Задание №177523: Турнир Ломоносова 2009

2. (8–9) В двух баллонах находятся оксид углерода(II) и оксид угле
рода(IV). Предложите несколько способов определения, в каком бал
лоне какой газ находится. Приведите, если нужно, уравнения реакций.
Решение. Прежде всего — эти газы ядовиты! Все эксперименты с
ними нужно проводить так, чтобы вдыхание газов экспериментатором
(и находящимися рядом с ним людьми) было исключено.
Газы можно различить по физическим свойствам. Оба газа без
цвета, но угарный газ CO легче воздуха (𝑀 = 28 г/моль), а углекис
лый CO2 — тяжелее (𝑀 = 44 г/моль). Для использования различия в
6Магнитными свойствами обладают все вещества. Но у большинства веществ эти
свойства очень слабые, поэтому мы не говорим, что они «притягиваются к магниту».
64

молекулярной массе необходимо убедиться, что давление в баллонах
одинаково, а также сами баллоны тоже должны быть одинаковыми. Но
всё равно этот способ не очень удобен для практического применения.
Например, для баллонов объёмом 22,4 л, содержащих газы при нор
мальных условиях, различие в массе составит только 16 г, в то время
как масса такого баллона более 10 кг.
Можно схитрить и «налить» газообразный CO2 в какой-нибудь
сосуд. А затем «окунуть» туда мыльный пузырь, надутый газообраз
ным CO (или обычным воздухом — его плотность почти такая же). Если
эксперимент выполнить аккуратно, добившись необходимой маленькой
массы мыльной плёнки на пузыре и отсутствия перемешивания CO2 с
воздухом в сосуде — пузырь «зависнет» на поверхности раздела CO2 и
воздуха. Если же поменять газы местами — этот эффект наблюдаться
не будет.
Гораздо удобнее использовать для определения газов их химические
свойства. CO является несолеобразующим оксидом, очень малоактив
ным в химическом отношении, но при определённых условиях может
выступать восстановителем и образовывать комплексы с металлами.
Кроме того, CO горит на воздухе. CO2 проявляет кислотные свойства.
Проще всего определить, где какой газ, при помощи различий в кис
лотно-основных свойствах.
При пропускании углекислого газа через раствор гидроксида каль
ция раствор мутнеет (CO2 + Ca(OH) 2 = CaCO3 + H2O), в то время как
↓
угарный газ с Ca(OH) 2 не взаимодействует и раствор остаётся прозрач
ным.
Также газы можно пропустить через обычную воду. CO2 при рас
творении образует угольную кислоту, что можно легко определить при
помощи индикатора. CO с водой не реагирует, соответственно, при про
пускании газа через воду кислотность раствора изменяться не будет.
В определённых случаях CO2 может реагировать с магнием при
высоких температурах 2Mg + CO2 = 2MgO + C, выступая как окисли
тель, т. е. поддерживая горение магния. Но в большинстве случаев CO2,
например, в реакции с древесиной, не может выступать окислителем,
т. е. горение не поддерживает, и зажжённая лучина (свеча, спичка),
внесённая в струю или атмосферу CO2, гаснет. Но и CO, имеющий
более низкую степень окисления углерода, чем в CO2, тем более не
может выступать окислителем и поддерживать горение, поэтому горя
щий предмет погаснет, если его внести в струю газа из обоих баллонов,
т. е. этот способ нельзя использовать для различения газов. CO участ
вует в реакции горения в качестве восстановителя, окисляясь кислоро
65

дом: 2CO + O2 = 2CO2. А CO2 с кислородом не реагирует.
Существуют реакции, в которые вступает CO и не вступает CO2.
Например при нагревании и высоком давлении CO образует коорди
национные комплексы с некоторыми переходными металлами, которые
называются карбонилами (Ni(CO) 4, Fe(CO) 5), но из-за сложности про
ведения использовать эти реакции для различения двух газов затруд
нительно.
CO взаимодействует с хлором при облучении светом, образуя ядо
витый газ фосген. CO2 с хлором не взаимодействует. Формально это
позволяет различить два газа, но поскольку такая реакция приводит к
образованию чрезвычайно ядовитого соединения, как способ определе
ния газов её использовать нельзя.
Эти газы также обладают различным физиологическим действием.
Угарный газ CO сильно токсичен, связывается с гемоглобином, препят
ствуя переносу кислорода в организме, отравление наступает уже при
содержании 0,08% CO в воздухе. Углекислый газ гораздо менее ток
сичен, в малых количествах он даже необходим живым организмам,
т. к. участвует во многих физиологических процессах, и признаки отрав
ления наблюдаются только при концентрации CO2 в воздухе более 5%
и во многом объясняются недостатком кислорода. Поэтому, добавив
небольшое количество (менее 1%) этих газов из баллонов в дыхательную
смесь для лабораторных животных, можно по признакам отравления
определить CO, но при наличии гораздо более простых и гуманных
способов, вряд ли его можно считать применимым на практике7.
Все перечисленные (и близкие к ним) способы оценивались в зависи
мости от подробности описания принципа, на котором основан способ,
наличия химической реакции и критерия отличения одного газа от дру
гого.