Что будет если смешать углерод и кислород

Как превратить углекислый газ в полезную «химию»

Оксид индия вместе с медью неплохо справляется с восстановлением углекислого газа до угарного с помощью водорода.

Принципиальная схема обратной реакции конверсии водяного пара с химическим циклом (RWGS-CL). Илл.: Jun-Ichiro Makiura et.al., Chemical Science 2020.

Основной источник энергии для человечества сейчас – ископаемое топливо. Мы сжигаем уголь, природный газ и нефтепродукты, чтобы получить тепло или выработать электричество. Но при сжигании чего-то, содержащего углерод, обязательно образуется углекислый газ, а он, как известно, способствует такой нехорошей вещи, как глобальное потепление.

Поскольку отказаться здесь и сейчас от использования углеродного топлива мы пока по разным причинам не можем, то приходится делать хоть что-то, чтобы концентрация углекислого газа в атмосфере росла не так быстро. Поэтому разрабатываются технологии, превращающие углекислый газ во что-нибудь полезное, например, в сырьё для химического синтеза. Но что это значит с химической точки зрения?

В молекуле углекислого газа CO₂ углерод прочно связан с двумя атомами кислорода. Чтобы от такого окисленного углерода была хоть какая-то химическая польза, от него нужно оторвать хотя бы один атом кислорода – превратить углекислый газ в газ угарный с формулой CO. Но для этого нужно затратить энергию, аналогичную той, которую мы бы получили, окислив угарный газ обратно до углекислого. Закон сохранения энергии, с которым всегда приходится считаться. Значит, для «чудесного» превращения углекислого газа в угарный нам нужен какой-то источник «чистой» энергии, которая не получена путём сжигания углеродного топлива. Предположим, что у нас он есть: какая-нибудь солнечная батарея или мощный ветрогенератор. Пусть даже мы с помощью «зелёного» электролиза получили из воды водород – газ, которым будем «химически» отрывать от углекислого газа один атом кислорода. Но и это ещё не всё.

Если взять углекислый газ, взять водород, смешать, погреть, потрясти и т.д., то мы, конечно, получим какое-то количество желанного нами угарного газа. Но, во-первых, его будет намного меньше, чем нам бы хотелось, а, во-вторых, это будет угарный газ вместе с исходными веществами и побочными продуктами реакции. Разделить полученную смесь можно, но на всё это потребуется затратить энергию, а её у нас и так дефицит. Чтобы выйти из этого затруднительного положения химики придумали метод, получивший название: обратная реакция конверсии водяного пара с химическим циклом (RWGS-CL).

Её суть состоит в том, чтобы разделить процесс отрыва атома кислорода от углекислого газа и его последующего «присоединения» к водороду на две отдельные стадии. Для этого необходимо использовать третье вещество, в роли которого обычно выступают оксиды металлов. В недавно опубликованной статье в журнале Chemical Science группа исследователей из университета Васэда и корпорации ENEOS предложила использовать для этой цели оксид индия, модифицированный медью. Как всё это работает?

На первой стадии углекислый газ вступает в реакцию с оксидом индия, который «отрывает» от CO₂ один кислород и присваивает его себе. На выходе получается чистый угарный газ, без лишних примесей. Когда оксид индия насыщается кислородом, его регенерируют газообразным водородом, «вытаскивающим» лишний кислород из оксида, в результате чего получается обычная вода, а оксид индия возвращается в «боевое» состояние. Дальше цикл можно повторять. По утверждению авторов работы, главным достоинством такой системы с оксидом индия и медью служит её способность работать при более низких температурах, чем у известных аналогов.

Спасёт ли нас один лишь оксид индия на пару с медью от глобального потепления? По крайней мере, не в обозримом будущем. Даже если весь добываемый на планете металл индий (а это порядка одной тысячи тонн) пустить на борьбу с углекислым газом, то его вклад в понижение количества CO₂ в атмосфере будет по приблизительным прикидкам на уровне одной тысячной от ежегодного объёма антропогенных выбросов CO₂.

