Kvalitativna reakcija na jednadžbu ugljičnog dioksida. Hemijska i fizička svojstva ugljičnog dioksida. Hemijska i biološka svojstva ugljičnog dioksida
Ugljični dioksid (ugljični dioksid), naziva se i ugljen dioksid, najvažnija je komponenta gaziranih pića. Određuje ukus i biološku stabilnost pića, daje im pjenušava i osvježavajuća svojstva.
Hemijska svojstva. Hemijski, ugljični dioksid je inertan. Nastao oslobađanjem velike količine topline, on je, kao proizvod potpune oksidacije ugljika, vrlo stabilan. Reakcije redukcije ugljičnog dioksida javljaju se samo na visokim temperaturama. Tako, na primjer, u interakciji s kalijem na 230° C, ugljični dioksid se reducira u oksalnu kiselinu:
Ulazeći u hemijsku interakciju sa vodom, gas, u količini ne većoj od 1% svog sadržaja u rastvoru, formira ugljenu kiselinu, koja se raspada na ione H +, HCO 3 -, CO 2 3-. U vodenoj otopini ugljični dioksid lako ulazi u kemijske reakcije, stvarajući različite soli ugljičnog dioksida. Stoga je vodena otopina ugljičnog dioksida vrlo agresivna prema metalima i također ima destruktivan učinak na beton.
Fizička svojstva. Za karbonatna pića koristi se ugljični dioksid, doveden u tekuće stanje kompresijom do visokog tlaka. Ovisno o temperaturi i pritisku, ugljični dioksid također može biti u plinovitom ili čvrstom stanju. Temperatura i pritisak koji odgovaraju ovom stanju agregacije prikazani su na dijagramu fazne ravnoteže (slika 13).
Na temperaturi od minus 56,6 °C i pritisku od 0,52 Mn/m 2 (5,28 kg/cm 2), što odgovara trostrukoj tački, ugljični dioksid može istovremeno biti u plinovitom, tekućem i čvrstom stanju. Na višim temperaturama i pritiscima, ugljični dioksid je u tekućem i plinovitom stanju; pri temperaturama i pritiscima koji su ispod ovih vrednosti, gas, direktno zaobilazeći tečnu fazu, prelazi u gasovito stanje (sublimira). Na temperaturama iznad kritične temperature od 31,5°C, nikakav pritisak ne može zadržati ugljični dioksid u tekućem obliku.
U gasovitom stanju, ugljen-dioksid je bezbojan, bez mirisa i blagog kiselog ukusa. Na temperaturi od 0°C i atmosferskom pritisku, gustina ugljen-dioksida je 1,9769 kg/f 3 ; 1.529 puta je teži od vazduha. Pri 0°C i atmosferskom pritisku, 1 kg plina zauzima zapreminu od 506 litara. Odnos između zapremine, temperature i pritiska ugljičnog dioksida izražava se jednadžbom:
gdje je V zapremina 1 kg gasa u m 3 /kg; T - temperatura gasa u °K; P - pritisak gasa u N/m 2; R - gasna konstanta; A je dodatna vrijednost koja uzima u obzir odstupanje od jednačine stanja idealnog plina;
Tečni ugljični dioksid- bezbojna, prozirna, lako pokretljiva tečnost, koja po izgledu podsjeća na alkohol ili etar. Gustina tečnosti na 0°C je 0,947. Na temperaturi od 20°C, ukapljeni gas se skladišti pod pritiskom od 6,37 Mn/m2 (65 kg/cm2) u čeličnim bocama. Kada tečnost slobodno teče iz cilindra, ona isparava, upijajući veliku količinu toplote. Kada temperatura padne na minus 78,5°C, dio tečnosti se smrzava, pretvarajući se u takozvani suvi led. Suvi led je po tvrdoći blizak kredi i ima mat belu boju. Suhi led isparava sporije od tečnog i odmah prelazi u gasovito stanje.
Na temperaturi od minus 78,9 °C i pritisku od 1 kg/cm 2 (9,8 MN/m 2), toplina sublimacije suhog leda je 136,89 kcal/kg (573,57 kJ/kg).
Soda, vulkan, Venera, frižider - šta im je zajedničko? Ugljen-dioksid. Za vas smo prikupili najzanimljivije informacije o jednom od najvažnijih hemijskih jedinjenja na Zemlji.
Šta je ugljični dioksid
Ugljični dioksid je poznat uglavnom u svom plinovitom stanju, tj. kao ugljen dioksid sa jednostavnom hemijskom formulom CO2. U ovom obliku postoji u normalnim uslovima - na atmosferskom pritisku i "običnim" temperaturama. Ali pri povećanom pritisku, iznad 5.850 kPa (kao što je, na primjer, pritisak na morskoj dubini od oko 600 m), ovaj plin se pretvara u tekućinu. A kada se jako ohladi (minus 78,5°C), kristalizuje se i postaje takozvani suvi led, koji se naširoko koristi u trgovini za čuvanje smrznutih namirnica u frižiderima.
Tečni ugljični dioksid i suhi led se proizvode i koriste u ljudskim aktivnostima, ali su ti oblici nestabilni i lako se raspadaju.
Ali plin ugljični dioksid je sveprisutan: oslobađa se tijekom disanja životinja i biljaka i važan je dio kemijskog sastava atmosfere i oceana.
