Решебник по химии 9 класс Габриелян §21

Кислородные соединения углерода

Стр. 110

Вопрос

При образовании химических связей с кислородом углерод принимает положительные степени окисления: +4 и реже +2. Какие окислительно-восстановительные свойства характеризуют эти соединения? В каких реакциях углерод не меняет свою степень окисления?

Углерод может проявлять два основных окислительно-восстановительных свойства, когда находится в разных степенях окисления. При окислении углерод чаще всего принимает степень окисления +4, что характерно для углекислого газа (CO₂), или степень окисления +2, как в случае угарного газа (CO). В процессе реакции углерод, имеющий степень окисления +4, может восстановиться, отдавая электроны и снижая свою степень окисления.

Например, в реакции с угарным газом углерод может восстанавливать оксид углерода(IV), что приведёт к образованию угарного газа:

(2CO + o₂ → 2co₂)

С другой стороны, углерод в своей низшей степени окисления (+2) может восстанавливать металлы, приводя к их восстановлению. Примером может служить восстановление меди из оксида меди(II):

(C + CuO → Cu + CO₂)

Когда углерод не меняет свою степень окисления, это происходит в реакции с кислородом, например, при горении углерода в избытке кислорода:

(C + O₂ → CO₂)

Здесь углерод сохраняет свою степень окисления +4 и не участвует в восстановительных процессах, а непосредственно окисляется.

Стр. 111

Лабораторный опыт 39

Соберите прибор для получения газов. Поместите в прибор кусочек мрамора, прилейте 3-4 мл соляной кислоты. Закройте прибор пробкой с изогнутой газоотводной трубкой. Пропустите углекислый газ через 3-4 мл воды с несколькими каплями лакмусовой жидкости. Что наблюдаете? О чём свидетельствует изменение окраски индикатора? Осторожно нагрейте содержимое пробирки. Что наблюдаете? Почему окраска индикатора снова изменилась? Сделайте вывод об устойчивости угольной кислоты.

В ходе эксперимента при добавлении соляной кислоты к мрамору происходит химическая реакция, в результате которой выделяется углекислый газ:

(СаCO₃ + 2HCl → СаCl₂ + CO₂ + H₂O)

Углекислый газ проходит через воду с лакмусом, что приводит к изменению цвета индикатора. Поскольку углекислый газ растворяется в воде, он образует угольную кислоту (H₂CO₃), которая является слабой кислотой. При этом индикатор, вероятно, меняет цвет, указывая на повышение кислотности (лакмус становится красным).

При нагревании пробирки углекислый газ (CO₂) начинает выделяться из воды, так как угольная кислота диссоциирует, образуя CO₂ и H₂O. Это приводит к снижению кислотности раствора, и лакмусовая бумага снова меняет цвет на синий (что свидетельствует о менее кислой среде).

Из этого следует, что угольная кислота является неустойчивым соединением, которое при нагревании разлагается на углекислый газ и воду.

Стр. 114

Проверьте свои знания

1. Какие оксиды образует углерод? К каким группам оксидов они относятся?

Углерод образует два оксида: углекислый газ (CO₂) и угарный газ (CO). Эти оксиды относятся к двум разным группам оксидов. Углекислый газ (CO₂) является кислотным оксидом, так как при растворении в воде образует угольную кислоту (H₂CO₃). В свою очередь, угарный газ (CO) — это нейтральный оксид, так как он не образует кислотных или основных растворов и не проявляет характерных кислотных или восстановительных свойств.

(Ко₂ + H₂O → H₂CO₃)

2. Опишите получение и свойства оксида углерода(II). Ответ подтвердите уравнением соответствующей реакции.

Оксид углерода(II), или угарный газ (CO), можно получить путём восстановления углекислого газа углеродом в высокотемпературных печах:

(4C + co₂ → 2CO)

Он является бесцветным, безвкусным и легко токсичным газом. Угарный газ реагирует с кислородом, образуя углекислый газ:

(2CO + o₂ → 2co₂)

3. Опишите получение, свойства и применение оксида углерода(IV). Ответ подтвердите уравнением соответствующей реакции.

Оксид углерода(IV), или углекислый газ (CO₂), образуется при полном сгорании углерода или углеводородов в кислороде:

(C + O₂ → CO₂)

Углекислый газ — это бесцветный газ с кисловатым запахом, который не поддерживает горение. Он используется в различных отраслях: для создания газов для газирования напитков, в медицинских целях (для дыхательной терапии), в пищевой промышленности, а также в качестве хладагента в системах охлаждения.

(3CO₂ + H₂O → H₂CO₃)

Это кислотный оксид, так как при растворении в воде он образует угольную кислоту, которая проявляет слабые кислотные свойства.

Стр. 114

Примените свои знания

4. Какой из газов — углекислый или угарный — тяжелее воздуха? Ответ подтвердите расчётом плотности обоих газов по отношению к воздуху.

Плотность углекислого газа (CO₂) можно рассчитать по формуле:

ρ = M / V, где M — молекулярная масса, V — объем.

Молекулярная масса CO₂ = 44 г/моль. Плотность углекислого газа относительно воздуха будет равна:

ρ(CO₂) = 44 г/моль / 22,4 л/моль ≈ 1,96 г/л.

Плотность угарного газа (CO) также можно рассчитать по формуле:

Молекулярная масса CO = 28 г/моль. Плотность угарного газа относительно воздуха будет равна:

ρ(CO) = 28 г/моль / 22,4 л/моль ≈ 1,25 г/л.

Вывод: углекислый газ (CO₂) тяжелее угарного газа (CO).

5. Вспомните, как устроены молекулы CO и CO₂. Нарисуйте в тетради схемы образования этих молекул.

CO (угарный газ): молекула CO состоит из двух атомов — углерода (C) и кислорода (O). Строение молекулы CO — линейное, с одной двойной связью между углеродом и кислородом.

Схема: C≡O

CO₂ (углекислый газ): молекула CO₂ также линейная. Она состоит из одного атома углерода (C), связанного двумя одинарными связями с двумя атомами кислорода (O).

Схема: O=C=O

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

а) Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃

Молекулярное уравнение:

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2NaCl

б) CO₂ + OH⁻ → HCO₃⁻

Молекулярное уравнение:

CO₂ + H₂O → HCO₃⁻ + H⁺

в) CO₂ + 2OH⁻ → CO₃²⁻ + H₂O

Молекулярное уравнение:

CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O

г) HCO₃⁻ + H⁺ → CO₂ + H₂O

Молекулярное уравнение:

HCO₃⁻ + HCl → CO₂ + H₂O + Cl⁻

д) MgCO₃ + 2H⁺ → Mg²⁺ + CO₂ + H₂O

Молекулярное уравнение:

MgCO₃ + 2HCl → MgCl₂ + CO₂ + H₂O

e) CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂ + H₂O

Молекулярное уравнение:

CO₃²⁻ + 2HCl → CO₂ + H₂O + Cl⁻

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

а) CO₂ → CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂ → CO₂ → CO

б) CO₂ → CaO → Na₂CO₃ → BaCO₃ → CO₂

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

а) CO₂ → CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂ → CO₂ → CO

Молекулярные уравнения:

co₂ + CaO → caco₃

(Оксид кальция вступает в реакцию с углекислым газом, образуя карбонат кальция.)

CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂

(Карбонат кальция при растворении в воде с углекислым газом образует гидрокарбонат кальция.)

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

(Гидрокарбонат кальция распадается на карбонат кальция, углекислый газ и воду.)

caco₃ → CaO + co₂

(При нагревании карбонат кальция разлагается на оксид кальция и углекислый газ.)

CO + O₂ → CO₂

(Угарный газ с кислородом образует углекислый газ.)

б) CO₂ → CaO → Na₂CO₃ → BaCO₃ → CO₂

Молекулярные уравнения:

co₂ + CaO → caco₃

(Углекислый газ взаимодействует с оксидом кальция, образуя карбонат кальция.)

