Химический элемент углекислый газ

Углекислый газ формируется при соединении двух элементов: углерода и кислорода. Он образуется в процессе сжигания угля или углеводородных соединений, при ферментации жидкостей, а также как продукт дыхания людей и животных. В небольших количествах он содержится и в атмосфере, откуда он ассимилируется растениями, которые в свою очередь производят кислород. Углекислый газ бесцветен и тяжелее воздуха. Он не пригоден для поддержания жизни. Углекислый газ замерзает при температуре −78,5 °C с образованием снега, состоящего из двуокиси углерода. В виде водного раствора он образует угольную кислоту, однако она не обладает достаточной стабильностью для того, чтобы ее можно было легко изолировать.

Основное применение

Диоксид углерода


Другие названия углекислый газ, двуокись углерода,
сухой лёд(твердый)
Формула CO2
Молярная масса 44,0095(14) г/моль
В твердом виде сухой лёд
Вид бесцветный газ
Номер CAS []
Свойства
Плотность и фазовое состояние 1,9769 кг/м 3 , при н.у.;
771 кг/м 3 , жидкий;
1512 кг/м 3 , твёрдый
Растворимость в воде 1,45 кг/м 3
Удельная теплоемкость 0,846 кДж/(кг*С) при 27 °C
Удельная теплота плавления 25,13 кДж/моль
Точка плавления −57 °C (216 K), под давлением
Точка кипения −78 °C (195 K), возгоняется
Константа диссоциации кислоты (pKa) 6,35 и 10,33
Вязкость 0,07 пз при −78 °C
Строение
Форма молекулы линейная
Кристаллическая решётка молекулярная
Дипольный момент ноль
Техника безопасности
MSDS External MSDS
Главные опасности удушающее, раздражающее
NFPA 704
R: As, Fb
[источник не указан 830 дней]
S9, S23, S36 (ж)
RTECS number FF6400000
Страница дополнительных сведений
Структура и свойства n, εr,
Спектр УФ, ИК, ЯМР,
Родственные соединения
Оксиды CO
C3O2
C2O
CO3
Если не указано иное, данные даны для
материалов при стандартных условиях (25 °C, 100 кПа)
Infobox disclaimer and references

Химическая отрасль

Углекислый газ используется при производстве синтетических химических веществ и регулировании реакторных температур.

CO2 также служит для нейтрализации щелочных сточных вод. В закритических условиях диоксид углерода используется в процессах очистки или осушки полимеров, волокон животного или растительного происхождения.

Фармацевтика

Углекислый газ используется для создания инертной среды, синтеза химических веществ, сверхкритической флюидной экстракции (SFE), подкисления (pH) сточных вод или продукта при их низкотемпературной транспортировке (−78 °C или −108 °F).

Пищевая отрасль

В пищевой отрасли выделяются следующие основные направления применения CO2

  • Насыщение углекислотой шипучих напитков, в том числе безалкогольных напитков, минеральной воды и пива.
  • Упаковка пищевых продуктов — инертные и бактерицидные свойства газа успешно используются в азотных смесях (упаковка в модифицированной атмосфере) для увеличения срока хранения многих продуктов питания (§ ALIGAL™).
  • Процессы охлаждения или заморозки (в виде криогенной жидкости) и контроль температуры при распределении пищевых продуктов (в виде сухого льда).
  • Удаление кофеина из кофе с использованием диоксида углерода в сверхкритическом состоянии.

Медицина

При проведении операций на искусственных органах углекислый газ служит для создания атмосферных условий, близких к физиологическим.

В качестве одного из компонентов кислородной или воздушной смеси углекислый газ служит стимулятором глубокого дыхания. Другим его применением является хирургическая дилатация при интраабдоминальных инсуффляциях.

Читайте также:  Промышленные фрезерные станки по дереву

Металлургическая отрасль

Наиболее популярным применением углекислого газа в металлургии является защита окружающей среды

  • CO2 применяется для осаждения бурого дыма в процессах завалки лома и закачки углерода, для сокращения объема поглощения азота в процессе вскрытия электродуговых печей, а также для донного перемешивания.
  • Отрасль переработки цветных металлов использует углекислый газ для осаждения дыма в процессе ковшовой транспортировки штейна (производство Cu/Ni) или слитков (производство Zn/Pb).
  • Небольшое количество жидкого диоксида углерода может использоваться при рециркуляции воды в процессе отвода кислотных шахтных вод.
  • Лазеры, использующие CO2, хорошо известны еще и как потребители некоторых специальных марок диоксида углерода (§ LASAL™).

Лабораторные исследования и анализ

Диоксид углерода в сверхкритическом состоянии представляет собой подвижную фазу, используемую как в процессе хроматографического анализа, так и в процессах экстрагирования.

отрасль

После щелочной отбелки древесной массы или целлюлозы диоксид углерода позволяет с высокой точностью регулировать уровень pH в переработанном сырье.