Svojstva ugljičnog dioksida
Ugljični dioksid CO2 je bezbojan i bez mirisa. U normalnim uslovima nema ukus. Međutim, ako udišete visoke koncentracije ugljičnog dioksida, možete osjetiti kiselkast okus u ustima, uzrokovan otapanjem ugljičnog dioksida na sluznicama i u pljuvački, stvarajući slabu otopinu ugljične kiseline.
Inače, za proizvodnju gazirane vode koristi se sposobnost ugljičnog dioksida da se otopi u vodi. Mjehurići limunade su isti ugljični dioksid. Prvi aparat za zasićenje vode CO2 izumljen je davne 1770. godine, a već 1783. poduzetni Švicarac Jacob Schweppes započeo je industrijsku proizvodnju sode (marka Schweppes još uvijek postoji).
Ugljični dioksid je 1,5 puta teži od zraka, pa ima tendenciju da se "taloži" u svojim donjim slojevima ako je prostorija slabo ventilirana. Poznat je efekat „pećine za pse“, gde se CO2 oslobađa direktno iz zemlje i akumulira se na visini od oko pola metra. Odrasla osoba, koja ulazi u takvu pećinu, na vrhuncu svog rasta ne osjeća višak ugljičnog dioksida, ali psi se nađu direktno u debelom sloju ugljičnog dioksida i truju se.
CO2 ne podržava sagorevanje, zbog čega se koristi u aparatima za gašenje požara i sistemima za gašenje požara. Trik gašenja zapaljene svijeće sa sadržajem navodno prazne čaše (a zapravo ugljičnog dioksida) temelji se upravo na ovom svojstvu ugljičnog dioksida.
Ugljični dioksid u prirodi: prirodni izvori
Ugljični dioksid nastaje u prirodi iz različitih izvora:
- Disanje životinja i biljaka.
Svaki školarac zna da biljke upijaju ugljični dioksid CO2 iz zraka i koriste ga u procesima fotosinteze. Neke domaćice pokušavaju nadoknaditi nedostatke obiljem sobnih biljaka. Međutim, biljke ne samo da apsorbiraju, već i oslobađaju ugljični dioksid u nedostatku svjetlosti - to je dio procesa disanja. Stoga, džungla u spavaćoj sobi sa lošom ventilacijom nije dobra ideja: nivoi CO2 će se još više povećati noću. - Vulkanska aktivnost.
Ugljični dioksid je dio vulkanskih plinova. U područjima sa visokom vulkanskom aktivnošću, CO2 se može osloboditi direktno iz zemlje - iz pukotina i pukotina koje se nazivaju mofeti. Koncentracija ugljičnog dioksida u dolinama s mofetima je toliko visoka da mnoge male životinje uginu kada tamo dođu. - Razgradnja organske materije.
Ugljični dioksid nastaje tokom sagorijevanja i raspadanja organske tvari. Velike prirodne emisije ugljičnog dioksida prate šumske požare.
Ugljični dioksid se u prirodi „pohranjuje“ u obliku ugljičnih spojeva u mineralima: uglju, nafti, tresetu, krečnjaku. Ogromne rezerve CO2 nalaze se u otopljenom obliku u svjetskim okeanima.
Ispuštanje ugljičnog dioksida iz otvorenog rezervoara može dovesti do limnološke katastrofe, kao što se dogodilo, na primjer, 1984. i 1986. godine. u jezerima Manoun i Nyos u Kamerunu. Oba jezera su nastala na mjestu vulkanskih kratera - sada su izumrli, ali u dubinama vulkanska magma i dalje oslobađa ugljični dioksid, koji se diže u vode jezera i otapa se u njima. Kao rezultat niza klimatskih i geoloških procesa, koncentracija ugljičnog dioksida u vodama premašila je kritičnu vrijednost. U atmosferu je ispuštena ogromna količina ugljičnog dioksida koji se poput lavine spuštao niz planinske padine. Oko 1.800 ljudi postalo je žrtve limnoloških katastrofa na kamerunskim jezerima.
Umjetni izvori ugljičnog dioksida
Glavni antropogeni izvori ugljičnog dioksida su:
- industrijske emisije povezane s procesima sagorijevanja;
- automobilski transport.
Unatoč činjenici da udio ekološki prihvatljivog transporta u svijetu raste, velika većina svjetske populacije neće uskoro imati priliku (ili želju) da se prebaci na nove automobile.
Aktivna sječa šuma u industrijske svrhe također dovodi do povećanja koncentracije ugljičnog dioksida CO2 u zraku.
CO2 je jedan od krajnjih proizvoda metabolizma (razgradnja glukoze i masti). Izlučuje se u tkivima i hemoglobinom transportuje do pluća, kroz koja se izdiše. Vazduh koji osoba izdahne sadrži oko 4,5% ugljen-dioksida (45.000 ppm) - 60-110 puta više nego u vazduhu koji udiše.
Ugljični dioksid igra veliku ulogu u regulaciji protoka krvi i disanja. Povećanje razine CO2 u krvi uzrokuje širenje kapilara, omogućavajući prolazak veće količine krvi, koja isporučuje kisik u tkiva i uklanja ugljični dioksid.
