Carbonul și compușii săi anorganici

Studiul carbonului elementar și al principalilor compuși anorganici: CO, CO2, carbonați.

Carbonul elementar și formele lui alotrope

Carbonul are numărul atomic Z = 6 și patru electroni pe ultimul strat, deci este tetravalent – formează patru legături. Această tetravalență explică de ce carbonul poate construi lanțuri lungi și de ce există milioane de compuși organici pe bază de carbon.

Formele alotrope sunt substanțe simple diferite, formate din același element. Pentru carbon, diferența dintre ele vine exclusiv din modul de aranjare a atomilor, nu din natura lor:

• Diamantul – fiecare atom este legat de alți patru atomi, într-o rețea tridimensională compactă. Rezultat: cel mai dur material natural, transparent, izolator electric, cu temperatură de topire foarte mare. Se folosește la bijuterii, la scule de tăiere și de foraj.
• Grafitul – atomii sunt așezați în straturi plane, legate slab între ele. Straturile alunecă unele peste altele, de aceea grafitul e moale și unsuros, lasă urmă pe hârtie și se folosește ca lubrifiant. Fiecare atom are un electron liber, motiv pentru care grafitul este singura formă a carbonului care conduce curentul electric – de aici electrozii din grafit.
• Cărbunii amorfi – cocsul, cărbunele de lemn, negrul de fum; au structură dezordonată și suprafață foarte mare, deci proprietăți adsorbante. Cărbunele activ reține pe suprafața lui gaze, coloranți și toxine, de unde folosirea lui în măști de gaze, filtre de apă și medicamente.
• Fulerenele și nanotuburile – forme moderne, cu atomii dispuși în structuri sferice sau tubulare.

Carbonul arde și dă, după cantitatea de oxigen disponibilă, CO2 (ardere completă) sau CO (ardere incompletă). La temperaturi înalte, el are și rol de reducător, scoțând metalele din oxizii lor: C + 2 CuO → 2 Cu + CO2, reacție folosită în metalurgie.

Capcană de examen: alotropia se confundă cu izotopia. Izotopii sunt atomi ai aceluiași element cu număr diferit de neutroni; formele alotrope sunt substanțe cu structuri diferite. Diamantul și grafitul sunt alotropi, nu izotopi.

Monoxidul de carbon – proprietăți și toxicitate

Monoxidul de carbon, CO, se formează la arderea incompletă a combustibililor care conțin carbon – lemn, cărbune, gaz metan, benzină – atunci când oxigenul este insuficient:

• 2 C + O2 → 2 CO (oxigen insuficient), față de C + O2 → CO2 (oxigen suficient).

Proprietăți fizice: gaz incolor, inodor, fără gust, puțin mai ușor decât aerul, foarte greu solubil în apă. Absența mirosului este exact ceea ce îl face periculos: nu poate fi detectat de simțuri, iar victimele adorm fără să realizeze nimic.

Proprietăți chimice: este un oxid neutru – nu reacționează nici cu apa, nici cu acizii, nici cu bazele, deci nu are corespondent acid. Este însă un reducător puternic la temperaturi înalte, proprietate esențială în furnal, unde scoate fierul din minereu:

• Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2.

Arde cu flacără albastră, transformându-se în dioxid de carbon: 2 CO + O2 → 2 CO2.

Toxicitatea trebuie înțeleasă mecanic, nu memorată: hemoglobina din sânge transportă oxigenul de la plămâni la țesuturi. Monoxidul de carbon se leagă de hemoglobină de sute de ori mai puternic decât oxigenul și formează un compus stabil, care blochează locul oxigenului. Rezultatul este că sângele circulă, dar nu mai transportă oxigen, iar organismul se sufocă din interior. Simptomele – dureri de cap, amețeală, greață, somnolență – seamănă cu o răceală obișnuită, ceea ce întârzie reacția.

Măsuri practice: sobe și centrale verificate anual, coșuri curățate, tiraj asigurat, detectoare de CO în încăperile cu aparate pe gaz. Regula pe care programa o cere explicit: nu se blochează niciodată aerisirea unei încăperi cu sobă, oricât de frig ar fi afară.

Dioxidul de carbon – proprietăți și rol în natură

Dioxidul de carbon, CO2, este un oxid acid, gaz incolor, inodor, cu gust ușor acrișor în apă, mai greu decât aerul de aproximativ 1,5 ori. Prin răcire și comprimare trece direct în solid – gheața carbonică, care sublimează la presiune normală, adică trece din solid direct în gaz, fără să treacă prin stare lichidă.

Obținere:

• arderea completă a carbonului și a compușilor lui: C + O2 → CO2;
• descompunerea carbonaților la încălzire: CaCO3 → CaO + CO2;
• reacția carbonaților cu acizii: CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + H2O + CO2;
• respirația și fermentația.

Proprietăți chimice, cele ale unui oxid acid:

• cu apa dă acid carbonic, slab și instabil: CO2 + H2O → H2CO3;
• cu bazele dă carbonați: CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 (precipitat alb) + H2O – reacția de identificare, prin tulburarea apei de var;
• cu oxizii bazici dă carbonați: CO2 + Na2O → Na2CO3.

Nu întreține arderea și nu arde, fiind un produs final al arderii. Combinat cu densitatea lui mai mare decât a aerului, aceasta explică folosirea în stingătoare: gazul se așază peste flacără ca o pătură și izolează combustibilul de oxigen.

Rol în natură: este materia primă a fotosintezei, prin care plantele verzi produc glucoză și oxigen, folosind energia luminii. În același timp, este principalul gaz cu efect de seră de origine antropică: reține în atmosferă o parte din căldura reemisă de suprafața Pământului. Arderea combustibililor fosili și defrișările au crescut concentrația lui, contribuind la încălzirea globală.

Capcană frecventă: CO2 este considerat toxic ca CO. Nu este – dioxidul de carbon nu blochează hemoglobina. În concentrații mari devine periculos prin asfixiere, pentru că, fiind mai greu decât aerul, se acumulează în locuri joase (beciuri, fântâni, silozuri) și înlocuiește aerul respirabil. Mecanismul e complet diferit de cel al monoxidului.

Carbonații și bicarbonații

Carbonații sunt sărurile acidului carbonic, cu restul acid CO3, divalent. Carbonații acizi (bicarbonații) conțin restul HCO3, monovalent, adică păstrează un atom de hidrogen neînlocuit.

Solubilitate: carbonații sunt, în general, insolubili; fac excepție cei de sodiu, potasiu și amoniu. Bicarbonații sunt, în schimb, mai solubili decât carbonații corespunzători – detaliu care explică fenomenele din peșteri.

Reacții caracteristice:

• cu acizii, cu efervescență: CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + H2O + CO2. Aceasta este proba de recunoaștere a carbonaților;
• descompunerea termică: CaCO3 → CaO + CO2, reacția prin care se obține varul nestins;
• descompunerea bicarbonaților la încălzire: 2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2 – exact reacția care face aluatul să crească.

Compușii importanți:

• CaCO3 – calcar, marmură, cretă, stalactite, cochilii, coajă de ou. Materie primă pentru var și ciment.
• Na2CO3, soda calcinată – la fabricarea sticlei, a detergenților, la dedurizarea apei.
• NaHCO3, bicarbonatul de sodiu – praf de copt, antiacid gastric, agent de curățare, componentă a unor stingătoare.

Duritatea apei și peșterile merită înțelese ca un singur fenomen. Apa de ploaie dizolvă CO2 din aer și devine ușor acidă. Trecând prin roci de calcar, transformă carbonatul insolubil în bicarbonat solubil:

• CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2.

Așa se sapă peșterile. Când apa se evaporă sau se încălzește, reacția merge înapoi, bicarbonatul se descompune și carbonatul se depune din nou – așa cresc stalactitele și stalagmitele, și tot așa se formează piatra din fierbătorul de apă. Duritatea temporară a apei se elimină tocmai prin fierbere, din același motiv.

Ciclul carbonului în natură

Carbonul nu se creează și nu dispare: circulă permanent între atmosferă, organisme, sol, ape și roci. Ciclul carbonului este numele acestei circulații, iar programa cere să poți identifica procesele care scot carbon din atmosferă și pe cele care îl introduc înapoi.

Procese care consumă CO2 din atmosferă:

• fotosinteza – plantele verzi transformă CO2 și apă în substanțe organice și oxigen, folosind energia luminii; este singurul proces natural major care scade cantitatea de CO2 din aer;
• dizolvarea în oceane – apa mărilor absoarbe cantități uriașe de CO2;
• formarea rocilor calcaroase – organismele marine folosesc carbonatul pentru cochilii și schelete, care se depun pe fundul mării.

Procese care eliberează CO2 în atmosferă:

• respirația tuturor organismelor vii, inclusiv a plantelor;
• descompunerea materiei organice moarte de către bacterii și ciuperci;
• arderea combustibililor fosili – cărbune, petrol, gaze naturale;
• erupțiile vulcanice și incendiile de vegetație;
• producerea cimentului, prin descompunerea calcarului.

Timp de milioane de ani, procesele s-au echilibrat. Dezechilibrul actual are o cauză precisă: combustibilii fosili conțin carbon scos din circuit cu sute de milioane de ani în urmă și depozitat în subsol. Arzându-i, îl readucem în atmosferă mult mai repede decât îl pot prelua fotosinteza și oceanele. La aceasta se adaugă defrișările, care reduc chiar capacitatea de absorbție.

Consecințe: creșterea temperaturii medii globale, topirea ghețarilor, creșterea nivelului mării, evenimente meteorologice extreme și acidifierea oceanelor – CO2 dizolvat formează acid carbonic, care afectează organismele cu cochilii calcaroase.

Soluții discutate la nivelul clasei a VIII-a: surse regenerabile de energie, eficiență energetică, transport public, împădurire și reciclare. Ideea de reținut este că fiecare kilogram de combustibil ars înseamnă carbon transferat din subsol în aer.

Test — 6 întrebări ca la examen