Кочкаров Ж.А. Химия в уранениях реакций

Химия в уравнениях реакций

Химические свойства

♦ Восстановительные свойствавыражены сильно при нагревании: С(графит)+ 2F2 = CF4 (при обычной температуре, алмаз — при

t >750 °С)

CF4+ Н20 Ф нет гидролиза (отличие от СС14иСВг4)

С(т)+(С1, Br, I) *;

С () + 0 2() = С0 2(графит: t > 600 °С, алмаз: t > 750 °С),

{%раск) ^S(nap, ~ CS2 (ж)^ (900 °С) 2С + N2 (г)= C2N2 (электродуга)

C2N2 — дициан — яд с запахом горького миндаля.

С(т) + С 02 = 2СО (1000 °С); С(т)+ ZnO(T)= Zn + СОТ (tt) C(T)+ FeO(T)= Fe + C O t (tt); С * + S iO ^ = Si + C 02t (tt) C(T)+ H20 (r) = COT + H2T (tt)

C(x) + HNO3 Ф в обычных условиях, С(т) + H2S04(p) Ф в обычных условиях

С(т) + НС1(р) Ф в обычных условиях, С(т) + НС104(р) Ф в обычных

С(т)+ 4В = В4С (2500 °С); С(т)+ Si(T)= SiC (2000 °С) 4А1(Т)+ ЗС(Т)= Al4c 3(tt); 3Fe(T)+ С(т)= Fe3C(tt)

ЗСг(т)+ 2CW= Cr3C2(tt); С(т)+ 2H2 = CH4 (t > 1400 °С, кат) 2С(т)+2Н2(г)= C2H4(t>1400 °С, кат); 2С(т)+ H2(r)= C2H2(t > 1500 “С) ♦ Окислительно-восстановительная двойственность:

ЗС(т)+ Si02= SiC + 2СОТ (2000 °С)

С(кокс)+ Si02(T)= SiC+ C02t (1600-2000 °С)

ЗС(т)+ СаО(т)= СаС2 + C O t (tt); 9С(т)+2А120 3 = А14С3+ 6C O t (tt)

Открытие углерода и водорода в органических соединениях:

1)в исходное вещество добавляют CuO и сжигают:

СН3СООН + 2CuO = С 02 + 2Н20 + 2Си

2)затем С 02 пропускают в баритову воду:

С02(Г)+ Ва(ОН)2(р) = ВаС0346елый + Н20

3)пары воды пропускают через сульфат меди:

4)CuS04feiHji+ 5Н20 = CuS04 • 5Н20 синий

медный купорос

110

Глава I. Химия элементов и их соединений

Монооксид углерода, оксид углерода (II) С г О

СО — бесцветный, очень ядовитый газ без запаха (угарный газ блокирует гемоглобин), в воде малорастворим и с ней не взаимо­ действует, несолеобразующий оксид, сильный восстановитель; ха­ рактерна тройная связь: одна связь образуется по донорно-акцеп- торному механизму, остальные — по обменному; донором элект­ ронной пары является кислород:

г-1*-— (Ш) (Ш)

Получение

С + Н20 (пар) = СОТ+ Н2Т (800-1000 °С, образуется «синтез-газ»)

НСООН(ж)+ C1S0 3H= H2S0 4+ НС1 + c o t (22 °C)

хлорсульфоновая

(СООН)2(ж)= н 20 + c o t + C 02T (t, в горячей H2S04)

щавелевая

2KCN(x) + 2H2S04 (к) + 2Н20 = K2S04 + (NH4)2S04 + 2COt K4[Fe(CN)J(p) + 6H2S04(K) + 6H20 =2K2S04+ 3(NH4)2S04+FeS04+

+ 6COT

Химические свойства

СО(г) + NaOH(p)^ в обычных условиях СО(г) + Н20 Ф в обычных условиях

СО(г) + растворы кислот Ф в обычных условиях СО(*}+ Н20 (г) = НСООН (t, Р)

кислота уксусная

CO(r) + NaOH(pacnjiaB) = HCOONa (Р = 5 атм., 150-200 °С) СО(^ + NH3 (r) = HCN + Н20 (500 °С, кат: ТЮ 2)