Dišni sistem je također stimuliran povećanjem ugljičnog dioksida, a ne nedostatkom kisika, kako se čini. U stvarnosti, nedostatak kiseonika organizam ne oseća dugo i sasvim je moguće da će u razređenom vazduhu čovek izgubiti svest pre nego što oseti nedostatak vazduha. Stimulativno svojstvo CO2 koristi se u uređajima za umjetno disanje: gdje se ugljični dioksid miješa s kisikom kako bi „pokrenuo“ respiratorni sistem.
Ugljični dioksid i mi: zašto je CO2 opasan
Ugljični dioksid je neophodan ljudskom tijelu baš kao i kisik. Ali baš kao i kod kisika, višak ugljičnog dioksida šteti našoj dobrobiti.
Visoka koncentracija CO2 u zraku dovodi do intoksikacije organizma i izaziva stanje hiperkapnije. Sa hiperkapnijom, osoba doživljava otežano disanje, mučninu, glavobolju, pa čak može i izgubiti svijest. Ako se sadržaj ugljičnog dioksida ne smanji, dolazi do gladovanja kisikom. Činjenica je da se i ugljični dioksid i kisik kreću po tijelu na istom "transportu" - hemoglobinu. Normalno, oni "putuju" zajedno, vezujući se za različita mjesta na molekulu hemoglobina. Međutim, povećane koncentracije ugljičnog dioksida u krvi smanjuju sposobnost kisika da se veže za hemoglobin. Količina kisika u krvi se smanjuje i dolazi do hipoksije.
Ovakve nezdrave posljedice po organizam nastaju pri udisanju zraka sa sadržajem CO2 većim od 5.000 ppm (to može biti npr. zrak u rudnicima). Iskreno rečeno, u običnom životu praktički nikada ne nailazimo na takav zrak. Međutim, mnogo niža koncentracija ugljičnog dioksida ne utječe najbolje na zdravlje.
Prema nekim nalazima, čak 1.000 ppm CO2 uzrokuje umor i glavobolju kod polovine ispitanika. Mnogi ljudi počnu osjećati začepljenost i nelagodu još ranije. S daljnjim povećanjem koncentracije ugljičnog dioksida na 1.500 – 2.500 ppm kritično, mozak je “lijen” da preuzme inicijativu, obrađuje informacije i donosi odluke.
I ako je nivo od 5.000 ppm gotovo nemoguć u svakodnevnom životu, onda 1.000, pa čak i 2.500 ppm lako može biti dio stvarnosti modernog čovjeka. Naši su pokazali da u školskim učionicama sa retko ventilacijom nivoi CO2 ostaju iznad 1.500 ppm veći deo vremena, a ponekad i skaču iznad 2.000 ppm. Postoje svi razlozi za vjerovanje da je slična situacija u mnogim uredima, pa čak i stanovima.
Fiziolozi smatraju da je 800 ppm siguran nivo ugljičnog dioksida za dobrobit ljudi.
Druga studija je otkrila vezu između nivoa CO2 i oksidativnog stresa: što je viši nivo ugljičnog dioksida, to više patimo od oksidativnog stresa, koji oštećuje stanice našeg tijela.
Ugljični dioksid u Zemljinoj atmosferi
U atmosferi naše planete ima samo oko 0,04% CO2 (ovo je otprilike 400 ppm), a nedavno je bilo i manje: ugljični dioksid je tek u jesen 2016. prešao granicu od 400 ppm. Naučnici pripisuju porast nivoa CO2 u atmosferi industrijalizaciji: sredinom 18. veka, uoči industrijske revolucije, iznosio je samo oko 270 ppm.
Nastavak. Vidi 21, 22, 23, 24, 25-26, 27-28, 29/2003.
6. Ugljična podgrupa
Znaj: alotropske modifikacije ugljika, ovisnost njihovih svojstava o strukturi kristalne rešetke; najvažnija svojstva i upotrebe ugljika, ugljičnih oksida, ugljične kiseline, karbonata, silicija, silicijum oksida, silicijumske kiseline; sastav i proizvodnja građevinskog materijala - stakla, cementa, betona, keramike, uslovi za njihovo racionalno skladištenje i upotrebu; kvalitativna reakcija na karbonatni ion; metode za detekciju ugljičnog dioksida.
Biti u mogućnosti: karakterizirati podgrupu elemenata na osnovu strukture atoma i položaja elemenata u periodnom sistemu; opisati hemijska svojstva proučavanih supstanci pomoću jednadžbi reakcija; odrediti karbonatni jon i ugljični dioksid u praksi; riješiti kombinovane probleme.
Osnovni koncepti: adsorpcija, desorpcija, adsorbens, krečna voda, krečno mleko, karbidi, silicidi, silicijum anhidrid, keramika.
Kontrolna pitanja
1. Koja je valencija ugljika u jedinjenjima? Zašto?
2. Koje alotropne forme formira ugljenik?
3. Koja je razlika između svojstava grafita i dijamanta? Zašto su svojstva ovih supstanci toliko različita?
4. Zašto je aktivni ugljen sposoban za adsorpciju?
5. Šta se zove adsorpcija? Gdje se koristi ova nekretnina?
