[МУЗЫКА]

[МУЗЫКА] Переходим

к соединениям углерода.

Соединения углерода чрезвычайно многочисленные, но большинство

из них — это органические вещества и изучаются в курсе органической химии.

Тем не менее, есть ряд соединений, которые традиционно относят к неорганическим.

Важнейшие из них — это оксиды углерода.

Углерод образует достаточно большое количество бинарных соединений между

углеродом и кислородом, но важнейший среди них — это оксид углерода два или

монооксид углерода CO и оксид углерода 4 или диоксид углерода CO2.

Монооксид углерода CO — это угарный газ.

Связь между атомом углерода и кислорода в этом соединении тройная,

чрезвычайно прочная.

Угарный газ — это газ без цвета, без запаха,

он очень легко замещает кислород в молекуле гемоглобина.

При его вдыхании мы ничего не ощущаем, постепенно теряем сознание,

а когда очень долго дышим, то может наступить летальный исход.

Поэтому очень важно хорошо проветривать помещения, особенно там,

где происходят реакции горения с участием углерод-содержащих соединений: в гаражах,

при использовании печей и каминов.

Как получают угарный газ в промышленности?

Он получается при взаимодействии CO2 с коксом при повышенной температуре.

Также получается смесь CO и H2 при паровой конверсии или газификации угля.

В лаборатории угарный газ гораздо проще получить, действуя концентрированной

серной кислотой на такие органические кислоты, как муравьиная и щавелевая.

При этом при нагревании происходит их разложение и выделяется угарный газ.

В случае щавелевой кислоты угарный газ образуется в смеси с углекислым газом.

Угарный газ находит чрезвычайно важное применение в промышленности.

Он используется в таких каталитических синтезах, как синтез метанола.

Из смеси CO и H2 получается CH3OH.

Мы уже рассматривали эту реакцию в теме «Водород».

Дальше метанол может реагировать с угарным газом

в присутствии родиевого катализатора с образованием уксусной кислоты.

Это промышленный процесс Монсанто.

Также из смеси CO и H2 с участием алкенов синтезируют

альдегиды в присутствии кобальтового катализатора.

Такими свойствами обладает угарный газ.

Традиционно его относят к не-соли-образующим оксидам, это означает,

что он не реагирует ни с кислотами, ни со щелочами с образованием солей.

Однако, в жёстких условиях при температуре 120 градусов Цельсия

и пяти атмосферах CO способен реагировать с раствором щёлочи.

При этом образуется соль, формиат натрия, HCOONa.

Однако, это скорее нехарактерная реакция, чем характерная.

С точки зрения окислительно-восстановительных свойства

угарный газ, конечно же, восстановитель.

Степень окисления углерода в нём — плюс два,

а наиболее устойчивая для углерода степень окисления — плюс четыре.

Угарный газ может сгорать дальше до углекислого газа.

При взаимодействии с хлором образуется COCl2,

эта реакция идёт при ультрафиолетовом облучении.

COCl2 — это газ с запахом прелого сена.

Называется фазген и был использован в первую мировую войну в качестве

боевого отравляющего вещества.

Какие качественный реакция позволят нам обнаружить угарный газ?

Это реакция с раствором PdCl2.

CO восстанавливает палладий из этого соединения,

который осаждается в виде металлической черни.

Также известна и другая реакция, реакция с оксидом йода пять.

При этом получается молекулярный йод и CO2.

Реакция проходит при 140 градусах Цельсия.

CO — очень хороший лиганд.

Он может реагировать с некоторыми металлами.

Практически со всеми d-металлами, кроме титана, циркония,

гафния, ниобия, тантала, а также палладия и платины.

При этом образуется карбонилы металов.

Так при взаимодействии никеля с CO образуется Ni(CO)4,

а при взаимодействии железа с CO образуется Fe(CO)5.

Как же установить формулы карбонила металлов?

Оказывается, формулы подчиняются правилу 18 электронов.

Центральный атом металла стремится приобрести 18-электронную оболочку,

а CO является донором двух электронов.

Например, в железе собственных восемь валентных электронов.

Значит, до заполнения, до 18 электронов им не достаёт десяти электронов, которые

могут предоставить пять CO-лигандов, поэтому формула карбонила железа Fe(CO)5.

Другим важным оксидом углерода

является оксид углерода четыре или углекислый газ CO2.

В промышленности углекислый газ получают путём разложения известняка при

температурах выше 1000 градусов Цельсия.

Эта реакция приводит к образованию негашёной извести CaO и углекислому газу.

В лаборатории в таких условиях получать углекислый газ проблематично,

гораздо проще подействовать соляной кислотой на известняк, мел или мрамор,

основным компонентом которых является CaCO3.

При этом образуется CaCl2 и CO2.

Эту реакцию чрезвычайно удобно проводить в аппарате Киппа.

Углерод в углекислом газе обладает максимальной степенью окисления

плюс четыре, поэтому с точки зрения окислительно-восстановительных свойств он

должен быть окислителем.

Однако, эти свойства не так хорошо выражены.

Углекислый газ способен вступать в окислительно-восстановительные реакции

только с чрезвычайно активными металлами, такими как магний, натрий или кальций.

Эти металлы горят в углекислом газе.

Давайте посмотрим в лаборатории, как горит магний в углекислом газе.

Твёрдый диоксид углерода называется сухой лёд.

Его температура минус 78 градусов Цельсия.

Такой сухой лёд используют, например, в морозильниках для хранения мороженного.

Точно так же в лаборатории его можно исопльзовать для производства

газообразного углекислого газа, когда это необходимо.

