А) оксид углерода (II) СО

Строение. В рамках метода валентных связей молекула СО имеет строение :СºО:. Можно считать, что третья связь образована по донорно-акцепторному механизму (кислород — донор электронной пары, углерод — акцептор).

Физиологическое действие. Очень ядовит, смертельная доза СО в воздухе составляет 0,2%. С гемоглобином крови СО связывается прочнее, чем кисло­род, тем самым блокирует перенос кислорода в организме. Признаки отрав­ления малыми дозами: кровь необычно яркой окраски, сильная головная боль, иногда потеря сознания.

Получение. 1. Сжигание углерода в свободном виде или соединений углерода (кокс, уголь, бензин) при температурах выше 1000 °С и при недо­статке кислорода: 2C + O₂ = 2CO.

Вследствие протекания этой реакции выхлопные газы автомобильных двигателей обязательно содержат СО; также содержат СО отходящие газы печей при плохой тяге и табачный дым (до 4%).

2. Восстановление диоксида углерода при помощи раскаленного кокса, например, в доменных печах (равновесие Будуара): СО₂ + С « 2СО.

3. Восстановление водяного пара раскаленным коксом или другими но­сителями углерода:

С + Н₂О = СО + H₂

4. Действие концентрированной серной кислоты на муравьиную кислоту (лабораторный способ): HCOOH со + н₂о.

Свойства. Бесцветный газ без запаха. По плотности тяжелее воздуха, Сжижается только при очень низких температурах, т. кип. -192°С. На воз­духе сгорает (синеватое пламя). Очень мало растворим в воде. Поглощается активным углем, а также твердым фильтрующим слоем, содержащим I₂О₃.

Химически инертен, однако при участии катализаторов реагирует с кисло­родом с образованием углеводородов (синтез Фишера — Тропша) или спиртов (синтез метанола). С переходными металлами оксид углерода образует очень летучие, ядовитые и горючие карбонилы, например [Ni(СО)₄], [Со₂(СО)₉], [Fе (СО)₅].

Технические газы, содержащие СО. Воздушный газ (генераторный газ) — смесь СО + 2К₂. Образуется по экзотермической реакции при газификации угля или кокса с использованием воздуха в специальных генераторах: 2С + О₂ + 4N₂ = 2СО + 4N₂.

Применяют в качестве горючего газа и в синтезе аммиака.

Водяной газ —смесь СО + Н₂.

Смешанный газ —это СО, Н₂ и N₂. Получают при газификации порошко­образного угля смесью водяного пара и воздуха, обогащенного кислородом; аналогичный по составу газ образуется также при риформинге газообразных углеводородов и газификации жидких углеводородов под давлением. Применяют при синтезе аммиака.

Коксовый газ и бытовой газ —смесь Н₂, СН₄, СО и др. Получают при коксовании угля; при газификации бурого угля (под давлением 2,2 МПа) с помощью водяного пара и кислорода образуется сходный, но более бедный метаном сжатый газ. Применяют в качестве горючего газа.

Б) оксид углерода (IV) СО₂

Тривиальное название: углекислый газ.

Распространение в природе. В воздухе содержится 0,03 % (об.). Входит в состав технических горючих газов, вулканических газов, природных (мине­ральных) вод. Атмосфера Венеры на »95 % состоит из СО₂.

Физиологическое действие. Диоксид углерода ассимилируется в процессе фотосинтеза зелеными растениями с помощью имеющегося в них хлорофилла при поглощении солнечной энергии. При этом в растениях образуются органи­ческие вещества (в первую очередь — глюкоза), а кислород освобождается и выделяется в атмосферу. Поглощенная энергия при диссимиляции в орга­низмах животных и растений снова высвобождается, этим замыкается элемен­тарный цикл развития живого организма. Диссимиляция органических ве­ществ в организмах — это процесс их окисления с помощью усвоенного при дыхании кислорода в присутствии ферментов с образованием диоксида угле­рода и воды:

Из всей падающей на Землю солнечной энергии »0,12 % фотохимически усваивается растениями. Зеленые листья площадью 1 м² за время освещения Солнцем в течение 1 ч производят из СО₂ 1 г виноградного сахара.

Известно, что люди выдыхают воздушную смесь, содержащую 4 % СО₂. Чистый СО₂ действует удушающее, при содержании в воздухе 15% СО₂ воз­никает головокружение, а иногда возможна потеря сознания.

Получение.

1. Полное сгорание кокса: С + О₂ == СО₂

Для очистки СО₂ от примесей газ пропускают через раствор К₂СO₃ иа холоду, СО₂ поглощается и в результате в растворе образуется КНСО₃. При­меси проходят через раствор, а СО₂ выделяют из раствора кипячением (тер­мическое разложение гидрокарбоната).

2. Обжиг известняка и других карбонатов: СаСО₃ = СаО + СО₂

3. Обработка карбонатов (например, мрамора) сильной кислотой:

СаСО₃ + 2НС1 = СаС1₂ + Н₂О + СО₂

4. Спиртовое брожение: С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО_2.

Физические свойства. Бесцветный газ со слабым кислым вкусом и запа­хом, в 1,5 раза тяжелее воздуха. Его можно «переливать» из сосуда в сосуд; обычно собирается на дне подвалов, колодцев и пещер. СО₂ — негорючий газ (гасит пламя). Достаточно хорошо растворим в холодной воде, особенно под давлением.

При 20 °С под давлением 5 МПа (» 50 атм) диоксид углерода сжи­жается.

Жидкий СО₂ хранят в стальных баллонах. При отборе из баллона газообразного СО, часть жидкости испаряется и давление в системе поддерживается постоянным до тех пор, пока в баллоне не израсходуется вся жидкость. Поэтому остаток СО₂ в бал­лоне нельзя определить по манометру (расход СО₂ находят по изменению массы баллона). При вытекании жидкого СО₂ из баллона (в наклонном состоянии) про­исходит мгновенное испарение газа при быстром охлаждении и часть жидкости за­мерзает, образуя снегообразную массу. Спрессованный твердый СО₂ (сухой лед) используется для временного поддержания охлажденного состояния продуктов; сухой лед не плавится, а сублимирует при -78 °С. Смесь сухого льда с ацетоном исполь­зуется в лаборатории как охлаждающая смесь до температуры -90 °С.

Химические свойства. Диоксид углерода с водой образует угольную кис­лоту (см. ниже); с основными гидроксидами — карбонаты и гидрокарбонаты (на этом основано затвердевание известкового строительного раствора). Вос­станавливается магнием до углерода:

СО₂ + 2Мg = С +MgO

Обнаружение. По помутнению водного раствора гидроксида бария (или кальция) при контакте с СО₂: Ва(ОН)₂ + СO₂ = ВаСО₃ + Н₂О.

Газ пропускают через баритовую (или известковую) воду или над каплей этой воды, помещенной на часовое стекло.

Применение. Диоксид углерода используется для промышленного синтеза карбамида, салициловой кислоты и других химических продуктов; в огне­тушителях; как инертная среда для хранения легковоспламеняющихся жидко­стей, для сварки в атмосфере этого газа, для отверждения содержащей воду формовочной земли, для приготовления газированных напитков, как охла­ждающий агент (сухой лед и его смеси).

В) Угольная кислота Н₃СО₃ и ее соли

Угольная кислота в чистом виде не получена, хотя молекулы состава Н₂СО₃ существуют в газовой форме и в водном растворе. В водном растворе имеет место равновесие:

со₂ + н₂о « н₂со₃ « н⁺ + нсо₃^- « 2н⁺ + со₃^2-

Этим объясняются кислотные свойства Н₂СО₃. При комнатной темпера­туре равновесие сильно смещено в направлении образования СО₂ и Н₂О, и в связанном состоянии оказывается только 1 % молекул СО₂ и Н₂О, причем большая часть продукта имеет полигидратный состав СО₂*nН₂О, а не Н₂СО₃. Полигидрат обладает очень слабыми кислотными свойствами, а Н₂СО₃ — кис­лота средней силы, но так как содержание Н₂СО₃ в растворе мало, то в целом кислотность такого раствора весьма мала. Полигидрат СО₂*nН₂О и молекулы Н₂СО₃ термически неустойчивы, поэтому при подкислении растворов карбо­натов выделяется СО₂. Вместе с тем при пропускании диоксида углерода через растворы солей более слабых кислот последние могут быть выделены в свободном виде или в виде кислотных оксидов (SiO₂, НСN, С₆Н₅ОН и др.).

Соли (и эфиры) угольной кислоты называются карбонатами. Существуют средние карбонаты с анионом СО₃^2- и кислые карбонаты с анионом НСО₃^- (гидрокарбонат-ион, ранее назывался бикарбонат-ион).

Наибольшее практическое значение имеют карбонат натрия Nа₂СО₃ (тривиальное название кальцинированная сода) и его кристаллогидрат Nа₂СО₃*10Н₂О (сода), гидрокарбонат натрия NаНСО₃ (натрон, питьевая сода), карбонат калия К₂СО₃ (поташ), гидроксид-карбонат свинца (II) 2РbСO₃•Рb(ОН)₂ (свинцовые белила).

Карбонаты при нагревании разлагаются на оксид металла и диоксид углерода, например:

СuСО₃ = СuО + СО₂

Чем сильнее основные свойства оксида металла, тем выше температура разложения соответствующего карбоната. Карбонат алюминия А1₂(СО₃)₃ пол­ностью неустойчив уже при комнатной температуре.

При подкислении растворов карбонатов или при обработке твердых кар­бонатов сильными кислотами неустойчивая в свободном виде угольная кис­лота выделяется в виде соответствующего ей оксида СО₂, например:

Nа₂СО₃ + 2НС1 = 2NаС1 + Н₂О + СО₂, СаСО₃ + 2НNO₃ = Са(NО₃)₂ + Н₂О + СО₂

Способ обнаружения карбонатов основан на обработке их сильной кисло­той и последующем пропускании отходящего газа через баритовую воду.

Карбиды — это соединения между углеродом и более электроположитель­ными (более металличными) элементами. Существуют карбиды, которые при гидролизе чистой или подкисленной водой образуют углеводороды. Так, карбид кальция СаС₂ выделяет ацетилен С₂Н₂, а карбид алюминия А1₄С₃ — метан СН₄:

СаС₂ + 2Н₃О⁺ = Са²⁺ + 2Н₂О + С₂Н₂, А1₄С₃ + 12Н₂О = 4А1(ОН)₃ + 3СН₄

Известны взрывоопасные, термически малоустойчивые карбиды, такие как карбид серебра Аg₂С₃ и меди Сu₂С₂, они разлагаются на металл и уголь. Особой твердостью отличаются карбид бора В₄С, карбид кремния SiС и кар­бид вольфрама W₂С. Карбид железа Fе₃С (цементит) является компонентом железоуглеродных сплавов (сталь, чугун).