111

Химия в уравнениях реакций

C 0(r) + NaOCH, = CH3COONa (t)

метанолят ацетат натрия

3CO(r) + СаС2 = СаС03 + 4С (tt)

СО(г)+ AgF2ф)=A g i + COF2; COF2(г) + Н20 = С 02+ 2HF(энергично) CO(r) + 2[Ag(NH3)2]OH(p) = 2A gi + 2NH3 + (NH4)2C 03

CO(r) + S = COS (350 °C)

карбонил-сульфид

COS + H20 = C 02+ H2S

серооксид углерода

2CO + 0 2 = 2C02 + Q (t, шрит синим пламенем); СО + 0 3 = С02 + 0 2 2СО(г) + 2NO(r) = N2 + 2С 02 ( t , кат., в выхлопных газах)

СО(г) + 2NO(r) = N20 + С 02 ( t , в выхлопных газах) 4CO(r) + 2N02 (г) = N2 + 4С 02 (в атмосфере)

СО(г) + 2HN03(p)= С 02 + 2N02 + Н20 (в атмосфере)

5СО(г)+ 2KMn04(p)+ 3H2S04(p)= 2MnS04+K 2S04+ 5С02Т + ЗН20 (кат: Ag)

3CO(r)+ K2Cr20 7(p+4H2S04(p)= Cr2(S04)3+ K2S04+ 3C02t + 4H20 (кат: Hg2+)

♦ Окислительные свойства:

СО(г) + ЗН2(г) = СН4 + Н20 (250 «С, кат: Ni)

СО(г) + 2Н2 (г) = СН3ОН (t), CO(r) + СН3ОН = сн3COOH (t)

112

Глава I. Химия элементов и их соединений

с о (г) + 3NH3 (г) = c h 3n h 2+ н 2о + n 2 + h 2 (t) 6CO(r) + 6К = С6О6К6(80 °С); C60 6K6= С60 6+ 6К

гексакарбонил

♦ Карбонилы:

5СО(г) + Fe = Fe(CO)5(x)T (t, с переходными Me)

пентакарбонил

Fe(CO)5(T)= 5COt + Fe (150-170 °С)

4CO(r) + Ni = Ni(CO)4(T)f (t, с переходными Me)

тетракарбонил

6СО(г)+ Мо = Мо(СО)6(т)Т (t, Cr, Mo,W и другие переходные Me)

гексакарбонил

4СО(г) + МеС12 = Ме(СО)4(т)Т+ С12Т (t, Me = переходные металлы)

Диоксид углерода С 02, оксид углерода (IV) 0=С=0. Угольная кислота (триоксокарбонат(№) водорода)

С 02 — газ без цвета и запаха, в твердом виде — «сухой лед»; кислотный оксид-ангидрид угольной кислоты, мало растворим в воде и обратимо взаимодействует с ней, равновесие сильно смеще­ но в сторону углекислого газа; характерна .s/7-гибридизация атома углерода, валентный угол составляет 180 °, линейное строение; уголь­ ная кислота очень слабая, существует только в разбавленных вод­ ных растворах; атмосфера Венеры содержит 95% углекислого газа. Угольная кислота существует в водных растворах в состоянии рав­ новесия с гидратом диоксида углерода, а растворенный гидрат на­ ходится в равновесии с газообразным диоксидом углерода:

с о 2(г) + н 2о ^ с о 2 н 2о ^ н 2с о 3 ♦ Окислительные свойства:

С 02 (г)+ Mg (гормций) = Mgo + c o t (600 °С, на воздухе) C 02(r) + 2Mg (горящий) = 2MgO + С (600 °С, в среде С О ,)

С 02(г) + Н20 Н2С 03 (0,3%)

Н2С 03 существует только в разбавленных водных растворах, создавая при этом кислую среду (pH = 3,7):

Н2С 03<-эН+ + НС03

113

Химия в уравнениях реакций

Процесс обратимой диссоциации можно представить и с точки зрения протонной теории в виде гидролиза:

