Оглавление 157 158 159 160 161 — — — 270 

Угольный ангидрид СО2 угольная кислота Н2СО3. Угольный ангидрид, или углекислый газ, постоянно образуется в природе при всевозможных процессах окисления органических веществ (гниение растительных и животных остатков, сжигание топлива, дыхание). В больших количествах углекислый газ выделяется из трещин земли в вулканических местностях и из воды минеральных источников.

В лабораториях угольный ангидрид обычно получают, действуя на мрамор СаСО3 соляной кислотой:

СаСО3 + 2НСl =СаСl2 + Н2О + СО2

В промышленности большие количества угольного ангидрида получают как побочный продукт при выжигании извести:

 CaCO= CaO+CO2

Угольный ангидрид при обыкновенных условиях — бесцветный газ, примерно в полтора раза тяжелее воздуха, благодаря чему его можно переливать, как жидкость, из одного сосуда в другой. Один литр угольного ангидрида при нормальных условиях весит 1,98 г. Вода растворяет значительные количества угольного ангидрида. При 20° один объем воды растворяет 0,88 объемов СO2, а при 0° 1,7 объема. Применяется угольный ангидрид главным образом при получении соды по аммиачному способу , для синтеза мочевины, для получения солей угольной кислоты, в свеклосахарной промышленности, а также для газирования фруктовых и минеральных вод, вина, пива и других напитков.

Под давлением около 60 ат угольный ангидрид при обыкновенной температуре превращается в жидкость. Жидкий угольный ангидрид хранят в стальных баллонах. При быстром выливании ею из баллона поглощается, вследствие испарения, так много тепла, что угольный ангидрид превращается в твердую белую снегообразную массу, которая, не плавясь, возгоняется при—78,5°.

Твердый угольный ангидрид под названием «сухого льда» применяется для охлаждения скоропортящихся продуктов, для производства и сохранения мороженого, а также во многих других случаях, когда требуется получение низкой температуры.

Раствор угольного ангидрида в воде имеет слегка кисловатый вкус и обнаруживает слабокислую реакцию на лакмус, обусловленную присутствием в растворе небольших количеств угольной кислоты Н2СО3, образующейся в результате следующей обратимой реакции:

СО, + Н2O Н2СO3

Равновесие этой реакции сильно сдвинуто влево, так что не больше 1 % растворенного со2 превращается в угольную кислоту.

Угольная кислота Н2СO3 может существовать только в водном растворе^При нагревании раствора углекислый газ улетучивается, равновесие смещается влево и, в конце концов, остается чистая вода. Формула угольной кислоты установлена на основании анализа ее солей.

Угольная кислота является очень слабой кислотой. В растворе она распадается главным образом на ионы Н и НСО3‘ и лишь в самом ничтожном количестве образует ионы СО3«:

H2CO3 ⇄ H + HCO3‘ ⇄ 2H + CO3»

Как кислота двухосновная, угольная кислота образует два ряда солей — нормальные и кислые; нормальные соли называются карбонатами, кислые — гидрокарбонатами.

Соли угольной кислоты могут быть получены или действием на щелочи углекислого газа, или путем обменных реакций между растворимыми солями угольной кислоты и солями других кислот. Например:

NaOH + СО2 = NaHCО3

NaHCO3 + NaOH = Na2CО3 + H2О BaCl2 + Na2CО3 = ↓BaCО3 + 2NaCl

Co слабыми основаниями угольная кислота в большинстве случаев дает только основные соли, примером которых может служить основной карбонат меди Cu2(ОH)2CО3. Встречающийся в природе минерал такого состава называется малахитом.

При действии кислот, даже таких слабых, как уксусная, все соли угольной кислоты разлагаются с выделением углекислого газа. Эта реакция очень характерна и часто служит для открытия карбонатов, так как выделение углекислого газа легко обнаружить по происходящему при этом шипению или с помощью горящей лучинки.

При более или менее сильном нагревании все соли угольной кислоты, кроме солей щелочных металлов, разлагаются с выделением углекислого газа. Продуктами разложения в большинстве случаев являются окислы соответствующих металлов. Например:

MgCО3 = MgO + CО2

СаСО3=СаО + СО2

Гидрокарбонаты щелочных металлов при нагревании переходят в карбонаты:

2NaHCО3 = Na2CО3 + СО2 + Н2О

Карбонаты калия, натрия и аммония, а также большинство гадрокарбонатов растворимы в воде, карбонаты других металлов в воде нерастворимы.

Растворы карбонатов калия и натрия, вследствие гидролиза, имеют сильно щелочную реакцию:

Na2CО3 + Н2О NaHCО3 + NaOH

или

СО3» + H2O ⇄ HCO3‘ + OH’

Этим объясняется, между прочим, их применение при стерке белья (щелочи способствуют удалению жиров с грязного белья).

Так же действует и настой золы на воде (так называемый «щелок») вследствие содержания в нем карбоната калия.

Из солей угольной кислоты в природе чрезвычайно распространен карбонат кальция СаСО3. Он встречается в различных видах: известняк, мел, мрамор — все это лишь разновидности карбоната кальция. Эта же соль содержится почти во всякой почве.

Карбонат кальция нерастворим в воде. Поэтому известковая вода при пропускании через нее углекислого газа мутнеет:

Ca(OH)2 + СO2 = ↓СаСO3 + Н2O

Однако если долгое время пропускать сквозь известковую воду углекислый газ, то, мутная вначале, жидкость постепенно светлеет и, наконец, становится совершенно прозрачной. Растворение происходит вследствие образования кислой соли — гидрокарбоната кальция:

СаСO3 + Н2O + СO2 = Са(НСO3)2

Гидрокарбонат кальция — вещество непрочное.  При кипячении раствора или просто при продолжительном его стоянии на воздухе гидрокарбонат разлагается с выделением углекислого газа и образованием нормальной соли.

Растворимостью гидрокарбонатов в воде объясняется постоянное передвижение карбонатов в природе. Дождевая вода, содержащая углекислый газ, поглощенный ею из воздуха, просачиваясь сквозь почву и особенно сквозь пласты известняка, растворяет карбонат кальция и уносит его с собой в виде гидрокарбоната в ручьи, реки и моря. Оттуда он попадает в организмы морских животных и идет на построение их скелетов или, теряя углекислый газ, снова превращается в карбонат кальция и отлагается в виде пластов.

Кроме карбоната кальция, в природе встречается в больших количествах карбонат магния MgCO3, известный под названием магнезита. Карбонат магния, так же как и карбонат кальция, легко растворяется в воде, содержащей углекислый газ, переходя в растворимую кислую соль.

Некоторые карбонаты являются ценными рудами и служат для получения металлов (например, шпатовый железняк FeCO3, галмей ZnCO3 и др.).

В технике и домашнем обиходе широкое применение имеют карбонаты и гидрокарбонаты натрия и калия.

Карбонат натрия Na2СO3, или сода, является одним из главных продуктов основной химической промышленности. В огромных количествах сода потребляется стекольной, мыловаренной, целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтяной и другими отраслями промышленности, а также служит для получения различных солей натрия. Применение соды в домашнем обиходе общеизвестно.

До конца XVIII в. вся сода, применявшаяся в промышленности, получалась исключительно из природных источников. Такими источниками являлись естественные отложения карбоната натрия, встречающиеся в Египте и некоторых других местах, зола морских водорослей и растений, произрастающих на солончаковой почве, и содовые озера. В 1775 г. французская академия наук, ввиду недостатка щелочей во Франции, назначила премию за изобретение наилучшего способа получения соды из поваренной соли. Однако прошло 16 лет, прежде чем заинтересовавшийся этим вопросом французский врач Николай Леблан разработал экономически выгодный сульфатный способ получения соды и в 1791 г. осуществил его в производственном масштабе.

