* Khí lị ga: 25% CO, 70% N2, 4% CO2 và một ít khí khác.
* Khí than: 44% CO, 45% H2, 5% CO2, và 6% N2. Nĩ được tạo thành khi cho hơi nước đi qua than đốt nĩng đỏ.
* Khí hỗn hợp: 30% CO, 15% H2, 5% CO2, và 50% N2. Nĩ được tạo thành khi cho đồng thời khơng khí và hơi nước đi qua than đốt nĩng.
CO được dùng chủ yếu làm nhiên liệu và chất khử trong ngành luyện kim.
2. Cacbon dioxit: CO2
Phân tử CO2 cĩ cấu tạo thẳng hàng, ứng với cấu hình electron: (2sa)2 (2sb)2 (σslk)2 (σx- lk)2 (π y,zlk)4 (π y,z)4 ứng với độ dài của liên kết C-O là 1,162A0 và năng lượng liên kết trung bình của liên kết là 803 kJ/mol, momen lưỡng cực bằng khơng.
a. Tính chất lí học
CO2 là một chất khí, gọi là khí cacbonic, khơng màu, khơng mùi, vị hơi chua, nặng hơn khơng khí, dễ hĩa lỏng và dễ hĩa rắn, nhiệt độ nĩng chảy là -57 0C, ở 5 atm; ở áp suất 60 atm và ngay ở nhiệt độ thường nĩ biến thành chất lỏng khơng màu và linh động. Khi được làm lạnh đột ngột, chất lỏng đĩ biến thành khối rắn màu trắng , giống như tuyết gọi là tuyết cacbonic.
Giản đồ trạng thái của CO2
khí lỏng rắn 73 -78 -57 +31 5 1 nhiệt độ 0C áp suất(atm)
Do cĩ điểm ba (5 atm) nằm cao hơn áp suất khí quyển, nên tuyết cacbonic khơng nĩng chảy ở áp suất thường mà thăng hoa ở tại áp suất thường (1 atm) ở -78 0C. Vì lí do thăng hoa, CO2 lỏng khi dãn nở tạo nên tuyết cacbonic. Tuyết cacbonic khi nén lại thành viên, gọi là “nước đá khơ” thì bay hơi tương đối chậm, nên làm cho khơng gian xung quanh bị lạnh xuống rất nhiều. Dựa vào đĩ, người ta dùng tuyết cacbonic để bảo quản và chuyên chở những đồ chĩng hỏng. Nước đá khơ trộn với axeton hay clorofom
được dùng làm hỗn hợp làm lạnh (gần -780C). Nước đá khơ được dùng làm phương tiện
người ta cĩ thể tạo mưa nhân tạo bằng cách phun CO2 lỏng để tạo tuyết cacbonic ở trên những tầng mây làm cho mây lạnh xuống hĩa thành mưa.
Với một hàm lượng cho phép thì CO2 lại là chất cĩ ích vì nĩ duy trì sự sống cho thực vật trong qúa trình quang hợp của cây xanh.
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Khí CO2 rất bền nhiệt, ở 1500 0C nĩ mới bị phân hủy với tỉ lệ 1,5% và ở 2000 0C với tỉ lệ 75%.
2CO2 2CO + O2 ∆H0 = 566 kJ/mol
b. Tính chất hĩa học
Khí CO2 khơng cháy và khơng duy trì sự cháy. Trên thực tế, người ta dùng CO2 ở dạng khí nén hay dạng lỏng để chữa cháy, nhưng với những đám cháy gây nên bỡi những kim loại cĩ ái lực lớn với oxi như K, Mg, Al, Zn thì CO2 mất hiệu lực vì những kim loại đĩ vẫn tiếp tục cháy trong CO2.
3CO2 + 4Al → 2Al2O3 + 3C
Khi tan trong nước, phần lớn CO2 ở dưới dạng hidrat hĩa và một phần nhỏ tương tác với nước tạo thành axit cacbonic
CO2 + H2O H2CO3
Khí CO2 bị dung dịch kiềm hấp thụ dễ dàng tạo thành muối cacbonat
CO2 + 2KOH → K2CO3
Tuy nhiên trong bài tập hĩa học phổ thơng, muốn xác định muối tạo thành phải xét quan hệ mol giữa CO2 và KOH, tùy theo số mol mà tỉ lệ này biến thiên từ 1 đến 2, ta cĩ muối tương ứng.