зах

С02+Са(0Н)2(р)яз6 = СаС031 + Н20 2С 02из6 + Са(ОН)2(р = Са(НСОз)2

С02 + СаО = СаС03,

Вотхожих местах:

1)(NH2)2CO* + 2Н20 = (NH4)2C 03

2 )(NH4),C 03 + Н О = 2NH, • Н ,0 + СО, 3> nh3 h 2o = n h 3T + h 2o

*(NH2)2CO — карбамид, мочевина — белые кристаллы, хорошо растворимые в воде

C 02(r) + 2KCN + Н20 = К2С 03 + 2HCN

С02 + СаС03 (т) + Н20 = Са(НСОэ)2

С02 + MgC03T(x) + Н20 = Mg(HC03)2

-190 °С).

КНС03+ НС1= H2C03(r)+ КС1 (в метаноле, замораживание азо­ том и нагревание до 25 0 С).

♦ Другие реакции:

C 02(r) + Na20 2=N a2C+40 4

пероксид перкарбонат

2С02 (г) + 2Na = Na2C20 4 (350 °С)

114

Глава I. Химия элементов и их соединений

Установлено, что угольная кислота реагирует только с теми сла­ быми основаниями, произведение растворимости которых не мень­ ше, чем 10~22.

♦ В представленном ряду слабых оснований

Mg(OH)2 Mn(OH)2 Ni(OH)2 Cd(OH)2 Pb(OH)2 Со(ОН)2 Fe(OH)2 Cr(OH)2 Zn(OH)2 Cu(OH)^

AuOH Be(OH)2 // Sn(OH)2 Cr(OH)3 Al(OH)3 Fe(OH)3 Co(OH)3

с угольной кислотой могут реагировать только те, которые распо­ ложены до гидроксида олова. При этом в основном образуются ме­

нее растворимые основные, а не средние карбонаты: 4М8(ОН)2(суспешия) + зсоад=Mg(OH)2 • 3Mgco3+ зн2о

♦ При насыщении водной суспензии MgC03 или Mg(OH)2 х х 3MgC03 углекислым газом происходит растворение осадка с обра­ зованием гидрокарбоната Mg(HC03)2, существующего только в ра­ створе:

Mg(OH)2 . 3MgC03(cycOT) + 3H20 + 5C02t = 4Mg(HC03)2

♦ При насыщении Ве(ОН)2 углекислым газом в осадок выпа­ дает основный карбонат ВеС03 • Ве(ОН)2:

2Ве(ОН)2(суспензия) + С 02(г)= ВеС03 • Ве(ОН)21 +Н 20 При пропускании большого избытка углекислого газа в осадок

выпадает ВеСОэ:

Ве(ОН)2(суспаюм) + СОад= ВеСОэ+ Н20, так как имеет место реакция:

ВеС03 • Ве(ОН)2 (суспензия)+ ^ ^ 2(г) 2ВеСОэ + Н20 ♦ При насыщении Си(ОН)2 углекислым газом образуется так­

же преимущественно основный, а не средний карбонат: Си(ОН)2(суспеюня) + С 02= СиС03 • Си(ОН)2 + Н2ОТ

Состав осаждающихся карбонатов зависит от температуры и концентраций реагентов.

(Си0Н)2С 03(кленаясуспензия)+ С 02= 2СиСОэ (6ел) + Н20 (180 °С, р)

или (Си0Н)2С 03(суспегоия) + С 02= 2СиСОв + H2O t (500 °С) 2СиС03 • Си(ОН)2(синис„ + С 02= 3CuC03 + Н2ОТ (500 “С)

♦ При насыщении Ni(OH)2 углекислым газом в осадок выпада­ ют, в зависимости от условий, основные карбонаты различного со­ става от 5 : 1 до 1 : 4:

2Ni(OH)2(cy„ , + C 02(r)= NiC03 • Ni(OH)2 +Н 20

115

Химия в уравнениях реакций

♦ При насыщении Со(ОН)2 углекислым газом в осадок выпа­ дают, в зависимости от условий, основные карбонаты различного состава ((СоОН)2С 03, 2СоС03 • Со(ОН)2, 2СоС03 • ЗСо(ОН)2):

