Химическая связь в молекуле СО

Распределение электронов в возбужденном атоме углерода и в кислороде таково, что между ними возможно образование двух химических связей – в атоме кислорода имеются 2 неспаренных электрона. Однако при переходе одного электрона от кислорода к углероду в образовавшихся ионах С^- и О⁺ будет по 3 неспаренных электрона, аналогично электронной конфигурации азота. При соединении этих ионов образуется тройная связь, аналогичная молекуле N₂, поэтому свойства СО и N₂ очень близки.

СО

С 2s²2p² С +1е = С^-

О 2s²2p⁴ О -1е = О⁺

Возможно иное объяснение образования тройной связи в молекуле СО.

Невозбужденный атом углерода имеет 2 неспаренных электрона, которые могут образовать 2 общие электронные пары с 2-мя неспаренными электронами атома кислорода (по обменному механизму). Однако имеющиеся в атоме кислорода 2 спаренные р -электрона могут образовывать тройную химическую связь, поскольку в атоме углерода имеется одна незаполненная ячейка, которая может принять эту пару электронов.

Тройная связь образуется по донорно-акцепторному механизму, направление стрелки от донора кислорода к акцептору – углероду.

Подобно N₂ - СО обладает высокой энергией диссоциации (1069 кДж), плохо растворим в воде, инертен в химическом отношении. СО – газ без цвета и запаха, безразличный несолеобразующий, не взаимодействует с кислотными щелочами и водой при обычных условиях. Ядовит, т.к. взаимодействует с железом, входящим в состав гемоглобина. При повышении температуры или облучении проявляет свойства восстановителя.

Получение:

в промышленности

CO₂ + C «2CO

2C + O₂ ® 2CO

в лаборатории: H₂SO_4, t

HCOOH ® CO­ + H₂O;

H₂SO₄ t

H₂C₂O₄ ® CO­ + CO₂­ + H₂O.

В реакции СО вступает лишь при высоких температурах.

Молекула СО имеет большое сродство к кислороду, горит образуя СО₂:

СО + 1/2О₂ = СО₂ + 282 кДж/моль.

Из-за большого сродства к кислороду СО используется как восстановитель оксидов многих тяжелых металлов (Fe, Co, Pb и др.).

СO + Cl₂ = COCl₂ (фосген)

CO + NH₃ ® HCN + H₂O H – C º N

CO + H₂O «CO₂ + H₂

CO + S ® COS

Наибольший интерес представляют карбонилы металлов (используются для получения чистых металлов). Химическая связь по донорно-акцепторному механизму, имеет место p-перекрывание по дативному механихму.

_t

5CO + Fe ® [Fe(CO)₅] (пентакарбонил железа)

Все карбонилы – диамагнитные вещества, характеризуются невысокой прочностью, при нагревании карбонилы разлагаются

[Ni(CO)₄] → 4CO + Ni (карбонил никеля).

Как и СО карбонилы металлов – токсичны.

Химическая связь в молекуле СО₂

В молекуле СО₂ sp- гибридизация атома углерода. Две sp-гибридные орбитали образуют 2 s-связи с атомами кислорода, а оставшиеся негибридизованными р-орбитали углерода дают с двумя р-орбиталями атомов кислорода p-связи, которые располагаются в плоскостях перпендикулярных друг другу.

О ═ С ═ О

Под давлением 60 атм. и комнатной температуре СО₂ сгущается в бесцветную жидкость. При сильном охлаждении жидкая СО₂ застывает в белую снегоподобную массу, возгоняющуюся при Р = 1 атм и t = 195К(-78°). Спрессованная твердая масса называется сухим льдом, СО₂ не поддерживает горения. В нем горят лишь вещества, у которых сродство к кислороду выше чем у углерода: например,

2Mg + CO₂ ® 2MgO + C.

СО₂ реагирует с NH₃:

CO₂ + 2NH₃ = CO(NH₂)₂ + H₂O

(карбамид, мочевина)

2СО₂ + 2Na₂O₂ ® 2Na₂CO₃+O₂

Мочевина разлагается водой:

CO(NH₂)₂ + 2H₂O ® (NH₄)₂CO₃ → 2NH₃ + СО₂

Целлюлоза – углевод, который состоит из остатков b-глюкозы. Она синтезируется в растениях по следующей схеме

_{хлорофилл}

_свет

6CO₂ + 6H₂O ® C₆H₁₂O₆ + 6O₂­фотосинтез глюкозы

.

СО₂ получают в технике:

_t

2NaHCO₃ ® Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

из кокса C + O₂ ® CO₂

В лаборатории (в аппарате Киппа):

.

Угольная кислота и ее соли

Растворяясь в воде, углекислый газ частично взаимодействует с ней, образуя угольную кислоту H₂CO₃; при этом устанавливаются равновесия:

К₁ = 4×10^-7 К₂ = 4,8×10^-11 – слабая, неустойчивая, кислородсодержащая, двухосновная кислота. Гидрокарбонаты растворимы в Н₂О. Карбонаты нерастворимы в воде, кроме карбонатов щелочных металлов, Li₂CO₃ и (NH₄)₂CO₃. Кислые соли угольной кислоты получают, пропуская избыток СО₂ в водный раствор карбоната:

,

либо постепенным (по каплям) добавлением сильной кислоты в избыток водного раствора карбоната:

Na₂CO₃ + HNO₃ ® NaHCO₃ + NaNO₃

При взаимодействии со щелочами или нагревании (прокаливании) кислые соли переходят в средние:

Соли гидролизуются по уравнению:

I ступень

Из-за полного гидролиза из водных растворов нельзя выделить карбонаты Gr³⁺, Al³⁺, Ti⁴⁺, Zr⁴⁺ и др.

Практическое значение имеют соли - Na₂CO₃ (сода), CaCO₃ (мел, мрамор, известняк), K₂CO₃ (поташ), NaHCO₃ (питьевая сода), Са(НСО₃)₂ и Mg(HCO₃)₂ обусловливают карбонатную жесткость воды.

Сероуглерод (CS₂)

При нагревании (750-1000°С) углерод реагирует с серой, образуя сероуглерод, органический растворитель (бесцветная летучая жидкость, реакционноспособное вещество), огнеопасен и летуч.

Пары CS₂ – ядовиты, применяется для фумигации (окуривания) зернохранилищ против насекомых - вредителей, в ветеринарии служит для лечения аскаридоза лошадей. В технике – растворитель смол, жиров, йода.

С сульфидами металлов CS₂ образует соли тиоугольной кислоты – тиокарбонаты.

.

Эта реакция аналогична процессу

.

Тиокарбонаты – желтые кристаллические вещества. При действии на них кислот выделяется свободная тиоугольная кислота.

Она более стабильна чем Н₂СО₃ и при низкой температуре выделяется из раствора в виде желтой маслянистой жидкости, легко разлагающейся на:

Соединения углерода с азотом (СN)₂ или С₂N₂ – дициан, легко воспламеняющийся бесцветный газ. Чистый сухой дициан получают путем нагревания сулемы с цианидом ртути (II).

HgCl₂ + Hg(CN)₂ ® Hg₂Cl₂ + (С N)₂

Другие способы получения:

4HCN_г + О₂ 2(CN)₂ +2H₂O

2HCN_г + Сl₂ (CN)₂ + 2HCl

Дициан по свойствам похож на галогены в молекулярной форме X₂. Так в щелочной среде он, подобно галогенам, диспропорционирует:

(С N)₂ + 2NaOH = NaCN + NaOCN

Циановодород - НСN (), ковалентное соединение, газ, растворяющийся в воде с образованием синильной кислоты (бесцветная жидкость и ее соли чрезвычайно ядовиты). Получают:

Циановодород получают в промышленности по каталитическим реакциям.

1000^oC, C, Pt

2CH₄ + 3O₂ + 2NH₃ ® 2HCN + 6H₂O.

Соли синильной кислоты – цианиды, подвержены сильному гидролизу. CN^- - ион изоэлектронный молекуле СО, входит как лиганд в большое число комплексов d-элементов.

Обращение с цианидами требует строгого соблюдения мер предосторожности. В сельском хозяйстве применяют для борьбы с особо опасными насекомыми – вредителями.

Цианиды получают:

.

.

Соединения углерода с отрицательной степенью окисления:

1) ковалентные (SiC карборунд) ;

2) ионноковалентные;

3) металлические карбиды.

Ионноковалентные разлагаются водой с выделением газа, в зависимости от того какой выделяется газ, их делят на:

метаниды (выделяется СН₄)

Al₄C₃ + 12H₂O ® 4Al(OH)₃ + 3CH₄

ацетилениды (выделяется С₂Н₂)

H₂C₂ + AgNO₃ ® Ag₂C_{2 +} HNO₃

Металлические карбиды – соединения стехиометрического состава образованные элементами 4, 7, 8 групп посредством внедрения атомов Ме в кристаллическую решетку углерода.

Химия кремния

Отличие химии кремния от углерода обусловлено большими размерами его атома и возможностью использования 3d-орбиталей. Из-за этого связи Si – O - Si, Si - F более прочны, чем у углерода.

Для кремния известны оксиды состава SiO и SiO₂.Монооксид кремния существует только в газовой фазе при высоких температурах в инертной атмосфере; он легко окисляется кислородом с образованием более стабильного оксида SiO₂.

2SiO + О₂ ^t® 2SiO₂

SiO₂ – кремнезем, имеет несколько кристаллических модификаций. Низкотемпературная – кварц, обладает пьезоэлектрическими свойствами. Природные разновидности кварца: горный хрусталь, топаз, аметист. Разновидности кремнезема – халцедон, опал, агат, песок.

Известно большое разнообразие силикатов (точнее оксосиликатов). В строении их общая закономерность: все состоят из тетраэдров SiO₄^4- которые через атом кислорода соединены друг с другом.

Сочетания тетраэдров могут соединяться в цепочки, ленты, сетки и каркасы.

Важные природные силикаты 3MgO×H₂O×4SiO₂ тальк, 3MgO×2H₂O×2SiO₂ асбест.

Как и для SiO₂ для силикатов характерно (аморфное) стеклообразное состояние. При управляемой кристаллизации можно получить мелкокристаллическое состояние – ситаллы – материалы повышенной прочности. В природе распространены алюмосиликаты – каркасные ортосиликаты, часть атомов Si заменены на Al, например Na₁₂[(Si,Al)O₄]₁₂.

Наиболее прочный галогенид SiF₄ разлагается только под действием электрического разряда.

гексафторокремниевая кислота (по силе близка к H₂SO₄).

(SiS₂)_n – полимерное вещество, разлагается водой:

Кремниевые кислоты.

Соответствующие SiO₂ кремниевые кислоты не имеют определенного состава, обычно их записывают в виде xH₂O • ySiO₂ – полимерные соединения

Известны:

H₂SiO₃ (H₂O×SiO₂) – метакремниевая (не существует реально)

H₄SiO₄ (2H₂O×SiO₂) – ортокремниевая (простейшая реально существующая только в растворе)

H₂Si₂O₅ (H₂O×2SiO₂) – диметакремниевая.

Кремниевые кислоты – плохо растворимые вещества, для H₄SiO₄ характерно коллоидное состояние, как кислота слабее угольной (Si менее металличен, чем С).

В водных растворах идет конденсация ортокремневой кислоты, в результате образуются поликремниевые кислоты.

Силикаты – соли кремневых кислот, в воде нерастворимы, кроме силикатов щелочных металлов.

Растворимые силикаты гидролизуются по уравнению

Желеобразные растворы натриевых солей поликремневых кислот называются «жидким стеклом». Широко применяются как силикатный клей и в качестве консерванта древесины.

Сплавлением Na₂CO₃, CaCO₃ и SiO₂ получают стекло, которое является переохлажденным взаимным раствором солей поликремниевых кислот.

6SiO₂ + Na₂CO₃ + CaCO₃ ® Na₂O × CaO × 6SiO₂ + 2CO₂ Силикат записан как смешанный оксид.

Силикаты больше всего используются в строительстве. 1 место в мире по выпуску силикатной продукции – цемент, 2-е – кирпич, 3 – стекло.

Строительная керамика – облицовочная плитка, керамические трубы. Для изготовления санитарно-технических изделий – стекло, фарфор, фаянс, глиняная керамика.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: