Диоксид углерода представляет собой в нормальных условиях газ без цвета, не обладающий ароматическими характеристиками, но имеющий немного кислый вкус. В условиях атмосферного давления соединение существует не в жидком состоянии, а переходит из твердого в газообразное. Диоксид углерода носит название сухого льда в твердой фазе. Другими наименованиями вещества являются двуокись углерода, углекислый газ, оксид углерода, угольный ангидрид.
Соединение содержится в минеральных источниках, воздухе, выделяется во время дыхания растений и животных. В живой природе вещество играет важную роль, принимая участие в обменных процессах живых клеток. Диоксид углерода получается путем окислительных реакций у млекопитающих, выделяется с дыханием в атмосферу. Основным источником углерода для растений служит атмосферный углекислый газ.
Углекислый газ в промышленных масштабах образуется из дымовых газов путем его абсорбирования моноэтаноламином или карбонатом калия. Помимо этого, соединение получают на особых установках по разделению воздуха, в качестве побочного продукта при добыче аргона, кислорода, азота.
Области применения диоксида углерода
Благодаря своим свойствам диоксид углерода стал применяться в пищевой промышленности еще в 19 столетии. Один из пивоваров обнаружил скопление газа под крышкой пивной бочки. Он решил его испробовать, в связи с этим обогатил воду и пиво данным химическим соединением. После новые напитки были поданы гостям, которым пришлась по вкусу газированная вода. Вот так берет начало использование углекислого газа в производстве напитков. Впоследствии были основательно изучены химические свойства и состав соединения.
Диоксид углерода, известный как пищевая добавка под номером Е290, применяется как разрыхлитель для теста, во время выпечки кондитерских изделий. Активно используется углекислый газ во время производства безалкогольных напитков. Его добавление оказывает положительный эффект на освежающие качества и свойства напитков. В виноделии процесс брожения контролируется с помощью добавления диоксида углерода. Некоторые из вин специально обогащают данным соединением. Для лучшего хранения соков также используется углекислый газ в небольшой концентрации. Кроме этого, вещество применяется как защитный газ при транспортировке и хранении пищевых продуктов.
Благодаря своим свойствам диоксид углерода применяется в баллонах огнетушителей, во время сварки проволокой, в пневматическом оружии, в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделях. В твердом виде соединение применяется с целью сохранения холода в морозильных камерах.
Добавка под номером Е290 разрешена практически во всех странах для использования в производстве пищевых продуктов.
Влияние диоксида углерода на человеческий организм
Диоксид углерода имеется в составе многих живых клеток организма и атмосферы. В связи с этим добавку Е290 можно отнести к относительно безвредным.
Но помните, что углекислый газ способствует активизации всасывания в слизистую желудка разнообразных веществ. Именно этим объясняется быстрое опьянение в результате потребления алкогольных газированных напитков.
Вред диоксида углерода проявляется такими побочными эффектами, как вздутие живота и отрыжка при употреблении газированных напитков. Есть и еще одно мнение касательно данной пищевой добавки, которое заключается в следующем: вред диоксида углерода состоит в том, что сильногазированные напитки способны вымывать кальций из костей.
Популярные статьи Читать больше статей
02.12.2013
Все мы много ходим в течение дня. Даже если у нас малоподвижный образ жизни, мы все равно ходим – ведь у нас н...
607513 65 Подробнее
10.10.2013
Пятьдесят лет для представительниц прекрасного пола – это своеобразный рубеж, перешагнув который каждая вторая...
447015 117 Подробнее
02.12.2013
В наше время бег уже не вызывает массу восторженных отзывов, как это было лет тридцать назад. Тогда общество б...
355641 41 Подробнее
Другие названия: углекислый газ, двуокись углерода, оксид углерода (IV), угольный ангидрид.
Диоксид углерода - неорганическое соединение с химической формулой CO 2 ; газ без цвета и запаха.
