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.
(IV), диоксид углерода или же двуокись углерода. Также его еще называют угольным ангидридом. Он является совершенно бесцветным газом, который не имеет запаха, с кисловатым вкусом. Углекислый газ тяжелее воздуха и плохо растворяется в воде. При температуре ниже - 78 градусов Цельсия кристаллизуется и становится похожим на снег.
Из газообразного состояния это вещество переходит в твердое, поскольку не может существовать в жидком состоянии в условиях атмосферного давления. Плотность углекислого газа в нормальных условиях составляет 1,97 кг/м3 - в 1,5 раза выше Диоксид углерода в твердом виде называется «сухой лед». В жидкое состояние, в котором его можно хранить длительное время, он переходит при повышении давления. Рассмотрим подробнее данное вещество и его химическое строение.
Углекислый газ, формула которого CO2, состоит из углерода и кислорода, а получается он в результате сжигания или гниения органических веществ. Оксид углерода содержится в воздухе и подземных минеральных источниках. Люди и животные тоже выделяют углекислый газ при выдыхании воздуха. Растения без освещения выделяют его, а во время фотосинтеза интенсивно поглощают. Благодаря процессу метаболизма клеток всех живых существ оксид углерода является одним из главных составляющих окружающей природы.
Этот газ не токсичен, но если он скапливается в большой концентрации, может начаться удушье (гиперкапния), а при его недостатке развивается противоположное состояние - гипокапния. Диоксид углерода пропускает и отражает инфракрасные. Он является который непосредственно влияет на глобальное потепление. Это происходит из-за того, что уровень его содержания в атмосфере постоянно растет, что и приводит к парниковому эффекту.
Диоксид углерода получают промышленным путем из дымных или печных газов, или же путем разложения карбонатов доломита и известняка. Смесь этих газов тщательно промывается специальным раствором, состоящим из карбоната калия. Далее она переходит в гидрокарбонат и при нагревании разлагается, в результате чего высвобождается углекислота. Углекислота (H2CO3) образуется из углекислого газа, растворенного в воде, но в современных условиях получают ее и другими, более прогрессивными методами. После того как углекислый газ очищен, его сжимают, охлаждают и закачивают в баллоны.
В промышленности это вещество широко и повсеместно применяется. Пищевики используют его как разрыхлитель (например, для приготовления теста) или в качестве консерванта (Е290). С помощью углекислого газа производят различные тонизирующие напитки и газировки, которые так любимы не только детьми, но и взрослыми. Диоксид углерода используют при изготовлении пищевой соды, пива, сахара, шипучих вин.
Углекислый газ применяется и при производстве эффективных огнетушителей. С помощью углекислого газа создается активная среда, необходимая при При высокой температуре сварочной дуги углекислый газ распадается на кислород и угарный газ. Кислород взаимодействует с жидким металлом и окисляет его. Углекислота в баллончиках применяется в пневматических ружьях и пистолетах.
Авиамоделисты используют это вещество в качестве топлива для своих моделей. С помощью углекислого газа можно значительно повысить урожайность культур, выращиваемых в оранжерее. Также в промышленности широко используется в котором продукты питания сохраняются значительно лучше. Его применяют в качестве хладагента в холодильниках, морозильных камерах, электрических генераторах и других теплоэнергетических установках.
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. |
Вы уже знаете, что при выдохе из легких выходит углекислый газ. А вот что вам известно об этом веществе? Наверное, немного. Сегодня я отвечу на все вопросы, касающиеся углекислого газа.
Определение
Это вещество в нормальных условиях является бесцветным газом. Во многих источниках его могут называть по-разному: и оксидом углерода (IV), и угольным ангидридом, и двуокисью углерода, и диоксидом углерода.
Свойства
Углекислый газ (формула СО 2) является бесцветным газом, имеющим кислые запах и вкус, растворимым в воде веществом. Если его как следует охладить, то образуется снегообразная масса, называемая сухим льдом (фотография ниже), которая сублимирует при температуре -78 о С.
Является одним из продуктов гниения или горения любого органического вещества. Растворяется в воде только при температуре 15 о С и только в том случае, если отношение вода:углекислый газ равно 1:1. Плотность углекислого газа может быть разной, но в стандартных условиях она равняется 1,976 кг/м 3 . Это если он находится в газообразном виде, а в других состояниях (жидком/газообразном) значения плотности тоже будут другими. Данное вещество является кислотным оксидом, его добавление в воду приводит к получению угольной кислоты. Если соединить углекислый газ с любой щелочью, то в результате последующей реакции образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот оксид не может поддерживать горение, кроме некоторых исключений. Это активные металлы, и при реакции такого вида они забирают у него кислород.
Получение
Углекислый и еще некоторые газы в больших количествах выделяются, когда производят алкоголь или разлагаются природные карбонаты. Затем полученные газы проходят промывание растворенным карбонатом калия. Далее следует поглощение ими углекислого газа, продуктом данной реакции является гидрокарбонат, при нагревании раствора которого получают искомый оксид.
Но сейчас его с успехом заменяет растворенный водой этаноламин, который абсорбирует содержащийся в дымовом газе оксид углерода и отдает его при нагревании. Также этот газ является побочным продуктом тех реакций, при которых получают чистые азот, кислород и аргон. В лаборатории немного углекислоты получается, когда карбонаты и гидрокарбонаты взаимодействуют с кислотами. Еще она образуется, когда реагируют пищевая сода и лимонный сок или тот же гидрокарбонат натрия и уксус (фото).
Применение
Пищевая промышленность не может обойтись без использования углекислоты, где она известна в качестве консерванта и разрыхлителя, имеющего код E290. Ее в виде жидкости содержит любой огнетушитель.
Также оксид четырехвалентного углерода, который выделяется в процессе брожения, служит хорошей подкормкой аквариумным растениям. Он содержится и во всем известной газировке, которую многие довольно часто покупают в продуктовом магазине. Сварка проволокой происходит в углекислой среде, но если температура данного процесса очень высока, то он сопровождается диссоциацией углекислоты, при которой выделяется кислород, окисляющий металл. Тогда сварка не обходится без раскислителей (марганца или кремния). Углекислым газом накачивают велосипедные колеса, он присутствует и в баллончиках пневматического оружия (такая его разновидность называется газобаллонной). Также данный оксид в твердом состоянии, называемый сухим льдом, нужен как хладагент в торговле, научных исследованиях и при починке некоторой техники.
Вот до чего полезен для человека углекислый газ. И не только в промышленности, он играет и важную биологическую роль: без него не может происходить газообмен, регуляция сосудистого тонуса, фотосинтез и многие другие природные процессы. Но его переизбыток или недостача в воздухе некоторое время могут негативно влиять на физическое состояние всех живых организмов.
Без цвета и запаха. Важнейший регулятор кровообращения и дыхания.
Не токсичен. Без него не было бы сдобных булочек и приятно колких газированных напитков.
Из этой статьи вы узнаете, что такое углекислый газ и как он влияет на организм человека.
Большинство из нас плохо помнят школьный курс физики и химии, но знают: газы невидимы и, как правило, неосязаемы, а потому коварны. Поэтому, прежде чем ответить на вопрос, вреден ли углекислый газ для организма, давайте вспомним, что он собой представляет.
Одеяло Земли
— двуокись углерода. Он же — углекислый газ, оксид углерода (IV) или угольный ангидрид. В нормальных условиях это бесцветный не имеющий запаха газ с кисловатым вкусом.
В условиях атмосферного давления двуокись углерода имеет два агрегатных состояния: газообразное (углекислый газ тяжелее воздуха, плохо растворяется в воде) и твёрдое (при -78 ºС превращается в сухой лёд).
Углекислый газ — один из главных составляющих окружающей среды. Он содержится в воздухе и подземных минеральных водах, выделяется при дыхании человека и животных, участвует в фотосинтезе растений.
Двуокись углерода активно влияет на климат. Она регулирует теплообмен планеты: пропускает ультрафиолет и блокирует инфракрасное излучение. В связи с этим углекислый газ порой называют одеялом Земли.
O2 — энергия. CO2 — искра
Двуокись углерода сопровождает человека на протяжении всей жизни. Будучи естественным регулятором дыхания и кровообращения, углекислый газ является неотъемлемым компонентом обмена веществ.
Делая вдох, человек наполняет лёгкие кислородом.
При этом в альвеолах (специальных «пузырьках» лёгких) происходит двусторонний обмен: кислород переходит в кровь, а углекислый газ выделяется из неё.
Человек выдыхает. CO2 — один из конечных продуктов метаболизма.
Говоря образно, кислород — это энергия, а углекислый газ — искра, разжигающая её.
Вдыхая около 30 литров кислорода в час, человек выделяет 20-25 литров углекислого газа.
Углекислый газ не менее важен для организма, чем кислород. Он является физиологическим стимулятором дыхания: влияет на кору головного мозга и стимулирует дыхательный центр. Сигналом для очередного вдоха служит не недостаток кислорода, а избыток углекислого газа. Ведь обмен веществ в клетках и тканях непрерывен, и нужно постоянно удалять его конечные продукты.
Кроме того, углекислый газ на секрецию гормонов, активность ферментов и скорость биохимических процессов.
Равновесие газообмена
Углекислый газ не токсичен, не взрывоопасен и абсолютно безвреден для людей. Однако для нормальной жизнедеятельности крайне важен баланс двуокиси углерода и кислорода. Недостаток и избыток углекислого газа в организме приводит к гипокапнии и гиперкапнии соответственно.
Гипокапния — недостаток СО2 в крови. Возникает в результате глубокого учащённого дыхания, когда в организм поступает больше кислорода, чем нужно. Например, во время слишком интенсивных физических нагрузок. Последствия могут быть различными: от лёгкого головокружения до потери сознания.
Гиперкапния — избыток СО2 в крови. Человек (вместе с кислородом, азотом, водяными парами и инертными газами) 0,04% углекислого газа, а выдыхает 4,4%. Если находиться в небольшом помещении с плохой вентиляцией, концентрация двуокиси углерода может превысить норму. Как следствие, может возникнуть головная боль, тошнота, сонливость. Но чаще всего гиперкапния сопутствует экстремальным ситуациям: неисправность дыхательного аппарата, задержка дыхания под водой и другим.
Таким образом, вопреки мнению большинства людей, углекислый газ в количествах, предусмотренных природой, необходим для жизни и здоровья человека. Кроме того, он нашёл широкое промышленное применение и приносит людям немало практической пользы.
Игристые пузырьки на службе поваров
СО2 используется во многих сферах. Но, пожалуй, наиболее востребован углекислый газ в пищевой промышленности и кулинарии.
Углекислый газ образуется в дрожжевом тесте под влиянием брожения. Именно его пузырьки разрыхляют тесто, делая его воздушным и увеличивая его объём.
С помощью углекислого газа делают различные освежающие напитки: квас, минеральную воду и другие любимые детьми и взрослыми газировки.
Эти напитки пользуются популярностью у миллионов потребителей во всём мире во многом из-за игристых пузырьков, которые так забавно лопаются в бокале и так приятно «колют» в носу.
Может ли углекислый газ, содержащийся в газированных напитках, способствовать гиперкапнии или нанести любой другой вред здоровому организму? Конечно, нет!
Во-первых, углекислый газ, который используется при приготовлении газированных напитков, специально подготовлен для применения в пищевой промышленности. В тех количествах, в которых он содержится в газировках, он абсолютно безвреден для организма здоровых людей.
Во-вторых, большая часть углекислого газа улетучивается сразу после откупоривания бутылки. Оставшиеся пузырьки «испаряются» в процессе питья, оставляя после себя лишь характерное шипение. В итоге в организм попадает ничтожно малое количество углекислого газа.
«Тогда почему врачи порой запрещают пить газированные напитки?» — спросите вы. По мнению кандидата медицинских наук, врача-гастроэнтеролога Алёны Александровны Тяжевой, это связано с тем, что существует ряд заболеваний желудочно-кишечного тракта, при которых предписывается специальная строгая диета. В список противопоказаний попадают не только напитки, содержащие газ, но и многие продукты питания.
Здоровый же человек без проблем может включить в свой рацион умеренное количество газированных напитков и время от времени позволять себе стаканчик той же колы.
Вывод
Углекислый газ необходим для поддержания жизни как планеты, так и отдельно взятого организма. СО2 влияет на климат, являясь своеобразным одеялом. Без него невозможен метаболизм: с углекислым газом из организма выходят продукты обмена. А ещё это незаменимый компонент любимых всеми газированных напитков. Именно углекислый газ создаёт игривые пузырьки, щекочущие в носу. При этом для здорового человека он абсолютно безопасен.