Страница 114 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какие оксиды образует углерод? Какие группы оксидов они представляют?

Углерод образует несколько оксидов, в которых он проявляет различные степени окисления. Наиболее важными и устойчивыми являются два оксида, которые относятся к разным классификационным группам.

1. Оксид углерода(II), также известный как угарный газ. Его химическая формула — $CO$. В этом соединении степень окисления углерода равна +2. По своим химическим свойствам оксид углерода(II) относится к группе несолеобразующих (безразличных) оксидов. Это означает, что он не вступает в реакции с кислотами или основаниями с образованием соли и воды при обычных условиях.

2. Оксид углерода(IV), также известный как углекислый газ. Его химическая формула — $CO_2$. Здесь степень окисления углерода составляет +4. Оксид углерода(IV) является типичным представителем группы кислотных оксидов. Ему соответствует слабая двухосновная угольная кислота ($H_2CO_3$), которая образуется при его растворении в воде. Как кислотный оксид, $CO_2$ реагирует со щелочами и основными оксидами, образуя соли — карбонаты. Например, реакция с гидроксидом кальция (известковой водой): $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$.

Ответ: Углерод образует два основных оксида: оксид углерода(II) ($CO$), который является несолеобразующим оксидом, и оксид углерода(IV) ($CO_2$), который является кислотным оксидом.

2. Охарактеризуйте получение и свойства оксида углерода(II). Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.

Оксид углерода(II), или угарный газ, $CO$ — это несолеобразующий оксид углерода, в котором углерод находится в степени окисления +2.

Получение оксида углерода(II)

Оксид углерода(II) можно получить как в промышленных, так и в лабораторных условиях.

Промышленные способы:

• Неполное сгорание угля или кокса в условиях недостатка кислорода. Это основной способ получения $CO$ в больших масштабах.

  $2C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO$

• Пропускание углекислого газа через раскаленный уголь. Эта реакция является обратимой и протекает при высоких температурах (выше 800 °C).

  $CO_2 + C \rightleftharpoons 2CO$

• Паровая конверсия метана (основного компонента природного газа). В результате реакции образуется так называемый синтез-газ — смесь угарного газа и водорода.

  $CH_4 + H_2O \xrightarrow{Ni, t^\circ, p} CO + 3H_2$

Лабораторные способы:

• Термическое разложение муравьиной кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты, которая действует как водоотнимающее средство.

  $HCOOH \xrightarrow{H_2SO_4 (\text{конц.}), t^\circ} CO \uparrow + H_2O$

• Термическое разложение щавелевой кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты. При этом образуется смесь оксидов углерода(II) и (IV).

  $H_2C_2O_4 \xrightarrow{H_2SO_4 (\text{конц.}), t^\circ} CO \uparrow + CO_2 \uparrow + H_2O$

Ответ: В промышленности оксид углерода(II) получают при неполном сгорании углерода ($2C + O_2 \to 2CO$) или при взаимодействии диоксида углерода с раскаленным углем ($CO_2 + C \to 2CO$). В лаборатории его получают разложением муравьиной кислоты под действием концентрированной серной кислоты ($HCOOH \xrightarrow{H_2SO_4} CO + H_2O$).

Свойства оксида углерода(II)

Физические свойства:

Оксид углерода(II) — это бесцветный газ без вкуса и запаха, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Очень токсичен, так как необратимо связывается с гемоглобином крови, нарушая процесс переноса кислорода.

Химические свойства:

$CO$ является несолеобразующим оксидом, то есть не реагирует с водой, кислотами и щелочами при обычных условиях. Основные химические свойства $CO$ связаны с его высокой восстановительной способностью.

• Восстановительные свойства:

  1. Горение в кислороде. Реакция протекает с выделением большого количества тепла, пламя имеет характерный синий цвет.

     $2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2$

  2. Восстановление металлов из их оксидов. Это свойство широко используется в металлургии для выплавки металлов, например, железа из железной руды.

     $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$

     $CuO + CO \xrightarrow{t^\circ} Cu + CO_2$

  3. Взаимодействие с галогенами. Например, с хлором на свету или в присутствии катализатора образуется фосген – боевое отравляющее вещество.

     $CO + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} COCl_2$

• Реакции присоединения:

  1. Взаимодействие со щелочами при повышенной температуре и давлении. В этой реакции $CO$ ведет себя подобно ангидриду муравьиной кислоты, образуя её соли — формиаты.

     $CO + NaOH \xrightarrow{120-150^\circ C, p} HCOONa$

  2. Взаимодействие с переходными металлами с образованием карбонилов металлов, где $CO$ выступает в роли лиганда.

     $Ni + 4CO \xrightarrow{40-60^\circ C} Ni(CO)_4$

Ответ: Оксид углерода(II) — бесцветный, ядовитый газ. Является несолеобразующим оксидом и сильным восстановителем: горит в кислороде ($2CO + O_2 \to 2CO_2$) и восстанавливает металлы из оксидов ($CuO + CO \to Cu + CO_2$). Также может вступать в реакции присоединения, например, со щелочами ($CO + NaOH \to HCOONa$) и переходными металлами ($Ni + 4CO \to Ni(CO)_4$).

3. Охарактеризуйте получение, свойства и применение оксида углерода(IV). Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.

Получение

Оксид углерода(IV), или углекислый газ ($CO_2$), можно получить различными способами как в промышленности, так и в лаборатории.

В промышленности:

• Сжигание ископаемого топлива, такого как уголь (углерод) и природный газ (метан). Это основной источник $CO_2$ в атмосфере.

  $C + O_2 \rightarrow CO_2$

  $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

• Термическое разложение карбоната кальция (известняка) при производстве негашеной извести ($CaO$).

  $CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow$

• Как побочный продукт спиртового брожения в пивоварении и виноделии.

  $C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2\uparrow$

В лаборатории:

• Действие сильных кислот (например, соляной кислоты) на карбонаты или гидрокарбонаты (например, мрамор или соду).

  $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

• Термическое разложение малоустойчивых карбонатов и гидрокарбонатов.

  $2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ: В промышленности оксид углерода(IV) получают сжиганием топлива и обжигом известняка; в лаборатории — действием кислот на карбонаты.

Свойства

Физические свойства:

Оксид углерода(IV) — это бесцветный газ без запаха, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха. Он не поддерживает горение (за исключением активных металлов). При нормальных условиях малорастворим в воде. При повышенном давлении и охлаждении сжижается, а при дальнейшем охлаждении переходит в твёрдое состояние, называемое "сухим льдом", который при атмосферном давлении сублимирует (переходит из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу) при температуре -78,5 °C.

Химические свойства:

$CO_2$ является типичным кислотным оксидом.

• Взаимодействует с водой, образуя слабую и нестабильную угольную кислоту:

  $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

• Реагирует с основаниями (щелочами) с образованием солей — карбонатов и гидрокарбонатов. Реакция с известковой водой ($Ca(OH)_2$) является качественной реакцией на углекислый газ (выпадает белый осадок карбоната кальция):

  $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$

  При избытке $CO_2$ осадок растворяется, образуя растворимый гидрокарбонат:

  $CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

• Взаимодействует с основными оксидами:

  $CO_2 + Na_2O \rightarrow Na_2CO_3$

• Может быть восстановлен активными металлами или углеродом при высокой температуре. Например, магний горит в атмосфере $CO_2$:

  $CO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} 2MgO + C$

• Участвует в процессе фотосинтеза у растений:

  $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

Ответ: Оксид углерода(IV) — бесцветный газ тяжелее воздуха, являющийся кислотным оксидом. Он реагирует с водой, основаниями и основными оксидами, участвует в фотосинтезе и может быть восстановлен активными восстановителями.

Применение

Области применения оксида углерода(IV) очень разнообразны:

• Пищевая промышленность: для газирования напитков, в качестве консерванта (пищевая добавка E290) и разрыхлителя теста (в составе пекарских порошков).

• Охлаждение: твёрдый $CO_2$ ("сухой лед") используется как хладагент для перевозки и хранения замороженных продуктов, медицинских препаратов и в научных исследованиях.

• Пожаротушение: углекислотные огнетушители применяются для тушения пожаров, особенно на электроустановках, так как $CO_2$ не проводит электрический ток, не оставляет следов и, будучи тяжелее воздуха, вытесняет кислород из зоны горения.

• Химическая промышленность: используется в синтезе мочевины (карбамида) — важного азотного удобрения, а также в производстве соды.

  $CO_2 + 2NH_3 \xrightarrow{p, t} (NH_2)_2CO + H_2O$

• Сельское хозяйство: для подкормки растений в теплицах с целью повышения урожайности.

• Другие области: в качестве защитной среды при сварке металлов, в $CO_2$-лазерах, для создания сценических эффектов (дым).

Ответ: Оксид углерода(IV) применяется в пищевой промышленности (газирование, консервант), в качестве хладагента ("сухой лед"), в огнетушителях, в химическом синтезе (производство мочевины) и для повышения урожайности в теплицах.

4. Какой из газов — $CO_2$ или $CO$ — тяжелее воздуха? Ответ подтвердите расчётом плотности обоих газов по воздуху.

Дано:

Углекислый газ (формула $CO_2$)
Угарный газ (формула $CO$)
Средняя молярная масса воздуха $M_{воздуха} \approx 29 \text{ г/моль}$

Найти:

Какой из газов ($CO_2$ или $CO$) тяжелее воздуха, подтвердив ответ расчетом относительной плотности по воздуху ($D_{воздуха}$).

Решение:

Чтобы определить, какой газ тяжелее воздуха, необходимо сравнить их молярные массы со средней молярной массой воздуха. Относительная плотность газа по воздуху ($D_{воздуха}$) — это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз газ тяжелее или легче воздуха. Она рассчитывается как отношение молярной массы газа к средней молярной массе воздуха.

$D_{воздуха}(газ) = \frac{M(газ)}{M_{воздуха}}$

Если $D > 1$, газ тяжелее воздуха. Если $D < 1$, газ легче воздуха.

Сначала найдем молярные массы углекислого и угарного газов, используя относительные атомные массы из периодической таблицы: $A_r(C) = 12$, $A_r(O) = 16$.

1. Молярная масса углекислого газа ($CO_2$):
$M(CO_2) = A_r(C) + 2 \cdot A_r(O) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$.

2. Молярная масса угарного газа ($CO$):
$M(CO) = A_r(C) + A_r(O) = 12 + 16 = 28 \text{ г/моль}$.

3. Теперь рассчитаем относительные плотности обоих газов по воздуху, зная, что $M_{воздуха} = 29 \text{ г/моль}$.

Относительная плотность углекислого газа по воздуху:
$D_{воздуха}(CO_2) = \frac{M(CO_2)}{M_{воздуха}} = \frac{44}{29} \approx 1,52$.

Относительная плотность угарного газа по воздуху:
$D_{воздуха}(CO) = \frac{M(CO)}{M_{воздуха}} = \frac{28}{29} \approx 0,97$.

4. Сравним полученные значения с единицей.

Так как $D_{воздуха}(CO_2) \approx 1,52 > 1$, то углекислый газ тяжелее воздуха.

Так как $D_{воздуха}(CO) \approx 0,97 < 1$, то угарный газ немного легче воздуха.

Следовательно, из двух газов углекислый газ тяжелее воздуха.

Ответ: углекислый газ тяжелее воздуха. Расчет показывает, что относительная плотность углекислого газа по воздуху $D_{воздуха}(CO_2) \approx 1,52$, а угарного газа $D_{воздуха}(CO) \approx 0,97$.

5. Вспомните, какое строение имеют молекулы $\text{CO}$ и $\text{CO}_2$. Нарисуйте в тетради схемы образования этих молекул.

