Уравнение реакции оксида кальция и углерода

Оксид кальция: способы получения и химические свойства

Оксид кальция CaO — бинарное неорганическое вещество . Белый, гигроскопичный. Тугоплавкий, термически устойчивый, летучий при очень высоких температурах. Проявляет основные свойства.

Относительная молекулярная масса M_r = 56,08; относительная плотность для тв. и ж. состояния d = 3,35; t_пл ≈ 2614º C; t_кип = 2850º C.

Способ получения

1. Оксид кальция получается при разложении карбоната кальция при температуре 900 — 1200º C. В результате разложения образуется оксид кальция и углекислый газ:

2. В результате взаимодействия гидрида кальция и кислорода при температуре 300 — 400º С образуется оксид кальция и вода:

3. Оксид кальция можно получить сжиганием кальция в в кислороде при температуре выше 300º С:

2Ca + O₂ = 2CaO

Химические свойства

1. Оксид кальция реагирует с простыми веществами :

Оксид кальция реагирует с углеродом (коксом) при температуре 1900 — 1950º С и образует угарный газ и карбид кальция:

CaO + 3C = CaC₂ + CO

2. Оксид кальция взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Оксид кальция взаимодействует с кислотами:

2.1.1. О ксид кальция с разбавленной соляной кислотой образует хлорид кальция и воду:

CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O

2.1.2. Оксид кальция вступает во взаимодействие с разбавленной плавиковой кислотой с образованием фторида кальция и воды:

CaO + 2HF = CaF₂↓ + H₂O

2.1.3. Оксид кальция вступает в реакцию с разбавленной фосфорной кислотой, образуя фосфат кальция и воду:

2.2. Оксид кальция реагирует с оксидами:

2.2.1. Оксид кальция при комнатной температуре реагирует с углекислым газом с образованием карбоната кальция:

CaO + CO₂ = CaCO₃

2.2.2. Взаимодействуя с оксидом кремния при 1100 — 1200º С оксид кальция образует силикат кальция:

CaO + SiO₂ = CaSiO₃

2.3. Оксид кальция взаимодействует с водой при комнатной температуре, образуя гидроксид кальция:

Уравнение реакции оксида кальция и углерода

Даны вещества: оксид кальция, углерод (графит или кокс), оксид железа(II), азотная кислота (конц.).

Написать уравнения четырех возможных реакций между всеми предложенными веществами, не повторяя пары реагентов.

Работаем по плану:

1. Хорошо, что в задании не написано просто «графит» или «кокс», а содержится подсказка, что это углерод. Но надо быть готовым и к заданиям без подсказки. В нашем же случае пункт 1 выполняется без проблем.

2. Выполняем второй пункт, сокращенно обозначая характеристики веществ: в первой строке — кислотно-основные, во второй окислительно-восстановительные. Отмечаем, что оксиды кальция и железа проявляют основные свойства, а кислота, естественно, кислотные.
Оксид кальция в отличие от оксида железа практически не проявляет ОВ свойств: щелочноземельный металл в своей устойчивой степени окисления. А вот FeO может и окисляться и восстанавливаться, хотя и восстановительные, и окислительные свойства его невелики. У углерода преобладают восстановительные свойства, т.к. его наиболее устойчивая степень окисления +4. Окислительные свойства азотной кислоты общеизвестны и определяются атомом азота в степени окисления +5.
В результате имеем запись:

3. Прогнозируем реакции. На первый взгляд, между оксидом кальция и углеродом не должна протекать никакая реакция: углерод не вступает в кислотно-основные реакции, оксид кальция — в ОВР. Но тут самое время вспомнить о специфической реакции, о получении карбида кальция (1). По сути дела здесь углерод проявляет свою ОВ двойственнось, диспропорционирует, часть его атомов окисляется до степени окисления +2, часть восстанавливается до — 1. Вторая реакция (2) оксида кальция очевидна:

1. CaO + C => CaC2 + CO (при нагревании) 2. CaO + HNO3 => Ca(NO3)2 + H2O

Второе вещество, углерод. При высоких температурах он проявляет восстановительные свойства, взаимодействуя со многими (кроме самых активных!) оксидами металлов (здесь — реакция 3), при обычных условиях — реагируя с таким сильным окислителем, как концентрированная азотная кислота (реакция 4).

Третье вещество, оксид железа(II) может реагировать с четвертым, азотной кислотой и по кислотно-основному и по окислительно-восстановительному типу. В этом случае, как правило, всегда протекает ОВР: железо окисляется до степени окисления +3, образуя в кислой среде соль, азот (учитывая, что кислота концентрированная) восстанавливается до степени окисления +4 (реакция 5).

1. CaO + C => CaC2 + CO (при нагревании) 3. C + FeO => Fe + CO (при нагревании) 5. FeO + HNO3 (к) => Fe(NO3)3 + NO2 + H2O

4. Расставляем коэффициенты. В данном случае мы имеем возможность выбрать из найденных пяти схем реакций те 4, в которых расстановка коэффициентов будет наиболее простой. Ничего, кроме нехватки времени на экзамене, не мешает написать и все пять уравнений реакций, но в зачет пойдут лишь первые четыре написанных уравнения:

1. CaO + 3C = CaC₂ + CO (при нагревании)

3. C + FeO = Fe + CO (при нагревании)

5. FeO + 4HNO_{3 (к)} = Fe(NO₃)₃ + NO₂ + 2H₂O

Возможно, вы устали от окислительно-восстановительных реакций. Тогда вот еще один набор веществ, где ожидать их не приходится:

Пример 4.