6. Koje reakcije može podvrgnuti ugljiku? Napišite jednačine reakcije.
7. Koje okside stvara ugljik?
8. Kako je strukturiran molekul ugljen monoksida, koju vrstu hemijske veze ima?
9. Kako se može dobiti ugljen(II) monoksid? Dajte jednadžbu hemijske reakcije.
10. Koja su fizička svojstva ugljičnog monoksida?
11. Koje reakcije može podvrgnuti ugljični monoksid? Dajte jednadžbe za hemijske reakcije.
12. Gdje se koristi ugljen(II) monoksid?
13. Kako ugljen monoksid utiče na živi organizam? Kako se njime zaštititi od trovanja?
14. Kako je strukturiran molekul ugljen-dioksida, koju vrstu hemijske veze ima?
15. Kako možete dobiti CO 2? Napišite jednačinu za reakciju.
16. Koja su fizička svojstva ugljičnog dioksida?
17. Koje su reakcije moguće za ugljični dioksid? Dajte odgovarajuće jednačine reakcija.
18. Kako nastaju srednje i kisele soli u reakcijama CO 2 sa alkalijama? Napišite jednačine reakcije.
19. Kako prepoznati ugljični dioksid? Napišite jednadžbu za kvalitativnu reakciju na CO 2.
20. Zašto CO 2 ne podržava sagorevanje i disanje?
21. Kakav je raspored atoma u molekulu ugljične kiseline?
22. Koja vrsta hemijske veze između atoma u molekulu ugljene kiseline?
23. Kako možete dobiti ugljenu kiselinu? Dajte jednačinu reakcije.
24. Kako se disocijacija ugljične kiseline? Da li je to jak elektrolit?
25. Kako se natrijum karbonat hidrolizuje u rastvoru? Napišite jednačinu reakcije.
26. Koje je boje lakmus u rastvoru ugljene kiseline? Zašto?
27. Koje soli može formirati ugljena kiselina? Navedite primjere formula supstanci.
28. Koje soli ugljene kiseline se nalaze u prirodi i kako se zovu?
29. Koji karbonati se proizvode u industriji?
30. Koja su fizička svojstva soli ugljične kiseline?
31. Kako se karbonati ponašaju kada se zagriju? Napišite jednačine reakcije.
32. Šta se dešava sa bikarbonatima kada se zagreju?
33. Koje su druge reakcije (osim razlaganja) moguće za karbonate?
34. Koja je kvalitativna reakcija na karbonate? Napišite jednačinu reakcije.
35. Opišite strukturu atoma silicija.
36. Koja su moguća oksidaciona stanja silicijuma u njegovim jedinjenjima?
37. Koja su fizička svojstva silicijuma?
38. Kako možete dobiti čisti silicijum? Napišite jednačinu za reakciju.
39. Koje su reakcije moguće za silicijum? Napišite jednačine reakcije.
40. Kako silicijum reaguje sa alkalijama? Napišite jednačinu za reakciju.
41. Gdje se koristi silicijum?
42. Koji oksid stvara silicijum? U kom obliku se silicijum oksid pojavljuje u prirodi?
43. Zašto je silicijum dioksid tvrd i vatrostalan?
44. Koja su hemijska svojstva silicijum dioksida? Napišite jednačine reakcije.
45. Gdje se koristi silicijum dioksid?
46. Koja je najjednostavnija formula silicijske kiseline?
47. Kako možete dobiti silicijumsku kiselinu? Dajte jednačinu reakcije.
48. Koja su fizička svojstva silicijumske kiseline?
49. Kako se dobijaju silikati? Napišite jednačine reakcije.
50. Koja su hemijska svojstva silikata? Zapišite jednadžbe reakcija.
51. Gdje se koristi silicijumska kiselina?
52. Gdje se koriste silikati?
53. Koje materijale proizvodi silikatna industrija?
54. Šta je sirovina za proizvodnju stakla?
55. Kako možete promijeniti svojstva stakla?
56. Gdje se koristi staklo?
57. Gdje se koriste keramički proizvodi?
58. Šta je sirovina za proizvodnju cementa?
59. Gdje se koristi cement?
60. Koji elementi čine porodicu ugljenika?
61. Kako se mijenjaju svojstva elemenata u podgrupi ugljika s povećanjem naboja atomskog jezgra? Zašto?
62. Gdje se koriste elementi porodice ugljika?
6.1. Rješavanje zadataka na temu "Ugljična podgrupa"
Zadatak 1. Kada je 3,8 g mješavine natrijum karbonata i natrijum bikarbonata tretirano hlorovodoničnom kiselinom, nastalo je 896 ml gasa
(Pa.). Koliki je volumen hlorovodonične kiseline (maseni udio - 20%, gustina - 1,1 g/cm3) utrošen i kakav je bio sastav početne smjese?
Rješenje
1. Proračun količine supstance:
(CO 2) = 0,896 (l)/22,4 (l/mol) = 0,04 mol.
Označimo sa X količina gasa CO 2 koji se oslobađa u reakciji Na 2 CO 3 sa hlorovodoničnom kiselinom. Onda
(CO 2) koji se oslobađa tokom reakcije NaHCO 3 sa HCl je jednak (0,04 - X) krtica. Napišimo jednačine reakcije:
2. Napravimo zapisnik da odredimo kvantitativni sastav smjese:
106X + 84 (0,04 – X) = 3,8, odavde X= 0,02 mol;
m(Na 2 CO 3) = 0,02 106 = 2,12 g,
m(NaHCO 3) = 0,02 84 = 1,68 g.
3. Izračunajte zapreminu kiseline. Reakcija sa Na 2 CO 3 troši 0,04 mola HCl, a reakcija sa NaHCO 3 0,02 mola HCl.
Odgovori. 9,95 ml HCl kiseline; 2,12 g Na 2 CO 3 i 1,68 g NaHCO 3.
Zadatak 2. Koju zapreminu ugljičnog dioksida treba proći (br.) kroz otopinu mase 80 g s masenim udjelom barij hidroksida otopljenog na 5% da bi se dobio barij bikarbonat?
Rješenje
1. Kreirajmo jednačinu reakcije:
2. Izračunajmo količine supstanci izvornih spojeva koji su reagirali:
m(Ba(OH) 2) = 80 0,05 = 4 g,
(Ba(OH) 2) = 4/171 = 0,0234 mol;
(CO 2) = 2(Ba(OH) 2) = 2 0,0234 = 0,0468 mol.
3. Izračunajte zapreminu gasa:
V(CO 2) = 0,0468 22,4 = 1,05 l.
Odgovori. 1,05 l CO 2.
Zadatak 3. 1 litar mješavine ugljičnih oksida (II) i (IV) propušten je kroz krečnu vodu. Nastali talog je filtriran i osušen, masa precipitata je bila 2,45 g. Utvrditi sadržaj gasa u početnoj smeši kao zapreminski procenat
(Pa.).
Rješenje
1. Zapišimo jednadžbe reakcija:
2. Izračunajte količinu supstance CO 2:
(CO 2) = (CaCO 3) = 2,45/100 = 0,0245 mol.
3. Izračunajte zapremine i zapreminske udjele () plinova u smjesi:
V(CO 2) = 22,4 0,0245 = 0,5488 l, (CO 2) = 54,88%;
V(SD) = 1 – 0,5488 = 0,4512 l, (SD) = 45,12%.
Odgovori. Zapreminski udjeli (CO 2) = 54,88%; (SD) = 45,12%.
Zadaci samokontrole
1. Sa kojim će materijama reagovati ugljen(IV) monoksid: natrijum hidroksid, voda, magnezijum karbonat, natrijum hlorid, kalcijum oksid, bakar(II) hidroksid, ugalj, krečna voda? Napišite jednadžbe za moguće reakcije.
2. Jedna epruveta sadrži rastvor natrijum karbonata, a druga natrijum sulfat. U svaku epruvetu je dodan rastvor barijum hlorida i u oba slučaja nastao je beli talog. Kako odrediti koja epruveta sadrži karbonat? Napišite jednadžbe molekularne i ionske reakcije.
3. Objasnite redoks procese, prikazujući prelaze elektrona koristeći metodu ravnoteže elektrona:
4. Zapišite jednadžbe reakcija za sljedeće transformacije:
5. Prilikom izlaganja višku hlorovodonične kiseline na uzorku dolomita MgCO 3 CaCO 3 težine 50 g, oslobađa se 11,2 litara ugljičnog dioksida (n.e.). Odredite maseni udio nečistoća u ovom uzorku dolomita.
Odgovori. 8%.
6. Poznato je da se pri sagorevanju uglja oslobađa 402 kJ/mol, a pri sagorevanju krečnjaka apsorbuje se 180 kJ/mol toplote. Koristeći ove podatke, odredite masu uglja (koji sadrži 0,98 masenog udjela ugljika) potrebnu za razgradnju 1 kg krečnjaka koji sadrži 5% nečistoća.
Odgovori. '52
7. 1,68 l mješavine ugljik(II) i (IV) oksida propušteno je na sobnoj temperaturi kroz 50 ml rastvora natrijum hidroksida koncentracije 2 mol/l, nakon čega je sadržaj alkalija u rastvoru prepolovljen. Odrediti sastav početne mješavine plinova u procentima mase i zapremine.
Odgovori. (SD) = 33,3%, (SD) = 24,1%;
(CO 2) = 66,7%, (CO 2) = 75,9%.
8. Gas dobijen kompletnom redukcijom 16 g gvožđe(III) oksida ugljen monoksidom propušta se kroz 98,2 ml 15% rastvora kalijum hidroksida (gustina 1,14 kg/dm3). Koliko je litara ugljičnog monoksida (II) potrošeno?
(Pa.)? Kakav je sastav i masa nastale soli?
Odgovori. 6,72 l CO, 30 g KHSO 3.
7. Opća svojstva metala
Znaj: položaj metala u periodnom sistemu hemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva; struktura i fizička svojstva metala; pojava metala u prirodi; opšta hemijska svojstva metala; vrste korozije i metode zaštite od nje; elektroliza kao redoks proces i njena primjena; klasifikacija legura, sastav nekih legura, njihova svojstva i primjena; suštinu i značaj elektrohemijskog niza napona metala.
Biti u mogućnosti: karakterizirati metale na osnovu položaja elemenata u periodnom sistemu i strukture atoma; karakterizirati fizička svojstva metala; izraditi jednadžbe reakcija koje odražavaju opća svojstva metala; sastaviti dijagrame i jednačine za elektrolizu talina i rastvora soli i alkalija; rješavaju standardne i kombinirane probleme.
Osnovni koncepti: metalna veza, metalna kristalna rešetka, galvanska ćelija, elektrohemijska ćelija, korozija, elektroliza, elektroekstrakcija, elektrolitičko rafiniranje metala, galvanizacija, galvanizacija, legure.