Физические свойства
Химические свойства и методы получения
Очистка
Очистка CO 2 , хранящегося в стальных баллонах. Продажный CO 2 ,в стальных баллонах может содержать следующие примеси: водяные пары, , O 2 , N 2 , реже следы H 2 S и SO 2 . В большинстве случаев степень чистоты продажного CO 2 достаточна для проведения химических реакций. Только при более высоких требованиях (например, при физических исследованиях) продажный CO 2 надо подвергать дополнительной очистке. Для этого газ пропускают через насыщенный раствор CuSO 4 , затем через раствор KHCO 3 и, наконец, через установку для фракционирования, которая является частью промышленной установки для получения чистого H 2 S . Для фракционирования CO 2 используют четыре вертикально расположенные промывалки, восемь U-образных трубок для глубокого охлаждения и две ловушки-вымораживателя. Перед последним вымораживателем имеется еще ответвление к ртутному манометру. CO 2 проходит первые четыре U-образные трубки для глубокого охлаждения (выдерживаемые при указанной температуре) и вымораживается в 8. Когда 8 наполняется, открывают кран 9, отпаивают в точке 10 и создают в этой части аппаратуры высокий вакуум. После этого охлаждают остальные четыре 11-образные трубки до -78 °С (сухой лед+ 4-ацетон), снимают охлаждение жидким воздухом с 5, откачивают первый погон газа, а затем уже погружают в сосуд для конденсации 11 в жидкий воздух. Средняя фракция собирается в 11, а остаток - в 8. Фракцию из 11 еще дважды сублимируют и контролируют чистоту газа, определяя давление упругости пара при различных температурах. Газ хранят в 25-литровых стеклянных колбах, которые обезгаживают путем многочасового нагревания в высоком вакууме при 350 °С.Рис.1. Установка для получения сероводорода.
Сухой лед
«Сухой лед» — твердый диоксид углерода, при обычных условиях (атмосферном давлении и комнатной температуре) переходящий в парообразное состояние, минуя жидкую фазу. По внешнему виду напоминает лед (отсюда название).Температура сублимации при нормальном давлении -78,5˚ С. Технический «сухой лед» имеет плотность около 1560 кг/м 3 , при возгонке поглощает около 590 кДж/кг (140 ккал/кг) теплоты. Вырабатывается на углекислотных установках.
Список использованной литературы
- Волков, А.И., Жарский, И.М. Большой химический справочник / А.И. Волков, И.М. Жарский. - Мн.: Современная школа, 2005. - 608 с ISBN 985-6751-04-7.
- Гофман У. , Рюдорф В., Хаас А., Шенк П. В., Губер Ф., Шмайсер М., Баудлер М., Бехер Х.-Й., Дёнгес Э., Шмидбаур Х., Эрлих П., Зайферт Х. И. Руководство по неорганическому синтезу: В 6-ти томах. Т.3. Пер. с. нем./Под ред. Г. Брауэра. - М.: Мир, 1985. - 392 с., ил. [с. 682]
Вещество с химическое формулой СО2 и молекулярной массой 44,011 г/моль, которое может существовать в четырёх фазовых состояниях - газообразном, жидком, твёрдом и сверхкритическом.
Газообразное состояние СО2 носит общеупотребительное название «углекислый газ». При атмосферном давлении это бесцветный газ без цвета и запаха, при температуре +20 ?С плотностью 1,839 кг/м? (в 1,52 раза тяжелее воздуха), хорошо растворяется в воде (0,88 объёма в 1 объёме воды), частично взаимодействуя в ней с образованием угольной кислоты. Входит в состав атмосферы в среднем 0,035% по объёму. При резком охлаждении за счёт расширения (детандирование) СО2 способен десублимироваться - переходить сразу в твёрдое состояние, минуя жидкую фазу.
