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Molécule de dioxyde de carbone CO2 se compose de. Gaz carbonique. Qu'avons-nous appris

DÉFINITION

Monoxyde de carbone (IV) (dioxyde de carbone) dans des conditions normales, c'est un gaz incolore, plus lourd que l'air, thermiquement stable, et lorsqu'il est comprimé et refroidi, il se transforme facilement en un état liquide et solide ("glace sèche").

La structure de la molécule est illustrée à la fig. 1. Densité - 1,997 g / l. Peu soluble dans l'eau, réagissant partiellement avec elle. Affiche des propriétés acides. Il est restitué par les métaux actifs, l'hydrogène et le carbone.

Riz. 1. La structure de la molécule de dioxyde de carbone.

La formule brute du dioxyde de carbone est CO 2 . Comme on le sait, la masse moléculaire d'une molécule est égale à la somme des masses atomiques relatives des atomes qui composent la molécule (les valeurs des masses atomiques relatives tirées du tableau périodique de D.I. Mendeleïev sont arrondies à des nombres entiers ).

Mr(CO 2) = Ar(C) + 2xAr(O) ;

Mr(CO 2) \u003d 12 + 2 × 16 \u003d 12 + 32 \u003d 44.

DÉFINITION

Masse molaire (M) est la masse de 1 mole d'une substance.

Il est facile de montrer que les valeurs numériques de la masse molaire M et de la masse moléculaire relative M r sont égales, cependant, la première valeur a pour dimension [M] = g/mol, et la seconde est sans dimension :

M = N A × m (1 molécules) = N A × M r × 1 a.m.u. = (N A ×1 amu) × M r = × M r .

Cela signifie que la masse molaire du dioxyde de carbone est de 44 g/mol.

La masse molaire d'une substance à l'état gazeux peut être déterminée en utilisant le concept de son volume molaire. Pour ce faire, trouvez le volume occupé dans des conditions normales par une certaine masse d'une substance donnée, puis calculez la masse de 22,4 litres de cette substance dans les mêmes conditions.

Pour atteindre cet objectif (calcul de la masse molaire), il est possible d'utiliser l'équation d'état d'un gaz parfait (l'équation de Mendeleïev-Clapeyron) :

où p est la pression du gaz (Pa), V est le volume de gaz (m 3), m est la masse de la substance (g), M est la masse molaire de la substance (g / mol), T est la température absolue (K), R est la constante universelle des gaz égale à 8,314 J / (mol × K).

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

Exercer Faites une formule pour combiner le cuivre avec l'oxygène si le rapport des masses d'éléments qu'il contient est m (Cu) : m (O) = 4: 1.
La solution

Trouvons les masses molaires du cuivre et de l'oxygène (les valeurs des masses atomiques relatives tirées du tableau périodique de D.I. Mendeleev seront arrondies aux nombres entiers). On sait que M = Mr, ce qui signifie M(Cu) = 64 g/mol, et M(O) = 16 g/mol.

n (Cu) = m (Cu) / M (Cu);

n (Cu) \u003d 4 / 64 \u003d 0,0625 mol.

n (O) \u003d m (O) / M (O);

n (O) \u003d 1/16 \u003d 0,0625 mol.

Trouver le rapport molaire :

n(Cu) :n(O) = 0,0625 : 0,0625 = 1:1,

ceux. la formule pour combiner le cuivre avec l'oxygène est CuO. C'est de l'oxyde de cuivre(II).

Réponse CuO

EXEMPLE 2

Exercer Faites une formule pour le composé de fer avec du soufre si le rapport des masses des éléments qu'il contient est m (Fe): m (S) \u003d 7: 4.
La solution Afin de savoir dans quelle relation les éléments chimiques sont dans la composition d'une molécule, il est nécessaire de trouver leur quantité de substance. On sait que pour trouver la quantité d'une substance, il faut utiliser la formule :

Trouvons les masses molaires de fer et de soufre (les valeurs des masses atomiques relatives tirées du tableau périodique de D.I. Mendeleev seront arrondies aux nombres entiers). On sait que M = Mr, ce qui signifie M(S) = 32 g/mol, et M(Fe) = 56 g/mol.

Alors, la quantité de substance de ces éléments est égale à :

n(S) = m(S) / M(S);

n (S) \u003d 4 / 32 \u003d 0,125 mol.

n (Fe) = m (Fe) / M (Fe);

n (Fe) \u003d 7 / 56 \u003d 0,125 mol.

