3. Свойства оксида кальция

Углекислый газ
Химическая формула и названия
Химическая формула углекислого газа – СО2. Углекислый газ – вещество, которое имеет
множество названий: оксид углерода (IV), диоксид углерода или же двуокись углерода. Также
его еще называют угольным ангидридом. Он является совершенно бесцветным газом,
который не имеет запаха, с кисловатым вкусом. Углекислый газ тяжелее воздуха и плохо
растворяется в воде. При температуре ниже -78 °С кристаллизуется и становится похожим на
снег.
История открытия
Углекислый газ был первым между всеми другими газами противопоставлен воздуху под
названием «дикий газ» алхимиком XVI века Вант Гельмонтом.
Открытием СО2 было положено начало новой отрасли химии – пневматохимии (химии газов).
Шотландский химик Джозеф Блэк (1728–1799) в 1754 году установил, что известковый
минерал мрамор (карбонат кальция) при нагревании разлагается с выделением газа и
образует негашеную известь (оксид кальция):
CaCO3
CaO + CO2
Выделяющийся газ можно было вновь соединить с оксидом кальция и вновь получить
карбонат кальция:
CaO + CO2
CaCO3
Этот газ был идентичен открытому Ван Гельмонтом «дикому газу», но Блэк дал ему новое
название – «связанный воздух» – так как этот газ можно было связать и вновь получить
твердую субстанцию – карбонат кальция.
Несколько лет спустя Кавендиш обнаружил еще два характерных физических свойства
углекислого газа – его высокую плотность и значительную растворимость в воде.
Нахождение в природе и биологическая роль
Содержание углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, около 0,03% (по
объему). Углекислый газ, сосредоточенный в атмосфере, имеет массу 2200 биллионов тонн.
В 60 раз больше углекислого газа содержится в растворенном виде в морях и океанах.
В течение каждого года из атмосферы извлекается примерно 1/50 часть всего содержащегося
в ней CO2 растительным покровом земного шара в процессе фотосинтеза, превращающего
минеральные вещества в органические.
Основная масса углекислого газа в природе образуется в результате различных процессов
разложения органических веществ. Углекислый газ выделяется при дыхании растений,
животных, микроорганизмов. Непрерывно увеличивается количество углекислого газа,
выделяемого различными производствами. Углекислый газ содержится в составе
вулканических газов, выделяется он и из земли в вулканических местностях.
Вне земного шара оксид углерода (IV) обнаружен в атмосферах Марса и Венеры – планетах
«земного типа».
Получение в промышленности и лаборатории
В промышленности углекислый газ получается главным образом как побочный продукт обжига
известняка, спиртового брожения и др.
Получение в лаборатории
В химических лабораториях либо пользуются готовыми баллонами с жидким углекислым
газом, либо получают CO2 в аппаратах Киппа или приборе для получения газов действием
соляной кислоты на куски мрамора:
CaCO3 + 2HCl
CaCl2 + CO2 + H2O
Свойства
Физические свойства
CO2 – это бесцветный газ, не имеет запаха, тяжелее воздуха в 1,5 раза. Хорошая
растворимость углекислого газа в воде делает невозможным собирание его методом
«вытеснения воды».
Химические свойства
Оксид углерода (IV) обладает кислотными свойствами, и при растворении этого газа в воде
образуется угольная кислота. При пропускании CO2 через подкрашенную лакмусом воду
можно наблюдать изменение цвета индикатора с фиолетового на красный.
Качественной реакцией на содержание углекислого газа в воздухе является пропускание
газа через разбавленный раствор гидроксида кальция (известковую воду). Рис. 1. Углекислый
газ вызывает образование в этом растворе нерастворимого карбоната кальция, в результате
чего раствор становится мутным:
CO2 + Ca(OH)2
CaCO3 + H2O
Рис. 1. Помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа
При добавлении избыточного количества CO2 мутный раствор снова становится прозрачным
из-за превращения нерастворимого карбоната в растворимый гидрокарбонат кальция:
CaCO3+ H2O + CO2
Ca(HCO3)2
гидрокарбонат кальция
Применение
1. Прессованный твердый углекислый газ получил название «сухого льда».
Твердый CO2 скорее похож на спрессованный плотный снег, по твердости напоминающий мел. Рис. 2.