Газообразный диоксид углерода ранее нередко хранили в стационарных газгольдерах. В настоящее время такой способ хранения не применяется; углекислый газ в необходимом количестве получают непосредственно на месте - путём испарения жидкой углекислоты в газификаторе. Далее газ можно легко перекачать по любому газопроводу под давлением 2-6 атмосфер.
Жидкое состояние СО2 носит техническое название «жидкая углекислота » или просто «углекислота». Это бесцветная жидкость без запаха, средней плотностью 771 кг/м3, которая существует только под давлением 3 482…519 кПа при температуре 0…-56,5 град.С («низкотемпературная углекислота»), либо под давлением 3 482…7 383 кПа при температуре 0…+31,0 град.С («углекислота высокого давления»). Углекислоту высокого давления получают чаще всего путём сжатия углекислого газа до давления конденсации, при одновременном охлаждении водой. Низкотемпературную углекислоту, являющейся основной формой диоксида углерода для промышленного потребления, чаще всего получают по циклу высокого давления путём трехступенчатого охлаждения и дросселирования в специальных установках.
При небольшом и среднем потреблении углекислоты (высокого давления),т для её хранения и транспортировки используют разнообразные стальные баллоны (от баллончиков для бытовых сифонов до ёмкостей вместимостью 55 л). Самым распространенным является 40 л баллон с рабочим давление 15 000 кПа, вмещающим 24 кг углекислоты. За стальными баллонами не требуется дополнительный уход, углекислота сохраняется без потерь в течение длительного времени. Баллоны с углекислотой высокого давления окрашивают в чёрный цвет.
При значительном потреблении, для хранения и транспортировки низкотемпературной жидкой углекислоты используют изотермические цистерны самой разнообразной вместимости, оснащённые служебными холодильными установками. Существуют накопительные (стационарные) вертикальные и горизонтальные цистерны вместимостью от 3 до 250 т, транспортируемые цистерны вместимостью от 3 до 18 т. Цистерны вертикального исполнения требуют строительства фундамента и используются преимущественно в условиях ограниченного пространства для размещения. Применение горизонтальных цистерн позволяет снизить затраты на фундаменты, особенно при наличии общей рамы с углекислотной станцией. Цистерны состоят из внутреннего сварного сосуда, изготовленного из низкотемпературной стали и имеющего пенополиуретановую или вакуумную теплоизоляцию; наружного кожуха из пластика, оцинкованной или нержавеющей стали; трубопроводов, арматуры и приборов контроля. Внутренняя и наружная поверхности сварного сосуда подвергаются специальной обработке, благодаря чему снижена до вероятность поверхностной коррозии металла. В дорогих импортных моделях наружный герметичный кожух выполнен из алюминия. Использование цистерн обеспечивает заправку и слив жидкой углекислоты; хранение и транспортировку без потерь продукта; визуальный контроль массы и рабочего давления при заправке, в процессе хранения и выдачи. Все типы цистерн оснащены многоуровневой системой безопасности. Предохранительные клапаны позволяют производить проверку и ремонт без остановки и опорожнения цистерны.
При мгновенном снижении давления до атмосферного, происходящем при впрыске в специальную расширительную камеру (дросселировании), жидкий диоксид углерода мгновенно превращается в газ и тончайшую снегообразную массу, которую прессуют и получают диоксид углерода в твёрдом состоянии, который носит общеупотребительное название «сухой лёд». При атмосферном давлении это белая стекловидная масса плотностью 1 562 кг/м?, с температурой -78,5 ?С, которая на открытом воздухе сублимируется - постепенно испаряется, минуя жидкое состояние. Сухой лёд может быть также получен непосредственно на установках высокого давления, применяемых для получения низкотемпературной углекислоты, из газовых смесей, содержащих СО2 в количестве не менее 75-80%. Объёмная холодопроизводительность сухого льда почти в 3 раза больше, чем у водяного льда, и составляет 573,6 кДж/кг.