Trouver le rapport molaire :

n(Fe):n(S) = 0,125 : 0,125 = 1:1,

ceux. la formule pour combiner le cuivre avec l'oxygène est FeS. C'est du sulfure de fer(II).

Réponse FeS

DÉFINITION

Gaz carbonique(monoxyde de carbone (IV), dioxyde de carbone, dioxyde de carbone) dans des conditions normales est un gaz incolore, plus lourd que l'air, thermiquement stable, et lorsqu'il est comprimé et refroidi, il se transforme facilement en un état liquide et solide ("glace sèche").

Il est peu soluble dans l'eau, réagissant partiellement avec elle.

Les principales constantes de dioxyde de carbone sont données dans le tableau ci-dessous.

Tableau 1. Propriétés physiques et densité du dioxyde de carbone.

Le dioxyde de carbone joue un rôle important dans les processus biologiques (photosynthèse), naturels (effet de serre) et géochimiques (dissolution dans les océans et formation de carbonates). En grandes quantités, il pénètre dans l'environnement à la suite de la combustion de combustibles fossiles, de la décomposition des déchets, etc.

Composition chimique et structure de la molécule de dioxyde de carbone

La composition chimique d'une molécule de dioxyde de carbone est exprimée par la formule empirique CO 2 . La molécule de dioxyde de carbone (Fig. 1) est linéaire, ce qui correspond à la répulsion minimale des paires d'électrons de liaison, la longueur de la liaison C=H est de 0,116 nm et son énergie moyenne est de 806 kJ/mol. Dans le cadre de la méthode des liaisons de valence, deux liaisons σ С-О sont formées par l'orbitale sp-hybridée de l'atome de carbone et 2p z - orbitales d'atomes d'oxygène. Les orbitales 2p x et 2p y de l'atome de carbone qui ne participent pas à l'hybridation sp se chevauchent avec des orbitales similaires d'atomes d'oxygène. Dans ce cas, deux orbitales π sont formées, situées dans des plans mutuellement perpendiculaires.

Riz. 1. La structure de la molécule de dioxyde de carbone.

En raison de la disposition symétrique des atomes d'oxygène, la molécule de CO 2 est non polaire, donc le dioxyde est légèrement soluble dans l'eau (un volume de CO 2 dans un volume de H 2 O à 1 atm et 15 o C). La non-polarité de la molécule conduit à de faibles interactions intermoléculaires et à une basse température du point triple : t = -57,2 o C et P = 5,2 atm.

Brève description des propriétés chimiques et de la densité du dioxyde de carbone

Chimiquement, le dioxyde de carbone est inerte, ce qui est dû à la haute énergie des liaisons O=C=O. Avec des agents réducteurs puissants à des températures élevées, le dioxyde de carbone présente des propriétés oxydantes. Avec le charbon, il est réduit en monoxyde de carbone CO :

C + CO 2 \u003d 2CO (t \u003d 1000 o C).

Le magnésium, enflammé dans l'air, continue de brûler dans une atmosphère de gaz carbonique :

CO2 + 2Mg \u003d 2MgO + C.

Le monoxyde de carbone (IV) réagit partiellement avec l'eau :

CO 2 (l) + H 2 O \u003d CO 2 × H 2 O (l) ↔ H 2 CO 3 (l).

Affiche des propriétés acides :

CO 2 + NaOH dilué = NaHCO 2 ;

CO 2 + 2NaOH conc \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O;

CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 ↓ + H 2 O;

CO 2 + BaCO 3 (s) + H 2 O \u003d Ba (HCO 3) 2 (l).

Lorsqu'il est chauffé à une température supérieure à 2000 o C, le dioxyde de carbone se décompose :

2CO 2 \u003d 2CO + O 2.

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

Exercer Lors de la combustion de 0,77 g de matière organique, composée de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, 2,4 g de dioxyde de carbone et 0,7 g d'eau se sont formés. La densité de vapeur de la substance en termes d'oxygène est de 1,34. Déterminer la formule moléculaire de la substance.
La solution

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO 2)×M(C) = ×M(C);

m(C) = x 12 = 0,65g ;

m (H) \u003d 2 × 0,7 / 18 × 1 \u003d 0,08 g.

m(O) \u003d m (C x H y O z) - m (C) - m (H) \u003d 0,77 - 0,65 - 0,08 \u003d 0,04 g.

x:y:z = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O);

x:y:z = 0,65/12:0,08/1 : 0,04/16 ;

x:y:z = 0,054 : 0,08 : 0,0025 = 22:32:1.