CO2 может использоваться в процессах нейтрализации талового масла и в целях повышения производительности бумагоделательных машин.

Электроника

Диоксид углерода стандартно применяется для обработки сточных вод, а в качестве охладителя он используется при испытании электронных приборов на воздействие окружающей среды.

Помимо этого диоксид углерода позволяет повышать проводимость сверхчистой воды, а в виде снега используется для абразивной очистки деталей или удаления осадков на кристаллических пластинах.

Дополнительно диоксид углерода может использоваться в качестве экологически чистой сверхкритической жидкости для удаления фототвердеющих материалов из кристаллических пластин без применения органических растворителей.

Охрана окружающей среды

Добавление диоксида углерода позволяет поддерживать необходимый уровень pH в жидких стоках. В качестве регулятора рН он является прекрасной альтернативой серной кислоте.

Оксид углерода CO(II) или монооксид углерода – бесцветный газ, не имеющий запаха, плохо растворимый в воде.

Оксид углерода CO(II) рядовому обывателю более известен, как угарный газ, который стал причиной трагических смертей десятков тысяч людей.

В молекуле оксида углерода (II) атомы кислорода и углерода соединены тройной связью.

  • кислорода – 1s 2 2s 2 2p 4
  • углерода – 1s 2 2s 2 2p 2

У обоих элементов имеется по два неспаренных электрона на внешнем энергетическом уровне, которые и образуют две ковалентные связи (обозначены зеленым цветом). Третья связь образуется по донорно-акцепторному принципу – атом углерода (акцептор) предоставляет свою свободную орбиталь (желтая ячейка), на которой размещается электронная пара кислорода (донор) (красный цвет).

В молекуле угарного газа атом углерода принимает валентность 3, но степень окисления +2. По этой причине, для оксида углерода CO(II) характерны реакции присоединения, в которых он играет роль восстановителя:

  • на воздухе оксид углерода CO(II) горит, образуя углекислый газ:
    2C +2 O+O2 0 = 2C +4 O2↑+Q
  • восстановительные свойства угарного газа нашли широкое применение в металлургических процессах получения металлов из их оксидов (руд):
    CO+FeO = CO2↑+Fe
    CO+CuO = CO2↑+Cu
  • в присутствии угля, который выполняет роль катализатора, на свету угарный газ взаимодействует с хлором с образованием отравляющего вещества фосген:
    CO+Cl2 = COCl2

Поскольку монооксид углерода не образует солей, при н.у. угарный газ не взаимодействует с кислотами и щелочами.

В промышленных целях угарный газ получают взаимодействием углекислого газа с раскаленным углем:
CO2+C = 2CO

В лабораторных условиях CO получают действием концентрированной серной кислоты на муравьиную кислоту при высокой температуре:
HCOOH → CO↑ + H2O

Читайте также:  Оборудование для переработки резины

Угарный газ также образуется в процессе неполного сгорания топлива:
CH4+1½O2 = CO+2H2O

Именно такие случаи приводят зачастую к непоправимым трагедиям, – люди "угорают", чаще всего в домах с печным отоплением, когда в целях сохранения тепла на ночь закрывается заслонка, препятствующая выходу продуктов горения в вытяжную трубу, но при этом дрова или уголь еще полностью не перегорели. В результате чего, образующийся угарный газ накапливается в помещении, и люди, вдыхая его во сне, умирают.

Второй, самый распространенный случай гибели людей от угарного газа – вдыхание выхлопных газов автомобиля с двигателем внутреннего сгорания в закрытом, плохо проветриваемом помещении. Сколько таких случаев было, когда водители грелись и погибали в закрытых гаражах.

Почему умирают от вдыхания угарного газа

Все дело в гемоглобине, который содержится в красных кровяных тельцах – эритроцитах. Гемоглобин – это белок, который транспортирует кислород от легких к тканям человека. Коварность угарного газа заключается в том, что CO легко преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, после чего растворяется в плазме крови, и начинает "цепляться" к эритроцитам, вытесняя из гемоглобина кислород с образованием карбоксигемоглобина – в молекуле гемоглобина молекулы угарного газа соединяются с атомами железа, после чего кислород остается "не при делах". Данная реакция происходит по причине того, что монооксид углерода в 250(!) раз более активно вступает в реакцию с гемоглобином, нежели кислород. Таким образом, поступление кислорода к тканям организма нарушается, и в течение короткого времени наступает смерть человека, который задыхается "изнутри".

Концентрация угарного газа 1,2% в воздухе является смертельной – достаточно всего нескольких вдохов, чтобы человек потерял сознание, смерть наступает в течение 2-3 минут.

Оксид углерода CO2(IV) – углекислый газ

Молекула углекислого газа имеет линейное строение (углерод имеет валентность 4, и степень окисления +4):

Атомы углерода и кислорода связаны ковалентными полярными связями, но сама молекула неполярна.