Строение молекулы CO (оксид углерода(II) или угарный газ)

Молекула оксида углерода(II), или угарного газа, состоит из одного атома углерода ($C$) и одного атома кислорода ($O$).
Электронное строение валентных оболочек атомов:

• Атом углерода ($C$): $2s^22p^2$, имеет 4 валентных электрона.
• Атом кислорода ($O$): $2s^22p^4$, имеет 6 валентных электронов.

Для достижения стабильной электронной конфигурации (октета) каждому атому необходимо 8 электронов на внешней оболочке.

Схема образования:

Образование химических связей в молекуле $CO$ происходит в два этапа с использованием двух механизмов:

1. Обменный механизм: Атом углерода и атом кислорода имеют по два неспаренных электрона. Они образуют две общие электронные пары, формируя двойную ковалентную связь. На этом этапе атом кислорода достигает октета (2 общие пары + 2 неподеленные пары = 8 электронов), а у атома углерода на внешней оболочке оказывается только 6 электронов (2 общие пары + 1 неподеленная пара).
2. Донорно-акцепторный механизм: Для того чтобы атом углерода также завершил свой внешний электронный слой до октета, атом кислорода предоставляет свою неподеленную электронную пару для образования третьей связи. В этой связи кислород выступает донором электронной пары, а углерод — акцептором.

Таким образом, между атомами углерода и кислорода образуется тройная связь, состоящая из двух ковалентных связей, образованных по обменному механизму, и одной — по донорно-акцепторному.

Структурная формула (формула Льюиса) выглядит так: $:C \equiv O:$.
Химическая связь: тройная ковалентная полярная.
Геометрия молекулы: линейная, так как молекула двухатомная.

Ответ: В молекуле $CO$ атомы углерода и кислорода соединены тройной ковалентной полярной связью. Две связи образованы по обменному механизму, а одна — по донорно-акцепторному (донор — кислород, акцептор — углерод). Молекула имеет линейное строение.

Строение молекулы CO₂ (оксид углерода(IV) или углекислый газ)

Молекула оксида углерода(IV), или углекислого газа, состоит из одного атома углерода ($C$) и двух атомов кислорода ($O$).
Электронное строение валентных оболочек атомов:

• Атом углерода ($C$): $2s^22p^2$, имеет 4 валентных электрона.
• Атом кислорода ($O$): $2s^22p^4$, имеет 6 валентных электронов.

Схема образования:
В молекуле $CO_2$ атом углерода является центральным. Он образует связи с двумя атомами кислорода. Атом углерода использует все четыре своих валентных электрона для образования четырех ковалентных связей. Он формирует по две общие электронные пары с каждым из атомов кислорода. В свою очередь, каждый атом кислорода предоставляет по два электрона для образования этих связей.
В результате образуются две двойные связи ($C=O$). При таком строении и атом углерода, и оба атома кислорода имеют на внешней оболочке по 8 электронов, то есть достигают стабильного октета.

Структурная формула (формула Льюиса) выглядит так: $:Ö=C=Ö:$.
Химическая связь: двойная ковалентная полярная (связь $C=O$). Однако молекула в целом является неполярной.
Геометрия молекулы: линейная. Атомы расположены на одной прямой ($O=C=O$), валентный угол составляет $180°$. Связи $C=O$ полярны, так как кислород более электроотрицателен, чем углерод. Но из-за симметричного линейного строения дипольные моменты двух связей направлены в противоположные стороны и взаимно компенсируют друг друга. Поэтому вся молекула $CO_2$ неполярна.

Ответ: В молекуле $CO_2$ центральный атом углерода соединён с двумя атомами кислорода двумя двойными ковалентными полярными связями. Молекула имеет линейное строение ($O=C=O$) и является неполярной из-за своей симметрии.