Reakcije metala sa kiselinama
Aktivni metali mogu reagirati s kiselinama i osloboditi vodonik (reakcije supstitucije).
Niskoaktivni metali ne istiskuju vodonik iz kiselina.
Kontrolna pitanja
1. Kakav je značaj metala u ljudskom životu?
2. Koje su strukturne karakteristike atoma metala?
3. Gdje se nalaze metali u periodnom sistemu hemijskih elemenata D.I. Mendeljejeva?
4. Koliko vanjskih elektrona imaju atomi metala glavne i sekundarne podgrupe?
5. U kojim oblicima se metali mogu pojaviti u prirodi?
6. Kako se metali mogu dobiti iz njihovih jedinjenja?
7. Kako je strukturirana kristalna rešetka metala?
8. Koja su fizička svojstva metala?
9. Kako se atomi metala ponašaju u hemijskim reakcijama i zašto?
10. Koja svojstva – oksidaciona sredstva ili redukciona sredstva – metali pokazuju u hemijskim reakcijama?
11. Recite nam o elektrohemijskom naponskom nizu metala.
12. Navedite reakcije kojima metali mogu biti izloženi.
13. Kako su povezane hemijske aktivnosti atoma metala i metalnih jona?
14. Steam s Koji metal je smrtonosan? Opišite znakove trovanja.
15. Šta je korozija metala i kako zaštititi metal od nje?
16. Navedite alkalne metale. Zašto se tako zovu?
17. Koje su strukturne karakteristike atoma alkalnih metala?
18. Kako se mogu dobiti alkalni metali?
19. Koja su fizička svojstva alkalnih metala?
20. Koji se oksidi i peroksidi dobijaju oksidacijom alkalnih metala?
21. Koje je stanje oksidacije alkalnog metala u jedinjenju? Zašto?
22. Kako nastaje hidrid alkalnog metala? Koje je oksidaciono stanje vodonika u njemu?
23. Kako alkalni metal reaguje sa rastvorom soli?
24. Kako atomi i joni alkalnih metala boje plamen?
25. Koje su reakcije karakteristične za alkalne metale?
26. Koje hemijske veze formiraju alkalni metali sa nemetalima?
27. Kako natrijum peroksid reaguje sa ugljendioksidom?
28. Gdje se koriste alkalni metali?
29. Koji je alkalni metal najaktivniji i zašto?
30. Kako superoksid CO 2 reaguje sa CO 2? Napišite jednačinu reakcije.
7.1. Elektroliza taline
Katoda
– redukciono sredstvo, na njemu se odvija proces prihvatanja elektrona metalnim katjonima.
Anoda
– oksidaciono sredstvo, na njemu se odvija proces doniranja elektrona anjonima kiselih ostataka ili hidroksidnim jonima.
U slučaju oksidacije OH – jona, sastavlja se dijagram:
4OH – – 4e = 2H 2 O + O 2.
Elektroliza rastopljenih soli.
(Algoritam 30.)
Vježba 1. Napraviti shemu za elektrolizu rastopljenog natrijum bromida.
Zadatak 2. Napraviti shemu za elektrolizu rastopljenog natrijum sulfata.
Elektroliza alkalnih talina.
(Algoritam 31.)
Vježba 1. Napraviti shemu za elektrolizu rastopljenog natrijum hidroksida.
7.2. Elektroliza rastvora
Elektroliza je redoks proces koji se događa na elektrodama kada se električna struja prođe kroz elektrolit. Prilikom elektrolize katoda je redukciono sredstvo, jer odustaje od elektrona, a anoda je oksidaciono sredstvo, jer prima elektrone od anjona.
Za odabir najvjerovatnijeg procesa na katodi i anodi tokom elektrolize otopina korištenjem inertne (nerastvorljive) anode (na primjer, grafit, ugalj, platina, iridij), koristite sljedeće pravila.
1. Na anodi se formiraju:
a) tokom elektrolize rastvora koji sadrže F – anjone, –
, , , OH – , – O 2 ;
b) tokom oksidacije anjona Cl – , Br – , I – – Cl 2 , Br 2 , I 2 , respektivno.
2. Na katodi se formiraju:
a) tokom elektrolize rastvora koji sadrže jone koji se nalaze u naponskom nizu levo od Al 3+, – H 2;
b) ako se joni nalaze u naponskom nizu desno od vodonika - metali;
c) ako se joni nalaze u opsegu napona između Al 3+ i H +, tada na katodi mogu nastati konkurentni procesi - redukcija i metala i vodonika;
d) ako vodena otopina sadrži katione različitih metala, tada dolazi do njihove redukcije po redukciji vrijednosti standardnog elektrodnog potencijala (s desna na lijevo duž niza napona metala).
U slučaju upotrebe aktivne (rastvorljive) anode (od bakra, srebra, cinka, nikla, kadmijuma), sama anoda prolazi kroz oksidaciju (otapanje) i na katodi, pored metalnih katjona, soli i vodikovih jona, metal kationi dobijeni otapanjem anode se smanjuju.
Pogodno je uporediti svojstva redukcije metala koristeći elektrohemijski niz napona, koji uključuje vodonik. Redukciona sposobnost elemenata u ovoj seriji opada s lijeva na desno, a oksidacijska sposobnost odgovarajućih kationa raste u istom smjeru.
Elektroliza vodenog rastvora soli.
(Algoritam 32.)
