Углекислый газ, свойства, получение и применение

Углекислый газ, свойства, получение и применение.

 

 

Углекислый газ – бинарное химическое соединение углерода и кислорода, имеющее формулу CO₂.

 

Углекислый газ, формула, молекула, строение, состав, вещество

Физические свойства углекислого газа. Сухой лёд

Получение углекислого газа

Химические свойства углекислого газа. Химические реакции (уравнения) углекислого газа

Применение углекислого газа

Цена на выбросы CO₂

 

Углекислый газ, формула, молекула, строение, состав, вещество:

Углекислый газ (диоксид углерода, двуокись углерода, углекислота, оксид углерода (IV), угольный ангидрид) – бесцветный газ, почти без запаха (в больших концентрациях с кисловатым «содовым» запахом).

Углекислый газ – бинарное химическое соединение углерода и кислорода, имеющее формулу CO₂.

Химическая формула углекислого газа CO₂.

Строение молекулы углекислого газа, структурная формула углекислого газа:

Углекислый газ тяжелее воздуха приблизительно в 1,5 раза. Его плотность при нормальных условиях составляет 1,98 кг/м³, по отношении к воздуху – 1,524. Поэтому скапливается в низких непроветриваемых местах.

Концентрация углекислого газа в воздухе (в атмосфере Земли) составляет в среднем 0,046 % (по массе) и 0,0314 % (по объему).

Углекислый газ вырабатывается в органах и тканях человека образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма. Он переносится от тканей по венозной системе и затем выделяется с выдыхаемым воздухом через лёгкие. Таким образом, содержание углекислого газа в крови велико в венозной системе, уменьшается в капиллярной сети лёгких, и содержание его мало в артериальной крови. В выдыхаемом человеком воздухе содержится около 4,5% диоксида углерода, что в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом. Организм человека выделяет приблизительно 1 кг углекислого газа в сутки.

Углекислый газ растворяется в воде. В 100 граммах воды растворяется 0,3803 грамма CO₂ при 16 °C, 0,3369 грамма CO₂ – при 20 °C, 0,2515 грамма CO₂ – при 30 °C. Растворяясь в воде, образует угольную кислоту Н₂CO₃. Растворим также в ацетоне, бензоле, метаноле и этаноле.

Термически устойчив при температурах менее 1000 °C. При температуре 1000 °C восстанавливается углем до оксида углерода (II).

При нормальном атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, существует только в твердом или газообразном состоянии. Твердая двуокись углерода при повышении температуры не плавится, а переходит (возгоняется) непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдую двуокись углерода также называют сухим льдом. Внешний вид сухого льда напоминает обычный лед, снегоподобную массу. При сублимации сухой лед поглощает около 590 кДж/кг (140 ккал/кг) теплоты.

Под давлением 35 000 атм. твердая углекислота становится проводником электрического тока.

Жидкий углекислый газ можно получить при повышении давления. Так, при температуре 20 °С и давлении свыше 6 МПа (~60 атм.) газ сгущается в бесцветную жидкость. При нормальных условиях (20 °С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа. Хранят и транспортируют углекислый газ, как правило, в жидком состоянии

Двуокись углерода негорюча, но в ее атмосфере может поддерживаться горение активных металлов, например, щелочных металлов и щелочноземельных – магния, кальция, бария.

Двуокись углерода нетоксична, невзрывоопасна.

Предельно допустимая концентрация двуокиси углерода в воздухе рабочей зоны не установлена, при оценке этой концентрации можно ориентироваться на нормативы для угольных и озокеритовых шахт, установленные в пределах 0,5% (об.) или 9,2 г/м (см. ГОСТ 8050-85 «Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия»).

По степени воздействия на организм человека двуокись углерода относится к 4-му классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76.

При концентрациях более 5% (92 г/м) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как она тяжелее воздуха в полтора раза и может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола и в приямках, а также во внутренних объемах оборудования для получения, хранения и транспортирования газообразной, жидкой и твердой двуокиси углерода. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья.

Углекислый газ образуется при гниении и горении органических веществ, в результате вулканической деятельности. Содержится в воздухе и минеральных источниках, выделяется при дыхании животных и растений. Искусственными источниками образования углекислого газа являются промышленные выбросы и выхлопные газы автомобильного транспорта.