6. Запишите молекулярные уравнения реакций, соответствующие каждому из приведенных ионных уравнений:

а) $Ca^{2+} + CO_{3}^{2-} = CaCO_{3}\downarrow$

б) $CO_{2} + OH^{-} = HCO_{3}^{-}$

в) $CO_{2} + 2OH^{-} = CO_{3}^{2-} + H_{2}O$

г) $HCO_{3}^{-} + H^{+} = H_{2}O + CO_{2}\uparrow$

д) $MgCO_{3} + 2H^{+} = Mg^{2+} + CO_{2}\uparrow + H_{2}O$

е) $CO_{3}^{2-} + 2H^{+} = CO_{2}\uparrow + H_{2}O$

а) Данное сокращенное ионное уравнение $Ca^{2+} + CO_3^{2-} = CaCO_3 \downarrow$ описывает реакцию между ионами кальция и карбонат-ионами с образованием нерастворимого осадка. Для составления молекулярного уравнения необходимо подобрать растворимые реагенты, которые при диссоциации в воде образуют эти ионы. Например, можно взять растворимую соль кальция, такую как хлорид кальция ($CaCl_2$), и растворимый карбонат, например, карбонат натрия ($Na_2CO_3$). При их взаимодействии образуется осадок карбоната кальция и растворимая соль хлорид натрия, ионы которой ($Na^+$ и $Cl^-$) не участвуют в реакции и сокращаются.
Ответ: $CaCl_2 + Na_2CO_3 = CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

б) Ионное уравнение $CO_2 + OH^{-} = HCO_3^{-}$ показывает реакцию углекислого газа (кислотного оксида) с гидроксид-ионом с образованием гидрокарбонат-иона. Такая реакция происходит при взаимодействии углекислого газа с раствором щелочи, когда $CO_2$ находится в избытке по отношению к щелочи. В качестве источника гидроксид-ионов $OH^{-}$ можно использовать гидроксид натрия $NaOH$. Продуктом будет кислая соль — гидрокарбонат натрия $NaHCO_3$.
Ответ: $CO_2 + NaOH = NaHCO_3$

в) Уравнение $CO_2 + 2OH^{-} = CO_3^{2-} + H_2O$ отражает полную нейтрализацию угольной кислоты щелочью, что происходит при избытке щелочи. На это указывает стехиометрический коэффициент 2 перед ионом $OH^{-}$. В качестве щелочи можно взять гидроксид калия $KOH$. В результате реакции образуется средняя соль (карбонат калия $K_2CO_3$) и вода.
Ответ: $CO_2 + 2KOH = K_2CO_3 + H_2O$

г) Уравнение $HCO_3^{-} + H^{+} = H_2O + CO_2 \uparrow$ описывает взаимодействие гидрокарбонат-иона с ионом водорода $H^{+}$ (т.е. с сильной кислотой), в результате чего образуются слабая и неустойчивая угольная кислота, которая сразу разлагается на воду и углекислый газ. В качестве реагентов можно взять гидрокарбонат натрия $NaHCO_3$ (источник $HCO_3^{-}$) и соляную кислоту $HCl$ (источник $H^{+}$). Продуктами, помимо воды и углекислого газа, будет соль, образованная "ионами-наблюдателями" — хлорид натрия $NaCl$.
Ответ: $NaHCO_3 + HCl = NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

д) Ионное уравнение $MgCO_3 + 2H^{+} = Mg^{2+} + CO_2 \uparrow + H_2O$ показывает растворение нерастворимого карбоната магния в сильной кислоте. Так как $MgCO_3$ — твердое вещество, оно записывается в ионном уравнении в молекулярном виде. В качестве сильной кислоты (источника $H^{+}$) можно использовать, например, азотную кислоту $HNO_3$. Продуктами реакции будут растворимая соль нитрат магния $Mg(NO_3)_2$, вода и углекислый газ.
Ответ: $MgCO_3 + 2HNO_3 = Mg(NO_3)_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$

е) Уравнение $CO_3^{2-} + 2H^{+} = CO_2 \uparrow + H_2O$ представляет собой реакцию ионного обмена между растворимым карбонатом и сильной кислотой. Можно взять карбонат калия $K_2CO_3$ (источник $CO_3^{2-}$) и серную кислоту $H_2SO_4$ (источник $H^{+}$). В результате образуются вода, углекислый газ и растворимая соль сульфат калия $K_2SO_4$, ионы которой ($K^+$ и $SO_4^{2-}$) сокращаются при переходе к сокращенному ионному уравнению.
Ответ: $K_2CO_3 + H_2SO_4 = K_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$

7. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

a) $CO_2 \to CaCO_3 \to Ca(HCO_3) \to CO_2 \to CO$

б) $C \to CO_2 \to Na_2CO_3 \to BaCO_3 \to CO_2$

Для реакций, протекающих в растворах, запишите ионные уравнения. В уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислители и восстановители.

