Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович (2025)
§ 19. Вуглекислий газ
Фізичні властивостi
Вуглекислий газ — речовина, про яку часто згадують як у шкільних курсах, так і в щоденному житті. Попри те, що в природі його не так вже й багато, але він має неабияке значення для процесів у живій і неживій природі.
«Вуглекислий газ» — це традиційна назва речовини, а систематична назва — карбон(ІV) оксид (у західних країнах більше поширена назва «карбон діоксид»). Хімічна формула — СО2.
Вуглекислий газ:
• безбарвна речовина, без смаку, без запаху (у невеликій концентрації);
• розчинність у воді: за 0 °С в 1 л води розчиняється 1,73 г вуглекислого газу, за 25 °С — 1,45 г;
• густина за 0 °С та нормального атмосферного тиску — 1,977 г/л, густина твердого карбон(IV) оксиду — 1,562 г/см3;
• tсубл. = -78,5 °С (1 атм), tкип. = -56,6 °С (5 атм) або +20 °С (60 атм);
• не горить і не підтримує горіння й дихання.
Модель молекули вуглекислого газу
Як ви знаєте, вуглекислий газ є у складі повітря, але ми не відчуваємо його запаху через малий уміст. У великій концентрації вуглекислий газ має слабкий «кислуватий» запах. Його можна відчути поряд з автівкою з працюючим двигуном або якщо відкорковувати пляшку з дуже газованою водою.
Вуглекислий газ значно краще розчиняється у воді, ніж кисень і водень. Водний розчин вуглекислого газу має слабкий кислий і «колючий» смак, який ми відчуваємо в газованих напоях.
Вуглекислий газ майже в 1,5 раза важчий за повітря, через що він може накопичуватися в підвальних приміщеннях.
Вуглекислий газ — одна з небагатьох речовин у довкіллі, в якої за нормального атмосферного тиску немає температури кипіння. Для нього характерний процес сублімації: перехід від твердого стану одразу в газуватий за нагрівання і навпаки за охолодження.
Твердий карбон(ІV) оксид називають сухим льодом: зовні він справді нагадує лід, а за нагрівання не стає рідким.
За підвищеного тиску вуглекислий газ може ставати рідким (скраплюватися). Так, за тиску 60 атм він скраплюється навіть за кімнатної температури, що дає змогу легко його зберігати й транспортувати в сталевих балонах (зазвичай чорного кольору).
У повітрі об’ємна частка вуглекислого газу близько 0,04 %. У такій концентрації він не шкідливий для людини й інших тварин. У більших концентраціях вуглекислий газ становить небезпеку: за вмісту 0,1 % (за об’ємом) утруднюється дихання, людина стає млявою, за 0,3 % — може статися блювота, за 3 % — порушується серцебиття, плутається свідомість, а 10 % може спричинити смерть.
Способи одержання вуглекислого газу
Найпоширенішими способами одержання вуглекислого газу є горіння карбоновмісних речовин і реакції солей карбонатної кислоти (карбонатів).
• Горіння вугілля (або сажі):
С + О2 = СО2
• Горіння метану й інших вуглеводнів (сполук Карбону з Гідрогеном), які є основними компонентами природного газу:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
• Розкладання кальцій карбонату:
СаСО3 =t, 1000 °С СаО + CO2↑
Ці три способи є промисловими способами одержання вуглекислого газу. Також у великих кількостях його одержують спиртовим бродінням рослинної сировини, а вуглекислий газ є побічним продуктом виробництва.
Одержати вуглекислий газ можна також взаємодією карбонатів із кислотами.
Уже відомий вам спосіб, який часто є основою популярного досліду «содовий вулкан», ґрунтується на реакції соди з кислотою.
• Реакція харчової (питної) соди з хлоридною кислотою:
NaHCO3 + НСl = NaCl + СО2↑ + Н2О
• Реакція кальцинованої соди із сульфатною кислотою:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + CO2↑ + H2O
У лабораторії вуглекислий газ зазвичай одержують взаємодією нерозчинного у воді кальцій карбонату з кислотою. Цю реакцію зручно здійснювати в апараті Кіппа:
СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + СO2↑ + Н2O
У щоденному житті кальцій карбонат трапляється переважно у вигляді крейди, але в апараті Кіппа крейду використовувати не зручно. Для одержання вуглекислого газу в ньому використовують іншу природну модифікацію кальцій карбонату — мармур.
