Оксид углерода(II): свойства и получение¶
Оксид углерода(II) (монооксид углерода, угарный газ, химическая формула CO) — бинарное неорганическое соединение углерода с кислородом, в котором степень окисления углерода равна +2. Относится к классу оксидов, при нормальных условиях представляет собой газ без цвета и запаха, токсичен, горюч. Является продуктом неполного сгорания органических веществ и промежуточным продуктом ряда промышленных процессов.
¶Строение и физические свойства
Молекула CO линейна, состоит из атомов углерода и кислорода, связанных тройной кратной связью (C≡O). Длина связи составляет 1,128 Å — короче, чем в молекуле N₂. Степень окисления углерода +2, кислорода −2. Электронная конфигурация молекулы такова, что углерод несёт частичный отрицательный заряд, а кислород — частичный положительный, что отличает CO от большинства оксидов и объясняет его способность образовывать комплексные соединения через атом углерода.
При нормальных условиях CO — газ с плотностью 1,25 г/л (почти равной плотности воздуха), температурой плавления −205 °C и кипения −191,5 °C. В воде растворяется слабо (около 0,028 г на 100 г воды при 20 °C), в органических растворителях — значительно лучше. Образует с гемоглобином прочный комплекс карбоксигемоглобин, что определяет его токсичность.
¶Получение
¶Лабораторные методы
В лаборатории CO получают несколькими способами:
- Обезвоживание муравьиной кислоты концентрированной серной кислотой при 60–80 °C:
HCOOH → H₂O + CO
- Восстановление оксида углерода(IV) углём при высокой температуре:
CO₂ + C → 2CO
- Разложение щавелевой кислоты:
H₂C₂O₄ → CO + CO₂ + H₂O
¶Промышленные методы
В промышленности CO получают:
- Газификацией угля водяным паром при 900–1100 °C:
C + H₂O → CO + H₂ (образующаяся смесь называется водяным газом)
- Конверсией природного газа с водяным паром:
CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
- При сжигании органического топлива в недостатке кислорода CO является одним из продуктов неполного сгорания.
¶Химические свойства
CO — восстановитель, способен отнимать кислород у оксидов металлов. Классическая реакция — восстановление оксида железа(III) углеродом:
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
Эта реакция лежит в основе доменного производства чугуна.
CO горит голубоватым пламенем с образованием CO₂:
2CO + O₂ → 2CO₂
При горении выделяется большое количество теплоты (ΔH = −283 кДж/моль), что делает CO ценным топливным газом.
С водяным паром при 400–600 °C в присутствии катализаторов CO образует водород и CO₂ (реакция конверсии):
CO + H₂O → CO₂ + H₂
Эта реакция используется при производстве синтетического газа (сингаза) и водорода.
С металлами CO образует карбонилы — комплексные соединения, в которых CO выступает лигандом. Наиболее известен пентакарбонил железа Fe(CO)₅, а также Ni(CO)₄, Cr(CO)₆. Карбонилы применяются для очистки металлов и как катализаторы.
¶Токсичность
CO — сильный яд, связывающийся с гемоглобином крови в 200–250 раз прочнее, чем кислород. Образующийся карбоксигемоглобин не способен переносить кислород, что приводит к кислородному голоданию тканей. Симптомы отравления: головная боль, слабость, тошнота, при высоких концентрациях — потеря сознания и смерть. ПДК CO в воздухе рабочей зоны — 20 мг/м³.
¶Применение
CO используется как:
- Восстановитель в металлургии (получение железа, никеля, вольфрама)
- Топливный газ (водяной газ, смеси с метаном)
- Сырьё в органическом синтезе — реакция Фишера — Тропша, синтез метанола, уксусной кислоты (процесс Монсанто)
- Сырьё для получения синтетического газа и водорода
¶Присутствие в природе
CO образуется в природе при лесных и степных пожарах, извержениях вулканов, грозовых разрядах, а также в результате жизнедеятельности микроорганизмов. В атмосфере присутствует в следовых количествах (около 0,1 ppm), быстро окисляясь до CO₂ под действием гидроксильных радикалов.
Источники:
- Глинка Н. Л. «Общая химия»
- Реми Г. «Курс общей химии»
- Химическая энциклопедия, т. 2
- Справочник химика, т. 1