Углекислый газ, свойства, получение и применение

Вред угольного ангидрида

Дети и взрослые очень любят разнообразные шипучие напитки за содержащиеся в них воздушные пузырьки. Эти скопления воздуха — чистый углекислый газ, выделяющийся при откручивании колпачка бутылки. Используемый в таком качестве, он не приносит организму человека никакой пользы. Попадая в желудочно-кишечный тракт, угольный ангидрид раздражает слизистые оболочки, провоцирует повреждение эпителиальных клеток.

Для человека с заболеваниями желудка крайне нежелательно употребление газированных напитков, так как под их воздействием усиливается воспалительный процесс и изъязвление внутренней стенки органов пищеварительной системы.

Гастроэнтерологи запрещают пить лимонады и минеральную воду пациентам с такими патологиями:

• острый, хронический, катаральный гастрит;
• язва желудка и двенадцатиперстной кишки;
• дуоденит;
• снижение перистальтики кишечника;
• доброкачественные и злокачественные новообразования желудочно-кишечного тракта.

Следует учесть, что по статистическим данным ВОЗ более половины жителей планеты Земля страдают от той или иной формы гастрита. Основные симптомы заболевания желудка: кислая отрыжка, изжога, вздутие живота и боли в эпигастральной области.

Если человек не в силах отказаться от употребления напитков с углекислым газом, то ему следует остановить выбор на слабогазированной минеральной воде.

Специалисты советуют исключить лимонады из повседневного рациона. После проведенных статистических исследований у людей, которые длительно пили сладкую воду с углекислым газом, были выявлены такие заболевания:

• кариес;
• эндокринные нарушения;
• повышенная хрупкость костной ткани;
• жировая дистрофия печени;
• образование конкрементов в мочевом пузыре и почках;
• нарушения метаболизма углеводов.

Сотрудники офисных помещений, не оборудованных кондиционерами, часто испытывают мучительные головные боли, тошноту, слабость. Это состояние у человека возникает при избыточном скоплении в комнате углекислого газа. Постоянное нахождение в такой обстановке приводит к ацидозу (повышению кислотности крови), провоцирует снижение функциональной активности всех систем жизнедеятельности.

Химические свойства

Монооксид углерода (формула CO) относится к несолеобразующим или безразличным оксидам. Однако, при температуре +200 oС он вступает в реакцию с гидроксидом натрия. Во время этого химического процесса происходит образование формиата натрия:

NaOH + CO = HCOONa (соль муравьиной кислоты).

Свойства монооксида углерода основаны на его восстановительной способности. Монооксид углерода:

• может вступать в реакцию с кислородом: 2CO + O₂ = 2CO_2;
• способен взаимодействовать с галогенами: CO + Cl₂ = COCl₂ (фосген);
• имеет уникальное свойство восстанавливать чистые металлы из их оксидов: Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO_2;
• образует карбонилы металлов: Fe + 5CO = Fe(CO)_5;
• прекрасно растворяется в хлороформе, уксусной кислоте, этаноле, гидроксиде аммония и бензоле.

Поглотители двуокиси углерода

Поглотителями называют любые искусственные или природные системы, которые впитывают из воздуха углекислый газ. Поглотитель — это структура, которая вбирает из воздуха больше CO₂ чем выбрасывает в него.

Природные поглотители

Леса способны воздействовать на количество двуокиси углерода в воздухе. Они могут быть и поглотителями, и источниками выбросов параллельно (при вырубке). Когда деревья увеличиваются, а лес растет, то углекислый газ поглощается. Данный процесс считается основой развития биомассы. Выходит, что прогрессирующий лес выступает поглотителем.

Лес северного полушария

При сжигании и уничтожении леса основная доля накопленного углерода опять преобразуется в углекислый газ. В итоге лес снова является источником СО₂.
Фитопланктон также является поглотителем углекислого газа на земле. При этом большая часть поглощенного углерода, передаваясь по пищевой цепочке, остается в океане.