Однако не стоит называть подобные разработки бесполезными. Даже если отбросить такие экзотические, но всё же более-менее реальные задачи, как обеспечение жизнедеятельности колоний на Марсе или Луне, подобные технологии определяют направление возможных поисков решения и земных проблем тоже.

Источник

Углерод. Химия углерода и его соединений

Углерод

Положение в периодической системе химических элементов

Углерод расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение углерода

Электронная конфигурация углерода в основном состоянии :

+6С 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2s 2p

Электронная конфигурация углерода в возбужденном состоянии :

+6С * 1s 2 2s 1 2p 3 1s 2s 2p

Атом углерода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Физические свойства

Углерод в природе существует в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.

Карбин — вещество, в составе которого атомы углерода находятся в sp-гибридизации. Состоит из цепочек и циклов, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями. Карбин — мелкокристаллический порошок серого цвета.

[=C=C=C=C=C=C=]_n или [–C≡C–C≡C–C≡C–]_n

Фуллерен — это искусственно полученная модифицикация углерода. Молекулы фуллерена — выпуклые многогранники С₆₀, С₇₀ и др. Многогранники образованы пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Фуллерены — черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников.

В природе углерод встречается как в виде простых веществ (алмаз, графит), так и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).

Качественные реакции

Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Качественная реакция на углекислый газ CO₂ – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется, т.к. карбонат кальция под действием избытка углекислого газа переходит в растворимый гидрокарбонат кальция:

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом (качественная реакция на углекислый газ) можно посмотреть здесь.

Соединения углерода

Наиболее типичные соединения углерода:

Химические свойства

При нормальных условиях углерод существует, как правило, в виде атомных кристаллов (алмаз, графит), поэтому химическая активность углерода — невысокая.

1.1. Из галогенов углерод при комнатной температуре реагирует с фтором с образованием фторида углерода:

1.2. При сильном нагревании углерод реагирует с серой и кремнием с образованием бинарного соединения сероуглерода и карбида кремния соответственно:

C + 2S → CS₂

C + Si → SiC

При взаимодействии углерода с водородом образуется метан. Реакция идет в присутствии катализатора (никель) и при нагревании:

1.4. С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:

2С + N₂ → N≡C–C≡N

1.5. В реакциях с активными металлами углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются карбиды:

2C + Ca → CaC₂

при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C + O₂ → 2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Углерод взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Раскаленный уголь взаимодействует с водяным паром с образованием угарного газа и водорода:

C 0 + H₂ + O → C +2 O + H₂ 0

ZnO + C → Zn + CO

Также углерод восстанавливает железо из железной окалины:

4С + Fe₃O₄ → 3Fe + 4CO

При взаимодействии с оксидами активных металлов углерод образует карбиды.

3С + СаО → СаС₂ + СО

2.3. Концентрированная серная кислота окисляет углерод при нагревании. При этом образуются оксид серы (IV), оксид углерода (IV) и вода:

2.4. Концентрированная азотная кислотой окисляет углерод также при нагревании. При этом образуются оксид азота (IV), оксид углерода (IV) и вода:

Карбиды

Пропиниды разлагаются водой или кислотами с образованием пропина и гидроксида или соли

Например:

Оксид углерода (II)

Строение молекулы и физические свойства

Строение молекулы оксида углерода (II) – линейное. Между атомами углерода и кислорода образуется тройная связь, за счет дополнительной донорно-акцепторной связи:

Способы получения

В лаборатории угарный газ можно получить действием концентрированной серной кислоты на муравьиную или щавелевую кислоты:

НСООН → CO + H₂O

В промышленности угарный газ получают в газогенераторах при пропускании воздуха через раскаленный уголь:

CO₂ + C → 2CO

Еще один важный промышленный способ получения угарного газа — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

Также возможна паровая конверсия угля:

C 0 + H₂ + O → C +2 O + H₂ 0

Угарный газ в промышленности также можно получать неполным окислением метана:

Химические свойства

2. Оксид углерода (II) окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием фосгена. Фосген – ядовитый газ.

4. Под давлением оксид углерода (II) реагирует с щелочами. При этом образуется формиат – соль муравьиной кислоты.

