Познакомимся теперь вкратце с устройством молекул, т. е. частиц, в которых объединено несколько атомов. В основном существуют два способа образования молекул из атомов.

Первый из этих способов основан на возникновении из нейтрального атома электрически заряженной частицы. Мы уже указывали выше, что атом является нейтральным, т. е. число положительных зарядов в его ядре (число протонов) уравновешивается числом отрицательных зарядов, т. е. числом вращающихся вокруг ядра электронов.

Если по каким-либо причинам атом теряет один или несколько электронов, то в его ядре оказывается некоторый избыток положительных зарядов, не уравновешенных отрицательно заряженными электронами, и такой атом становится положительно заряженной частицей.

Такие электрически заряженные частицы называются ионами. Они и способствуют образованию молекул из атомов.

Изучение свойств различных химических элементов показывает, что во всех случаях являются наиболее устойчивыми те из них, у которых внешняя электронная орбита заполнена целиком, либо содержит наиболее устойчивое число электронов - 8.

Это блестяще подтверждает таблица Менделеева, где в нулевой группе расположены наиболее инертные (т. е. устойчивые и не вступающие в химические реакции с другими веществами) элементы.

Это, во-первых, гелий, который имеет одну орбиту, заполненную двумя электронами, и газы неон, аргон, криптон, ксенон и радон, которые имеют во внешней орбите восемь электронов.

Наоборот, если внешняя орбита атомов имеет всего лишь один-два электрона, то такие атомы имеют склонность отдавать эти электроны другим атомам, у которых во внешней орбите не хватает 1-2 электрона до числа восемь. Такие атомы являются наиболее активными к взаимодействию друг с другом.

Возьмем для примера молекулу поваренной соли , называемой в химии хлористым натрием и образованной, как показывает ее название, из атомов натрия и хлора. У атома натрия на внешней орбите имеется один электрон, а у атома хлора - семь электронов.

Если эти два атома приблизятся друг к другу, то один электрон натрия, находящийся на внешней орбите и слабо «привязанный» к своему атому, может оторваться от него и перейти к атому хлора, у которого во внешней орбите он будет восьмым электроном (рис. 4,а).

В результате такого перехода образуются два иона: положительный ион натрия и отрицательный ион хлора (рис. 4,б), притягивающиеся друг к другу и образующие молекулу хлористого натрия, которую можно представить, как два шарика, стянутые пружиной (рис. 4,в).

Второй способ образования молекул из атомов состоит в том, что при сближении двух или более атомов находящиеся у этих атомов во внешних орбитах электроны перестраиваются таким образом, что становятся связанными с двумя или несколькими атомами. Электроны же, находящиеся на внутренних орбитах, продолжают оставаться связанными только с данным атомом.

При этом опять-таки имеется стремление образовывать наиболее устойчивые орбиты из восьми электронов.

Приведем несколько примеров таких молекул.

Возьмем молекулу углекислого газа, состоящую из атома углерода и двух атомов кислорода. При образовании этой молекулы происходит следующее перестраивание электронов внешних орбит этих атомов (рис 5)

Атом углерода оставляет связанным со своим ядром два электрона на внутренней орбите, а четыре электрона, находящиеся на его внешней орбите, распределяются по два электрона на каждый атом кислорода, которые в свою очередь отдают каждый по два электрона для общей связи атома углерода.

Таким образом, в каждой связи углерод-кислород участвуют взаимно две пары электронов, в результате чего каждый из трех атомов такой молекулы имеет устойчивую внешнюю орбиту, по которой вращаются восемь электронов.

Имеются, как известно, молекулы, не только образованные из различных элементов, но и из одинаковых атомов.

Образование таких молекул также объясняется стремлением к наиболее устойчивому восьмерному числу электронов во внешней орбите.

Так, например, атому кислорода, имеющему два электрона во внутренней орбите и шесть электронов в наружной орбите, не хватает двух электронов для образования восьмерного окружения.

Поэтому эти атомы соединяются по два, образуя молекулу кислорода О 2 , в которой по два электрона от каждого атома обобщаются, после чего вокруг них во внешней орбите будет вращаться по восемь электронов.

При образовании молекул по второму способу, когда происходит обмен электронами между атомами, центрам атомов требуется сблизиться более, чем по первому способу, когда происходит только взаимное притяжение противоположно заряженных ионов.

Поэтому, если в первом способе можно себе представить такую молекулу в виде двух соприкасающихся шаров-ионов (рис. 4,в), не меняющих свои размеры и форму, то при втором способе шарообразные атомы как бы сплющиваются.

Современные методы исследования строения веществ позволяют не только знать, из каких атомов состоят различные молекулы, но также как располагаются атомы в молекулах, т. е. структуру этих молекул вплоть до расстояний между ядрами атомов, входящих в состав молекул.

На рис. 6 показаны структуры молекул кислорода и углекислого газа, а также расположение ядер атомов в этих молекулах с указанием межъядерных расстояний в ангстремах.

Молекула кислорода, состоящая из двух атомов, имеет форму двух спрессованных шаров с расстоянием между ядрами атомов 1,20А. Молекула углекислого газа, состоящая из трех атомов, имеет прямолинейную форму с атомом углерода в середине и расположенных по обе стороны от него по прямой линии двух атомов кислорода с межъядерными расстояниями 1,15 А.

Рис. 6. Структуры молекул: а - расположение атомов; б - расположение ядер атомов; 1 - молекула кислорода О 2 ; 2 - молекула углекислого газа СО 2 .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углекислый газ (оксид углерода (IV), диоксид углерода, двуокись углерода) в обычных условиях представляет собой бесцветный газ, тяжелее воздуха, термически устойчивый, а при сжатии и охлаждении легко переходящий в жидкое и твердое («сухой лед») состояния.

Он плохо растворяется в воде, частично реагируя с ней.

Основные константы углекислого газа приведены в таблице ниже.

Таблица 1. Физические свойства и плотность углекислого газа.

Углекислый газ играет важную роль в биологических (фотосинтез), природных (парниковый эффект) и геохимических (растворение в океанах и образование карбонатов) процессах. В больших количествах он поступает в окружающую среду в результате сжигания органического топлива, гниения отходов и др.

Химический состав и строение молекулы углекислого газа

Химический состав молекулы углекислого газа выражается эмпирической формулой CO 2 . Молекула диоксида углерода (рис. 1) линейная, что соответствует минимальному отталкиванию связывающих электронных пар, длина связи С=Щ равна 0,116 нм, а её средняя энергия - 806 кДж/моль. В рамках метода валентных связей две σ-связи С-О образованы sp-гибридизованнойорбиталью атома углерода и 2p z - орбиталями атомов кислорода. Не участвующие в sp-гибридизации 2p x — и 2p y -орбитали атома углерода перекрываются с аналогичными орбиталями атомов кислорода. При этом образуются две π-орбитали, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Рис. 1. Строение молекулы углекислого газа.

Благодаря симметричному расположению атомов кислорода молекула CO 2 неполярная, поэтому диоксид мало растворим в воде (один объем CO 2 в одном объеме H 2 O при 1 атм и 15 o С). Неполярность молекулы приводит к слабым межмолекулярным взаимодействия и низкой температуре тройной точки: t = -57,2 o С и P = 5,2 атм.

Краткое описание химических свойств и плотность углекислого газа

Химически углекислый газ инертен, что обусловлено высокой энергией связей O=C=O. С сильными восстановителями при высоких температурах диоксид углерода проявляет окислительные свойства. Углем он восстанавливается до угарного газа CO:

C + CO 2 = 2CO (t = 1000 o C).

Магний, зажженный на воздухе, продолжает гореть и в атмосфре углекислого газа:

CO 2 + 2Mg = 2MgO + C.

Оксид углерода (IV) частично реагирует с водой:

CO 2 (l) + H 2 O = CO 2 ×H 2 O(l) ↔ H 2 CO 3 (l).

Проявляет кислотные свойства:

CO 2 + NaOH dilute = NaHCO 2 ;

CO 2 + 2NaOH conc = Na 2 CO 3 + H 2 O;

CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 ↓ + H 2 O;

CO 2 + BaCO 3 (s) + H 2 O = Ba(HCO 3) 2 (l).

При нагревании до температуры свыше 2000 o С углекислый раз разлагается:

2CO 2 = 2CO + O 2 .

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?

Углекислый газ и его физические свойства

Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.

Рис. 1. Молекула углекислого газа.

Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.

Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».

Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.

Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.

Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.

Чтобы вычислить массовые доли элементов в углекислом газе необходимо следовать формулерасчета массовых долей каждого химического элемента в веществе.

n – число атомов или молекул.
Ar – относительная атомная масса химического элемента.
Mr – относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27 % Так как в формулу углекислого газа входит два атома кислорода, то n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73 %

Ответ: w(C) = 0,27 или 27 %; w(O) = 0,73 или 73 %

Химические и биологические свойства углекислого газа

Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO₃=2CO+O₃.

Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:

СaO+Co₃=CaCO₃.

Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.

Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.

Рис. 3. Огнетушитель.

Что мы узнали?

Углекислый газ – вещество, которое в нормальных условиях не имеет цвета и запаха. помимо своего обычного названия – углекислый газ, его также называют оксидом углерода или диоксидом углерода.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.3 . Всего получено оценок: 146.