Какие химические свойства у углекислого газа

Физические и химические свойства углекислого газа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углекислый газ (двуокись углерода, угольный ангидрид, диоксид углерода) – оксид углерода (IV).

Формула – (
mathrm{CO}_{2}
). Молярная масса – 44 г/моль.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ относится к классу кислотных оксидов, т.е. при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется угольная. Угольная кислота химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие, т.е. реакция взаимодействия углекислого газа с водой носит обратимый характер:

(
mathrm{CO}_{2}+mathrm{H}_{2} mathrm{O} leftrightarrow mathrm{CO}_{2} times mathrm{H}_{2} mathrm{O}(text { solution }) leftrightarrow mathrm{H}_{2} mathrm{CO}_{3}
).

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

(
2 mathrm{CO}_{2}=2 mathrm{CO}+mathrm{O}_{2}
)

Как и для всех кислотных оксидов, для углекислого газа характерны реакции взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:

(
mathrm{CaO}+mathrm{CO}_{2}=mathrm{CaCO}_{3}
);

(
mathrm{Al}_{2} mathrm{O}_{3}+3 mathrm{CO}_{2}=mathrm{Al}_{2}left(mathrm{CO}_{3}right)_{3}
);

(
mathrm{CO}_{2}+mathrm{NaOH}_{(text { dilute })}=mathrm{NaHCO}_{3}
);

(
mathrm{CO}_{2}+2 mathrm{NaOH}_{(mathrm{conc})}=mathrm{Na}_{2} mathrm{CO}_{3}+mathrm{H}_{2} mathrm{O}
).

Углекислый газ не поддерживает горения, в нем горят только активные металлы:

(
mathrm{CO}_{2}+2 mathrm{Mg}=mathrm{C}+2 mathrm{MgO}left(mathrm{t}^{circ}right)
);

(
mathrm{CO}_{2}+2 mathrm{Ca}=mathrm{C}+2 mathrm{CaO}left(mathrm{t}^{circ}right)
).

Углекислый газ вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами, такими как водород и углерод:

(
mathrm{CO}_{2}+4 mathrm{H}_{2}=mathrm{CH}_{4}+2 mathrm{H}_{2} mathrm{O}left(mathrm{t}^{circ}, mathrm{kat}=mathrm{Cu}_{2} mathrm{O}right)
);

(
mathrm{CO}_{2}+mathrm{C}=2 mathrm{CO}left(mathrm{t}^{circ}right)
).

При взаимодействии углекислого газа с пероксидами активных металлов образуются карбонаты и выделяется кислород:

(
2 mathrm{CO}_{2}+2 mathrm{Na}_{2} mathrm{O}_{2}=2 mathrm{Na}_{2} mathrm{CO}_{3}+mathrm{O}_{2} uparrow
).

Качественной реакцией на углекислый газ является реакция его взаимодействия с известковой водой (молоком), т.е. с гидроксидом кальция, в которой образуется осадок белого цвета – карбонат кальция:

(
mathrm{CO}_{2}+mathrm{Ca}(mathrm{OH})_{2}=mathrm{CaCO}_{3 downarrow}+mathrm{H}_{2} mathrm{O}
).

Физические свойства углекислого газа
Углекислый газ – газообразное вещество без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Термически устойчив. При сжатии и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое состояния. Углекислый газ в твердом агрегатном состоянии носит название «сухой лед» и легко возгоняется при комнатной температуре. Углекислый газ плохо растворим в воде, частично реагирует с ней. Плотность – 1,977 г/л.

Получение и применение углекислого газа
Выделяют промышленные и лабораторные способы получения углекислого газа. Так, в промышленности его получают обжигом известняка (1), а в лаборатории – действием сильных кислот на соли угольной кислоты (2):

(
mathrm{CaCO}_{3}=mathrm{CaO}+mathrm{CO}_{2}left(mathrm{t}^{circ}right)(1)
);

(
mathrm{CaCO}_{3}+2 mathrm{HCl}=mathrm{CaCl}_{2}+mathrm{CO}_{2} uparrow+mathrm{H}_{2} mathrm{O}(2)
).