Интересно отметить, что диоксид углерода CO2 поддерживает горение таких

активных металлов, как магний или натрий.

Давайте подожжём кусочек магниевой фольги и посмотрим,

что с ним будет происходить в атмосфере углекислого газа.

[БЕЗ_ЗВУКА]

[БЕЗ_ЗВУКА] Давайте посмотрим,

что образовалось в результате горения магния в углекислом газе.

Вы видите, что образовалось белое вещество и чёрное вещество.

Белое вещество, безусловно, это оксид магния, а чёрное, конечно же, углерод.

Углекислый газ CO2 относится к кислотным оксидам.

Вы наверняка знаете, что углекислый газ может растворяться в воде.

Хотя растворимость его там не велика, при этом образуется угольная кислота.

Вы все её пробовали на вкус, когда пили обычную газированную минеральную воду.

Но стоит нам открыть бутылку с газированной минеральной водой,

как угольная кислота тут же начинает разлогаться с образованием пузырьков,

то есть углекислого газа.

Угольная кислота H2CO3 образует два ряда солей.

Карбонаты, например, Na2CO3, и гидрокарбонаты, например, NaHCO3.

Карбонат натрия Na2CO3 — это стиральная или техническая сода.

Гидрокарбонат натрия NaHCO3 — это питьевая сода.

И ту, и другую легко можно купить в магазине.

Соли угольной кислоты подвержены сильному гидролизу,

поскольку угольная кислота является слабой кислотой.

Среди растворимых солей угольной кислоты можно отметить лишь соли натрия,

калия и аммония.

Нерастворимыми являются соли большинства двухвалентных металлов: магния, кальция.

меди, цинка, свинца, бария.

Соли трёхвалентных металлов либо очень неустойчивы, либо и вовсе неизвестны.

Для углерода существуют и другие соединения.

Давайте отметим важнейшие из них.

Итак, соединение с серой.

При взаимодействии углерода с серой образуется CS2, сероуглерод.

Эта реакция идёт в парах серы над раскалённым углём.

CS2 очень напоминает углекислый газ.

Так он может взаимодействовать с хлором, но в этом случае будет происходить разрыв

связи углерод-сера и будет образовываться CCl4 и сера или галогениды серы.

Зато в реакции с K2S будет образовываться соль K2CS3.

Это тиокарбонат калия.

При действии на него соляной кислоты можно получить тиоугольную кислоту.

Она несколько более сильная, чем угольная кислота, и чуть-чуть более устойчивая.

Она разлагается лишь при нагревании.

При этом продуктами разложения являются сероводород и сероуглерод.

Важнейшее соединение углерода с азотом, это циановодород HCN,

это чрезвычайно ядовитое соединение, хорошо растворимое в воде.

При этом образуется синильная кислота, раствор HCN в воде.

Это слабая кислота, константа кислотности — всего лишь десять в минус девятой.

Её соли, цианиды, подвержены чрезвычайно сильному гидролизу.

В ноль-одномолярном растворе цианида калия KC pH почти такой же,

как в ноль-одномолярном растворе KOH.

Очень важно, что CN− — это очень хороший лиганд и способен

образовывать многочисленные комлексы, важнейший из которых — это K3(Fe(CN)6),

красная кровяная соль, и K4(Fe(CN)6), жёлтая кровяная соль.

Они так называются, поскольку в кристаллическом состоянии имеют,

соответственно, красный и жёлтый цвет и были впервые выделены из бычьей кров.

Кроме того, CN− по своим свойствам напоминает свойства I−,

то есть CN− относится к псевдогалогенидам.

Так в реакции с солями меди два плюс образуется (CN)2 и

медь восстанавливается до одновалентного состояния.

Эта реакция очень напоминает реакцию с йодидом.

(CN)2 называется дициан и по своим свойствам напоминает свойства галогенов.

Поэтому дициан относится к псевдогалогенам.

Так псевдогалоген дициан (CN)2 реагирует с раствором щёлочи с

образованием цианида NaCN и цианата NaCNO.

Это фактически реакция диспропорционирования.

Одновременно углерод может образовывать соединение и с азотом, и с серой.

Важнейшая из них — это родановодородная кислота или HSCN.

Это достаточно сильная кислота с константой около 0,5.

Проще всего соль этой кислоты получить в реакции цианида калия с серой.

Соли будет называться роданиды, состав KSCN.

В растворе они практически не подвергаются гидролизу.

Эти соли очень важны с точки зрения качественной реакции на железо три плюс.

Даже небольшая добавка роданида калия в раствор соли

железа три плюс приводит к образованию интенсивно красной окраски,

отвечающей образованию соединения Fe(SCN)3.

А роданид ртути очень красиво сгорает на воздухе.

Этот опыт химики прозвали фараонова змея.

Давайте в лаборатории посмотрим, почему.

Роданид ртути легко получить взаимодействием нитрата двухвалентной

ртути с роданидом калия, при этом образуется белый осадок,

который можно отфильтровать, высушить, и только в сухом виде при нагревании до 165

градусов Цельсия это соединение начинает разлагаться.

Давайте подожжём этот кусочек роданида ртути и посмотрим, что будет происходить.

[БЕЗ_ЗВУКА]

[БЕЗ_ЗВУКА] В

результате реакции разложения образуется

жёлтый оксид ртути, который окрашивает продукты этого разложения в жёлтый цвет,

нитрит углерода C3N4, сам углерода, а также смесь CO2 и SO2, выделение которых

и вызывает такое значительное увеличение объёма при разложении этого соединения.

5.4. «Позитивный» углерод: +2, +4

Неорганическая химия

Meet the Instructors