Cela signifie que la formule la plus simple du composé est C 22 H 32 O et que sa masse molaire est de 46 g / mol.

La valeur de la masse molaire d'une substance organique peut être déterminée à l'aide de sa densité d'oxygène :

M substance = M(O 2) × D(O 2) ;

Substance M \u003d 32 × 1,34 \u003d 43 g / mol.

Substance M / M (C 22 H 32 O) \u003d 43 / 312 \u003d 0,13.

Ainsi, tous les coefficients de la formule doivent être multipliés par 0,13. Ainsi, la formule moléculaire de la substance ressemblera à C 3 H 4 O.

Réponse Formule moléculaire de la substance C 3 H 4 O

EXEMPLE 2

Exercer Lors de la combustion de matière organique pesant 10,5 g, 16,8 litres de dioxyde de carbone (N.O.) et 13,5 g d'eau ont été obtenus. La densité de vapeur de la substance dans l'air est de 2,9. Déduire la formule moléculaire de la substance.
La solution Élaborons un schéma pour la réaction de combustion d'un composé organique, désignant le nombre d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène par "x", "y" et "z", respectivement :

C x Hy O z + O z →CO 2 + H 2 O.

Déterminons les masses des éléments qui composent cette substance. Les valeurs des masses atomiques relatives tirées du tableau périodique de D.I. Mendeleïev, arrondi aux entiers supérieurs : Ar(C) = 12 h du matin, Ar(H) = 1 h du matin, Ar(O) = 16 h du matin.

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO 2)×M(C) = ×M(C);

m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H 2 O)×M(H) = ×M(H);

Calculer les masses molaires de dioxyde de carbone et d'eau. Comme on le sait, la masse molaire d'une molécule est égale à la somme des masses atomiques relatives des atomes qui composent la molécule (M = Mr) :

M(CO 2) \u003d Ar (C) + 2 × Ar (O) \u003d 12+ 2 × 16 \u003d 12 + 32 \u003d 44 g / mol;

M(H 2 O) \u003d 2 × Ar (H) + Ar (O) \u003d 2 × 1 + 16 \u003d 2 + 16 \u003d 18 g / mol.

m(C) = ×12 = 9g ;

m(H) \u003d 2 × 13,5 / 18 × 1 \u003d 1,5 g.

m(O) \u003d m (C x H y O z) - m (C) - m (H) \u003d 10,5 - 9 - 1,5 \u003d 0 g.

Définissons la formule chimique du composé :

x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H);

x:y = 9/12 : 1,5/1 ;

x:y = 0,75 : 1,5 = 1 : 2.

Cela signifie que la formule la plus simple du composé est CH 2 et que sa masse molaire est de 14 g / mol.

La valeur de la masse molaire d'une substance organique peut être déterminée à partir de sa masse volumique dans l'air :

Msubstance = M(air) × D(air) ;

Substance M \u003d 29 × 2,9 \u003d 84 g / mol.

Pour trouver la vraie formule d'un composé organique, on trouve le rapport des masses molaires obtenues :

Substance M / M (CH 2) \u003d 84 / 14 \u003d 6.

Cela signifie que les indices des atomes de carbone et d'hydrogène devraient être 6 fois plus élevés, c'est-à-dire la formule de la substance ressemblera à C 6 H 12.

Réponse Formule moléculaire de la substance C 6 H 12

Faisons maintenant brièvement connaissance avec la structure des molécules, c'est-à-dire des particules dans lesquelles plusieurs atomes sont combinés. Fondamentalement, il existe deux façons de former des molécules à partir d'atomes.

La première de ces méthodes est basée sur l'émergence d'une particule chargée électriquement à partir d'un atome neutre. Nous avons déjà indiqué plus haut que l'atome est neutre, c'est-à-dire que le nombre de charges positives dans son noyau (le nombre de protons) est équilibré par le nombre de charges négatives, c'est-à-dire le nombre d'électrons tournant autour du noyau.

Si, pour une raison quelconque, un atome perd un ou plusieurs électrons, alors dans son noyau il y a un excès de charges positives qui ne sont pas équilibrées par des électrons chargés négativement, et un tel atome devient une particule chargée positivement.

Ces particules chargées électriquement sont appelées ions. Ils contribuent à la formation de molécules à partir d'atomes.