Ở điều kiện thường, khí CO2 khơ kết hợp được với NH3 tạo thành amoni cacbamat
CO2 + 2NH3 → NH4O —— NH2
Muối này kém bền, khi đun nĩng 180 0C dưới áp suất 200 atm sẽ mất nước biến thành urê
NH4O —— NH2 → H2N —— NH2 + H2O
Đây là phương pháp hiện đại dùng để điều chế urê, urê được dùng làm phân bĩn, tổng hợp chất dẻo, thuốc nhuộm và dược phẩm.
c. Điều chế và ứng dụng-Trong phịng thí nghiệm: -Trong phịng thí nghiệm:
Khí CO2 được điều chế bằng cách cho axit clohidric tác dụng với đá vơi trong bình kíp
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
Khí CO2 được sản xuất bằng cách đốt cháy hồn tồn than cốc trong oxi hay trong oxi hay trong khơng khí. Khí CO2 cũng là sản phẩm phụ của qúa trình nung vơi và qúa trình lên men rượu của đường glucose
CaCO3 CaO + CO2
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
Trong cơng nghiệp một lượng lớn CO2 được dùng để sản xuất sođa, urê, axit salixilic, được dùng tạo gas trong nước giải khát. Nước đá khơ được dùng để duy trì nhiệt độ thấp trong các xe lạnh chuyên chở thực phẩm vì ưu điểm là sạch sẽ, khi bay hơi khơng để nước lại làm ướt thực phẩm.
Người ta đã thí nghiệm dùng tuyết cacbonic để gây mưa nhân tạo. Khí CO2 cĩ nhiệt
dung lớn và ít hấp thụ nơtron nên được dùng làm nguội các lị phản ứng hạt nhân.
d. Axit cacbonic và muối cacbonat
Khi tan trong nước thì một phần nhỏ CO2 tương tác với nước tạo thành axit cacbonic. Axit cacbonic là một axit yếu, trong nước nĩ phân li theo hai nấc
CO2 + H2O H2CO3
H2CO3 + H2O H3O+ + HCO3- K1 = 4,16. 10-7
HCO3- + H2O H3O+ + CO32- K2 = 4,48. 10-11
Axit cacbonic khơng bền, khơng thể tách ra ở điều kiện thường. Khi đun nĩng dung dịch thì khí CO2 bay ra làm cho cân bằng chuyển dịch về phía trái và khi thêm một một baz kiềm vào dung dịch, thì cân bằng chuyển dịch về phía phải, tạo thành hai loại muối là hidrocacbonat và cacbonat.
Trong các muối cacbonat, chỉ cĩ cacbonat của kim loại kiềm và amoni là dễ tan. Dung dịch của muối tan cĩ mơi trường kiềm vì anion cabonat bị thủy phân. Muối hidrocacbonat nĩi chung dễ tan hơn so với muối cacbonat. Hiện nay người ta mới chỉ biết được muối hidrocacbonat của kim loại kiềm, kiềm thổ và một vài kim loại hĩa trị ba. Tất cả các muối đĩ tan nhiều trong nước trừ NaHCO3 hơi ít tan, dung dịch nước của chúng cĩ mơi trường kiềm yếu. Ở nhiệt độ thường muối hidrocacbonat tan bị thủy phân khơng đáng kể, nhưng khi đun nĩng độ thủy phân tăng lên rõ rệt. Cacbonat kim loại kiềm bền với nhiệt, khi đun nĩng chúng chảy mà khơng bị phân hủy, chẳng hạn, Na2CO3 nĩng chảy ở 853 0C và K2CO3 nĩng chảy ở 894 0C. Các muối cacbonat khác khi đun nĩng phân hủy giải phĩng khí CO2. Muối hidrocacbonat khi đun nĩng dễ chuyển sang cacbonat
2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O
Cĩ thể dùng cacbonat như một baz để trung hịa axit
Khi cho muối cacbonat kim loại kiềm hay amoni vào dung dịch chứa ion Ca2+, Sr2+, Ba2+, Mn2+, Fe2+, Ni2+ hay Ag+, muối cacbonat trung tính của chúng sẽ kết tủa, ví dụ FeCO3 và CaCO3 lắng xuống dưới dạng kết tủa màu trắng. Nhưng khi cho vào dung dịch chứa ion Be2+, Mg2+, Pb2+, Co2+, Cu2+, Zn2+ hay Cd2+, muối cacbonat bazơ của chúng sẽ kết tủa, ví dụ như (MgOH)2CO3 màu trắng, (CoOH)2CO3 màu đỏ nhạt. Khi đun nĩng với dung dịch NaHCO3, muối cacbonat bazơ chuyển thành muối cacbonat trung hịa. Những muối cacbonat của kim loại hĩa trị ba như Al3+, Fe3+, Cr3+ và của kim loại hĩa trị bốn như Ti4+, Zn4+, Th4+ khơng thể tồn tại. Khi cho muối cacbonat kim loại kiềm hay amoni vào dung dịch của những kim loại này, sẽ thu được hidroxit kim loại tương ứng.
Muối cacbonat của kim loại kiềm M2CO3 tác dụng với dung dịch H2O2 đặc tạo nên M2CO4 và MHCO4 là muối trung hịa và muối axit của axit peoxicacbonic.
Dung dịch đậm đặc của M2CO3 khi bị oxi hĩa ở cực dương trong bình điện phân tạo nên muối M2C2O6 là muối của axit peoxidicacbonic khơng bền