Температура «сухого льда» –78 оС. Сухой лед, в отличие от водяного льда, плотный. Он тонет в воде,
резко охлаждая её. Горящий бензин можно быстро потушить, бросив в пламя несколько кусочков
сухого льда.
Рис. 2. «Сухой лед»
Главное применение сухого льда – хранение и перевозка продуктов питания: рыбы, мяса,
мороженого и др. Ценность сухого льда заключается не только в его охлаждающем действии, но и в
том, что продукты в углекислом газе не плесневеют и не гниют.
2. Сухим льдом испытывают в лабораториях детали, приборы, механизмы, которые будут служить в
условиях пониженных температур. С помощью сухого льда испытывают морозоустойчивость
резиновых покрышек автомобилей.
3. Углекислый газ применяют для газирования фруктовых и минеральных вод, а в медицине – для
углекислотных ванн.
4. Жидкий углекислый газ используют в углекислотных огнетушителях. Он особенно эффективен в тех
случаях, когда вода непригодна, например, при тушении загоревшихся огнеопасных жидкостей или
при наличии в помещении не выключенной электропроводки или уникального оборудования, которое
от воды может пострадать.
Оксид и гидроксид кальция. Свойства
и применение
1. Способы получения оксида кальция
Еще в древние времена люди заметили, что если обжечь известняк, мел или мрамор, то получится
белый порошок с особыми свойствами. Основным компонентом мела, мрамора и известняка является
вещество, называемое карбонатом кальция. Его химическая формула – СаСО3. При обжиге известняка
протекает реакция, уравнение которой:
СаСО3 = СаО + СО2
Рис. 1. Минералы, основу которых составляет карбонат кальция
Оксид кальция может быть получен и при непосредственном сжигании кальция в атмосфере
кислорода:
2Са + О2 = 2СаО
При этом протекает реакция соединения кальция с кислородом с образованием оксида кальция.
2. Исторические названия оксида и гидроксида кальция
Свойства образовавшегося оксида кальция используют в строительстве до сих пор. Оксид кальция –
это номенклатурное название соединения СаО. Кроме номенклатурного, это вещество имеет несколько
исторически сложившихся названий. Как вы уже знаете, оксид кальция можно получить путем обжига
известняка, поэтому одно из его исторических названий – обожженная известь.
Если к полученному оксиду кальция добавить воду, то вода зашипит, как будто он раскален. Поэтому
обожженная известь получила название «кипелка». При соприкосновении с водой оксид кальция как
бы гасится, отдавая теплоту. Поэтому происходящий процесс назвали гашением, а оксид кальция –
негашеной известью.
Образующийся при гашении водяной пар разрыхляет негашеную известь, она как бы обрастает пухом.
В связи с этим получающаяся при взаимодействии с водой гашеная известь еще стала называться
пушонкой.
3. Свойства оксида кальция
Что же происходит при гашении негашеной извести? Установлено, что одна молекула оксида кальция
взаимодействует с одной молекулой воды и образуется только одно новое вещество – гашеная известь.
Эта реакция относится к типу соединения.
СаО + Н2О = Са(ОН)2
Формулу гашеной извести принято записывать так: Са(ОН)2. Номенклатурное название данного
вещества – гидроксид кальция:
4. Использование оксида и гидроксида кальция в строительстве
Смесь гашеной извести и воды называется известковым раствором, который используется в
строительстве. Так как гидроксид кальция мало растворим в воде, известковый раствор содержит в
себе осадок гидроксида кальция и собственно раствор (известковую воду).
Использование известкового раствора в строительстве для прочного соединения камней связано с его
отвердеванием на воздухе.
Таким образом, весь процесс получения и применения оксида кальция можно представить в виде
схемы (Рис.2).
Рис. 2. Получение и применение оксида кальция
При прокаливании карбоната кальция образуется негашеная известь - оксид кальция. При смешении с
водой оксид кальция превращается в гашеную известь – гидроксид кальция. Смесь малорастворимого в
воде гидроксида кальция и воды называется известковым раствором. При стоянии на воздухе
известковый раствор взаимодействует с углекислым газом и превращается снова в карбонат кальция.
Уравнение реакции, соответствующей процессу затвердевания известкового раствора:
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О
Затвердевание известкового раствора происходит потому, что образуется нерастворимое вещество –
карбонат кальция.