Vježba 1. Napraviti shemu za elektrolizu vodene otopine natrijevog klorida pomoću inertnih elektroda.
Zadatak 2. Napraviti shemu za elektrolizu vodene otopine bakar(II) sulfata pomoću inertnih elektroda.
Elektroliza vodenog alkalnog rastvora.
(Algoritam 33.)
Vježba 1. Napraviti shemu za elektrolizu vodenog rastvora natrijum hidroksida.
Zadaci samokontrole
1. Napravite šeme elektrolize:
a) taline kalcijum hlorida, kalijum hidroksida, litijum sulfata;
b) vodeni rastvori magnezijum hlorida, kalijum sulfata, živin(II) nitrata.
2. Koje su reakcije praktično izvodljive:
a) Cu + HCl ... ;
b) Mg + H 2 SO 4 (razrijeđen) ...;
c) Zn + Pb(NO 3) 2 ...;
d) Cu + ZnCl 2 ...;
e) Ca + H 2 O ...;
e) Fe + Cl 2 ... ?
3. Na čeličnom poklopcu nalazi se bakrena zakovica. Šta će se prvo slomiti - poklopac ili zakovica? Zašto?
4. Postoji proizvod od željeza prekriven zaštitnim filmom od kalaja (kalajisano željezo). Šta će se dogoditi kada se takav proizvod zagrije na zraku? Napišite jednadžbe za reakcije koje se javljaju.
5. Koliki volumen vodonika (n.u.) će se osloboditi kada se 20 g proizvoda napravljenog od legure natrijuma, kalija i bakra u masenom odnosu 1:1:2 potopi u vodu?
Odgovori. 3,86 l.
6. Izračunajte masu 9,8% rastvora sumporne kiseline koja će biti potrebna za rastvaranje četiri granule cinka ako je masa svake granule 0,2 g.
Odgovori. 12,3 g.
7. Izračunajte koliki će biti maseni udio kalijum hidroksida u rastvoru ako se metalni kalijum mase 3,9 g rastvori u 80 ml vode.
Odgovori. 6,68%.
8. Prilikom elektrolize određenog metalnog sulfata, na anodi je oslobođeno 176 ml kiseonika (n.o.), a na katodi je za isto vreme oslobođeno 1 g metala. Koji metalni sulfat je uzet?
Odgovori. CuSO4.
9. Gvozdena ploča mase 18 g potopljena je u rastvor bakar(II) sulfata. Kada je premazan bakrom, njegova masa je postala 18,2 g. Koja je masa gvožđa otišla u rastvor?
Odgovori. 1,4 g.
10. Gvozdena ploča mase 5 g potopljena je neko vreme u 50 ml 15% rastvora bakar(II) sulfata, čija je gustina 1,12 g/cm 3 . Nakon što je ploča uklonjena, utvrđeno je da je njena masa 5,16 g. Kolika je masa bakar(II) sulfata u preostalom rastvoru?
Odgovori. 5,2 g.
Odgovori na zadatke za samokontrolu
6.1. Rješavanje zadataka na temu "Ugljična podgrupa"
Zamislimo ovu situaciju:
Radite u laboratoriji i odlučili ste provesti eksperiment. Da biste to učinili, otvorili ste ormarić s reagensima i odjednom na jednoj od polica ugledali sljedeću sliku. Dvije tegle s reagensima su oguljene naljepnice i bezbedno su ostale ležati u blizini. Istovremeno, više nije moguće točno odrediti koja tegla odgovara kojoj etiketi, a vanjski znakovi tvari po kojima se mogu razlikovati su isti.
U ovom slučaju problem se može riješiti korištenjem tzv kvalitativne reakcije.
Kvalitativne reakcije To su reakcije koje omogućavaju razlikovanje jedne tvari od druge, kao i otkrivanje kvalitativnog sastava nepoznatih tvari.
Na primjer, poznato je da kationi nekih metala, kada se njihove soli dodaju u plamen plamenika, oboje ga u određenu boju:
Ova metoda može funkcionirati samo ako tvari koje se razlikuju mijenjaju boju plamena drugačije, ili jedna od njih uopće ne mijenja boju.
Ali, recimo, na sreću, supstance koje se određuju ne boje plamen, niti ga boje istom bojom.
U tim slučajevima bit će potrebno razlikovati tvari pomoću drugih reagensa.
U kom slučaju možemo razlikovati jednu tvar od druge pomoću bilo kojeg reagensa?
Postoje dvije opcije:
- Jedna supstanca reaguje sa dodatim reagensom, ali druga ne. U ovom slučaju mora biti jasno vidljivo da se reakcija jedne od polaznih tvari s dodanim reagensom zaista dogodila, odnosno da se uočava neki njen vanjski znak - formira se talog, oslobađa se plin, dolazi do promjene boje , itd.
Na primjer, nemoguće je razlikovati vodu od otopine natrijevog hidroksida pomoću klorovodične kiseline, unatoč činjenici da alkalije dobro reagiraju s kiselinama:
NaOH + HCl = NaCl + H2O
To je zbog odsustva bilo kakvih vanjskih znakova reakcije. Bistra, bezbojna otopina hlorovodonične kiseline kada se pomeša sa bezbojnim rastvorom hidroksida formira isti bistri rastvor:
Ali s druge strane, možete razlikovati vodu od vodene otopine alkalija, na primjer, koristeći otopinu magnezijevog klorida - u ovoj reakciji nastaje bijeli talog:
2NaOH + MgCl 2 = Mg(OH) 2 ↓+ 2NaCl
2) supstance se takođe mogu razlikovati jedna od druge ako obe reaguju sa dodatim reagensom, ali to čine na različite načine.
Na primjer, možete razlikovati otopinu natrijevog karbonata od otopine srebrnog nitrata pomoću otopine klorovodične kiseline.
Hlorovodonična kiselina reaguje sa natrijum karbonatom i oslobađa bezbojni gas bez mirisa - ugljen dioksid (CO 2):
2HCl + Na 2 CO 3 = 2NaCl + H 2 O + CO 2
i sa srebrovim nitratom da formira bijeli sirast talog AgCl
HCl + AgNO 3 = HNO 3 + AgCl↓
Tablice u nastavku predstavljaju različite opcije za detekciju specifičnih jona:
Kvalitativne reakcije na katjone
| Kation | Reagens | Znak reakcije |
| Ba 2+ | SO 4 2- |
Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4 ↓ |
| Cu 2+ | 1) Padavine plave boje: Cu 2+ + 2OH − = Cu(OH) 2 ↓ 2) Crni talog: Cu 2+ + S 2- = CuS↓ |
|
| Pb 2+ | S 2- | crni talog: Pb 2+ + S 2- = PbS↓ |
| Ag+ | Cl − |
Taloženje belog taloga, nerastvorljivog u HNO 3, ali rastvorljivog u amonijaku NH 3 ·H 2 O: Ag + + Cl − → AgCl↓ |
| Fe 2+ |
2) Kalijum heksacijanoferat (III) (crvena krvna so) K 3 |
1) Taloženje belog taloga koji postaje zelen na vazduhu: Fe 2+ + 2OH − = Fe(OH) 2 ↓ 2) Precipitacija plavog taloga (Turnboole blue): K + + Fe 2+ + 3- = KFe↓ |
| Fe 3+ |
2) Kalijum heksacijanoferat (II) (žuta krvna so) K 4 3) Rodanid ion SCN − |
1) Smeđi talog: Fe 3+ + 3OH − = Fe(OH) 3 ↓ 2) Padavine plavog precipitata (prusko plavo): K + + Fe 3+ + 4- = KFe↓ 3) Pojava intenzivne crvene (krvavo crvene) boje: Fe 3+ + 3SCN − = Fe(SCN) 3 |
| Al 3+ | Alkalije (amfoterna svojstva hidroksida) |
Taloženje bijelog taloga aluminij hidroksida pri dodavanju male količine lužine: OH − + Al 3+ = Al(OH) 3 i njegovo rastvaranje pri daljem sipanju: Al(OH) 3 + NaOH = Na |
| NH4+ | OH − , grijanje | Emisija gasa oštrog mirisa: NH 4 + + OH − = NH 3 + H 2 O Plavo okretanje mokrog lakmus papira |
| H+ (kisela sredina) |
Indikatori: − lakmus − metil narandžasta |
Crveno bojenje |
Kvalitativne reakcije na anjone
| Anion | Udar ili reagens | Znak reakcije. Jednačina reakcije |
| SO 4 2- | Ba 2+ |
Taloženje bijelog taloga, nerastvorljivog u kiselinama: Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4 ↓ |
| NE 3 − |
1) Dodajte H 2 SO 4 (konc.) i Cu, zagrijte 2) Smjesa H 2 SO 4 + FeSO 4 |
1) Formiranje plavog rastvora koji sadrži Cu 2+ jone, oslobađanje smeđeg gasa (NO 2) 2) Pojava boje nitrozo-gvožđe (II) sulfata 2+. Boja se kreće od ljubičaste do smeđe (reakcija smeđeg prstena) |
| PO 4 3- | Ag+ |
Taloženje svijetložutog taloga u neutralnom okruženju: 3Ag + + PO 4 3- = Ag 3 PO 4 ↓ |
| CrO 4 2- | Ba 2+ |
Formiranje žutog taloga, nerastvorljivog u octenoj kiselini, ali rastvorljivog u HCl: Ba 2+ + CrO 4 2- = BaCrO 4 ↓ |
| S 2- | Pb 2+ |
crni talog: Pb 2+ + S 2- = PbS↓ |
| CO 3 2- |
1) Taloženje belog taloga, rastvorljivog u kiselinama: Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 ↓ 2) Oslobađanje bezbojnog gasa („ključanje”), što uzrokuje zamućenje krečnjačke vode: CO 3 2- + 2H + = CO 2 + H 2 O |
|
| CO2 | Krečna voda Ca(OH) 2 |
Taloženje bijelog taloga i njegovo otapanje uz daljnji prolazak CO 2: Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2 |
| SO 3 2- | H+ |
Emisija plina SO 2 karakterističnog oštrog mirisa (SO 2): 2H + + SO 3 2- = H 2 O + SO 2 |
| F − | Ca2+ |
Bijeli talog: Ca 2+ + 2F − = CaF 2 ↓ |
| Cl − | Ag+ |
Taloženje bijelog sirastog taloga, nerastvorljivog u HNO 3, ali rastvorljivog u NH 3 ·H 2 O (konc.): Ag + + Cl − = AgCl↓ AgCl + 2(NH 3 ·H 2 O) = )  |