Сульфатный способ в основном сводится к следующим процессам. Сначала поваренная соль действием серной кислоты превращается в сульфат натрия:

2NaCl + H24 = 2НСl + Na2SO4

Сульфат натрия смешивают с известняком и углем и подвергают прокаливанию. Уголь восстанавливает сульфат в сульфид натрия:

Na2SO4 + = Na2S + 2СO2

Сульфид натрия вступает в реакцию с известняком, образуя сульфид кальция и соду:

Na2S + СаС03 = Na2CO3 + CaS

Сплав, состоящие из соды, сульфида кальция, избытка угля и извести, обрабатывают водой для растворения карбоната натрия. Присутствие избытка извести, образующейся при разложении СаСО3, препятствует гидролизу сульфида кальция и превращению его в растворимую кислую соль Ca(HS)2, что позволяет полностью извлечь карбонат натрия из сплава. Раствор карбоната сгущают выпариванием до начала кристаллизации. При низкой температуре образуются легко выветривающиеся на воздухе кристаллы декагидрата Na2CO3 • Н2О; при более высокой температуре выкристаллизовывается моногидрат Na2CO3 • Н2О.

Побочными продуктами при получении соды по сульфатному способу являются: сульфид кальция, не имеющий промышленного применения, и хлористый водород, который в первое время выпускался на воздух, теперь же используется для получения соляной кислоты.

В 60-х годах XIX в. Сольвеем был предложен новый «аммиачный» способ получения соды из поваренной соли.

Аммиачный способ основан на образовании гидрокарбоната натрия при реакции между поваренной солью и гидрокарбонатом аммония в водном растворе.

В промышленности эта реакция осуществляется следующим образом. Концентрированный раствор поваренной соли насыщают при охлаждении аммиаком, а затем пропускают в него под давлением углекислый газ, получаемый обжигом известняка. При взаимодействии аммиака, углекислого газа и воды образуется гидрокарбонат аммония:

NH3+ СO2 + Н2O = NH4HCO3

который, вступая в обменную реакцию с поваренной солью, дает хлорид аммония и гидрокарбонат натрия:

NH4HCO3 + NaCl = ↓NaHCO3 + NH4Cl

Течение этой реакции обусловлено тем, что гидрокарбонат натрия трудно растворим в холодной воде и выделяется в виде осадка который может быть отделен фильтрованием.

При прокаливании гидрокарбонат натрия разлагается на карбонат, воду и углекислый газ, вновь поступающий в производство:

2NaHCO3 = Na2CO3 + СO2 + Н2O

Нагревая раствор, содержащий хлористый аммоний, с известью, выделяют обратно аммиак:

2NH4Cl + Са (ОН)2 = 2NH3+СаСl2 + 2Н2O

Таким образом, при аммиачном способе получения соды единственным отходом производства является хлористый кальций, остающийся в растворе после выделения аммиака и имеющий ограниченное применение.

Полученная по аммиачному способу сода не содержит кристаллизационной воды и называется кальцинированной содой.

Часть гидрокарбоната натрия поступает в продажу. Гидрокарбонат натрия применяется |в медицине (так называемая «питьевая сода»), а также вместо дрожжей.

В настоящее время аммиачный способ почти полностью вытеснил из употребления сульфатный способ Леблана. Главное преимущество аммиачного способа перед сульфатным заключается в малом расходе топлива.

Производство кальцинированной соды в СССР непрерывно растет. В 1957 г. оно достигло 1618 тыс. т, примерно втрое превысив объем производства 1940 г.

Карбонат калия к2со3, или поташ. В прежнее время поташ получали исключительно из золы растений, выщелачивая ее водой и выпаривая полученный раствор. Теперь поташ получается главным образом действием углекислого газа на раствор едкого кали, образующийся при электролизе раствора хлористого калия

KOH + CO2 = KHCO3KHCO3 + KOH = K2CO3 + H2O

Поташ представляет собой белое порошкообразное вещество,, расплывающееся во влажном воздухе и легко растворимое в воде. Применяется он при производстве мыла, при изготовлении тугоплавкого стекла, в фотографии и т. д.

158 159 160

Вы читаете, статья на тему Угольный ангидрид, угольная кислота