CaCO₃ + Na₂CO₃ → Na₂CO₃ + BaCO₃

(Карбонат кальция вступает в реакцию с углекислым газом, образуя карбонат натрия.)

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

Известно, что:

• Молекулярная масса CaCO₃ (карбоната кальция) = 100 г/моль

• Молекулярная масса CO₂ (углекислого газа) = 44 г/моль

• При прокаливании 1 моля CaCO₃ образуется 1 моль CO₂.

Чтобы получить 156,8 л углекислого газа при нормальных условиях, необходимо найти количество вещества:

1 моль газа при нормальных условиях занимает 22,4 л. Тогда количество вещества CO₂:

156,8 л / 22,4 л/моль = 7 моль CO₂.

Количество вещества CaCO₃, которое нужно взять для получения 7 моль CO₂:

7 моль CaCO₃.

Масса 7 моль CaCO₃:

7 моль × 100 г/моль = 700 г CaCO₃.

Поскольку известняк содержит 92% карбоната кальция, необходимая масса известняка:

700 г / 0,92 ≈ 760,87 г.

Ответ: для получения 156,8 л углекислого газа необходимо взять примерно 760,87 г известняка.

Стр. 114

Используйте дополнительную информацию

9. В сказке В. Ф. Одоевского «Мороз Иванович» Мороз говорит Рукодельнице: «...ведь я знаю, что есть такие нервные, что истопят печку, а трубу... закроют не вовремя, когда ещё не все угольки прогорят, а оттого в горнице бывает угарно, у людей голова болит, в глазах зеленеет; даже от угара можно умереть».

От какого вещества «в горнице бывает угарный дух»? Откуда он берётся? Подготовьте презентацию об угарном газе.

В сказке В. Ф. Одоевского «Мороз Иванович» упоминается угарный дух, который появляется из-за недостаточной вентиляции при сгорании топлива. Это вещество — угарный газ (CO), который образуется при неполном сгорании углерода в топливе, таком как уголь, дрова или древесные отходы.

Угарный газ — это бесцветный, не имеющий запаха ядовитый газ, который образуется, когда топливо не сгорает полностью из-за недостатка кислорода. Это может происходить, если в печи или камине слишком мало кислорода для полного окисления углерода в угле до углекислого газа (CO₂). В таких случаях углерод окисляется лишь частично, образуя угарный газ.

Когда угарный газ скапливается в плохо проветриваемых помещениях, он может попасть в организм человека, вызывая головные боли, головокружение и даже удушье, что может привести к смерти при высокой концентрации газа в воздухе.

Презентация по теме «Угарный газ»

Стр. 115

Практическая работа 5

В ходе лабораторного опыта по получению углекислого газа в первую пробирку добавили 20 капель дистиллированной воды и 3-4 капли раствора филоферного лака, а во вторую пробирку — 20 капель раствора известковой щёлочи. Реакции протекали следующим образом. В пробирке с раствором филоферного лака образовался лак в молекулярной и ионной формах:

(2FeCl₃ + 6H₂O → 2FeCl₃•6H₂O) — молекулярное уравнение (2Fe³⁺ + 6H₂O → 2FeCl₃•6H₂O) — ионное уравнение.

В ходе дальнейшего эксперимента, когда смесь газов пропускали через известняк, происходило выделение углекислого газа и образование раствора известковой щёлочи. Реакции проходили по следующему уравнению:

(2CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O) — молекулярное уравнение (CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + CO₂ + H₂O) — ионное уравнение.

Затем был добавлен раствор, который позволил выделить углекислый газ, и реакция прошла через воду:

(CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O) — молекулярное уравнение (CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + CO₂ + H₂O) — ионное уравнение.

В завершение, при реакции с водой углекислый газ образовал раствор известковой щёлочи:

(CaCO₃ + H₂O → Ca(OH)₂ + CO₂) — молекулярное уравнение (CaCO₃ + H₂O → Ca²⁺ + CO₂ + OH⁻) — ионное уравнение.

Отчет о проведенных реакциях, а также об их результатах оформлен в соответствии с методическими указаниями.