Большинство металлоз побочных подгрупп IV—VIII групп периодической системы образуют карбиды, связь в которых близка к металлической (см. § 190), вследствие чего эти карбиды в некоторых отношениях сходны с металлами, например обладают значительной электрической проводимостью. Они характеризуются также высокой твердостью и тугоплавкостью; карбиды этой группы применяются в ряде отраслей промышленности.
Большинство ценных свойств чугунов и сталей обусловлены присутствием в них карбида железа Fe3C (см. § 238).
Диоксид углерода CO2 постоянно образуется в природе при окислении органических веществ (гниение растительных и животных остатков, дыхание, сжигание топлива). В больших количествах он выделяется из вулканических трещин и из вод минеральных источников.
В лабораториях диоксид углерода обычно получают, действуя на мрамор CaCO3 соляной кислотой в аппарате Киппа:
В промышленности большие количества диоксида углерода получают при обжиге известняка:
Диоксид углерода при обычных условиях — бесцветный газ, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, благодаря чему его можно переливать, как жидкость, из одного сосуда в другой. Масса 1 л CO2 при нормальных условиях составляет 1,98 г. Растворимость диоксида углерода в воде невелика: 1 объем воды при 20°C растворяет 0,88 объема CO2, а при 0°C - 1.7 объема. Применяется диоксид углерода при получении соды по аммиачно-хлоридному способу (см. стр. 426), для синтеза карбамида (стр. 427), для получения солей угольной кислоты, а также для газирования фруктовых и минеральных вод и других напитков.
Под давлением около 0.6 МПа диоксид углерода при комнатной температуре превращается в жидкость. Жидкий диоксид углерода хранят в стальных баллонах. При быстром выливании его из баллона поглощается вследствие испарения так много теплоты, что CO2 превращается в твердую белую снегообразную массу, которая, не плавясь, сублимируется при -78,5°C. Твердый диоксид углерода под названием «сухой лед» применяется для охлаждения скоропортящихся продуктов, для производства и сохранения мороженого, а также во многих других случаях, когда требуется получение низкой температуры.
Раствор CO2 в воде имеет кисловатый вкус и обладает слабокислой реакцией, обусловленной присутствием в растворе небольших количеств угольной кислоты H2CO3, образующейся в результате обратимой реакции:
Таким образом, диоксид углерода является ангидридом угольной кислоты.
Равновесие последней реакции сильно сдвинуто влево лишь очень небольшое количество растворенного CO2 превращается в угольную кислоту.
Угольная кислота H2CO3 может существовать только в водном растворе. При нагревании раствора диоксид углерода улетучивается, равновесие образования H2CO3 смещается влево, и в конце концов остается чистая вода.
Угольная кислота очень слабая. В растворе она диссоциирует главным образом на ионы H+ и HCO3- и лишь в ничтожном количестве образует ионы CO32-:
Константа диссоциации угольной кислоты по первой ступени, учитывающая равновесие ионов со всем количеством диоксида углерода в растворе (как в форме CO2, так и в виде угольной кислоты), выражается соотношением:
- 425 -
Константа диссоциации по второй ступени;
Как двухосновная кислота, угольная кислота образует два ряда солей — средние и кислые; средние соли называются карбонатами, кислые — гидрокарбонатами.
Соли угольной кислоты могут быть получены или действием диоксида углерода на щелочи, или путем обменных реакций между растворимыми солями угольной кислоты и солями других кислот. Например:
Со слабыми основаниями угольная кислота в большинстве случаев дает только основные соли, примером которых может служить карбонат гидроксомеди (CuOH)2 CO3 . Встречающийся в природе минерал такого состава называется малахитом.
При действии кислот, даже таких слабых, как уксусная, все карбонаты разлагаются с выделением диоксида углерода. Этой реакцией часто пользуются для открытия карбонатов, так как выделение CO2 легко обнаружить по характерному шипению.
При нагревании все карбонаты, кроме солей щелочных металлов, разлагаются с выделением CO2. Продуктами разложения в большинстве случаев являются оксиды соответствующих металлов, например:
Гидрокарбонаты щелочных металлов при нагревании переходят в карбонаты:
Большинство гидрокарбонатов, а также карбонаты калия, натрия, рубидия, цезия и аммония растворимы в воде; карбонаты других металлов в воде нерастворимы.
Растворы карбонатов щелочных металлов вследствие гидролиза имеют сильнощелочную реакцию
или
Из солей угольной кислоты в природе чрезвычайно распространен карбонат кальция CaCO3. Он встречается в виде известняка, мела, мрамора.
Карбонат кальция нерастворим в воде. Поэтому известковая вода (раствор гидроксида кальция) при пропускании через нее диоксида углерода мутнеет:
