Оксиды углерода - Неметаллы

Цели урока. Рассмотреть строение, физические свойства, химические свойства, получение и применение угарного и углекислого газов.

Оборудование и реактивы. НСООН и H₂SО₄ (конц.); известковая вода, «сухой лед», мрамор, НС1, Mg (кусочек или лента). Прибор для получения газов, стаканы, именинные свечи или огарки свечей, подставка — лесенка для них по размерам стакана, лучинка, тигельные щипцы, огнетушитель ОХП или ОХВП, модель огнетушителя, яйцо в молочной бутылке, пробирки, спички.

I. Угарный газ - оксид углерода (II)

Оксид углерода (II) СО позволяет повторить ковалентную полярную связь и закрепить два механизма ее образования: обменный и донорно-акцепторный. Кроме того, рассмотрение строения молекулы этого вещества позволит начать формировать представление о различиях в с. о. элемента и валентности, которая будет рассмотрена в теме «Органические вещества», т. е. выступает в качестве связующего «мостика» между темами курса.

Рассмотрение строения СО начинается с определения с. о. элементов и соответственно с вывода, сколько электронов передал в общее пользование атом углерода, а значит, и сколько электронов оттянул к себе более электроотрицательный кислород — два.

Однако дальнейшее рассмотрение строения СО показывает, что при таком раскладе сил у углерода не будет заветной восьмерки электронов на внешнем уровне — четыре своих и два общих с атомом кислорода. Как быть? Очевидно, атому кислорода придется передать в общее пользование одну свою свободную электронную пару, т. е. выступить в качестве донора. Акцептором, разумеется, будет атом углерода:

т. е. ковалентных связей будет три, а оттянутых от углерода к кислороду электронов — два (с. о. +2).

Исходя из строения молекулы, учащиеся прогнозируют свойства СО: так как атом углерода потерял еще не все свои электроны, а только два, то СО может проявлять восстановительные свойства, например, с окислителем — кислородом, галогенами или даже с оксидами металлов, восстанавливая их:

(отравляющее вещество — фосген)

Учитель может использовать возникшую ситуацию, чтобы спрогнозировать и окислительные свойства СО: «Но ведь атом углерода может, очевидно, и забирать у восстановителей потерянные им электроны или даже использовать их сильные восстановительные свойства, и не только взять у них отданные электроны, но и даже большее число их. Кто же может уступить свои электроны, т. е. быть восстановителем?» Ребята нередко называют столь привычный им водород. Учитель соглашается и записывает уравнение реакции получения метанола из синтез-газа:

можно записать

и только после этого учитель рассказывает о физических свойствах оксида углерода (II), о его образовании при горении углеродсодержащих веществ в недостатке кислорода:

и далее:

о том, что СО весьма ядовит, так как, попадая в кровь, вызывает отравление организма («угорание», отсюда и название этого оксида).

В количествах, опасных для жизни, он содержится в выхлопных газах автомобилей. Учитель может зачитать какое-нибудь газетное сообщение (они часто появляются в печати) о том, как угорел насмерть заснувший при работающем двигателе в гараже водитель.

Противоядием при отравлении угарным газом служит вдыхание свежего воздуха и чистого кислорода.

Учитель может получить СО нагреванием муравьиной кислоты с H₂SО₄ (конц.):

и показать, что СО горит (голубым пламенем), а потому используется как газообразное топливо.

II. Углекислый газ - оксид углерода (IV)

Строение молекулы СО₂ ученики разбирают легко:

Учителю остается лишь углубить их знания о ковалентной полярной связи и полярности молекулы. Он может поставить проблему: «Почему молекула Н₂О — диполь, а молекула СО₂ — неполярна?» — и подвести учащихся к выводу о том, что полярность молекулы зависит от двух факторов:

• от полярности связи, которая определяется значениями ЭО элементов, вступающих в связь;

• от геометрии молекулы. Например, Н₂О имеет угловое строение и молекула воды полярна, а СО₂ имеет линейное строение и, несмотря на полярность химической связи, молекула углекислого газа неполярна.

Затем учитель переходит к рассмотрению получения, собирания и распознавания углекислого газа.

В лаборатории углекислый газ получают действием НСl или HNO₃ на мрамор:

В промышленности оксид углерода (IV) получают обжигом известняка:

Собирают СO₂ способом вытеснения воздуха, так как он тяжелее последнего, но не способом вытеснения воды (почему?).

Распознавание углекислого газа

1. Горящая лучинка, помещенная в сосуд с СO₂, гаснет.

2. Известковая вода мутнеет при пропускании через нее СO₂.

Свойства углекислого газа начинают рассматривать с физических и биологических свойств: газ, без цвета, запаха, вкуса, тяжелее воздуха, растворим в воде, не поддерживает горения и дыхания.

Здесь можно продемонстрировать «переливание» углекислого газа из стакана в стакан, показать очень наглядный опыт, как по мере накопления СJ₂ в большом химическом стакане будут гаснуть поставленные в нем на разную высоту — «лесенкой» небольшие именинные свечи или огарочки (рис. 44).

Рис. 44. Демонстрация гашения пламени свечи углекислым газом

Углекислый газ СO₂ сжижается уже при комнатной температуре под давлением 6 МПа. В жидком состоянии хранится и транспортируется в стальных баллонах. Если открыть вентиль такого баллона, то жидкий СO₂ испаряется, в силу чего происходит его сильное охлаждение и часть газа превращается в снегообразную массу— «сухой лед», который прессуют и используют для хранения мороженого.

Учитель может продемонстрировать эффектный опыт. В стакан с водой опустить несколько небольших кусочков «сухого льда». Вода немедленно забурлит, и из нее повалит густой белый дым, который представляет собой переохлажденные пары воды. Вот вам и «фокус» — «дым» из воды.

Химические свойства СO₂ учащиеся рассматривают самостоятельно, как свойства типичного кислотного оксида:

Учителю остается только показать, что, несмотря на то что углекислым газом тушат пожары, им нельзя потушить горящий магний.

Демонстрация проводится просто. С помощью тигельных щипцов в пламени горелки поджигается небольшой кусочек магния или магниевая лента, которые быстро вносятся в стакан, куда предварительно поместили несколько кусочков «сухого льда». Магний продолжает гореть, а в стакане появляются хлопья сажи:

Разбирается ОВР.

Применение углекислого газа рассматривается учащимися самостоятельно с помощью схемы учебника. Учителю остается лишь продемонстрировать огнетушитель ОХП (рис. 45) и объяснить принцип его работы, используя простенькую модель (рис. 46).

Рис. 45. Огнетушитель:

1 — баллон с раствором соды; 2 — ампула с серной кислотой; 3 — крышка; 4 — штифт

Рис. 46. Модель огнетушителя

В толстостенную и широкогорлую бутылку (например, из-под молока) наливают насыщенный раствор питьевой соды NaHCO₃ и немного мыльной воды (для лучшего пенообразования). В раствор опускают небольшую пробирку с концентрированной серной кислотой. Бутылку закрывают пробкой с газоотводной трубкой. Так как в результате взаимодействия соды с кислотой выделяется много углекислого газа, то пробку может выбросить. Во избежание этого ее надо привязать к горлышку бутылки тонкой бечевкой или проволокой.

Для того чтобы показать действие огнетушителя, бутылку наклоняют горизонтально. При этом из пробирки выливается в бутылку серная кислота и вступает в реакцию с содой:

При реакции образуется довольно большой объем углекислого газа, который вместе с брызгами жидкости стремительно выделяется из газоотводной трубки в виде пены. Этой пеной можно погасить небольшой источник огня (например, подожженную бумагу).

III. Занимательный опыт

И в заключение рецептура старого классического опыта о том, как поместить яйцо в бутылку из-под молока.

За сутки перед демонстрацией нужно опустить яйцо в пищевой уксус (9%-ный раствор уксусной кислоты). Затем в молочную бутылку наливается раствор карбоната натрия Na₂CO₃. Слегка сдавив яйцо, ставшее как бы резиновым, легко пропускают его через горлышко бутылки. Под воздействием карбоната натрия произойдет реакция, восстанавливающая яичную скорлупу. Уравнения процессов: