Физические и химические свойства углекислого газа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

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

Формула – СО₂. 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:

CO₂ + H₂O ↔ CO₂×H₂O(_solution) ↔ H₂CO₃.

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO₂ = 2CO + O₂.

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

CaO + CO₂ = CaCO₃;

Al₂O₃ + 3CO₂ = Al₂(CO₃)₃;

CO₂ + NaOH_(dilute) = NaHCO₃;

CO₂ + 2NaOH_(conc) = Na₂CO₃ + H₂O.

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

CO₂ + 2Mg = C + 2MgO (t $^{\circ}$ );

CO₂ + 2Ca = C + 2CaO (t $^{\circ}$ ).

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

CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O (t $^{\circ}$ , kat = Cu₂O);

CO₂ + C = 2CO (t $^{\circ}$ ).

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

2CO₂ + 2Na₂O₂ = 2Na₂CO₃ + O₂↑.

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:

CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O.

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):

CaCO₃ = CaO + CO₂ (t $^{\circ}$ ) (1);

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O (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:

CaCO₃ + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + CO₂↑ + H₂O.

Содержание чистого (без примесей) карбоната кальция в известняке:

ω(CaCO₃)_cl = 100% — ω_admixture = 100% — 8% = 92% = 0,92.

Тогда, масса чистого карбоната кальция:

m(CaCO₃)_cl = m_limestone × ω(CaCO₃)_cl / 100%;

m(CaCO₃)_cl = 90 × 92 / 100% = 82,8 г.

Количество вещества карбоната кальция равно:

n(CaCO₃) = m(CaCO₃)_cl / M(CaCO₃);

n(CaCO₃) = 82,8 / 100 = 0,83 моль.

Масса азотной кислоты в растворе будет равна:

m(HNO₃) = m(HNO₃)_solution × ω(HNO₃) / 100%;

m(HNO₃) = 200 × 10 / 100% = 20 г.

Количество вещества азотной кислоты кальция равно:

n(HNO₃) = m(HNO₃) / M(HNO₃);

n(HNO₃) = 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(HNO₃): n(CO₂) = 2:1, следовательно n(CO₂) = 1/2×n(HNO₃) = 0,16 моль. Тогда, объем углекислого газа будет равен:

V(CO₂) = n(CO₂)×V_m ;

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:

n = m / M;

n = V / V_m.

Приравняет выражения, записанные справа и выразим объем:

m / M = V / V_m;

V = m×V_m / M.

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

V (CO₂) = 35×22,4 / 44 = 17,82 л.