Bài 21. Hợp chất của cacbon

I - CACBON MONOOXIT

1.Cấu tạo phân tử

Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử cacbon và nguyên tử oxi đều có hai electron độc thân ở phân lớp 2p:

Vì vậy, giữa chúng có thể tạo thành hai liên kết cộng hóa trị. Ngoài ra, giữa hai nguyên tử còn hình thành một liên kết cho - nhận. Công thức cấu tạo của phân tử CO được biểu diễn như sau:

Trong phân tử CO, cacbon có số oxi hóa +2

2. Tính chất vật lí

Cacbon monooxit là chất khí không màu, không mùi, không vị, hơi nhẹ hơn không khí, rất ít tan trong nước, hóa lỏng ở −191,5^oC, hóa rắn ở −205,2^oC, rất bền với nhiệt và rất độc.

3. Tính chất hóa học

a) Trong phân tử cacbon monooxit có liên kết ba giống phân tử nitơ nên tương tự với nitơ, cacbon monooxit rất kém hoạt động ở nhiệt độ thường và trở nên hoạt động hơn khi đun nóng. Cacbon monooxit là oxit trung tính.

b) Cacbon monooxit là chất khử mạnh:

* CO cháy được trong không khí tạo thành CO₂, cho ngọn lửa màu lam nhạt và tỏa nhiều nhiệt. Vì vậy, CO được dùng làm nhiên liệu khí.

* Khi có than hoạt tính làm xúc tác, CO kết hợp được với clo:

CO+Cl₂→xt COCl₂(photgen)

* Khí CO có thể khử nhiều oxit kim loại thành kim loại ở nhiệt độ cao.

Thí dụ:

CO+CuO−→t^o Cu+CO2

4. Điều chế

a) Trong công nghiệp

* Khí CO thường được sản xuất bằng cách cho hơi nước đi qua than nung đỏ (≈10500C):

C+H₂O⇌CO+H₂

Hỗn  hợp khí tạo thành được gọi là khí than ướt, chứa trung bình khoảng ≈44%CO, còn lại là các khí khác như CO₂,H₂,N₂,...

* Khí CO còn được sản xuất trong các lò gas bằng cách thổi không khí qua than nung đỏ. Ở phần dưới của lò, cacbon cháy biến thành cacbon đioxit. Khi đi qua lớp than nung đỏ, CO₂ bị khử thành CO

CO₂+C→t^o 2CO

Hỗn hợp khí thu được gọi là khí gò gas (khí than khô). Khí lò gas chứa khoảng 25%CO, ngoài ra còn có N₂,CO₂ và một lượng nhỏ các khí khác. Khí than ướt, khí lò gas đều được dùng làm nhiên liệu khí.

b) Trong phòng thí nghiệm

Cacbon monooxit được điều chế bằng cách cho H2SO4 đặc vào axit fomic (HCOOH) và đun nóng:

HCOOH→ (t^o H₂SO₄đặc) CO+H₂O

II - CACBON ĐIOXIT

1. Cấu tạo phân tử

Công thức cấu tạo của CO₂ là:  O=C=O

Các liên kết C−O trong phân tử CO₂ là liên kết cộng hóa trị có cực, nhưng do có cấu tạo thẳng nên CO₂ là phân tử không có cực.

2. Tính chất vật lí

* CO₂ là chất khí không màu, nặng gấp 1,5 lần không khí, tan không nhiều trong nước (ở điều kiện thường, 1 lít nước hòa tan 1 lít khí CO₂).

* Ở nhiệt độ thường, khi được nén dưới áp suất 60atm, khí CO₂ sẽ hóa lỏng. Khi làm lạnh đột ngột ở −760C, khí CO₂  hóa thành khối rắn, trắng, gọi là "nước đá khô". Nước đá khô không nóng chảy mà thăng hoa, nên được dùng để tạo môi trường lạnh và khô, rất tiện lợi cho việc bảo quản thực phẩm.

3. Tính chất hóa học

a) Khí CO₂ không cháy và không duy trì sự cháy của nhiều chất, nên người ta dùng nó để dập tắt các đám cháy. Tuy nhiên, kim loại có tính khử mạnh, thí dụ Mg,Al,... có thể cháy được trong khí CO₂:

CO₂+2Mg→t^o 2MgO+C

Vì vậy, người ta không dùng khí CO₂ để dập tắt đám cháy magie hoặc nhôm.

b) CO₂ là oxit axit, tác dụng được với oxit bazơ và bazơ tạo thành muối cacbonat.