Даны растворы: тетрагидроксоалюмината калия, хлорида хрома(III), карбоната калия и угольной кислоты.

Пробуем сделать самостоятельно, но если отсутствие ОВР завело вас в тупик, читаем дальше: пример 4 >>

Г.М. Можаев
старший преподаватель
ТюмГУ, химический факультет;
ТОГИРРО

Углерод

Углерод

Углерод — неметаллический элемент IV группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, является важнейшей частью всех органических веществ в природе.

Общая характеристика элементов IVa группы

От C к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Из элементов IVа группы углерод и кремний относятся к неметаллам, германий, олово и свинец — металлы.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns 2 np 2 :

• C — 2s 2 2p 2
• Si — 3s 2 3p 2
• Ge — 4s 2 4p 2
• Sn — 5s 2 5p 2
• Pb — 6s 2 6p 2

Природные соединения

В природе углерод встречается в виде следующих соединений:

• Аллотропных модификаций — графит, алмаз, фуллерен
• MgCO₃ — магнезит
• CaCO₃ — кальцит (мел, мрамор)
• CaCO₃*MgCO₃ — доломит

Получение

Углерод получают в ходе пиролиза углеводородов (пиролиз — нагревание без доступа кислорода). Также применяется получение углеродистых соединений: древесины и каменного угля.

Химические свойства

• Реакции с неметаллами

При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.

2С + O₂ → (t) 2CO (угарный газ — продукт неполного окисления углерода, образуется при недостатке кислорода)

С + O₂ → (t) CO₂ (углекислый газ — продукт полного окисления углерода, образуется при достаточном количестве кислорода)

Реакции с металлами

При нагревании углерод реагирует с металлами, проявляя свои окислительные свойства. Напомню, что металлы могут принимать только положительные степени окисления.

Ca + C → CaC₂ (карбид кальция, СО углерода = -1)

Al + C → Al₄C₃ (карбид алюминий, СО углерода -4)

Очевидно, что степень окисления углерода в соединении с различными металлами может отличаться.

Углерод — хороший восстановитель. С помощью него металлургическая промышленность справляется с задачей получения чистых металлов из их оксидов:

Углерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:

SiO₂ + C → (t) Si + CO

Может восстановить и собственный оксид:

Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца — крайне важна в промышленности:

Реакции с кислотами

В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:

Оксид углерода II — СO

Оксид углерода II — продукт неполного окисления углерода. Несолеобразующий оксид. Это чрезвычайно опасное вещество часто образуется при пожарах в замкнутых помещениях, при прогревании машины в гараже.

Растворяясь в крови угарный газ (имеющий в 300 раз большее сродство к гемоглобину, чем кислород) легко выигрывает конкуренцию у кислорода и занимает его место в эритроцитах. Отравление угарным газом нередко заканчивается летальным исходом.

В промышленности угарный газ получают восстановлением оксида углерода IV или газификацией угля (t = 1000 °С).

В лаборатории угарный газ получают при разложении муравьиной кислоты в присутствии серной:

Полностью окисляется до углекислого газа в реакции с кислородом, восстанавливает оксиды металлов.

FeO + CO → Fe + CO₂

Образование карбонилов — чрезвычайно токсичных веществ.

Оксид углерода IV — CO₂

Продукт полного окисления углерода. Относится к кислотным оксидам, соответствует угольной кислоте H₂CO₃. Бесцветный газ, без запаха.

В промышленности углекислый газ получают при разложении известняка, в ходе производства алкоголя, при спиртовом брожении глюкозы.

В лабораторных условиях используют реакцию мела (мрамора) с соляной кислотой.

Углекислый газ образуется при горении органических веществ:

Реакция с водой

В результате реакции с водой образуется нестойкая угольная кислота, которая сразу же распадается на воду и углекислый газ.

Реакции с основными оксидами и основаниями

В ходе реакций с основаниями и основными оксидами углекислый газ образует соли угольной кислоты: средние — карбонаты (при избытке основания), кислые — гидрокарбонаты (при избытке кислотного оксида).

2KOH + CO₂ → K₂CO₃ + H₂O (соотношение основание — кислотный оксид 2:1)

KOH + CO₂ → KHCO₃ (соотношение основание — кислотный оксид 1:1)

При нагревании способен окислять металлы до их оксидов.

Zn + CO₂ → (t) ZnO + CO

Угольная кислота

Слабая двухосновная кислота, существующая только в растворах, разлагается на воду и углекислый газ.

Определить наличие карбонат-иона можно с помощью кислоты: такая реакция сопровождается «закипанием» — появлением пузырьков бесцветного газа без запаха.

Я не раз встречал описание реакций, связанных с этой кислотой, которое заслуживает нашего внимания. В задании было сказано, что при добавлении к раствору гидроксида кальция углекислого газа осадок появлялся, при дальнейшем пропускании углекислого газа — помутнение исчезало.

Это можно легко объяснить, вспомнив про способность угольной кислоты образовывать кислые соли, которые растворимы.

Чтобы сделать из средней соли (карбоната) — кислую соль (гидрокарбонат) нужно добавить угольную кислоту. Однако написать ее формулу H₂CO₃ — ошибка. Ее следует записать в виде воды и углекислого газа.

Li₂CO₃ + CO₂ + H₂O → LiHCO₃ (средняя соль + кислота = кислая соль)

Чтобы вернуть среднюю соль, следует добавить к кислой соли щелочь.

Нагревание солей угольной кислоты

При нагревании карбонаты распадаются на соответствующий оксид металла и углекислый газ, гидрокарбонаты — на карбонат металла, углекислый газ и воду.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2022

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.