Какие соли дает угольная кислота;

4. Какие соли дает угольная кислота;

а) силикаты;

б) хлориды;

в) сульфаты;

г) карбонаты.

Ключ для проверки ответов учащихся при перфокартном контроле:

Фамилия, имя..................... Борисова Мария
вопросы	ответы
	а	б	в	г
1	+
2			+
3	+	+
4				+

62

Глава 2. Химия элемента углерода и его соединений 2.1 История открытия углекислого газа

Углекислый газ был первым между всеми другими газами противопоставлен воздуху под названием “дикого газа” алхимиком XVI в. Ван-Гельмонтом. Открытием углекислого газа было положено начало новой отрасли химии – пневматохимии (химии газов).

“Уголь, – утверждал Ван-Гельмонт, – и вообще все горючие вещества освобождают необходимым образом при своем горении “дикий газ”. 62 ливра дубового угля дают один ливр золы. Остальные 61 ливр пошли на образование “дикого газа”. Этот “воздух”, неизвестный до сих пор, который нельзя ни собрать в сосуды, ни превратить в видимое тело, я называю новым именем – газ.

Есть тела, которые таят в себе этот газ; он в них, таким образом, как бы фиксирован или отвержен. Его выводят из этого состояния посредством фермента, как это наблюдается при брожении вина, теста, пива. Винное сусло, яблочный сок, ягоды, мед под влиянием фермента приходят как бы в кипение, производимое выделением газа. Этот газ, сдавленный с большой силой в бочках, делает вина пенящимися и игристыми.”

Тот же самый газ, который выделяется при горении угля и брожении вина, оказывается далее, может получаться и из других, крайне отличных друг от друга источников, а именно:

1. При действии кислоты на скорлупу (“в момент, когда уксус растворяет раковую скорлупу”).

2. В пещерах, копях и погребах (“ничто не волнует так сильно, как зрелище газа в собачьей близ Неаполя. Очень часто он убивает тех, кто работает в копях; можно мгновенно оказаться удушенным им в погребах”).

3. В некоторых минеральных водах (“воды сна выделяют дикий воздух”).

Этим открытием Ван-Гельмонта был заложен фундамент пневматохимии. И этот же Ван-Гельмонт, выращивая в течение 5 лет взвешенный отросток вербы во взвешенном количестве земли и не обнаружив после этого убыль веса земли, пришел к убеждению, что растения образуются из воды, которой они поливаются, ни минуты не подумав, что источником прибыли веса растения может являться воздух или открытый им газ.

Единственное испытание, которому подвергал Ван-Гельмонт разные газы для отличения их друг от друга, была горящая свеча – средство, еще не достаточное для отличения углекислого газа, например, от азота, который тоже не поддерживает горения и действует на живые существа удушающим образом, как и “дикий воздух” Ван-Гельмонта.

То свойство углекислого газа, по которому углекислый газ действительно можно отличить почти от всякого другого газа, его способность “притягиваться” известковой водой и мутить ее, было обнаружено Блэком; за это отличие от обыкновенного воздуха Блэк и дал дикому газу (“может быть, весьма неудачно”) новое название: фиксируемый воздух.

Несколько лет спустя Кавендиш, верный своему правилу все определять “мерой, числом и весом”, обнаружил еще два характерных физических свойства углекислого газа: его высокий удельный вес и значительную растворимость в воде.

Вскоре затем Лавуазье предпринял опыт, которому суждено было направить химические исследования в новое русло. Задавшись целью выделить из окалины свинца ту составную часть воздуха, которая, по его предположению, присоединилась к свинцу и вызвала увеличение веса, Лавуазье прокалил оксид свинца с углем и получил газ, который хорошо растворялся в воде, осаждал известковую воду, гасил пламя и удушал животных, одним словом, имел “все свойства в точности такие же, какие присущи виду воздуха, известному под названием фиксируемого воздуха”.

Этот фиксируемый воздух, т.е. углекислый газ, Лавуазье ошибочно принял вначале за ту составную часть обыкновенного воздуха, которая присоединяется металлами при прокаливании. Что фиксируемый воздух содержится в атмосфере, Блэком уже было доказано: оставленная в открытом сосуде на воздухе известковая вода с течением времени мутится.

Лавуазье понял свою ошибку лишь после встречи с Пристли, который сам того не подозревая, посредством своего опыта с “ртутной окалиной” уже решил задачу, над которой бился Лавуазье. Лавуазье тотчас же повторил свой опыт восстановления углем окалины металла, лишь заменив окись свинца окисью ртути и на этот раз дал правильное истолкование: “Поскольку уголь полностью исчезает при восстановлении ртути из ее окалины и поскольку при этой операции получаются только ртуть и фиксируемый воздух, поскольку фиксируемый воздух есть соединение жизненного воздуха (кислорода) с углем, т.е. окисел (оксид) углерода”.

2.2 Строение молекулы углекислого газа 2.2.1 С позиции ВС

Молекула оксида углерода (IV) имеет следующее строение: атом углерода переходит в возбужденное состояние, имея 4 неспаренных электрона.

C +6 )) 1s² 2s² 2p² Ю C^* +6 )) 1s² 2s¹ 2p³

24

O +8 )) 1s² 2s² 2p⁴

26

Mr(CO₂) = 12,011 + 15,999 · 2 = 44,009 » 44

Молекула оксида углерода (IV) состоит из двух атомов кислорода и одного атома углерода.

Электронная формула Структурная формула

·· · · ··

O · C ·· O O = C = O

·· ґ ґ ··

Все 4 ковалентные связи полярны. Молекула имеет линейную форму. Это объясняется следующим образом: в многоатомных молекулах связь между атомами может быть полярной, а сами молекулы в зависимости от пространственного строения могут быть как полярными, так и неполярными. Электрический момент диполя в таких молекулах определяется числом полярных связей и их направленностью. Он равен векторной сумме моментов диполя отдельных связей. Например, электрический момент диполя связей C = O равен 9·10^-30 Кл·м, а молекулы CO₂ – нулю. Т.к. в линейной молекуле CO₂ векторы связей радиально направлены от центра, а потому результирующий момент m равен нулю.

C^d+

·

·

·

O^d- O^d-

·

·

·

Рис.1. Геометрическое сложение электрических моментов диполей связей в молекуле углекислого газа

Раз каждая из связей углерод-кислород является полярной, поэтому на каждом из атомов кислорода должен быть некоторый отрицательный заряд, а на углероде сосредоточен положительный заряд. Поскольку атомы кислорода расположены на одной прямой по обе стороны от атома углерода на равных расстояниях, центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. Вследствие этого заряд на углероде полностью нейтрализуется.

Значит, хотя каждая из связей углерод-кислород полярна, молекула углекислого газа в целом является неполярной и причиной тому является ее линейное строение.

2.2.2 с позиции МЛКАО

Мы знаем, что форма молекулы диоксида углерода линейная. У атома кислорода имеются орбитали p-типа.

На рис.2 показаны валентные орбитали центрального атома (углерода) и групповые орбитали лигандов (атомов кислорода).

а) б)

Рис.2. Орбитали центрального атома (а) групповые орбитали (б) для трехцентровой линейной молекулы CO₂.

Вследствие большого энергетического различия 2s и 2p орбиталей кислорода участием 2s орбиталей можно пренебречь. Сочетание орбиталей 2s-y₁, 2p_z-y₂ приводит к образованию молекулярных орбиталей s-типа: s_s^св, s_s^разр и s_z^св, s_z^разр.

Рис.3. Связывающие и разрыхляющие S-орбитали молекулы углекислого газа

Комбинация орбиталей 2p_x-y₃ и 2p_y-y₅ приводит к образованию трехцентровых орбиталей p-типа: p_x^св, p_x^разр и p_y^св, p_y^разр (рис.4). Для групповых орбиталей y₄ и y₆подходящих по симметрии орбиталей центрального атома нет, поэтому в молекуле CO₂ они играют роль несвязывающих и обозначаются p_x и p_y. Несвязывающие орбитали локализованы у атомов кислорода (рис.4)

Рис.4. p-связывающие, разрыхляющие и несвязывающие орбитали молекулы CO₂.

Приближенная энергетическая диаграмма молекулы CO₂ показана на рис.5. Распределение валентных электронов (четыре атома углерода и восемь – двух атомов кислорода) по орбиталям молекулы CO₂ соответствует электронной конфигурации

(s_z^св)² (s_z^св)² (p_x^св)² (p_y^св)² (p_x)² (p_y)²,

а с учетом 2s-электронов двух атомов кислорода

(2S_A)² (2S_B)² (s_s^св)² (s_z^св)² (p_x,y)⁴ (p_x,y)⁴.

Четыре пары электронов приходятся на четыре трехцентровые связующие орбитали, т.е. на каждый из атомов кислорода приходится по две пары связывающих электронов. Таким образом, можно считать, что порядок связи между атомом кислорода и углерода в молекуле CO₂ равен 2. Это можно отразить структурной формулой O = C = O.

2.3 Физические свойства углекислого газа

Углекислый газ (оксид углерода (IV) или угольный ангидрид) – бесцветный газ, имеющий слабокислый запах и вкус, в 1,5 раза тяжелее кислорода, поэтому можно его переливать из стакана в стакан. r = 1,98 г/л. В одном объеме воды при 20°С растворяется 0,88 объема CO₂. При охлаждении в условиях нормального давления газ затвердевает при -78,515°C, минуя жидкое состояние. Твердый оксид углерода (IV) – снегообразная масса, называемая сухим льдом. Жидкий CO₂ образуется только под давлением при 20°C; 58,46·10⁵ Па. В жидком состоянии хранится и транспортируется в стальных баллонах. При открывании вентиля баллона происходит сильное охлаждение и часть газа переходит в сухой лед. Легко возгоняется, затвердевает. Давление паров: 133,32Па (-135,1°C); 1,3332 кПа (-119,6°C); 13,332 кПа (-100,2°C); 53,328 кПа (-86,0°C). t_пл = -56,6°C (0,52 МПа). Коэффициент растворимости в сыворотке крови человека 0,58. Содержание в воздухе 4% по объему CO₂ вызывает болезненный явления, при концентрации CO₂ выше 10% появляется удушье.

Оксид углерода (IV) – конечный продукт дыхания растений и животных, а также процессов горения, дыхания, гниения, брожения. Служит источником питания зеленых растений – фотосинтез.

Углекислый газ бесцветен, т.е. не поглощает никаких видимых лучей. Но в инфракрасной части спектра углекислого газа наблюдаются широкие линии поглощения; для инфракрасных, иначе говоря, тепловых, лучей углекислый газ мало прозрачен. Поэтому, если бы атмосфера Земли состояла из углекислого газа, она выполняла бы роль стекла в парниках, солнечное излучение достигало бы сквозь нее поверхности Земли беспрепятственно без заметного ослабления и сильно нагревало бы ее, но обратное тепловое излучение Земли в мировое пространство очень сильно задерживалось бы мало прозрачным для тепловых лучей углекислым газом. От этого климат Земли резко утеплился (“Парниковый эффект”, глава “География”).

2.4 Химические свойства углекислого газа

Оксид углерода (IV) химически довольно активен. Рассмотрим некоторые реакции.