Плотность углекислого газа

Плотность углекислого газа и другие его физические свойства

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углекислый газ (оксид углерода (IV), диоксид углерода, двуокись углерода) в обычных условиях представляет собой бесцветный газ, тяжелее воздуха, термически устойчивый, а при сжатии и охлаждении легко переходящий в жидкое и твердое («сухой лед») состояния.

Он плохо растворяется в воде, частично реагируя с ней.

Основные константы углекислого газа приведены в таблице ниже.

Таблица 1. Физические свойства и плотность углекислого газа.

Плотность, кг/м³	1,9768
Удельная теплота плавления, кДж/моль	25,13
Динамическая вязкость, Па×с	8,5×10^-5
Молярная масса, г/моль	44,01

Углекислый газ играет важную роль в биологических (фотосинтез), природных (парниковый эффект) и геохимических (растворение в океанах и образование карбонатов) процессах. В больших количествах он поступает в окружающую среду в результате сжигания органического топлива, гниения отходов и др.

Химический состав и строение молекулы углекислого газа

Химический состав молекулы углекислого газа выражается эмпирической формулой CO₂. Молекула диоксида углерода (рис. 1) линейная, что соответствует минимальному отталкиванию связывающих электронных пар, длина связи С=Щ равна 0,116 нм, а её средняя энергия – 806 кДж/моль. В рамках метода валентных связей две σ-связи С-О образованы sp-гибридизованнойорбиталью атома углерода и 2p_z – орбиталями атомов кислорода. Не участвующие в sp-гибридизации 2p_x— и 2p_y-орбитали атома углерода перекрываются с аналогичными орбиталями атомов кислорода. При этом образуются две π-орбитали, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Рис. 1. Строение молекулы углекислого газа.

Благодаря симметричному расположению атомов кислорода молекула CO₂ неполярная, поэтому диоксид мало растворим в воде (один объем CO₂ в одном объеме H₂O при 1 атм и 15^oС). Неполярность молекулы приводит к слабым межмолекулярным взаимодействия и низкой температуре тройной точки: t = -57,2^oС и P = 5,2 атм.

Краткое описание химических свойств и плотность углекислого газа

Химически углекислый газ инертен, что обусловлено высокой энергией связей O=C=O. С сильными восстановителями при высоких температурах диоксид углерода проявляет окислительные свойства. Углем он восстанавливается до угарного газа CO:

C + CO₂ = 2CO (t = 1000^oC).

Магний, зажженный на воздухе, продолжает гореть и в атмосфре углекислого газа:

CO₂ + 2Mg = 2MgO + C.

Оксид углерода (IV) частично реагирует с водой:

CO₂(l) + H₂O = CO₂×H₂O(l) ↔ H₂CO₃(l).

Проявляет кислотные свойства:

CO₂ + NaOH_dilute = NaHCO₂;

CO₂ + 2NaOH_conc = Na₂CO₃ + H₂O;

CO₂ + Ba(OH)₂ = BaCO₃↓ + H₂O;

CO₂ + BaCO₃(s) + H₂O = Ba(HCO₃)₂(l).

При нагревании до температуры свыше 2000^oС углекислый раз разлагается:

2CO₂ = 2CO + O₂.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

При сгорании 0,77 г органического вещества, состоящего из углерода, водорода и кислорода, образовалось 2,4 г углекислого газа и 0,7 г воды. Плотность паров вещества по кислороду равна 1,34. Определите молекулярную формулу вещества.

Решение

Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у» и «z» соответственно:

C_xH_yO_z + O_z →CO₂ + H₂O.

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO₂)×M(C) = [m(CO₂) / M(CO₂)]×M(C);

m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H₂O)×M(H) = [2×m(H₂O) / M(H₂O)] ×M(H);

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль.

Тогда,

m(C) = [2,4 / 44]×12 = 0,65 г;

m(H) = 2×0,7 / 18 ×1= 0,08 г.

m(O) = m(C_xH_yO_z) – m(C) – m(H) = 0,77 – 0,65– 0,08 = 0,04 г.

Определим химическую формулу соединения:

x:y:z = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O);

x:y:z = 0,65/12 :0,08/1 : 0,04/16;

x:y:z = 0,054: 0,08: 0,0025 = 22 : 32 : 1.

Значит простейшая формула соединения C₂₂H₃₂O, а его молярная масса равна 46 г/моль [M(C₂₂H₃₂O) = 22×Ar(C) + 32×Ar(H) + Ar(O)= 22×12 + 32×1 + 16 = 264 + 32 + 16 = 312 г / моль].

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по кислороду:

M_substance = M(O₂) × D(O₂)_;

M_substance = 32 × 1,34 = 43 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс:

M_substance / M(C₂₂H₃₂O) = 43 / 312 = 0,13.

Значит все коэффициенты в формуле необходимо умножить на 0,13. Значит молекулярная формула вещества будет иметь вид C₃H₄O.

Ответ

Молекулярная формула вещества C₃H₄O

ПРИМЕР 2

Задание

При сжигании органического вещества массой 10,5 г получили 16,8 л углекислого газ (н.у.) и 13,5 г воды. Плотность паров вещества по воздуху равна 2,9. Выведите молекулярную формулу вещества.

Решение

C_xH_yO_z + O_z →CO₂ + H₂O.

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO₂)×M(C) = [V(CO₂) / V_m)]×M(C);

m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H₂O)×M(H) = [2×m(H₂O) / M(H₂O)] ×M(H);

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль.

Тогда,

m(C) = [16,8 / 22,4]×12 = 9 г;

m(H) = 2×13,5 / 18 ×1= 1,5 г.

m(O) = m(C_xH_yO_z) – m(C) – m(H) = 10,5 – 9 – 1,5 = 0 г.

Определим химическую формулу соединения:

x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H);

x:y = 9/12 : 1,5/1;

x:y = 0,75: 1,5 = 1 : 2.

Значит простейшая формула соединения CH₂, а его молярная масса равна 14 г/моль [M(CH₂) = Ar(C) + 2×Ar(H) = 12 + 2×1 = 12 + 2 = 14 / моль].

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по воздуху:

M_substance = M(air) × D(air)_;

M_substance = 29 × 2,9 = 84 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс:

M_substance / M(CH₂) = 84 / 14 = 6.

Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 6 раз выше, т.е. формула вещества будет иметь вид C₆H₁₂.

Ответ

Молекулярная формула вещества C₆H₁₂

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Советуем прочитать:

Плотность углекислого газа