Углекислый газ используется в пищевой (газирование лимонада), химической (регулировка температур при производстве синтетических волокон), металлургической (защита окружающей среды, например, осаждение бурого газа) и других отраслях промышленности.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание Какой объем углекислого газа выделится при действии 200 г 10%-го раствора азотной кислоты на 90 г карбоната кальция, содержащего 8% примесей, нерастворимых в кислоте?
Решение Молярные массы азотной кислоты и карбоната кальция, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 63 и 100 г/моль, соответственно.
Запишем уравнение растворения известняка в азотной кислоте:

(
mathrm{CaCO}_{3}+2 mathrm{HNO}_{3} rightarrow mathrm{Ca}left(mathrm{NO}_{3}right)_{2}+mathrm{CO}_{2} uparrow+mathrm{H}_{2} mathrm{O}
).

Содержание чистого (без примесей) карбоната кальция в известняке:

(
omegaleft(mathrm{CaCO}_{3}right)_{mathrm{cl}}=100 %-omega_{text { admixture }}=100 %-8 %=92 %=0,92
).

Тогда, масса чистого карбоната кальция:

(
mleft(mathrm{CaCO}_{3}right)_{mathrm{cl}}=mathrm{m}_{text { limestone }} times omegaleft(mathrm{CaCO}_{3}right)_{mathrm{cl}} / 100 %
);

(
mathrm{m}left(mathrm{CaCO}_{3}right)_{mathrm{cl}}=90 times 92 / 100 %=82,8 mathrm{г}
).

Количество вещества карбоната кальция равно:

(
nleft(C a C O_{3}right)=mleft(C a C O_{3}right)_{C l} / Mleft(C a C O_{3}right)
);

(
nleft(mathrm{CaCO}_{3}right)=82,8 / 100=0,83 mathrm{моль}
)

Масса азотной кислоты в растворе будет равна:

(
mathrm{m}left(mathrm{HNO}_{3}right)=mathrm{m}left(mathrm{HNO}_{3}right)_{text { solution }} times omegaleft(mathrm{HNO}_{3}right) / 100 %
);

(
mathrm{m}left(mathrm{HNO}_{3}right)=200 times 10 / 100 %=20 mathrm{г}
)

Количество вещества азотной кислоты кальция равно:

(
mathrm{n}left(mathrm{HNO}_{3}right)=mathrm{m}left(mathrm{HNO}_{3}right) / mathrm{M}left(mathrm{HNO}_{3}right)
)

(
nleft(H N O_{3}right)=20 / 63=0,32
) моль

Сравнивая количества веществ, вступивших в реакцию, определяем, что азотная кислота находится в недостатке, следовательно дальнейшие расчеты производим по азотной кислоте. Согласно уравнению реакции (
n(H N O 3) : n(C O 2)=2 : 1
), следовательно n(CO2) = 1/2×n(HNO3) = 0,16 моль. Тогда, объем углекислого газа будет равен:

V(CO2) = n(CO2)×Vm ;

V(CO2) = 0,16×22,4 = 3,58 г.

Ответ Объем углекислого газа — 3,58 г.

ПРИМЕР 2

Задание Найдите объем углекислого газа массой 35 г.

Решение Масса вещества и его объем связаны между собой через количество вещества. Запишем формулы для вычисления количества вещества с помощью его массы и объема:

(
mathrm{n}=mathrm{m} / mathrm{M}
);

(
mathrm{n}=mathrm{V} / mathrm{V}_{mathrm{m}}
).

Приравняет выражения, записанные справа и выразим объем:

(
mathrm{m} / mathrm{M}=mathrm{V} / mathrm{V}_{mathrm{m}}
);

(
mathrm{V}=mathrm{m} times mathrm{V}_{mathrm{m}} / mathrm{M}
).

Вычислим по выведенной формуле объем углекислого газа. Молярная масса углекислого газа, рассчитанная с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 44 г/моль.

(
Vleft(C O_{2}right)=35 times 22,4 / 44=17,82
) л.

Ответ Объем углекислого газа — 17,82 л.