Поміркуйте
Сформулюйте гіпотезу: чому в апараті Кіппа незручно використовувати крейду. Для формулювання припущення згадайте, що відбувається з крейдою в разі тривалого контакту з водою.
Дізнайтеся більше
Кислотні дощі (дощова вода із домішками кислот) є не лише серйозною екологічною проблемою для ґрунтів, водойм і живих організмів. Кислотні опади також пошкоджують пам'ятки архітектури, виготовлені з мармуру. Впродовж століть на поверхні мармуру відбувається реакція кальцій карбонату з кислотою, що спричиняє руйнування скульптур.
Хімічні властивості вуглекислого газу
Пригадайте
З матеріалу § 14 пригадайте, до якого типу оксидів належить карбон(IV) оксид. Чи взаємодіє він із водою?
Карбон(IV) оксид — кислотний оксид, тому під час контакту з водою він розчиняється і певна його частка реагує з водою з утворенням нестійкої карбонатної кислоти:
СО2 + Н2О = Н2СО3
Поміркуйте
Сформулюйте гіпотезу: як можна довести наявність карбонатної кислоти у водному розчині вуглекислого газу. Запропонуйте план дослідження.
Оскільки карбон(IV) оксид є кислотним, він має реагувати з речовинами з протилежними хімічними властивостями — основними. З-поміж таких речовин вам уже відомі основні оксиди й основи.
Унаслідок взаємодії карбон(IV) оксиду з основними оксидами активних металічних елементів утворюються відповідні солі. Приміром, реакція з кальцій оксидом (негашеним вапном):
СаО + СО2 = СаСО3
Пригадайте
Які речовини називають лугами?
Унаслідок взаємодії карбон(ІV) оксиду з лугами (розчинними основами) утворюються сіль і вода. Наприклад, під час пропускання вуглекислого газу крізь розчин кальцій гідроксиду:
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3↓ + Н2О
Один із продуктів реакції — нерозчинний у воді кальцій карбонат, тож під час реакції ми спостерігатимемо утворення осаду. Саме цю реакцію використовують у лабораторній практиці для виявлення вуглекислого газу. Кальцій гідроксид називають також гашеним вапном, а його розчин у воді — вапняною водою. Отже, помутніння вапняної води під час пропускання газу — якісна реакція на вуглекислий газ.
Робота з інформацією
227. Підготуйте ілюстровану доповідь про відкриття та дослідження вуглекислого газу. Чи можна стверджувати, що вуглекислий газ був першою газуватою речовиною, яку почали комерційно застосовувати?
228. Порівняйте розчинність кисню з розчинністю вуглекислого газу. У якого газу максимальна масова частка в розчині більша?
229. Обчисліть максимальний об’єм вуглекислого газу, який розчиняється у воді об’ємом 1 л (н. у.). Порівняйте його з розчинністю за 25 °С, якщо густина вуглекислого газу за такої температури 1,8 г/л.
230. Запишіть хімічні рівняння реакцій горіння етану С2Н6 та пропану С3Н8 (вуглеводнів, які містяться в природному газі), якщо продукти цих реакцій такі самі, як і під час згоряння метану.
231. Складіть назву кальцинованої соди за систематичною номенклатурою.
232. Запишіть хімічні рівняння реакцій вуглекислого газу з магній оксидом, натрій оксидом, натрій гідроксидом, калій гідроксидом, барій гідроксидом.
233. На цукрових заводах для очищення цукрового екстракту використовують вуглекислий газ, який одержують прожарюванням кальцій карбонату. Обчисліть масу солі, необхідної для одержання вуглекислого газу об’ємом 1,12 м3 (н. у.).
234. Харчову (питну) соду часто використовують як розпушувач для випікання тістечок. Але перед додаванням до тіста соду «гасять» оцтом. Умовно припустивши, що гасити соду можна й хлоридною кислотою, обчисліть масу гідроген хлориду, який витрачається для гасіння харчової соди масою 10 г. Обчисліть об’єм утвореного вуглекислого газу (н. у.).
235. Для очищення повітря закритих приміщень від вуглекислого газу, повітря можна пропускати крізь патрони з гашеним вапном — кальцій гідроксидом. У повітрі певного приміщення об’ємом 45 м3 (н. у.) накопичився вуглекислий газ до 0,056 % (за об’ємом). Обчисліть масу кальцій гідроксиду, необхідного для повного поглинання такого обсягу вуглекислого газу.
236. Одна людина впродовж доби під час дихання виділяє близько 1 кг вуглекислого газу. Обчисліть масу кальцій оксиду, потрібного для повного поглинання такого обсягу газу.
237. До зубної пасти часто додають кальцій карбонат (крейду), який сприяє кращому очищенню зубів. Але з цією метою не можна використовувати природну крейду, оскільки під час її подрібнення утворюються часточки з гострими краями, які можуть пошкодити зубну емаль. Крейду для додавання до зубної пасти синтезують із кальцій гідроксиду, отримуючи сферичні часточки. Для синтезу кальцій карбонату спочатку спалили метан об’ємом 560 л (н. у.), а одержаний вуглекислий газ пропустили крізь достатню кількість розчину кальцій гідроксиду. Обчисліть масу одержаного кальцій карбонату.
Розуміння явищ природи (робота в групах)
238. Порівняйте промислові та лабораторні способи одержання вуглекислого газу. Чи можна ці лабораторні способи застосовувати в промисловості, а промислові — в лабораторній практиці?
239. Звичайна газована вода в пляшках — це розчин вуглекислого газу у воді. Чи можна газовану воду назвати розчином карбонатної кислоти? Чи можна газовану воду використати для одержання вуглекислого газу в невеликих кількостях? Відповіді поясніть.
240. Порівняйте процес одержання вуглекислого газу розкладанням кальцій карбонату та реакцією карбон(ІV) оксиду з негашеним вапном. Що в них спільного та відмінного? Як би ви назвали таку пару реакцій?
241. Запропонуйте, з якою метою можна застосовувати сухий лід.
242. Зважаючи на фізичні властивості вуглекислого газу припустіть, як застосовують вуглекислий газ у промисловості та техніці.
243. Вуглекислий газ — важлива речовина для систем пожежогасіння, зокрема деяких вогнегасників. На малюнку зображені вуглекислотний і повітряно-пінний вогнегасники. Проаналізуйте їхню будову та дайте відповіді на запитання.
• Поясніть значення вуглекислого газу для пожежогасіння, зважаючи на трикутник вогню (§ 10).
• Опишіть принцип дії вуглекислотного вогнегасника.
• За інструкцією до вуглекислотного вогнегасника під час користування ним у жодному разі не можна триматися руками за патрубок. Поясніть цю вимогу. (Для відповіді пригадайте з курсу фізики, які теплові ефекти відбуваються під час випаровування рідин і розширення газів.)
• Опишіть принцип дії повітряно-пінного вогнегасника.
• Яка функція піноутворювача в повітряно-пінному вогнегаснику?
244. У необроблених кавових зернах доволі великий уміст кофеїну, що може негативно впливати на організм. Для видалення (повного або часткового) кофеїну із зерен кави їх потрібно додатково обробити перед смаженням. Це, по-перше, позбавить шанувальників кави надлишку кофеїну. А по-друге — у такий спосіб одержують чистий кофеїн для фармацевтичної та харчової промисловості.
Проаналізуйте опис процесу декофеїнізації та дайте відповіді на запитання.
Для видалення кофеїну сирі зерна змішують зі скрапленим вуглекислим газом. На відміну від води, кофеїн добре розчиняється в такій рідині. Отриманий розчин відділяють від зерен. Після цього фільтрат поступово приводять до атмосферного тиску, одержуючи практично чистий кристалічний кофеїн. Вуглекислий газ після цього знову скраплюють і використовують для оброблення наступних порцій зерен.
• Які фізичні явища відбуваються під час декофеїнізації?
• Які способи розділення сумішей застосовують?
• У додаткових джерелах знайдіть інформацію, у яких ще галузях з подібною метою використовують скраплений вуглекислий газ.
245. Йохан Баптіст ван Гельмонт ще у XVIII столітті припустив існування вуглекислого газу. Він назвав його spiritus sylvestre («лісовий дух»), порівнявши масу золи з масою спаленої деревини. Чому, на вашу думку, він саме так назвав вуглекислий газ? У XVIII столітті вуглекислий газ також називали «повітря, що фіксується». Зважаючи на хімічні властивості вуглекислого газу, поясніть і цю назву.
246. Учні та учениці досліджували реакцію натрій карбонату з хлоридною кислотою. Для цього в посудину насипали надлишок соди й додали певний об’єм кислоти. Після змішування реактантів вони щохвилини вимірювали об’єм виділеного газу й отримані результати зафіксували в таблиці.
Проаналізуйте таблицю та дайте відповіді на запитання.
|
Час, хв |
Об'єм СО2, мл |
Час, хв |
Об'єм СО2, мл |
|
0 |
0 |
4 |
72 |
|
1 |
24 |
5 |
76 |
|
2 |
45 |
6 |
76 |
|
3 |
60 |
7 |
76 |
• Запропонуйте схему приладу для цього експерименту.
• За який час прореагувала вся кислота?
• Учні й учениці вирішили повторити експеримент, але за вищої температури. Які змінні тепер вони мають контролювати в цьому експерименті?
• Більше чи менше газу буде зібрано в другому експерименті? Відповідь поясніть.
• Припустіть, менший чи більший час знадобиться, щоб витратилася вся кислота. Відповідь поясніть. Запропонуйте спосіб, у який можна перевірити це припущення.
247. Учні й учениці досліджували способи виявлення вуглекислого газу та зібрали прилад, зображений на малюнку.
• Опишіть призначення кожного елемента цього приладу.
• Після запалення свічки учні й учениці очікували на швидке помутніння вапняної води, проте виявилося, що прилад не працює. Поясніть, у чому було припущено помилку в конструкції цього приладу.
• Як можна змінити конструкцію приладу, щоб він запрацював?
248. Артем, Сніжана та Юля вирішили виміряти молярний об’єм вуглекислого газу. Кожен із них наповнював конічну колбу об’ємом 1,00 л вуглекислим газом з апарата Кіппа та зважував колбу до та після наповнення.
• Навіщо в цей прилад додали осушувач? Чи може вплинути на результати експерименту його відсутність?
Артем наповнював колбу впродовж 1 хвилини, після чого закоркував колбу. Сніжана та Юля вирішили не ризикувати і під час заповнення колби газом піднесли до її отвору запалену свічку. Вони припиняли заповнення, лише свічка загасала.
• Якої помилки припустився Артем?
Результати експериментів занотували в таблицю.
|
Параметр |
Артем |
Сніжана |
Юля |
|
Маса колби до заповнення, г |
575,20 |
580,65 |
572,95 |
|
Маса колби після заповнення, г |
575,60 |
581,25 |
573,55 |
Довідка: експеримент виконували за температури 20 °С, густина сухого повітря за такої температури — 1,20 г/л, а вуглекислого газу — 1,83 г/л.
За результатами зважування учень і учениці зробили обчислення.
Сніжана впоралася найшвидше:
m(СO2) = m(колби після заповнення) - m(колби до заповнення) = 580,65 г - 581,25 г = 0,60 г;
• Порівняйте густину вуглекислого газу, отриману Сніжаною, із довідниковою. Чому дані не збігаються? У чому припустилася помилки Сніжана?
Артем та Юля обчислювали дещо довше:
• Порівняйте густину вуглекислого газу, отриману Артемом і Юлею, із довідниковою. Чи можна впевнено визначити, хто з них акуратніше виконав експеримент?
• Чим пояснюється розбіжність результату Артема з довідниковим?
• Чи можна вважати результат Юлі помилковим? Чому?
249. Для одержання вуглекислого газу в лабораторії використовують прилад, зображений на малюнку. Проаналізуйте його та поясніть призначення кожного елемента цього приладу.
