ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Лабораторная работа №4
Тема: Получение оксида углерода (IV) и изучение его химических свойств
Цель работы: практически изучить химические свойства углекислого газа, способы получения в лаборатории, применение; практически изучить химические свойства карбонатов и гидрокарбонатов
Оборудование: кусочки мрамора, пробирки, соляная кислота (1:2), пробка с газоотводной трубкой, лучинка, вода, индикатор, известковая вода, пустая коническая колба
ОТ: соблюдать правила работы со стеклянной посудой; соблюдать правила работы с растворами кислот и щелочей; содержать рабочее место в чистоте.
Общие сведения
Оксид углерода(IV) (углекислый газ, диоксид углерода, двуокись углерода, угольный ангидрид, углекислота) — CO2, бесцветный газ, без запаха, со слегка кисловатым вкусом. Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,038 %.
Физические свойства
Плотность при нормальных условиях 1,97 кг/м³. При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.
Углекислый газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи и лучи видимой части спектра, которые поступают на Землю от Солнца и обогревают её. В то же время он поглощает испускаемые Землёй инфракрасные лучи и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.
Химические свойства
По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным оксидам. При растворении в воде образует угольную кислоту. Реагирует со щелочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов.
Биологические свойства
Диоксид углерода играет одну из главных ролей в живой природе, участвуя во многих процессах метаболизма живой клетки. Диоксид углерода получается в результате множества окислительных реакций у животных, и выделяется в атмосферу с дыханием. Углекислый газ атмосферы — основной источник углерода для растений. Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения — только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, а без освещения они тоже его выделяют.
Диоксид углерода не токсичен, но не поддерживает дыхание. Большая концентрация в воздухе вызывает удушье. Недостаток углекислого газа тоже опасен. Углекислый газ в организмах животных имеет и физиологическое значение, например, участвует в регуляции сосудистого тонуса.
Получение
В промышленности получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В пищевых целях используется газ, образующийся при спиртовом брожении. После предварительной обработки газ закачивается в баллоны.
В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора, мела или соды с соляной кислотой. Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты.
Для приготовления напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.
Применение
В пищевой промышленности диоксид углерода используется как консервант и обозначается на упаковке под кодом Е290, а также в качестве разрыхлителя теста.
Жидкая углекислота (жидкая пищевая углекислота) — сжиженный углекислый газ, хранящийся под высоким давлением (~ 65-70 атмосфер). Бесцветная жидкость. При выпуске жидкой углекислоты из баллона в атмосферу часть её испаряется, а другая часть образует хлопья сухого льда. Баллоны с жидкой углекислотой широко применяются в качестве огнетушителей и для производства газированной воды и лимонада.
Углекислый газ используется в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его диссоциация с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.
Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.
Порядок выполнения работы
Поместите в пробирку 2–3 кусочка мрамора . Прилейте в пробирку (осторожно!) соляную кислоту (1:2) так, чтобы кислота слегка покрывала мрамор.
Задание 1. Отметьте происходящие изменения. Составьте уравнения протекающей реакции.
Опыт 2. Свойства углекислого газа
Опыт 2.1. Взаимодействие углекислого газа с водой
Пропустите выделяющийся газ в пробирку с водой и исследуйте полученный раствор индикатором.
Задание 2. Опишите произошедшие изменения и сделайте вывод о свойстве углекислого газа. Составьте уравнения протекающей реакции.
Пропустите выделяющийся газ в пробирку с известковой водой (до образования осадка).
Задание 3. Опишите произошедшие изменения и сделайте вывод о свойстве углекислого газа. Составьте уравнения протекающей реакции.
Пропустите выделяющийся газ через раствор с осадком из предыдущего опыта.
Задание 4. Отметьте происходящие изменения. Сделайте вывод. Составьте уравнения в молекулярном и ионном виде.
Соберите выделяющийся газ в пустую коническую колбу и внесите в нее горящую лучинку. Что наблюдаете?
Задание 5. Сделайте вывод о возможности применения углекислого газа.
Содержание отчета о работе:
Название и цель работы, оборудование и ОТ.
Наблюдения и уравнения реакций, которые проводились при выполнении работы оформлять в таблицу:
Опыт №___
Название опыта_________________________________________________
Вывод:
Критерии защиты работы:
1. При подготовке к защите лабораторной работы необходимо запомнить основные термины и определения, используемые в данной теме
2. Для защиты работы необходимо основные теоретические вопросы по теме и уметь составлять уравнения протекающих реакций
3. Для защиты работы необходимо иметь оформленный отчет и знать ответы на контрольные вопросы
Контрольные вопросы
Составить уравнения химических реакций в соответствии со схемами:
а) C→CO→CO2→K2CO3→CaCO3→CaO→Ca(OH)2→Mg(OH)2;
б) NaHCO3→CO2→CaCO3→Ca(HCO3)2→CaCO3→CO2→CO;
в) Si→Mg2Si→SiH4→SiO2→Na2SiO3→H2SiO3→SiO2.
Как перевести основные соли в средние? Как кислые соли перевести в средние? Переведите в средние следующие соли: NаНСОз, ZnOHCI, Вi(ОН)2NОз, Са(НСО3)2. Напишите в ионно-молекулярной форме уравнения реакций.
Дать краткую характеристику кремния, указав: а) электронное строение атома и его валентные возможности; б) химические свойства свободного кремния.
Литература
1. И.В.Богомолова Неорганическая химия, Москва «Альфа-М», «Интра-М», 2009
2. Е.И.Василевская, О.И.Сечко, Т.Л.Шевцова Неорганическая химия, Минск, Центр учебной книги и средств обучения РИПО, 2015