а) $CO_2 \rightarrow CaCO_3 \rightarrow Ca(HCO_3)_2 \rightarrow CO_2 \rightarrow CO$

1. $CO_2 \rightarrow CaCO_3$

Для получения карбоната кальция из оксида углерода(IV) необходимо пропустить газ через раствор гидроксида кальция (известковую воду). Это качественная реакция на углекислый газ.

Молекулярное уравнение реакции:

$CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$

Реакция протекает в растворе. Полное ионное уравнение:

$CO_2 + Ca^{2+} + 2OH^- \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение совпадает с полным, так как $CO_2$ и $H_2O$ — малодиссоциирующие вещества, а $CaCO_3$ — нерастворимый осадок.

2. $CaCO_3 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

Чтобы перевести нерастворимый карбонат кальция в растворимый гидрокарбонат, необходимо продолжить пропускать углекислый газ через раствор в присутствии воды. Осадок растворится.

Молекулярное уравнение реакции:

$CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

Так как в реакции участвует твердое вещество ($CaCO_3$), а продуктом является растворимая соль, ионное уравнение записывается следующим образом:

$CaCO_3(s) + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca^{2+} + 2HCO_3^-$

3. $Ca(HCO_3)_2 \rightarrow CO_2$

Гидрокарбонат кальция — термически неустойчивое соединение. При нагревании раствора он разлагается с образованием исходного карбоната кальция, воды и углекислого газа.

Молекулярное уравнение реакции:

$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$

Реакция протекает в растворе. Полное и сокращенное ионные уравнения совпадают:

$Ca^{2+} + 2HCO_3^- \xrightarrow{t} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$

4. $CO_2 \rightarrow CO$

Для получения угарного газа (оксида углерода(II)) из углекислого газа (оксида углерода(IV)) необходимо провести реакцию восстановления. В качестве восстановителя при высокой температуре используют уголь (кокс).

Молекулярное уравнение реакции:

$CO_2 + C \xrightarrow{t} 2CO$

Это окислительно-восстановительная реакция (компропорционирование). Составим электронный баланс:

$C^{+4} + 2e^- \rightarrow C^{+2}$ | 1 (процесс восстановления)

$C^{0} - 2e^- \rightarrow C^{+2}$ | 1 (процесс окисления)

Окислитель: $C^{+4}$ (в составе $CO_2$). Восстановитель: $C^{0}$ (углерод).

Ответ:

1. $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$

2. $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

3. $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$

4. $CO_2 + C \xrightarrow{t} 2CO$

б) $C \rightarrow CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 \rightarrow BaCO_3 \rightarrow CO_2$

1. $C \rightarrow CO_2$

Оксид углерода(IV) получают сжиганием угля в избытке кислорода.

Молекулярное уравнение реакции:

$C + O_2 \xrightarrow{t} CO_2$

Это окислительно-восстановительная реакция. Составим электронный баланс:

$C^0 - 4e^- \rightarrow C^{+4}$ | 1 (процесс окисления)

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 (процесс восстановления)

Окислитель: $O_2$ (кислород). Восстановитель: $C$ (углерод).

2. $CO_2 \rightarrow Na_2CO_3$

Карбонат натрия можно получить, пропуская углекислый газ через раствор гидроксида натрия.

Молекулярное уравнение реакции:

$CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

Реакция протекает в растворе. Полное ионное уравнение:

$CO_2 + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-} + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:

$CO_2 + 2OH^- \rightarrow CO_3^{2-} + H_2O$

3. $Na_2CO_3 \rightarrow BaCO_3$

Для получения нерастворимого карбоната бария к раствору карбоната натрия нужно добавить раствор любой растворимой соли бария, например, хлорида бария.

Молекулярное уравнение реакции:

$Na_2CO_3 + BaCl_2 \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2NaCl$

Реакция протекает в растворе. Полное ионное уравнение:

$2Na^+ + CO_3^{2-} + Ba^{2+} + 2Cl^- \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-$

Сокращенное ионное уравнение:

$Ba^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow BaCO_3\downarrow$

4. $BaCO_3 \rightarrow CO_2$

Углекислый газ можно получить из карбоната бария действием сильной кислоты, например, соляной.

Молекулярное уравнение реакции:

$BaCO_3 + 2HCl \rightarrow BaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

Реакция протекает с участием твердого вещества. Полное ионное уравнение:

$BaCO_3(s) + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Ba^{2+} + 2Cl^- + H_2O + CO_2\uparrow$

Сокращенное ионное уравнение:

$BaCO_3(s) + 2H^+ \rightarrow Ba^{2+} + H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ:

1. $C + O_2 \xrightarrow{t} CO_2$

2. $CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

3. $Na_2CO_3 + BaCl_2 \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2NaCl$

4. $BaCO_3 + 2HCl \rightarrow BaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

8. Какую массу известняка, содержащего 92 % карбоната кальция, необходимо взять для прокаливания, чтобы получить 156,8 л углекислого газа (н. у.)?

Дано:

$\omega(\text{CaCO}_3 \text{ в известняке}) = 92\% = 0.92$
$V(\text{CO}_2) = 156,8 \text{ л}$ (н. у. - нормальные условия)

Найти:

$m(\text{известняка}) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение химической реакции прокаливания известняка. Активным компонентом, который разлагается при нагревании, является карбонат кальция ($\text{CaCO}_3$):

$\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t} \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow$

2. Найдем количество вещества (в молях) углекислого газа ($\text{CO}_2$), который выделился в ходе реакции. При нормальных условиях (н. у.) молярный объем любого газа ($V_m$) составляет 22,4 л/моль.

$n(\text{CO}_2) = \frac{V(\text{CO}_2)}{V_m} = \frac{156,8 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 7 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции видно, что из 1 моль карбоната кальция образуется 1 моль углекислого газа. Следовательно, их количества вещества соотносятся как 1:1.

$n(\text{CaCO}_3) = n(\text{CO}_2) = 7 \text{ моль}$

4. Рассчитаем массу чистого карбоната кальция, необходимого для получения 7 моль $\text{CO}_2$. Сначала определим молярную массу $\text{CaCO}_3$:

$M(\text{CaCO}_3) = M(\text{Ca}) + M(\text{C}) + 3 \times M(\text{O}) = 40 + 12 + 3 \times 16 = 100 \text{ г/моль}$

Теперь найдем массу чистого $\text{CaCO}_3$:

$m(\text{CaCO}_3) = n(\text{CaCO}_3) \times M(\text{CaCO}_3) = 7 \text{ моль} \times 100 \text{ г/моль} = 700 \text{ г}$

5. Масса чистого карбоната кальция составляет 92% от общей массы известняка. Зная это, мы можем найти общую массу известняка. Массовая доля ($\omega$) связана с массами компонента и смеси формулой:

$\omega(\text{CaCO}_3) = \frac{m(\text{CaCO}_3)}{m(\text{известняка})}$

Выразим из формулы массу известняка:

$m(\text{известняка}) = \frac{m(\text{CaCO}_3)}{\omega(\text{CaCO}_3)} = \frac{700 \text{ г}}{0,92} \approx 760,87 \text{ г}$

Ответ: для прокаливания необходимо взять 760,87 г известняка.

9. В сказке В. Ф. Одоевского «Мороз Иванович» Мороз говорит Рукодельнице:
«...ведь я знаю, есть такие неряхи, что печку истопить истопят, а трубу... закроют, да не вовремя, когда ещё не все угольки прогорели, а оттого в горнице угарно бывает, голова у людей болит, в глазах зелено; даже от угара умереть можно».
От какого вещества «в горнице угарно бывает»? Откуда оно берётся? Подготовьте презентацию об угарном газе.

