Но если так отличаются молекулы из одних и тех же атомов, какое же разнообразие должно быть среди молекул из разных атомов! Давай-ка снова поищем в воздухе — может быть, мы найдём там и такие молекулы? Конечно, найдём!
Знаешь, какие молекулы ты выдыхаешь в воздух? (Разумеется, не только ты — все люди и все животные.) Молекулы твоего старого знакомого — углекислого газа! Пузырьки углекислого газа приятно пощипывают язык, когда ты пьёшь газированную воду или лисонад. Кусочки сухого льда, которые кладут в ящики с мороженым, тоже состоят из таких молекул; ведь сухой лёд — это твёрдая углекислота.
В молекуле углекислого газа два атома кислорода присоединились с разных сторон к одному атому углерода. «Углерод» — значит «тот, кто родит уголь». Но углерод рождает не только уголь. Когда ты рисуешь простым карандашом, на бумаге остаются маленькие чешуйки графита — они тоже состоят из атомов углерода. Из них же «сделаны» алмаз и обыкновенная сажа. Снова одни и те же атомы — и совершенно непохожие вещества!
Когда же атомы углерода соединяются не только между собой, но и с «чужими» атомами, тогда рождается столько разных веществ, что их и сосчитать трудно! Особенно много веществ рождается, когда атомы углерода соединяются с атомами самого лёгкого на свете газа — водородаю Все эти вещества называют общим именем — углеводороды, но у каждого углеводорода есть и своё собственное имя.
О простейшем из углеводородов говорится в известных тебе стихах: «А у нас в квартире газ — это раз!» Имя газа, который горит на кухне, — метан. В молекуле метана один атом углерода и четыре атома водорода. В пламени кухонной горелки молекулы метана разрушаются, атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода, и получается уже знакомая тебе молекула углекислого газа. Атомы водорода тоже соединяются с атомами кислорода, и в результате получаются молекулы самого важного и нужного на свете вещества!
Молекулы этого вещества тоже есть в воздухе — их там полным-полно. Между прочим, в какой-то степени и ты к этому причастен, потому что выдыхаешь в воздух эти молекулы вместе с молекулами углекислого газа. Что же это за вещество? Если не догадался, подыши на холодное стекло, и вот оно перед тобой — вода!
Интересности:
Молекула вот такая малюсенькая, что если бы мы выстроили друг за другом сто миллионов молекул воды, то вся эта шеренга запросто поместилась между двух соседних линеек в твоей тетрадке. Но учёным всё-таки удалось узнать, как выглядит молекула воды. Вот её портрет. Правда, она похожа на голову медвежонка Винни-Пуха! Вон как ушки навострила! Конечно, никакие это не ушки, а два атома водорода, присоединившиеся к «голове» — атому кислорода. Но шутки шутками, а действительно — не имеют ли эти «ушки на макушке» какого-нибудь отношения к необыкновенным свойствам воды?
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.
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 CO 2 . 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 CO 2 неполярная, поэтому диоксид мало растворим в воде (один объем CO 2 в одном объеме H 2 O при 1 атм и 15 o С). Неполярность молекулы приводит к слабым межмолекулярным взаимодействия и низкой температуре тройной точки: t = -57,2 o С 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 + CO 2 = 2CO (t = 1000 o C).
Магний, зажженный на воздухе, продолжает гореть и в атмосфре углекислого газа:
CO 2 + 2Mg = 2MgO + C.
Оксид углерода (IV) частично реагирует с водой:
CO 2 (l) + H 2 O = CO 2 ×H 2 O(l) ↔ H 2 CO 3 (l).
Проявляет кислотные свойства:
CO 2 + NaOH dilute = NaHCO 2 ;
CO 2 + 2NaOH conc = Na 2 CO 3 + H 2 O;
CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 ↓ + H 2 O;
CO 2 + BaCO 3 (s) + H 2 O = Ba(HCO 3) 2 (l).
При нагревании до температуры свыше 2000 o С углекислый раз разлагается:
2CO 2 = 2CO + O 2 .
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 |
m(C) = n(C)×M(C) = n(CO 2)×M(C) = ×M(C); m(C) = ×12 = 0,65 г; m(H) = 2×0,7 / 18 ×1= 0,08 г. m(O) = m(C x H y O z) - m(C) - m(H) = 0,77 - 0,65- 0,08 = 0,04 г. 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 C 22 H 32 O, а его молярная масса равна 46 г/моль . Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по кислороду: M substance = M(O 2) × D(O 2) ; M substance = 32 × 1,34 = 43 г/моль. M substance / M(C 22 H 32 O) = 43 / 312 = 0,13. Значит все коэффициенты в формуле необходимо умножить на 0,13. Значит молекулярная формула вещества будет иметь вид C 3 H 4 O. |
| Ответ | Молекулярная формула вещества C 3 H 4 O |
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 | Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у» и «z» соответственно:
C x H y O z + O z →CO 2 + H 2 O. 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(CO 2)×M(C) = ×M(C); m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H 2 O)×M(H) = ×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(CO 2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль; M(H 2 O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль. m(C) = ×12 = 9 г; m(H) = 2×13,5 / 18 ×1= 1,5 г. m(O) = m(C x H y O 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 CH 2 , а его молярная масса равна 14 г/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(CH 2) = 84 / 14 = 6. Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 6 раз выше, т.е. формула вещества будет иметь вид C 6 H 12 . |
| Ответ | Молекулярная формула вещества C 6 H 12 |
Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?
Углекислый газ и его физические свойства
Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.
Рис. 1. Молекула углекислого газа.
Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.
Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».
Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.
Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.
Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.
Чтобы вычислить массовые доли элементов в углекислом газе необходимо следовать формулерасчета массовых долей каждого химического элемента в веществе.
n
– число атомов или молекул.
Ar
– относительная атомная масса химического элемента.
Mr
– относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.
Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27 % Так как в формулу углекислого газа входит два атома кислорода, то n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73 %
Ответ: w(C) = 0,27 или 27 %; w(O) = 0,73 или 73 %
Химические и биологические свойства углекислого газа
Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:
CO₂+H₂O=H₂CO₃
Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.
При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:
2CO₃=2CO+O₃.
Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:
СaO+Co₃=CaCO₃.
Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.
Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.
Рис. 3. Огнетушитель.
Что мы узнали?
Углекислый газ – вещество, которое в нормальных условиях не имеет цвета и запаха. помимо своего обычного названия – углекислый газ, его также называют оксидом углерода или диоксидом углерода.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.3 . Всего получено оценок: 146.
Градусов по Цельсию до конца века и если не увеличится приток углерода в почву. В соответствии с полученными данными исследователи делают вывод о том, что для компенсации выбросов углекислого газа из почвы необходимо в два–три раза увеличить количество лесной биомассы, а не на 70–80%, как утверждалось ранее. Исследование было проведено Финским институтом окружающей среды, Финским...
https://www.сайт/journal/123925
углекислого газа углекислого газа
https://www.сайт/journal/116900
Из Пенсильванского университета (США) в статье, опубликованной в журнале Nano Letters. Огромное количество углекислого газа , выбрасываемое в атмосферу промышленностью и транспортом, как полагают ученые, вызывает глобальное потепление. Обсуждается множество методов... и платины. Установка, собранная с использованием этого наноматериала позволила под воздействием солнечного света преобразовать смесь углекислого газа и паров воды в метан, этан и пропан в 20 раз эффективнее, чем при помощи...
https://www.сайт/journal/116932
Целью стимулировать фотосинтетическую активность водорослей и фитопланктона, или закачка сжиженного СО2 под землю. Конверсия углекислого газа в углеводороды с помощью наночастиц диоксида титана уже предлагалась учеными как еще один метод решения... меди и платины. Установка, собранная с использованием этого наноматериала позволила под воздействием солнечного света преобразовать смесь углекислого газа и паров воды в метан, этан и пропан в 20 раз эффективнее, чем при помощи обычных катализаторов...
https://www.сайт/journal/122591
США, слова которого приводит пресс-служба этого научного учреждения. Ученые обратили внимание на то, что поглощение растениями углекислого газа и испарение воды с поверхности их листьев происходит через одни и те же поры, называемые стоматами. Это... слишком большом содержании СО2 в воздухе стоматы листьев сужаются, вероятно, чтобы ограничить количество поступающего углекислого газа , используемого растениями для роста. Это приводит к замедлению испарения и снижению эффективности "природного...
https://www.сайт/journal/126120
Кристаллы были разработаны, используя простой метод, который опирается на три доступных химических вещества. Природный газ часто содержит углекислый газ и другие примеси, которые уменьшают эффективность этого топлива. Отрасли промышленности нуждаются в материале, который удалял бы углекислый газ . Идеальный материал должен быть доступным,избирательным и высокоемким и мог бы быть перезаряжен. Перезаряжающийся материал...
https://www.сайт/journal/126326
И сделали вывод, что, оказывается, мужчины ежегодно "выбрасывают" в атмосферу на две тонны углекислого газа больше, чем женщины. Исследователи объясняют это тем, что мужчины чаще пользуются автомобилем и, соответственно... половых различия, авторы исследования предлагают, таким образом, несколько иной способ в определении источников углекислого газа (один из газов ,влияющих на глобальное потепление) и, в частности, потребительские привычки и доходы, которые не учитываются в официальной...
https://www.сайт/journal/126887
В угленосных геологических формациях в штате Луизиана. Исследователи выяснили, что широко распространенные бактерии, использующие углекислый газ и сам уголь в качестве пищи, в присутствии воды могут дополнительно перерабатывать СО2 и выделять метан в... исследователей, для того, чтобы этот процесс работал, микроорганизмам, перерабатывающим СО2 в метан кроме самого углекислого газа и угля необходимы дополнительные питательные вещества - водород, соли уксусной кислоты и, что самое важное, ...