CO + NaOH → HCOONa

Оксиды меди (II) и никеля (II) также восстанавливаются угарным газом:

СО + CuO → Cu + CO₂

СО + NiO → Ni + CO₂

6. Угарный газ окисляется и другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов.

Оксид углерода (IV)

Строение молекулы и физические свойства

Оксид углерода (IV) (углекислый газ) — газ без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Замороженный углекислый газ называют также «сухой лед». Сухой лед легко подвергается сублимации — переходит из твердого состояния в газообразное.

Смешивая сухой лед и различные вещества, можно получить интересные эффекты. Например, сухой лед в пиве:

Углекислый газ не горит, поэтому его применяют при пожаротушении.

Обратите внимание! Молекула углекислого газа не полярна. Каждая химическая связь С=О по отдельности полярна, а вся молекула не будет полярна. Объяснить это очень легко. Обозначим направление смещения электронной плотности в полярных связях стрелочками (векторами):

Теперь давайте сложим эти векторы. Сделать это очень легко. Представьте, что атом углерода — это покупатель в магазине. А атомы кислорода — это консультанты, которые тянут его в разные стороны. В данном опыте консультанты одинаковые, и тянут покупателя в разные стороны с одинаковыми силами. Несложно увидеть, что покупатель двигаться не будет ни влево, ни вправо. Следовательно, сумма этих векторов равна нулю. Следовательно, полярность молекулы углекислого газа равна нулю.

Способы получения

В лаборатории углекислый газ можно получить разными способами:

1. Углекислый газ образуется при действии сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты металлов. При этом взаимодействуют с кислотами и нерастворимые карбонаты, и растворимые.

Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Еще один пример : гидрокарбонат натрия реагирует с бромоводородной кислотой:

Например: хлорид алюминия реагирует с карбонатом калия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется хлорид калия:

3. Углекислый газ также образуется при термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов.

Химические свойства

При избытке щелочи образуется средняя соль, карбонат калия:

Помутнение известковой воды — качественная реакция на углекислый газ:

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция (известковая вода) с углекислым газом можно посмотреть здесь.

CO₂ + C → 2CO

Магний горит в атмосфере углекислого газа:

Видеоопыт взаимодействия магния с углекислым газом можно посмотреть здесь.

Поэтому углекислый газ нельзя применять для пожаротушения горящего магния.

Углекислый газ взаимодействует с пероксидом натрия. При этом пероксид натрия диспропорционирует:

Карбонаты и гидрокарбонаты

При нагревании карбонаты (все, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV).

Карбонат аммония при нагревании разлагается на аммиак, воду и углекислый газ:

Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:

Гидрокарбонат натрия также взаимодействует с соляной кислотой:

NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ ↑ + H₂O

Гидролиз карбонатов и гидрокарбонатов

Растворимые карбонаты и гидрокарбонаты гидролизуются по аниону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:

Однако карбонаты и гидрокарбонаты алюминия, хрома (III) и железа (III) гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.

Источник

Свойства углерода, его взаимодействие с кислородом

Механизмы реакций с O₂

Углерод — химический элемент, формирующий множество соединений органической и неорганической природы. Это главный биогенный элемент Земли, который присутствует в составе всех населяющих планету живых существ. Этот элемент может существовать в кардинально отличающихся по своим параметрам формах, состоящих исключительно из атомов углерода.

История открытия углерода и основные характеристики элемента

Углерод известен людям еще с древности, ведь каменный уголь — один из основных минералов в природе. Кроме угля, люди использовали графит и алмазы.

В 1725 году коммерческое значение приобрели драгоценные камни (алмазы), а в 1970 году люди освоили технологию получения алмазов искусственным путем. В 1779 году ученые приступают к исследованию химических свойств углерода, используя работы химика Карла Шееле. Так, им удалось сделать ряд важнейших открытий, которые послужили основой для выяснения всех уникальных особенностей химического элемента углерод.

В периодической системе Менделеева углерод располагается в 4 группе, главной подгруппе. Порядковый номер элемента — 6, атомный вес — 12,011. Элемент обозначается знаком «С» (от латинского car­boneum). Углерод существует в нескольких формах, по этой причине его формула бывает различна и зависит от конкретной модификации. Для написания уравнений реакций используется единственная молекулярная формула углерода, обозначающая вещество в чистом виде — С (без индексации).

Химическая активность углерода

Благодаря устойчивой конфигурации, молекулярный углерод проявляет низкую химическую активность. Вступить в реакцию углерод может, если сообщить атому дополнительную энергию и заставить распариться электроны внешнего уровня. В этот момент валентность элемента становится равной 4. По этой причине в соединениях углерод имеет степень окисления «+2», «+4», «-4».

Все реакции углерода с простыми веществами (металлами и неметаллами) протекают под воздействием высоких температур. Данный элемент может быть и окислителем, и восстановителем. Восстанавливающие свойства углерода выражены сильно, поэтому элемент используется в металлургической промышленности и других отраслях.

Способность углерода вступать в химические реакции зависит от таких факторов: температуры реакции, аллотропной модификации и дисперсности. Углерод взаимодействует с такими веществами: металлами (железом, алюминием, кальцием и другими), неметаллами (кислородом и водородом), оксидами металлов и их солями.

С щелочами и кислотами углерод в реакцию не вступает, очень редко он взаимодействует с галогенами. Одно из основных свойств углерода — способность элемента образовывать длинные цепи между собой. Цепи замыкаются в цикл, формируют разветвления — так образуются миллионы органических соединений. Их основой выступают два элемента — углерод и водород. В состав соединений могут входить другие атомы: азот, кислород, сера, фосфор, галогены, металлы.

Реакция углерода с кислородом

Взаимодействие кислорода и углерода нашло практическое применение в металлургической промышленности.

Генри Бессемер, английский инженер изобретатель, искал такой способ производства стали, который позволил бы исключить дорогостоящую стадию получения сварочного железа. Чтобы удалить из чугуна избыточный углерод, инженер пропускал струю воздуха через расплавленный металл. Металл при этом не затвердевал и не охлаждался. Даже наоборот: в результате реакции углерода с кислородом выделялось тепло, и температура расплава повышалась. Прекращая подачу воздуха в соответствующий момент, Бессемер получил сталь.

В механизме этой реакции основным вопросом являются первичные продукты реакции углерода с кислородом. Выдвигались теории, объясняющие, какие продукты реакции горения углерода являются первичными. Правильное экспериментальное решение вопроса о первичных продуктах реакции горения затрудняется процессами окисления окиси углерода в газовой фазе и восстановления двуокиси углерода. Для исключения влияния вторичных реакций применялись разные методы исследования: низкое давление, высокие скорости газа, ингибиторы и низкие температуры.

Сложная реакция углерода с кислородом, включающая последовательно-параллельные простые реакции, может быть описана двумя уравнениями скоростей, составленными по отношению к двум ключевым веществам. Из этого следует, что одна из констант реакций горения углерода (реакция С → СO₂), должна быть предварительно экспериментально определена.

В этом случае по двум кинетическим уравнениям скоростей расходования или образования ключевых веществ, по составу продуктов реакций легко вычисляются неизвестные константы остальных двух реакций. Здесь вы узнаете об основных свойствах углерода и областях его применения.

Значительная часть мировой потребности в энергии удовлетворяется реакциями углерода и углеродсодержащих материалов с газами: с кислородом, двуокисью углерода, водяным паром и водородом. Экзотермическая реакция углерода с кислородом была и есть основным источником энергии. Эндотермическая реакция углерода с водяным паром дает окись углерода и водород, которые употребляются как газовое топливо или как синтетический газ, который может быть каталитически превращен в углеводородные топлива или в другие органические соединения. Так как двуокись углерода — это первичный продукт реакции углерода с кислородом и вторичный продукт реакции углерода с водяным паром в реакции водяного газа, то вторичная реакция двуокиси углерода с углеродом в слое топлива тесно связана с основными реакциями углерода. В настоящее время реакция углерода с водородом с образованием метана не имеет промышленного значения, но ей принадлежит будущее.

Источник

• ← Что будет если смешать углерод и водород
• Что будет если смешать уксус и белизну →