2Со(ОН)2(суспензия) + С 02(г)= СоС03 • Со(ОН)2 +Н20 Но для кобальта характерны соединения в более устойчивой

степени окисления (+3), поэтому Со(ОН)2 медленно окисляется на воздухе:

2СоС03 • Со(ОН)2(суспензия)+ 0 2 + 2Н20 = 4Со(ОН)3 + 2С02Т

Аналогично происходят окисление и гидролиз СоС03: 4СоС03 (суспею1и)+ 0 2 + 6Н20 = 4Со(ОН)3 + 4С 02Т

♦ Из представленного ряда слабых оснований очевидно, что Со(ОН)3+ С 0 2*

♦ Те же самые реакции характерны и для соединений двух- и трехвалентного железа.

При насыщении Fe(OH)2 углекислым газом в осадок выпадает основной карбонат:

2Fe(OH)2(суспензш1) + C 02(r)= FeC03 • Fe(OH)2 + Н20

Но для железа характерны соединения в более устойчивой сте­ пени окисления (+3), поэтому Fe(OH)2 окисляется на воздухе:

4 Fe(OH)2+ 0 2 + 2Н20 = 4Fe(OH)3

Поэтому можно записать:

2 FeC03Fe(OH)2(cycneiniM)+ О, + 2Н20 = 4Fe(OH)3 + 2С02Т

Аналогично происходят окисление и гидролиз FeC03: 4 FeCO 3(cycm) + 0 2 + 6Н20 = 4Fe(OH)3 + 4С02Т

Из представленного ряда слабых оснований очевидно, что: Fe(0H)3+ C 0 2*

♦ При насыщении РЬ(ОН)2 углекислым газом имеет место: 2РЬ(ОН)2(суспензия) + с о 2(г)= РЬС0 3 • РЬ(ОН)2 + н 2о

ЗРЬ(ОН)2(суспенз1И) +2С02(г)= 2РЬС03 • РЬ(ОН)2 +2Н20

Образование основного карбоната связано с гидролизом: 2РЬС03 + Н20 = РЪ(ОН)2 • РЬС03 + С 02

В присутствии воды он поглощает углекислый газ:

2РЬС03 • РЬ(ОН)2 (суспензия) + С 02(нз6)= зрьсо3+н 2о

116

Глава 1. Химия элементов и их соединений

При насыщении водной суспензии углекислым газом карбонат переходит в растворимый гидрокарбонат:

РЬС03 + Н20 + С 02 = РЬ(НС03)2 ♦ При насыщении суспензированного Мп(ОН)2 угольной кис­

лотой образуется основный карбонат:

2Мп (ОН)2(су„ + С 02(г)= МпС03 • Мп(ОН)2+Н 20 ♦ Основный карбонат цинка образуется при пропускании уг­

лекислого газа через суспензию гидроксида: 2Zn(OH)2(cycOT) + C 02(r)= ZnC03 • Zn(0H)2+ H20

Карбонаты и гидрокарбонаты (триоксокарбонаты (IV))

Соли угольной кислоты — карбонаты щелочных металлов, кро­ ме лития, растворимы в воде; карбонаты других металлов нераство­ римы; все гидрокарбонаты растворимы в воде, подвергаются гидроли­ зу; в С 032 характерна ^-гибридизация, валентный угол равен 120 °; Na2C 03 и К2С 03 плавятся без разложения, Na2C 03 *10Н2О —кри­ сталлическая сода, Na2C 03— кальцинированная сода, NaHC03 — питьевая сода.

Получение

♦ Получение соды аммиачно-хлоридным способом:

1)С 02 (г) + н 2о + NH, = n h 4h c o 3

2)NH4H C03 (р) + NaCl(p) = NaHCO,! + NH4C1 (на холоду)

3)2NaHC03 = Na2C 03 + H20 + C 02

Химические свойства

Na2C 03(p)m6 + НС1(рюв) = NaHCO, + NaCl Na2C 03(p) + 2HCl(p)m6 = 2NaCl + H20 + C 02

3Na2C 03(p)+ 2CuS04(p) + 2H20 = Cu(OH)2 • CuC03l+ 2NaHC03 +

BeC031= BeO + C 02T (t >180 °C)

