Углерод

Оксид углерода(IV) (диоксид углерода, углекислый газ, угольный ангидрид) — газ без цвета и запаха, не поддерживающий дыхания и горения, тяжелее воздуха. Он растворим в воде ($88$ объёмов $CO_2$ в $100$ объёмах $H_2O$ при $20$°С). При атмосферном давлении твёрдый диоксид углерода переходит сразу в газ, минуя жидкое состояние. Молекула $CO_2$ — линейная, с двумя двойными связями $O{=}C{=}O$. В промышленности для получения $CO_2$ используют разложение мрамора или известняка при нагревании: $$ CaCO_3 \overset{t}{=} CaO + CO_2. $$ В лаборатории для получения больших количеств диоксида углерода на мрамор действуют соляной кислотой: $$ CaCO_3 + 2HCl = CaCl_2 + H_2O + CO_2. $$ Чтобы обнаружить выделяющийся $CO_2$, его пропускают через известковую воду, при этом выпадает белый нерастворимый осадок карбоната кальция: $$ Ca(OH)_2 + CO_2 = CaCO_3 + H_2O. $$ При растворении $CO_2$ в воде частично образуется очень слабая двухосновная угольная кислота $H_2CO_3$, её молекула имеет следующее строение: Угольная кислота в свободном виде неустойчива. Как двухосновная кислота, она образует средние соли — карбонаты и кислые — гидрокарбонаты. Из всех карбонатов в воде растворимы только карбонаты щелочных металлов (хуже всех растворим $Li_2CO_3$) и аммония. В водном растворе могут существовать гидрокарбонаты только щелочных и щелочноземельных металлов, а также железа(II) и свинца(II), все они хорошо растворимы. Под действием избытка оксида углерода(IV) нерастворимые в воде карбонаты превращаются в растворимые гидрокарбонаты: $$ CaCO_3(тв) + H_2O + CO_2 = Ca(HCO_3)_2. $$ При нагревании гидрокарбонаты разлагаются на карбонаты, углекислый газ и воду: $$ 2NaHCO_3 \overset{t}{=} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2. $$ Большинство карбонатов при нагревании разлагаются на оксид металла и диоксид углерода: $$ MgCO_3 \overset{t}{=} MgO + CO_2. $$ Термически стабильные карбонаты щелочных металлов плавятся без разложения. Кроме средних и кислых карбонатов, известны основные карбонаты, образуемые металлами, которым соответствуют слабые основания, при действии на их соли средними карбонатами: $$ 2CuSO_4 + 2Na_2CO_3 + H_2O = (CuOH)_2CO_3 + 2Na_2SO_4 + CO_2. $$ Основный карбонат меди $(CuOH)_2CO_3$ — нерастворимое вещество зелёного цвета, в природе встречается в виде минерала малахита. Из солей угольной кислоты наибольшее практическое значение имеет сода $Na_2CO_3$ и её различные кристаллогидраты $Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$ (кристаллическая сода), $Na_2CO_3 \cdot 7H_2O$ и $Na_2CO_3 \cdot H_2O$, питьевая сода $NaHCO_3$, поташ $K_2CO_3$, мел, известняк и мрамор, имеющие состав $CaCO_3$.