Khi tan trong nước, CO2 tạo thành dung dịch axit cacbonic:

CO₂+H₂O⇌H₂CO₃

4. Điều chế

a) Trong phòng thí nghiệm

Khí CO₂ được điều chế bằng cách cho dung dịch axit clohiđric tác dụng với đá vôi (hình trên, hoặc trong bình Kip):

CaCO₃+2HCl→CaCl₂+CO₂↑+H₂O

b) Trong công nghiệp

Khí CO₂ được tạo ra trong quá trình đốt cháy hoàn toàn than để thu năng lượng ngoài ra khí CO2 còn được thu hồi từ quá trình chuyển hóa khí thiên nhiên, các sản phẩm dẫu mỏ,... ; quá trình nung vôi; quá trình lên men rượu từ glucozơ.

III - AXIT CACBONIC VÀ MUỐI CACBONAT

Axit cacbonic là axit rất yếu và kém bền, chỉ tồn tại trong dung dịch loãng, dễ bị phân hủy thành CO₂ và H₂O.

Trong dung dịch axit cacbonic phân li theo hai nấc với các hằng số phân li axit ở 250C như sau:

H₂CO₃⇌H⁺+HCO⁻₃;K1=4,5.10⁻⁷

HCO⁻₃⇌H⁺+CO²⁻₃;K2=4,8.10⁻¹¹

Axit cacbonic tạo ra hai loại muối: muối cacbonat chứa ion CO²⁻₃ , thí dụ Na₂CO₃,CaCO3,(NH₄)₂CO₃ và muối hiđrocacbonat chứa ion HCO⁻₃, thí dụ NaHCO₃,Ca(HCO₃)₂,NH₄HCO₃.

1. Tính chất của muối cacbonat

a) Tính tan

Các muối cacbonat trung hòa của kim loại kiềm (trừ Li₂CO₃), amoni và các muối hiđrocacbonat dễ tan trong nước (trừ NaHCO₃ hơi ít tan). Các muối cacbonat trung hòa của những kim loại khác không tan hoặc ít tan trong nước.

b) Tác dụng với axit

Các muối cacbonat tác dụng với dugn dịch axit, giải phóng khí CO₂.

Thí dụ:                  NaHCO₃+HCl→NaCl+CO₂↑+H₂O

                             HCO⁻₃+H⁺→CO₂↑+H₂O

                             Na₂CO₃+2HCl→2NaCl+CO₂↑+H₂O

                             CO²⁻₃+2H⁺→CO₂↑+H₂O

c) Tác dụng với dung dịch kiềm

Các muối hiđrocacbonat dễ tác dụng với dung dịch kiềm.

Thí dụ:                  NaHCO₃+NaOH→Na₂CO₃+H₂O

                             HCO⁻₃+OH⁻→CO²⁻₃+H₂O

d) Phản ứng nhiệt phân

Các muối cacbonat trung hòa của kim loại kiềm đều bền với nhiệt. Các muối cacbonat trung hòa của kim loại khác, cũng như muối hiđrocacbonat, bị nhiệt phân hủy.

Thí dụ:                 MgCO₃→t^o MgO+CO₂

                            2NaHCO₃→t^o Na₂CO₃+CO₂+H₂O

                            Ca(HCO₃)₂→t^o CaCO₃+CO₂+H₂O

2. Ứng dụng của một số muối cacbonat

Canxi cacbonat (CaCO₃) tinh khiết là chất bột nhẹ, màu trắng, được dùng làm chất độn trong cao su và một số ngành công nghiệp.

Natri cacbonat (Na₂CO₃) khan, còn gọi là sođa khan, là chất bột màu trắng, tan nhiều trong nước. Khi kết tinh từ dung dịch nó tách ra ở dạng tinh thể Na₂CO₃.10H₂O. Sođa được dùng trong công nghiệp thủy tinh, đồ gốm, bột giặt,...

Natri hiđrocacbonat (NaHCO₃) là chất tinh thể màu trắng, hơi ít tan trong nước, được dùng trong công nghiệp thực phẩm. Trong y học, natri hiđrocacbonat được dùng làm thuốc để giảm đau dạ dày do thừa axit.