117

Химия в уравнениях реакций

MgCOa = MgO + C 02T (t > 350 °С) МпС03 = MnO + C 02t (330 °C) FeC03 (T) = FeO + C 02t (405 °C) SrC03 (x) = SrO + C 02t (1130 °C) BaC03(T)= BaO + C 02t (1300 °C)

Li2C03() = Li20 + C02T (t >700 °C)

Ca(HC03)2(p T) = C 02T + CaC03(T) + H20 (t) Ca(HC03)2(i) = 2C02t + CaO + H2O t (прокаливание) Mg(HC0 3)2(p T) = MgC0 3 + c o 2t + H2O t (t) Mg(HC03)2(p t) = Mg(OH)2 + 2C02t (t) Mg(HC03)2(T)= MgO+ 2C02t + H2O t (прокаливание) 2NaHC03(T)= Na2C 03(p) + C 02t + H20 (t)

(NH4)2C 03 (i)= NH3 + NH4HC03 (д о 50 °C)

NH4HC03 (t)= NH3T+ C0 2t + H20 (58 °C ) Ca(HC03)/(p, + Ca(OH)2(p) = 2СаС03(т) + 2H20

Mg(HC03)2(p, + Ca(OH)2(p) = СаС03(т) + MgC03(x) + 2H20

(NaHC03(T) + NaH2P 04(T)] = Na2HP0 4+ C 02T+ H2O t (t)

пекарский порошок

Гидролиз карбонатов

Равновесие полностью смещено вправо за счет образования слабых электролитов, газа и осадка.

Галогениды углерода (IV)

CS2(r)+3Cl2(r)=CCl4W + S2Cl2(t)

с н 4 (Г) + 4С12 (г) = СС14 (ж) + 4НС1 (освещение) ЗСС14(Ж)+ А120 3= 2А1С13+ ЗСОТ + ЗС12Т (t) или

ЗСС14(ж)+ А120 3= 2А1С13+ЗСОС12Т (t, получение безводной соли)

ССС + 2Н2° = С 02Т+4НС1

118

Глава I. Химия элементов и их соединений

ЗСС14( }+ 4АШг3= ЗСВг4+ 4А1С13 ЗСС14(*)+ 4А113= ЗС14+ 4А1С13 CCl4(x)+ F 2(r) = CF2Cl2+Cl2t

Дисульфид углерода (сероуглерод) CS2

Бесцветная летучая жидкость, ядовит, легко воспламеняется, растворитель фосфора, серы, йода, жиров, нерастворим в воде, ха­ рактерна ^-гибридизация, валентный угол составляет 180 °.

Получение

С(раск)+ 2S(nap) = CS2^ (600 °С)

СН4+ 4S(mp)= CS2 + 2Н S t (600 °С, кат) 2Hg(SCN)2 ^ = CS2t + 2H gSt+ C3N4raepxeajMa3a(t)

Свойства

CS2 (r)+ 302 = C02 + 2S02t + Q (236 °C) c s 2 (ж) + н 20 Фв обычных условиях

c s 2(*+ 2H20 = C 02t + 2H2S t (t > 150 °C) CS * +3SO =COS+4SO,

2C0 sV>C0 2 + CS2(t) 2COS <-» 2CO + 2S (t)

С^2(ж)+ 4H2 = 2H2S + CH4t (t)

CS2 (ж)+ 2Na20 = C 021+ 2Na2S (t, также с другими оксидами)

Карбиды

Соединения углерода с металлами и неметаллами, которые по отношению к углероду являются электроположительными, называ­ ются карбидами.

Карбиды первого типа

♦Карбиды, производные ацетилена, разлагаемые водой и раз­ бавленными кислотами: Ме2С2 (Me = одновалентные активные ме­ таллы); МеС2 (Me = двухвалентные активные металлы).

СаС2+ 2Н2Огор= С2Н2Т + Са(ОН)2 Ме2С6(Ме = трехвалентные активные металлы)

♦Карбиды, производные метана, разлагаемые водой и разбав­ ленными кислотами (Ве2С и А14С3):

119