L'étude des propriétés de divers éléments chimiques montre que, dans tous les cas, les plus stables sont ceux dans lesquels l'orbite externe des électrons est complètement remplie ou contient le nombre d'électrons le plus stable - 8.

Ceci est brillamment confirmé par le tableau périodique, où les éléments les plus inertes (c'est-à-dire stables et n'entrant pas dans des réactions chimiques avec d'autres substances) sont situés dans le groupe zéro.

Ce sont, premièrement, l'hélium, qui a une orbite remplie de deux électrons, et les gaz néon, argon, krypton, xénon et radon, qui ont huit électrons dans l'orbite extérieure.

Au contraire, si l'orbite externe des atomes n'a qu'un ou deux électrons, alors ces atomes ont tendance à donner ces électrons à d'autres atomes, qui dans l'orbite externe manquent de 1-2 électrons jusqu'au nombre huit. Ces atomes sont les plus actifs pour interagir les uns avec les autres.

Prends pour exemple molécule de sel, appelé en chimie chlorure de sodium et formé, comme son nom l'indique, d'atomes de sodium et de chlore. L'atome de sodium a un électron dans son orbite externe et l'atome de chlore a sept électrons.

Si ces deux atomes se rapprochent, alors un électron de sodium, situé dans l'orbite externe et faiblement "attaché" à son atome, peut s'en détacher et aller vers l'atome de chlore, dans lequel il sera le huitième électron du orbite externe (Fig. 4 ,a).

À la suite de cette transition, deux ions se forment: un ion sodium positif et un ion chlore négatif (Fig. 4b), qui s'attirent l'un vers l'autre et forment une molécule de chlorure de sodium, qui peut être représentée comme deux boules rapprochées par un ressort (Fig. 4c) .

La deuxième façon de former des molécules à partir d'atomes est que lorsque deux atomes ou plus se rapprochent, les électrons situés au niveau de ces atomes sur des orbites extérieures sont réarrangés de telle manière qu'ils s'associent à deux atomes ou plus. Les électrons situés dans les orbites internes continuent à n'être associés qu'à cet atome.

Dans ce cas, encore une fois, il y a un désir de former les orbites les plus stables de huit électrons.

Donnons quelques exemples de telles molécules.

Prenons une molécule de dioxyde de carbone, constituée d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène. Lors de la formation de cette molécule, le réarrangement suivant des électrons des orbites externes de ces atomes se produit (Fig. 5)

L'atome de carbone laisse deux électrons dans son orbite interne liés à son noyau, et les quatre électrons de son orbite externe sont distribués par deux électrons à chaque atome d'oxygène, qui à leur tour donnent chacun deux électrons pour la liaison commune de l'atome de carbone.

Ainsi, deux paires d'électrons participent mutuellement à chaque liaison carbone-oxygène, à la suite de quoi chacun des trois atomes d'une telle molécule a une orbite externe stable, le long de laquelle huit électrons tournent.

Il existe, comme vous le savez, des molécules formées non seulement d'éléments différents, mais aussi d'atomes identiques.

La formation de telles molécules s'explique également par le désir d'obtenir le nombre octuple le plus stable d'électrons dans l'orbite externe.

Ainsi, par exemple, un atome d'oxygène, qui a deux électrons dans l'orbite intérieure et six électrons dans l'orbite extérieure, manque de deux électrons pour former un environnement à huit dimensions.

Par conséquent, ces atomes sont connectés par paires, formant une molécule d'oxygène O 2, dans laquelle deux électrons de chaque atome sont généralisés, après quoi huit électrons tourneront autour d'eux dans l'orbite externe.

Lorsque les molécules sont formées selon la deuxième méthode, lorsqu'il y a un échange d'électrons entre les atomes, les centres des atomes doivent se rapprocher que selon la première méthode, lorsqu'il ne se produit qu'une attraction mutuelle d'ions chargés de manière opposée.

Par conséquent, si dans la première méthode, on peut imaginer une telle molécule sous la forme de deux boules d'ions en contact (Fig. 4, c), qui ne changent pas de taille et de forme, alors dans la seconde méthode, les atomes sphériques semblent être aplati.

Les méthodes modernes d'étude de la structure des substances permettent non seulement de savoir en quoi consistent les atomes de diverses molécules, mais aussi comment les atomes sont disposés en molécules, c'est-à-dire la structure de ces molécules jusqu'aux distances entre les noyaux des atomes qui composent les molécules.

Sur la fig. La figure 6 montre les structures des molécules d'oxygène et de dioxyde de carbone, ainsi que la disposition des noyaux atomiques dans ces molécules, indiquant les distances internucléaires en angströms.

Une molécule d'oxygène, composée de deux atomes, a la forme de deux boules comprimées avec une distance entre les noyaux des atomes de 1,20 A. Une molécule de dioxyde de carbone, composée de trois atomes, a une forme rectiligne avec un atome de carbone au milieu et deux atomes d'oxygène situés de part et d'autre de celle-ci en ligne droite avec des distances internucléaires de 1,15 A.

Riz. 6. Structures des molécules : a - disposition des atomes ; b - disposition des noyaux atomiques; 1 - molécule d'oxygène O 2; 2 - une molécule de dioxyde de carbone CO 2.

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Mais si les molécules des mêmes atomes diffèrent à ce point, quelle variété doit-il y avoir parmi les molécules d'atomes différents ! Regardons à nouveau dans l'air - peut-être y trouverons-nous aussi de telles molécules ? Bien sûr que nous le ferons!
Savez-vous quelles molécules vous expirez dans l'air ? (Bien sûr, pas seulement vous - toutes les personnes et tous les animaux.) Les molécules de votre vieil ami - le dioxyde de carbone ! Des bulles de dioxyde de carbone chatouillent agréablement votre langue lorsque vous buvez de l'eau pétillante ou de la limonade. Les morceaux de neige carbonique qui sont mis dans des boîtes de crème glacée sont également constitués de telles molécules ; la neige carbonique est du dioxyde de carbone solide.
Dans une molécule de dioxyde de carbone, deux atomes d'oxygène sont attachés par des côtés opposés à un atome de carbone. "Carbone" signifie "celui qui donne naissance au charbon". Mais le carbone donne naissance à plus que du charbon. Lorsque vous dessinez avec un simple crayon, de petits flocons de graphite restent sur le papier - ils sont également constitués d'atomes de carbone. Le diamant et la suie ordinaire en sont «faits». Encore les mêmes atomes - et des substances complètement différentes !
Lorsque les atomes de carbone se combinent non seulement les uns avec les autres, mais aussi avec des atomes "étrangers", alors tant de substances différentes naissent qu'il est difficile de les compter ! En particulier, de nombreuses substances naissent lorsque des atomes de carbone se combinent avec des atomes du gaz le plus léger du monde - l'hydrogène.Toutes ces substances sont appelées par un nom commun - les hydrocarbures, mais chaque hydrocarbure a son propre nom.
Le plus simple des hydrocarbures est évoqué dans les versets que vous connaissez : « Mais nous avons du gaz dans notre appartement, c'est ça ! Le nom du gaz qui brûle dans la cuisine est le méthane. La molécule de méthane a un atome de carbone et quatre atomes d'hydrogène. Dans la flamme d'un brûleur de cuisine, les molécules de méthane sont détruites, un atome de carbone se combine avec deux atomes d'oxygène et vous obtenez la molécule de dioxyde de carbone déjà familière. Les atomes d'hydrogène se combinent également avec des atomes d'oxygène et, par conséquent, les molécules de la substance la plus importante et la plus nécessaire au monde sont obtenues!
Des molécules de cette substance sont également dans l'air - il y en a beaucoup là-bas. Soit dit en passant, dans une certaine mesure, vous êtes également impliqué dans cela, car vous expirez ces molécules dans l'air avec des molécules de dioxyde de carbone. Quelle est cette matière ? Si vous n'avez pas deviné, respirez sur le verre froid, et le voici devant vous - de l'eau !

Intéressant:
La molécule est si petite que si nous alignions cent millions de molécules d'eau les unes après les autres, alors toute cette ligne tiendrait facilement entre deux règles adjacentes dans votre cahier. Mais les scientifiques ont quand même réussi à découvrir à quoi ressemble une molécule d'eau. Voici son portrait. C'est vrai, on dirait la tête d'un ourson Winnie l'ourson ! Regarde comme tu as dressé l'oreille ! Bien sûr, ce ne sont pas des oreilles, mais deux atomes d'hydrogène attachés à la «tête» - l'atome d'oxygène. Mais les blagues sont des blagues, mais vraiment - ces "oreilles sur le dessus" ont-elles quelque chose à voir avec les propriétés extraordinaires de l'eau ?