Твёрдый диоксид углерода обычно выпускают в брикетах размером 200?100?20-70 мм, в гранулах диаметром 3, 6, 10, 12 и 16 мм, редко в виде тончайшего порошка («сухой снег»). Брикеты, гранулы и снег хранят не более 1-2 суток в стационарных заглублённых хранилищах шахтного типа, разбитых на небольшие отсеки; перевозят в специальных изотермических контейнерах с предохранительным клапаном. Используются контейнеры разных производителей вместимостью от 40 до 300 кг и более. Потери на сублимацию составляют, в зависимости от температуры окружающего воздуха 4-6% и более в сутки.
При давлении свыше 7,39 кПа и температуре более 31,6 град.С диоксид углерода находится в так называемом сверхкритическом состоянии, при котором его плотность как у жидкости, а вязкость и поверхностное натяжение как у газа. Эта необычная физическая субстанция (флюид) является отличным неполярным растворителем. Сверхкритический CO2 способен полностью или выборочно экстрагировать любые неполярные составляющие с молекулярной массой менее 2 000 дальтон: терпеновые соединения, воски, пигменты, высокомолекулярные насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, алкалоиды, жирорастворимые витамины и фитостерины. Нерастворимыми веществами для сверхкритического CO2 являются целлюлоза, крахмал, органические и неорганические полимеры с высоким молекулярным весом, сахара, гликозидные вещества, протеины, металлы и соли многих металлов. Обладая подобными свойствами, сверхкритический диоксид углерода всё шире применяется в процессах экстракции, фракционирования и импрегнации органических и неорганических веществ. Он является также перспективным рабочим телом для современных тепловых машин.
- Удельный вес . Удельный вес углекислоты зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится.
- Критическая температура углекислоты +31 град. Удельный вес углекислого газа при 0 град и давлении 760 мм рт.ст. равен 1, 9769 кг/м3.
- Молекулярный вес углекислого газа 44,0. Относительный вес углекислого газа по сравнению с воздухом составляет 1,529.
- Жидкая углекислота при температурах выше 0 град. значительно легче воды, и ее можно хранить только под давлением.
- Удельный вес твердой углекислоты зависит от метода ее получения. Жидкая углекислота при замораживании превращается в сухой лед, представляющий прозрачное, стеклообразное твердое тело. В этом случае твердая углекислота имеет наибольшую плотность (при нормальном давлении в сосуде, охлаждаемом до минус 79 град., плотность равна 1,56). Промышленная твердая углекислота имеет белый цвет, по твердости близка к мелу,
- ее удельный вес колеблется в зависимости от способа получения в пределах 1,3 - 1,6.
- Уравнение состояния. Связь между объемом, температурой и давлением углекислого газа выражается уравнением
- V= R T/p - A, где
- V - объем, м3/кг;
- R - газовая постоянная 848/44 = 19,273;
- Т - температура, К град.;
- р давление, кг/м2;
- А - дополнительный член, характеризующий отклонение от уравнения состояния для идеального газа. Он выражается зависимостью А =(0, 0825 + (1,225)10-7 р)/(Т/100)10/3.
- Тройная точка углекислоты. Тройная точка характеризуется давлением 5,28 ата (кг/см2) и температурой минус 56,6 град.
- Углекислота может находиться во всех трех состояниях (твердом, жидком и газообразном) только в тройной точке. При давлениях ниже 5,28 ата (кг/см2) (или при температуре ниже минус 56,6 град.) углекислота может находиться только в твердом и газообразном состояниях.
- В парожидкостной области, т.е. выше тройной точки, справедливы следующие соотношения
- i" x + i"" у = i,
- x + у = 1, где,
- x и у - доля вещества в жидком и парообразном виде;
- i" - энтальпия жидкости;
- i"" - энтальпия пара;
- i - энтальпия смеси.
- По этим величинам легко определить величины x и у. Соответственно для области ниже тройной точки будут действительны следующие уравнения:
- i"" у + i"" z = i,
- у + z = 1, где,
- i"" - энтальпия твердой углекислоты;
- z - доля вещества в твердом состоянии.
- В тройной точке для трех фаз имеются также только два уравнения
- i" x + i"" у + i""" z = i,
- x + у + z = 1.
- Зная значения i," i"," i""" для тройной точки и используя приведенные уравнения можно определить энтальпию смеси для любой точки.
- Теплоемкость. Теплоемкость углекислого газа при температуре 20 град. и 1 ата составляет
- Ср = 0,202 и Сv = 0,156 ккал/кг*град. Показатель адиабаты k =1,30.
- Теплоемкость жидкой углекислоты в диапазоне температур от -50 до +20 град. характеризуется следующими значениями, ккал/кг*град. :
- Град.С -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20
- Ср, 0,47 0,49 0,515 0,514 0,517 0,6 0,64 0,68
- Точка плавления. Плавление твердой углекислоты происходит при температурах и давлениях, соответствующих тройной точке (t = -56,6 град. и р = 5,28 ата) или находящихся выше ее.
- Ниже тройной точки твердая углекислота сублимирует. Температура сублимации является функцией давления: при нормальном давлении она равна -78,5 град., в вакууме она может быть -100 град. и ниже.
- Энтальпия. Энтальпию пара углекислоты в широком диапазоне температур и давлений определяют по уравнению Планка и Куприянова.
- i = 169,34 + (0,1955 + 0,000115t)t - 8,3724 p(1 + 0,007424p)/0,01T(10/3), где
- I - ккал/кг, р - кг/см2, Т - град.К, t - град.С.
- Энтальпию жидкой углекислоты в любой точке можно легко определить путем вычитания из энтальпии насыщенного пара величины скрытой теплоты парообразования. Точно так же, вычитая скрытую теплоту сублимации, можно определить энтальпию твердой углекислоты.
- Теплопроводность . Теплопроводность углекислого газа при 0 град. составляет 0,012 ккал/м*час*град.С, а при температуре -78 град. она понижается до 0,008 ккал/м*час*град.С.
- Данные о теплопроводности углекислоты в 10 4 ст. ккал/м*час*град.С при плюсовых температурах приведены в таблице.
- Давление, кг/см2 10 град. 20 град. 30 град. 40 град.
- Газообразная углекислота
- 1 130 136 142 148
- 20 - 147 152 157
- 40 - 173 174 175
- 60 - - 228 213
- 80 - - - 325
- Жидкая углекислота
- 50 848 - - -
- 60 870 753 - -
- 70 888 776 - -
- 80 906 795 670
Теплопроводность твердой углекислоты может быть вычислена по формуле:
236,5/Т1,216 ст., ккал/м*час*град.С.
- Коэффициент теплового расширения. Объемный коэффициент расширения а твердой углекислоты рассчитывают в зависимости от изменения удельного веса и температуры. Линейный коэффициент расширения определяют по выражению b = a/3. В диапазоне температур от -56 до -80 град. коэффициенты имеют следующие значения: а *10*5ст. = 185,5-117,0, b* 10* 5 cт. = 61,8-39,0.
- Вязкость. Вязкость углекислоты 10 *6ст. в зависимости от давления и температуры (кг*сек/м2)
- Давление, ата -15 град. 0 град. 20 град. 40 град.
- 5 1,38 1,42 1,49 1,60
- 30 12,04 1,63 1,61 1,72
- 75 13,13 12,01 8,32 2,30
- Диэлектрическая постоянная. Диэлектрическая постоянная жидкой углекислоты при 50 - 125 ати, находится в пределах 1,6016 - 1,6425.
- Диэлектрическая постоянная углекислого газа при 15 град. и давлении 9,4 - 39 ати 1,009 - 1,060.
- Влагосодержание углекислого газа. Содержание водяных паров во влажном углекислом газе определяют с помощью уравнения,
- Х = 18/44 * p’/p - p’ = 0,41 p’/p - p’ кг/кг, где
- p’ - парциальное давление водяных паров при 100%-м насыщении;
- р - общее давление паро-газовой смеси.
- Растворимость углекислоты в воде. Растворимость газов измеряется объемами газа, приведенными к нормальным условиям (0 град, С и 760 мм рт. ст.) на объем растворителя.
- Растворимость углекислоты в воде при умеренных температурах и давлениях до 4 - 5 ати подчиняется закону Генри, который выражается уравнением
- Р = Н Х, где
- Р - парциальное давление газа над жидкостью;
- Х - количество газа в молях;
- Н - коэффициент Генри.
- Жидкая углекислота как растворитель. Растворимость смазочного масла в жидкой углекислоте при температуре -20град. до +25 град. составляет 0,388 г в100 СО2,
- и увеличивается до 0,718 г в 100 г СО2 при температуре +25 град. С.
- Растворимость воды в жидкой углекислоте в диапазоне температур от -5,8 до +22,9 град. составляет не более 0,05% по весу.
Техника безопасности
По степени воздействия на организм человека газообразный диоксид углерода относится к 4-му классу опасности по ГОСТу 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности». Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны не установлена, при оценке этой концентрации следует ориентироваться на нормативы для угольных и озокеритовых шахт, установленные в пределах 0,5%.
При применении сухого льда, при использовании сосудов с жидкой низкотемпературной углекислотой должно обеспечиваться соблюдение мер безопасности, предупреждающих обморожение рук и других участков тела работника.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Углекислый газ (диоксид углерода) при обычных условиях - бесцветный газ, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, благодаря чему его можно переливать, как жидкость, из одного сосуда в другой.
Масса 1 л CO 2 при нормальных условиях составляет 1,98 г. Растворимость диоксида углерода в воде невелика: 1 объем воды при 20 o С растворяет 0,88 объема CO 2 , а при 0 o С - 1,7 объема.
Под давлением около 0,6 МПа диоксид углерода при комнатной температуре превращается в жидкость. Жидкий диоксид углерода хранят в стальных баллонах. При быстром выливании его из баллона поглощается вследствие испарения так много теплоты, что CO 2 превращается в твердую белую снегообразную массу, которая, не плавясь, сублимируется при -78,5 o С.
Раствор CO 2 в воде имеет кисловатый вкус и обладает слабокислой реакцией, обусловленной присутствием в растворе небольших количеств угольной кислоты H 2 CO 3 , образующейся в результате обратимой реакции:
CO 2 + H 2 O↔H 2 CO 3 .
Некоторые свойства углекислого газа представлены в таблице ниже:
Получение углекислого газа
Углекислый газ в небольших количествах получают действием кислот на карбонаты:
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 .
В промышленном масштабе CO 2 получают главным образом как побочный продукт в процессе синтеза аммиака:
CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 ;
CO + H 2 O = CO 2 + H 2 .
Кроме этого, большие количества углекислого газа получают при обжиге известняка:
CaCO 3 = CaO + CO 2 .
Химические свойства углекислого газа
Углекислый газ проявляет кислотные свойства: реагирует сощелочами, гидратом аммиака. Восстанавливается активными металлами, водородом, углеродом.
CO 2 + NaOH dilute = NaHCO 3 ;
CO 2 + 2NaOH conc = Na 2 CO 3 + H 2 O;
CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 + H 2 O;
CO 2 + BaCO 3 + H 2 O = Ba(HCO 3) 2 ;
CO 2 + NH 3 ×H 2 O = NH 4 HCO 3 ;
CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O (t = 200 o C, kat. Cu 2 O);
CO 2 + C = 2CO (t > 1000 o C);
CO 2 + 2Mg = C + 2MgO;
2CO 2 + 5Ca = CaC 2 + 4CaO (t = 500 o C);
2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2 .
Применение углекислого газа
Углекислый газ применяется при получении соды по аммиачно-хлоридному способу, для синтеза карбамида, для получения солей угольной кислоты, а также для газирования фруктовых и минеральных вод и других напитков.
Твердый диоксид углерода под названием «сухой лед» применяется для охлаждения скоропортящихся продуктов, для производства и сохранения мороженого, а также многих других случаях, когда требуется получение низкой температуры.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Какой объем и какая масса углекислого газа выделятся при термическом разложении карбоната кальция массой 45,4 г? |
| Решение | Запишем уравнение термического разложения карбоната кальция:
CaCO 3 = CaO + CO 2 . Найдем количество вещества карбоната кальция: n(CaCO 3) = m(CaCO 3) / M(CaCO 3); M(CaCO 3) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 40 + 12 + 3×16 = 100 г/моль; n(CaCO 3) = 45,4 / 100 = 0,454 моль. Согласно уравнению реакции n(CaCO 3) :n(CO 2) = 1: 1, следовательно n(CaCO 3) =n(CO 2) =0,454 моль. Рассчитаем массу и объем выделившегося углекислого газа: V(CO 2) = V m ×n(CO 2) = 22,4 ×0,454 = 10,2 л; m(CO 2) = n(CO 2)× М(CO 2); М(CO 2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12 + 2×16 = 44 г/моль; m(CO 2) = 0,454 ×44 = 20 г. |
| Ответ | Масса углекислого газа равна 20 г, объем - 10,2 л. |
Наиболее часто встречающиеся процессы образования этого соединения - гниение животных и растительных останков, горение различных видов топлива, дыхание животных и растений. Например, один человек за сутки выделяет в атмосферу около килограмма углекислого газа. Оксид и диоксид углерода могут образовываться и в неживой природе. Углекислый газ выделяется при вулканической деятельности, а также может быть добыт из минеральных водных источников. Углекислый газ находится в небольшим количестве и в атмосфере Земли.
Особенности химического строения данного соединения позволяют ему участвовать во множестве химических реакций, основой для которых является диоксид углерода.
Формула
В соединении этого вещества четырехвалентный атом углерода образовывает линейную связь с двумя молекулами кислорода. Внешний вид такой молекулы можно представить так:
Теория гибридизации объясняет строение молекулы диоксида углерода так: две существующие сигма-связи образованы между sp-орбиталями атомов углерода и двумя 2р-орбиталями кислорода; р-орбитали углерода, которые не принимают участие в гибридизации, связаны в соединении с аналогичными орбиталями кислорода. В химических реакциях углекислый газ записывается в виде: CO 2.
Физические свойства
При нормальных условиях диоксид углерода представляет собой бесцветный газ, не обладающий запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому углекислый газ и может вести себя, как жидкость. Например, его можно переливать из одной емкости в другую. Это вещество немного растворяется в воде - в одном литре воды при 20 ⁰С растворяется около 0,88 л CO 2 . Небольшое понижение температуры кардинально меняет ситуацию - в том же литре воды при 17⁰С может раствориться 1,7 л CO 2 . При сильном охлаждении это вещество осаждается в виде снежных хлопьев - образуется так называемый «сухой лед». Такое название произошло от того, что при нормальном давлении вещество, минуя жидкую фазу, сразу превращается в газ. Жидкий диоксид углерода образуется при давлении чуть выше 0,6 МПа и при комнатной температуре.
Химические свойства
При взаимодействии с сильными окислителями 4-диоксид углерода проявляет окислительные свойства. Типичная реакция этого взаимодействия:
С + СО 2 = 2СО.
Так, при помощи угля диоксид углерода восстанавливается до своей двухвалентной модификации - угарного газа.
При нормальных условиях углекислый газ инертен. Но некоторые активные металлы могут в нем гореть, извлекая из соединения кислород и высвобождая газообразный углерод. Типичная реакция - горение магния:
2Mg + CO 2 = 2MgO + C.
В процессе реакции образуется оксид магния и свободный углерод.
В химических соединениях СО 2 часто проявляет свойства типичного кислотного оксида. Например, он реагирует с основаниями и основными оксидами. Результатом реакции становятся соли угольной кислоты.
Например, реакция соединения оксида натрия с углекислым газом может быть представлена так:
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3 ;
2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O;
NaOH + CO 2 = NaHCO 3 .
Угольная кислота и раствор СО 2
Диоксид углерода в воде образует раствор с небольшой степенью диссоциации. Такой раствор углекислого газа называется угольной кислотой. Она бесцветна, слабо выражена и имеет кисловатый вкус.
Запись химической реакции:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.
Равновесие довольно сильно сдвинуто влево - лишь около 1% начального углекислого газа превращается в угольную кислоту. Чем выше температура - тем меньше в растворе молекул угольной кислоты. При кипении соединения она исчезает полностью, и раствор распадается на диоксид углерода и воду. Структурная формула угольной кислоты представлена ниже.
Свойства угольной кислоты
Угольная кислота очень слабая. В растворах она распадается на ионы водорода Н + и соединения НСО 3 - . В очень небольшом количестве образуются ионы СО 3 - .
Угольная кислота - двухосновная, поэтому соли, образованные ею, могут быть средними и кислыми. Средние соли в русской химической традиции называются карбонатами, а сильные - гидрокарбонатами.
Качественная реакция
Одним из возможных способов обнаружения газообразного диоксида углерода является изменение прозрачности известкового раствора.
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.
Этот опыт известен еще из школьного курса химии. В начале реакции образуется небольшое количество белого осадка, который впоследствии исчезает при пропускании через воду углекислого газа. Изменение прозрачности происходит потому, что в процессе взаимодействия нерастворимое соединение - карбонат кальция превращается в растворимое вещество - гидрокарбонат кальция. Реакция протекает по такому пути:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 .
Получение диоксида углерода
Если требуется получить небольшое количество СО2, можно запустить реакцию соляной кислоты с карбонатом кальция (мрамором). Химическая запись этого взаимодействия выглядит так:
CaCO 3 + HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 .
Также для этой цели используют реакции горения углеродсодержащих веществ, например ацетилена:
СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2 -.
Для сбора и хранения полученного газообразного вещества используют аппарат Киппа.
Для нужд промышленности и сельского хозяйства масштабы получения диоксида углерода должны быть большими. Популярным методом такой масштабной реакции является обжиг известняка, в результате которого получается диоксид углерода. Формула реакции приведена ниже:
CaCO 3 = CaO + CO 2 .
Применение диоксида углерода
Пищевая промышленность после масштабного получения «сухого льда» перешла на принципиально новый метод хранения продуктов. Он незаменим при производстве газированных напитков и минеральной воды. Содержание СО 2 в напитках придает им свежесть и заметно увеличивает срок хранения. А карбидизация минеральных вод позволяет избежать затхлости и неприятного вкуса.
В кулинарии часто используют метод погашения лимонной кислоты уксусом. Выделяющийся при этом углекислый газ придает пышность и легкость кондитерским изделиям.
Данное соединение часто используется в качестве пищевой добавки, повышающей срок хранения пищевых продуктах. Согласно международным нормам классификации химических добавок содержания в продуктах, проходит под кодом Е 290,
Порошкообразный углекислый газ - одно из наиболее популярных веществ, входящих в состав пожаротушительных смесей. Это вещество встречается и в пене огнетушителей.
Транспортировать и хранить углекислый газ лучше всего в металлических баллонах. При температуре более 31⁰С давление в баллоне может достигнуть критического и жидкий СО 2 перейдет в сверхкритическое состояние с резким подъемом рабочего давления до 7,35 МПа. Металлический баллон выдерживает внутреннее давление до 22 МПа, поэтому диапазон давления при температурах свыше тридцати градусов признается безопасным.