Искусственные поглотители

Самыми известными поглотителями СО₂ считаются: раствор едкого калия, натронная известь и асбест, едкий натр.
Эти соединения при протекании химических реакций связывают углекислоту, преобразовывая ее в другие соединения. Существуют установки, которые улавливают углекислый газ из выбросов электростанций и преобразуют его в жидкое или твердое состояние с последующим применением в промышленности. Производятся испытания закачки углекислого газа, растворенного в воде, в базальтовые породы под землей. В процессе реакции образуется твердый минерал.

Станция закачки углекислого газа под землю

Как засолить горбушу в домашних условиях

Получение углекислого газа:

В промышленности углекислый газ образуется в дымовых газах при сжигании различных органических и неорганических веществ или как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов (доломита, известняка). Также углекислый газ как побочный продукт получают на установках разделения воздуха с целью получения чистого кислорода, азота и аргона.

В лабораторных условиях углекислый газ получают, например, в результате следующих химических реакций:

1. взаимодействия карбоната кальция и азотной кислоты:

CaCO3 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O,

2. в результате взаимодействия карбоната кальция с другими минеральными кислотами,

3. взаимодействия пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком,

4. реакции горения углерода:

С + O2 → CO2.

Взаимодействие со сложными веществами

с водой

Все щелочноземельные металлы активно реагируют с водой с образованием щелочей (растворимых гидроксидов металлов) и водорода. Магний реагирует с водой лишь при кипячении вследствие того, что при нагревании в воде растворяется защитная оксидная пленка MgO. В случае бериллия защитная оксидная пленка очень стойкая: с ним вода не реагирует ни при кипячении, ни даже при температуре красного каления:

c кислотами-неокислителями

Все металлы главной подгруппы II группы реагируют с кислотами-неокислителями, поскольку находятся в ряду активности левее водорода. При этом образуются соль соответствующей кислоты и водород. Примеры реакций:

− разбавленной азотной кислотой

С разбавленной азотной кислотой реагируют все металлы IIA группы. При этом продуктами восстановления вместо водорода (как в случае кислот-неокислителей) являются оксиды азота, преимущественно оксид азота (I) (N₂O), а в случае сильно разбавленной азотной кислоты – нитрат аммония (NH₄NO₃):

4Mg + 10HNO_{3(сильно разб.)} = 4Mg(NO₃)₂ + NН₄NO₃ + 3H₂O

− концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота при обычной (или низкой) температуре пассивирует бериллий, т.е. в реакцию с ним не вступает. При кипячении реакция возможна и протекает преимущественно в соответствии с уравнением:

Магний и щелочноземельные металлы реагируют с концентрированной азотной кислотой с образованием большого спектра различных продуктов восстановления азота.

− концентрированной серной кислотой

Бериллий пассивируется концентрированной серной кислотой, т.е. не реагирует с ней в обычных условиях, однако реакция протекает при кипячении и приводит к образованию сульфата бериллия, диоксида серы и воды:

Барий также пассивируется концентрированной серной кислотой вследствие образования нерастворимого сульфата бария, но реагирует с ней при нагревании, сульфат бария растворяется при нагревании в концентрированной серной кислоте благодаря его превращению в гидросульфат бария.

Остальные металлы главной IIA группы реагируют с концентрированной серной кислотой при любых условиях, в том числе на холоду. Восстановление серы происходит преимущественно до сероводорода:

с щелочами

Магний и щелочноземельные металлы со щелочами не взаимодействуют, а бериллий легко реагирует как растворами щелочей, так и с безводными щелочами при сплавлении. При этом при осуществлении реакции в водном растворе в реакции участвует также и вода, а продуктами являются тетрагидроксобериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и газообразный водород:

При осуществлении реакции с твердой щелочью при сплавлении образуются бериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и водород

с оксидами

Щелочноземельные металлы, а также магний могут восстанавливать менее активные металлы и некоторые неметаллы из их оксидов при нагревании, например:

Метод восстановления металлов из их оксидов магнием называют магниетермией.

Угарный газ и углекислый газ: в чем разница?

Монооксид и диоксид углерода (СО и CO₂) часто ошибочно принимают друг за друга. Оба газа без запаха и цвета, и оба негативно воздействуют на сердечно-сосудистую систему. Оба газа могут проникать в организм через вдыхание, кожу и глаза. Эти соединения при воздействии на живой организм имеют ряд общих симптомов — головные боли, головокружение, судороги и галлюцинации. Большинство людей с трудом определяют разницу и не понимают, что выхлопные газы автомобилей испускают как CO, так и CO₂ . В помещении увеличение концентрации этих газов может быть опасным для здоровья и безопасности человека, подверженного их воздействию. В чем же разница?

При высоких концентрациях оба могут быть смертельными. Разница заключается в том, что CO₂ является общим природным газом, необходимым для всей растительной и животной жизни. CO не является обычным явлением. Это побочный продукт бескислородного сжигания топлива. Критическое химическое различие заключается в том, что CO₂ содержит один атом углерода и два атома кислорода, тогда как у CO их всего по одному. Углекислый газ является негорючим, в то время как монооксид имеет большую вероятность к воспламенению.

Двуокись углерода, естественно, встречается в атмосфере: люди и животные дышат кислородом и выдыхают углекислый газ, то есть живые существа способны выдерживать его в небольшом количестве. Этот газ необходим также для осуществления растениями фотосинтеза. Однако монооксид углерода не возникает естественным образом в атмосфере и может вызвать проблемы со здоровьем даже в низких концентрациях. Плотность обоих газов также различна. Углекислый газ тяжелее и плотнее воздуха, в то время как монооксид углерода немного легче. Эту их особенность стоит учитывать при установлении в домах соответствующих датчиков.

Характерные особенности углекислого газа

Двуокись углерода, угольный ангидрид, углекислый газ — газообразное химическое соединение, не обладающее цветом и запахом. Вещество в 1, 5 раза тяжелее воздуха, а его концентрация в атмосфере Земли составляет приблизительно 0,04 %. Отличительной особенностью углекислого газа является отсутствие жидкой формы при увеличении давления — соединение сразу переходит в твердое состояние, известное как «сухой лед». Но при создании определенных искусственных условий двуокись углерода принимает форму жидкости, что широко используется для ее транспортировки и длительного хранения.

Углекислый газ не становится преградой для ультрафиолетовых лучей, которые поступают в атмосферу от Солнца. А вот инфракрасное излучение Земли абсорбируется углеродным ангидридом. Это и становится причиной глобального потепления с момента образования огромного количества промышленных производств.

В течение суток организм человека поглощает и метаболизирует около 1 кг двуокиси углерода. Она принимает активное участие в обмене веществ, который происходит в мягких, костных, суставных тканях, а затем попадает в венозное русло. С потоком крови углекислый газ поступает в легкие и покидает организм при каждом выдохе.

Химическое вещество находится в теле человека преимущественно в венозной системе. Капиллярная сеть легочных структур и артериальная кровь содержат небольшую концентрацию углекислого газа. В медицине используется термин «парциальное давление», характеризующий концентрационное соотношение соединения по отношению ко всему объему крови.

История открытия

Токсичность дыма, выделяющегося при горении угля, была описана ещё Аристотелем и Галеном.

Оксид углерода(II) был впервые получен французским химиком Жаком де Лассоном в при нагревании оксида цинка с углём, но первоначально его ошибочно приняли за водород, так как он сгорал синим пламенем.

То, что в состав этого газа входит углерод и кислород, выяснил в английский химик Вильям Крюйкшенк. Токсичность газа была исследована в 1846 году французским медиком Клодом Бернаром в опытах на собаках.

Оксид углерода(II) вне атмосферы Земли впервые был обнаружен бельгийским учёным М. Мижотом (M. Migeotte) в 1949 году по наличию основной колебательно-вращательной полосы в ИК-спектре Солнца. Оксид углерода(II) в межзвёздной среде был обнаружен в 1970 г.

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл. 

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Рис.1. Строение хлоропласта высших растений.

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом. 

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Плотность и другие свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления

В таблице представлены теплофизические свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления. Свойства в таблице указаны при температуре от 273 до 1273 К и давлении от 1 до 100 атм

Рассмотрим такое важное свойство углекислого газа, как плотность. Плотность углекислого газа равна 1,913 кг/м3 при нормальных условиях (при н.у.)

По данным таблицы видно, что плотность углекислого газа существенно зависит от температуры и давления — при росте давления плотность CO2 значительно увеличивается, а при повышении температуры газа — снижается. Так, при нагревании на 1000 градусов плотность углекислого газа уменьшается в 4,7 раза.

Однако, при увеличении давления углекислого газа, его плотность начинает расти, причем значительно сильнее, чем снижается при нагреве. Например при давлении 10 атм. и температуре 0°С плотность углекислого газа вырастает уже до значения 20,46 кг/м3.

Необходимо отметить, что рост давления газа приводит к пропорциональному увеличению значения его плотности, то есть при 10 атм. удельный вес углекислого газа в 10 раз больше, чем при нормальном атмосферном давлении.

В таблице приведены следующие теплофизические свойства углекислого газа:

• плотность углекислого газа в кг/м3;
• удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
• теплопроводность, Вт/(м·град);
• динамическая вязкость, Па·с;
• температуропроводность, м2/с;
• кинематическая вязкость, м2/с;
• число Прандтля.

Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100!

Основные симптомы и помощь при отравлении СО

Вызывает ли монооксид углерода отравление? Да, и очень сильное. Отравление угарным газом является наиболее частым явлением во всем мире. Наиболее распространенные симптомы:

• чувство слабости;
• тошнота;
• головокружение;
• усталость;
• раздражительность;
• плохой аппетит;
• головная боль;
• дезориентация;
• нарушение зрения;
• рвота;
• обморок;
• судороги.

Воздействие этого токсичного газа может привести к значительным повреждениям, которые зачастую могут привести к длительными хроническим патологическим состояниям. Монооксид углерода способен причинить серьезный ущерб плоду беременной женщины. Пострадавшим, например, после пожара, следует оказать незамедлительную помощь. необходимо срочно вызвать скорую помощь, дать доступ свежего воздуха, убрать стесняющую дыхание одежду, успокоить, согреть. Сильное отравление, как правило, лечится только под присмотром врачей, в стационаре.

Плотность и другие свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления

В таблице представлены теплофизические свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления. Свойства в таблице указаны при температуре от 273 до 1273 К и давлении от 1 до 100 атм

Рассмотрим такое важное свойство углекислого газа, как плотность. Плотность углекислого газа равна 1,913 кг/м3 при нормальных условиях (при н.у.)

По данным таблицы видно, что плотность углекислого газа существенно зависит от температуры и давления — при росте давления плотность CO2 значительно увеличивается, а при повышении температуры газа — снижается. Так, при нагревании на 1000 градусов плотность углекислого газа уменьшается в 4,7 раза.

Однако, при увеличении давления углекислого газа, его плотность начинает расти, причем значительно сильнее, чем снижается при нагреве. Например при давлении 10 атм. и температуре 0°С плотность углекислого газа вырастает уже до значения 20,46 кг/м3.

Необходимо отметить, что рост давления газа приводит к пропорциональному увеличению значения его плотности, то есть при 10 атм. удельный вес углекислого газа в 10 раз больше, чем при нормальном атмосферном давлении.

В таблице приведены следующие теплофизические свойства углекислого газа:

• плотность углекислого газа в кг/м3;
• удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
• теплопроводность, Вт/(м·град);
• динамическая вязкость, Па·с;
• температуропроводность, м2/с;
• кинематическая вязкость, м2/с;
• число Прандтля.

Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100!

Стоимость

Химические свойства

Кислород является химически активным веществом. Он способен вступать в реакции с множеством других веществ, однако для протекания большинства этих реакций необходима более высокая, чем комнатная, температура. При нагревании кислород реагирует с неметаллами и металлами.

Если стеклянную колбу наполнить кислородом и внести в нее ложечку с горящей серой, то сера вспыхивает с образованием яркого пламени и быстро сгорает (рис. 80).

Химическую реакцию, протекающую в этом случае, можно описать следующим уравнением:

В результате реакции образуется вещество SO₂, которое называется сернистым газом. Сернистый газ имеет резкий запах, который вы ощущаете при зажигании обычной спички. Это говорит о том, что в состав головки спички входит сера, при горении которой и образуется сернистый газ.

Подожженный красный фосфор в колбе с кислородом вспыхивает еще ярче и быстро сгорает, образуя густой белый дым (рис. 81).

При этом протекает химическая реакция:

Белый дым состоит из маленьких твердых частиц продукта реакции — P₂O₅.

Если в колбу с кислородом внести тлеющий уголек, состоящий в основном из углерода, то он также вспыхивает и сгорает ярким пламенем (рис. 82).

Протекающую химическую реакцию можно представить следующим уравнением:

Продуктом реакции является CO₂, или углекислый газ, с которым вы уже знакомы. Доказать образование углекислого газа можно, добавив в колбу немного известковой воды. Помутнение свидетельствует о присутствии CO₂ в колбе.

Возгорание уголька можно использовать для отличия кислорода от других газов. Если в сосуд (колбу, пробирку) с газом внести тлеющий уголек и он вспыхнет, то это указывает на наличие в сосуде кислорода.

Кроме неметаллов, с кислородом реагируют и многие металлы. Внесем в колбу с кислородом раскаленную стальную проволоку, состоящую в основном из железа. Проволока начинает ярко светиться и разбрасывать в разные стороны раскаленные искры, как при горении бенгальского огня (рис. 83).

При этом протекает следующая химическая реакция:

В результате реакции образуется вещество Fe₃O₄ (железная окалина). В состав формульной единицы этого вещества входят три атома железа, причем один из них имеет валентность II, а два других атома имеют валентность III. Поэтому формулу этого вещества можно представить в виде FeO * Fe₂O₃.

Реакцию железа с кислородом используют для резки стальных изделий. Для этого определенный участок детали сначала нагревают с помощью кислородногазовой горелки. Затем направляют на нагретое место струю чистого кислорода, для чего перекрывают кран поступления горючего газа в горелку. Нагретое до высокой температуры железо вступает в химическую реакцию с кислородом и превращается в окалину. Так можно разрезать очень толстые железные детали.

Определение оксида углерода(II)

Качественно можно определить наличие CO по потемнению растворов хлорида палладия (или пропитанной этим раствором бумаги). Потеменение связано с выделением мелкодисперсного металлического палладия по схеме:

PdCl2+CO+H2O→Pd↓+CO2+2HCl.{\displaystyle {\mathsf {PdCl_{2}+CO+H_{2}O\rightarrow Pd\downarrow +CO_{2}+2HCl.}}}

Эта реакция очень чувствительная. Стандартный раствор: 1 грамм хлорида палладия на литр воды.

Количественное определение оксида углерода(II) основано на иодометрической реакции:

5CO+I2O5→5CO2+I2.{\displaystyle {\mathsf {5CO+I_{2}O_{5}\rightarrow 5CO_{2}+I_{2}.}}}

Влияние углекислого газа на организм человека

Оксиды углерода с кислотностью +4 относятся к разделу удушающих газов. Иными словами, углекислый газ не является токсичным веществом, однако может существенно влиять на приток кислорода к организму. При повышении уровня углекислого газа до 3-4% у человека возникает серьезная слабость, его начинает клонить в сон. При повышении уровня до 10% начинают развиваться сильнейшие головные боли, головокружение, ухудшение слуха, иногда наблюдается потеря сознания. Если концентрация углекислого газа поднимается до уровня 20%, то наступает смерть от кислородного голодания.

Лечение отравления углекислым газом очень простое – дать жертве доступ к чистому воздуху, при необходимости сделать искусственное дыхание. В крайнем случае нужно подключить пострадавшего к аппарату искусственной вентиляции легких.

Из описаний влияния двух данных оксидов углерода на организм мы можем сделать вывод, что большую опасность для человека все же представляет угарный газ с его высокой токсичностью и направленным воздействием на организм изнутри.

Углекислый газ не отличается таким коварством и менее вреден для человека, поэтому именно это вещество человек активно применяет даже в пищевой промышленности.