Вода
1. Вода в природе
Вода – самое распространенное вещество на Земле. Поверхность земного шара на 3/4 покрыта водой, в
довольно больших количествах вода находится в атмосфере, а также в земной коре. Основное
количество воды содержится в океанах (около 97,6%), запасы же пресной воды достаточно
ограничены. Около 85% всех запасов пресной воды сосредоточено в ледниках.
Вода – единственное вещество, которое встречается на Земле в трех агрегатных состояниях: твердом
(лед), жидком и газообразном (водяной пар).
2. Состав молекулы воды
Состав молекулы воды вам хорошо знаком: на два атома водорода в молекуле воды приходится один
атом кислорода, е химическая формула – Н2О. Такой состав был установлен еще А.Л. Лавуазье и
подтверждается результатами эксперимента по разложению воды, когда на 1 объем выделяющегося
кислорода приходится два объема выделяющегося водорода.
3. Физические свойства воды
Чистая вода – бесцветная жидкость, без вкуса и запаха, при нормальном давлении кипит при
температуре 100˚С, а замерзает при 0˚С. Ее максимальная плотность при 4˚С равна 1 г/см3.
Рис. 1. Вода
Необычным, или даже аномальным, свойством воды является ее способность расширяться при
замерзании. Т.е. лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода. Поэтому он всплывает на
поверхность, что очень важно для обитателей водоемов зимой.
Рис. 2. Лёд на поверхности воды
Водная среда была не только источником возникновения жизни, она способствовала ее сохранению и
развитию. Чтобы заморозить воду, требуется большая энергия. Вот почему промерзание глубоких
водоемов практически невозможно, что сохраняет в них жизнь.
Кроме того, вода обладает очень высокой теплоемкостью, что защищает наши континенты, благодаря
океану, от резкого перепада температур зимой и летом, ночью и днем. Именно высокая теплоемкость
воды способствует сохранению постоянной температуры тела человека и животных, поскольку и они,
и мы на две трети состоим из воды.
Являясь уникальным растворителем, вода растворяет больше солей и других веществ, чем любая
другая жидкость. В воде растворяются многие твердые вещества, жидкости и газы. Например,
газированная вода – это раствор оксида углерода(IV) (углекислого газа) в воде, столовый уксус – это
раствор уксусной кислоты в воде, сахарный сироп – раствор сахара в воде.
Но не все вещества одинаково хорошо растворяются в воде, есть и вовсе нерастворимые в воде
вещества. Растворимость твердых веществ в воде с увеличением температуры, как правило,
увеличивается. Растворимость газов, как правило, возрастает при понижении температуры и
повышении давления.
4. Некоторые химические свойства воды
Вы уже знакомы с некоторыми химическими свойствами воды. При пропускании через воду
электрического тока (или при нагревании до 2000˚С) вода разлагается на водород и кислород. Вода
может вступать в реакцию соединения со многими оксидами.
Пример такой реакции вам хорошо знаком. Так называемое «гашение извести» - взаимодействие
оксида кальция с водой. В результате этой реакции образуется гашеная известь – гидроксид кальция.
Эта реакция является экзотермической, т.е. протекает с выделением тепла.
СаО + Н2О = Са(ОН)2 + Q
Вода способна вступать в реакции замещения с активными металлами. Например, кальций
взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция и водорода.
Са + 2Н2О = Са(ОН)2 + Н2↑ + Q
В результате этой реакции выделяется большое количество теплоты.
5. Проблема очистки воды
Вода из природных источников не всегда пригодна для питья и даже промышленных процессов.
Поэтому ее подвергают очистке. Питьевая вода не должна содержать нерастворенных примесей и
болезнетворных микроорганизмов. Сначала воду из рек, озер и прудов отстаивают в специальных
бассейнах и фильтруют через слой песка. Затем обрабатывают хлором, а иногда озоном или
ультрафиолетом, для уничтожения микроорганизмов.
Рис. 3. Станция очистки воды
Роль воды в промышленности, быту и сельском хозяйстве сложно переоценить. Развитие всех отраслей
хозяйства страны, рост городов нередко приводят к загрязнению водоемов. Поэтому в каждом
государстве должны приниматься меры по охране и рациональному использованию водных природных
ресурсов.