От какого вещества «в горнице угарно бывает»?

В горнице становится «угарно» от угарного газа, который также называют оксидом углерода(II) или монооксидом углерода. Его химическая формула – $CO$. Это очень ядовитый газ без цвета и запаха, что делает его особенно опасным.

Ответ: Вещество, от которого «в горнице угарно бывает» – это угарный газ ($CO$).

Откуда оно берётся?

Решение

Угарный газ образуется в результате неполного сгорания топлива, содержащего углерод (например, дров или угля). Это происходит при недостатке кислорода. В сказке Мороз Иванович говорит о ситуации, когда печную трубу (дымоход) закрывают слишком рано, «когда ещё не все угольки прогорели».

При полном сгорании углерода (при достаточном доступе кислорода) образуется относительно безвредный углекислый газ:

$C + O_2 \rightarrow CO_2$

Когда же заслонку дымохода закрывают, приток воздуха к тлеющим углям ограничивается. В условиях нехватки кислорода начинается процесс неполного сгорания, в результате которого образуется ядовитый угарный газ:

$2C + O_2 \rightarrow 2CO$

Поскольку выход для дыма закрыт, угарный газ не уходит на улицу, а накапливается в помещении («горнице»), вызывая отравление.

Ответ: Угарный газ берётся от неполного сгорания углей в печи при недостатке кислорода, вызванном преждевременно закрытой печной трубой.

Подготовьте презентацию об угарном газе.

Слайд 1: Угарный газ – тихий убийца

• Химическая формула: $CO$ (оксид углерода(II)).
• Физические свойства: бесцветный газ, не имеющий вкуса и запаха.
• Опасность: чрезвычайно ядовит и незаметен для органов чувств человека.

Слайд 2: Источники угарного газа

• Образуется при неполном сгорании любого вида топлива: дров, угля, природного газа, бензина, керосина.
• Основные бытовые источники:
• Неисправные печи и камины (особенно при раннем закрытии заслонки).
• Газовые колонки и плиты с плохой вентиляцией.
• Работающие двигатели автомобилей в закрытых гаражах.
• Использование грилей или мангалов в помещении.
• Пожары.

Слайд 3: Механизм отравления

• При вдыхании угарный газ попадает в кровь.
• Он связывается с гемоглобином, который отвечает за перенос кислорода ($O_2$) к тканям.
• Сродство гемоглобина к $CO$ в 200–300 раз выше, чем к кислороду.
• Образуется стойкое соединение – карбоксигемоглобин ($HbCO$).
• Кровь теряет способность доставлять кислород к жизненно важным органам (мозгу, сердцу), что приводит к кислородному голоданию (гипоксии).

Слайд 4: Симптомы отравления

• Лёгкая степень: головная боль (особенно в области лба и висков), головокружение, шум в ушах, тошнота, рвота, слабость. Эти симптомы часто путают с гриппом.
• Средняя степень: спутанность сознания, нарушение зрения (упомянутое в сказке «в глазах зелено»), шаткость походки, сонливость, потеря сознания.
• Тяжёлая степень: судороги, кома, остановка дыхания и сердца, смерть.

Слайд 5: Первая помощь и профилактика

• Первая помощь:
  1. Немедленно вынести пострадавшего на свежий воздух.
  2. Вызвать скорую помощь (103 или 112).
  3. Расстегнуть стесняющую одежду.
  4. При отсутствии дыхания у пострадавшего приступить к сердечно-лёгочной реанимации.
• Профилактика:
  1. Регулярно проверяйте исправность печного отопления, газовых приборов и вентиляционных каналов.
  2. Не закрывайте печную заслонку, пока угли полностью не прогорят.
  3. Установите в доме датчики угарного газа.
  4. Никогда не используйте приборы для сжигания топлива в непроветриваемых помещениях.

Ответ: Представлена структура презентации об угарном газе, его свойствах, опасности, симптомах отравления и мерах профилактики.