Углекислый газ (диоксид углерода) также, как и угарный газ, не имеет цвета, запаха, плохо растворим в воде, но, растворяется лучше, чем CO. При низких температурах углекислота переходит в жидкое, а затем в твердое состояние (сухой лед).

Углекислый газ реагирует со следующими веществами:

  • при растворении в воде образует угольную кислоту:
    CO2+H2O = H2CO3
  • с основными оксидами и основаниями CO2 взаимодействует, как кислотный оксид, образуя соли, которые называются карбонатами:
    Na2O+CO2 = Na2CO3
  • при высоких температурах углекислый газ проявляется свойства окислителя – активные металлы могут гореть в среде углекислого газа, отнимая у него кислород:
    CO2+C = 2CO
    CO2+2Mg = 2MgO+C

Получение и применение углекислого газа

  • в промышленности – обжигом известняка:
    CaCO3 = CaO+CO2
  • в лаборатории – действием кислоты на соли угольной кислоты:
    Na2CO3+2HCl = 2NaCl+H2O+CO2
  • в природе углекислый газ выделяется при гниении и горении органических веществ:
    C+O2 = CO2

Углекислый газ нашел широкое применение в пищевой промышленности, в качестве основного компонента газированных напитков. Сухой лед применяется в качестве охладителя. Углекислотные огнетушители применяются при тушении похара, если температура горения не превышает 1000°C.

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:

Формула – СО2. Молярная масса – 44 г/моль.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ относится к классу кислотных оксидов, т.е. при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется угольная. Угольная кислота химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие, т.е. реакция взаимодействия углекислого газа с водой носит обратимый характер:

Читайте также:  Правильное подключение счетчика и автоматов

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

Как и для всех кислотных оксидов, для углекислого газа характерны реакции взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:

Углекислый газ не поддерживает горения, в нем горят только активные металлы:

CO2 + 2Mg = C + 2MgO (t);

CO2 + 2Ca = C + 2CaO (t).

Углекислый газ вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами, такими как водород и углерод:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O (t, kat = Cu2O);

CO2 + C = 2CO (t).

При взаимодействии углекислого газа с пероксидами активных металлов образуются карбонаты и выделяется кислород:

Качественной реакцией на углекислый газ является реакция его взаимодействия с известковой водой (молоком), т.е. с гидроксидом кальция, в которой образуется осадок белого цвета – карбонат кальция:

Физические свойства углекислого газа

Углекислый газ – газообразное вещество без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Термически устойчив. При сжатии и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое состояния. Углекислый газ в твердом агрегатном состоянии носит название «сухой лед» и легко возгоняется при комнатной температуре. Углекислый газ плохо растворим в воде, частично реагирует с ней. Плотность – 1,977 г/л.

Получение и применение углекислого газа

Выделяют промышленные и лабораторные способы получения углекислого газа. Так, в промышленности его получают обжигом известняка (1), а в лаборатории – действием сильных кислот на соли угольной кислоты (2):

CaCO3 = CaO + CO2 (t) (1);

Углекислый газ используется в пищевой (газирование лимонада), химической (регулировка температур при производстве синтетических волокон), металлургической (защита окружающей среды, например, осаждение бурого газа) и других отраслях промышленности.

Примеры решения задач

Задание Какой объем углекислого газа выделится при действии 200 г 10%-го раствора азотной кислоты на 90 г карбоната кальция, содержащего 8% примесей, нерастворимых в кислоте?
Решение Молярные массы азотной кислоты и карбоната кальция, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 63 и 100 г/моль, соответственно.

Запишем уравнение растворения известняка в азотной кислоте:

Содержание чистого (без примесей) карбоната кальция в известняке:

ω(CaCO3)cl = 100% — ωadmixture = 100% — 8% = 92% = 0,92.

Тогда, масса чистого карбоната кальция:

Количество вещества карбоната кальция равно:

n(CaCO3) = 82,8 / 100 = 0,83 моль.

Масса азотной кислоты в растворе будет равна:

m(HNO3) = 200 × 10 / 100% = 20 г.

Количество вещества азотной кислоты кальция равно:

n(HNO3) = 20 / 63 = 0,32 моль.

Сравнивая количества веществ, вступивших в реакцию, определяем, что азотная кислота находится в недостатке, следовательно дальнейшие расчеты производим по азотной кислоте. Согласно уравнению реакции n(HNO3): n(CO2) = 2:1, следовательно n(CO2) = 1/2×n(HNO3) = 0,16 моль. Тогда, объем углекислого газа будет равен:

Ответ Объем углекислого газа — 3,58 г.
Задание Найдите объем углекислого газа массой 35 г.
Решение Масса вещества и его объем связаны между собой через количество вещества. Запишем формулы для вычисления количества вещества с помощью его массы и объема:

Приравняет выражения, записанные справа и выразим объем:

Вычислим по выведенной формуле объем углекислого газа. Молярная масса углекислого газа, рассчитанная с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 44 г/моль.

V (CO2) = 35×22,4 / 44 = 17,82 л.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector