышении уровня до 10% начинают развиваться сильнейшие головные боли, головокружение, ухудшение слуха, иногда наблюдается потеря сознания. Если концентрация углекислого газа поднимается до уровня 20%, то наступает смерть от кислородного голодания.
Лечение отравления углекислым газом очень простое - дать жертве доступ к чистому воздуху, при необходимости сделать искусственное дыхание. В крайнем случае нужно подключить пострадавшего к аппарату искусственной вентиляции легких.
Из описаний влияния двух данных оксидов углерода на организм мы можем сделать вывод, что большую опасность для человека все же представляет угарный газ с его высокой токсичностью и направленным воздействием на организм изнутри.
Углекислый газ не отличается таким коварством и менее вреден для человека, поэтому именно это вещество человек активно применяет даже в пищевой промышленности.
Применение оксидов углерода в промышленности и их влияние на различные аспекты жизни
Оксиды углерода имеют очень широкое применение в разных сферах деятельности человека, причем спектр их чрезвычайно богат. Так, окись углерода вовсю применяется в металлургии в процессе выплавки чугуна. Широкую популярность CO получил в качестве материала для хранения продуктов питания в охлажденном виде. Данный оксид применяют для обработки мяса и рыбы, чтобы придать им свежий вид и не изменить вкус. Важно не забывать про токсичность данного газа и помнить, что допустимая доза не должна превышать 200 мг на 1 кг продукта. CO в последнее время все чаще применяют в автомобильной промышленности в качестве топлива для автомобилей на газу.
Диоксид углерода нетоксичен, поэтому сфера его применения широко внедрена в пищевую промышленность, где его применяют в качестве консерванта или разрыхлителя. Также CO 2 применяется при изготовлении минеральных и газированных вод. В твердом состоянии («сухой лед») он часто используется в морозильных установках для поддержания стабильно низкой температуры в помещении или приборе.
Большую популярность приобрели углекислотные огнетушители, пена из которых полностью изолирует огонь от кислорода и не дает пожару разгореться. Соответственно, еще одна сфера применения - пожарная безопасность. Баллоны в пневматических пистолетах также заряжены углекислотой. И конечно же, практически каждый из нас читал, из чего состоит освежитель воздуха для помещений. Да, одной из составляющих является углекислый газ.
Как видим, из-за своей минимальной токсичности углекислый газ больше и чаще встречается в повседневной жизни человека, тогда как угарный газ нашел применение в тяжелой промышленности.
Существуют и другие углеродные соединения с кислородом, благо формула углерода и кислорода позволяет применять различные варианты соединений с разным количеством атомов углерода и кислорода. Ряд оксидов может разниться от C 2 O 2 до C 32 O 8 . И чтобы описать каждый из них, потребуется не одна страница.
Оксиды углерода в природе
Оба вида рассматриваемых здесь оксидов углерода так или иначе присутствуют в природном мире. Так, угарный газ может быть продуктом сгорания лесов или результатом жизнедеятельности человека (выхлопные газы и вредные отходы промышленных предприятий).
Уже известный нам диоксид углерода также является частью сложного состава воздуха. Его содержание в нем составляет около 0,03 % от всего объема. При увеличении этого показателя возникает так называемый «парниковый эффект», которого так опасаются современные ученые.
Углекислый газ выделяют животные и человек путем выдыхания. Он является основным источником такого полезного для растений элемента, как углерод, поэтому многие ученые и бьют на сполох, указывая на недопустимость масштабных вырубок леса. Если растения перестанут поглощать углекислый газ, то процент его содержания в воздухе может повыситься до критических для человеческой жизнедеятельности показателей.
Видимо, многие власть держащие забыли пройденный в детстве материал учебника «Общая химия. 8 класс», иначе вопросу вырубки лесов во многих частях света уделялось бы более серьезное внимание. Это, кстати, касается и проблемы наличия угарного газа в окружающей среде. Количество отходов человеческой жизнедеятельности и процент выбросов этого необычайно токсичного материала в окружающую среду растет изо дня в день. И не факт, что не повторится судьба мира, описанная в прекрасном мультфильме «Волли», когда человечеству пришлось покинуть загаженную до основания Землю и отправиться в другие миры на поиски лучшей жизни.