Углекислый газ легко пропускает излучение в ультрафиолетовой и видимой частях спектра, которое поступает на Землю от Солнца и обогревает её. В то же время он поглощает испускаемое Землёй инфракрасное излучение и является одним из парниковых газов, вследствие чего участвует в процессе глобального потепления.

 

Физические свойства углекислого газа:

Наименование параметра:	Значение:
Химическая формула	CO2
Синонимы и названия иностранном языке	углерода двуокись (рус.) углерода диоксид (рус.) угольный ангидрид (рус.) оксид углерода (IV) carbon dioxide (англ.)
Тип вещества	неорганическое
Внешний вид	бесцветный газ
Цвет	бесцветный
Вкус	кисловатый вкус
Запах	почти без запаха (в больших концентрациях с кисловатым «содовым» запахом)
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.)	газ
Плотность (состояние вещества – твердое вещество, при -79 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3	1561
Плотность (состояние вещества – твердое вещество, при -79 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см3	1,561
Плотность (состояние вещества – жидкость, при -60 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3	1190
Плотность (состояние вещества – жидкость, при -60 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см3	1,19
Плотность (состояние вещества – жидкость, при -37 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3	1101
Плотность (состояние вещества – жидкость, при -37 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см3	1,101
Плотность (состояние вещества – жидкость, при 0 °C и атмосферном давлении 35,5 атм.), кг/м3	925
Плотность (состояние вещества – жидкость, при 0 °C и атмосферном давлении 35,5 атм.), г/см3	0,925
Плотность (состояние вещества – газ, при 0 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3	1,9768
Плотность (состояние вещества – газ, при 0 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см3	0,0019768
Температура сублимации (возгонки), °C	-78,5
Критическая температура*, °C	31
Критическое давление, МПа	7,387
Критический удельный объём,  м3/кг	0,468
Критическая точка	31 °C, 7,38 МПа
Тройная точка	−56,6 °C, 0,52 МПа
Молярная масса, г/моль	44,01
Растворимость в воде, г/100 г	0,3803 при 16 °C, 0,3369 при 20 °C, 0,2515 при 30 °C
Теплопроводность, Вт/(м·K)	0,0166
Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К)	849
Удельная теплота испарения, кДж/кг	379,5
Удельная теплота плавления, кДж/кг	205
Стандартная энтальпия образования ΔH (при 298 К, для состояния вещества – газ), кДж/моль	-393,51
Стандартная энергия Гиббса образования ΔG (при 298 К, для состояния вещества – газ), кДж/моль	-394,38
Стандартная энтропия вещества S (при 298 К, для состояния вещества – газ)	213,68
Стандартная мольная теплоемкость Cp (298 К, для состояния вещества – газ), Дж/(моль·K)	37,11
Энтальпия плавления ΔHпл, кДж/моль	8,37
Энтальпия возгонки ΔHвозг, кДж/моль	25,23
Скорость звука в веществе (при 20°C, состояние среды – газ), м/с	274,6
Давление паров, мм.рт.ст.	0,000001 (при -186,4°C), 0,00001 (при -180,7°C), 0,0001 (при -174,3°C), 0,001 (при -166,8°C), 0,01 (при -158°C), 2,31 (при -130°C), 9,81 (при -120°C), 34,63 (при -110°C), 104,81 (при -100°C), 279,5 (при -90°C), 672,2 (при -80°C), 1486,1 (при -70°C), 3073,1 (при -60°C), 5127,8 (при -50°C), 7545 (при -40°C), 10718 (при -30°C), 14781 (при -20°C), 19872 (при -10°C), 26142 (при 0°C), 33763 (при 10°C), 42959 (при 20°C), 54086 (при 30°C)

* при температуре выше критической температуры газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении.

 

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.

 

Химические свойства углекислого газа. Химические реакции (уравнения) углекислого газа:

Диоксид углерода относится к кислотным оксидам, поэтому для него характерны следующие химические реакции:

1. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и водорода:

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O (t ~ 200 °C, kat = Cu₂O).

В результате реакции образуются метан и вода.

2. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и углерода:

CO₂ + C ⇄ 2CO (t = 700-1000 °C).

В результате реакции образуется оксид углерода (II). Реакция протекает при взаимодействии углекислого газа с раскаленными углями.

3. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и магния:

CO₂ + 2Mg → 2MgO + C (t ~ 500 °C).

В результате реакции образуются оксид магния и углерод.

4. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и гафния:

Hf + CO₂ → HfC + HfO₂ (t = 800-1000 °C).

В результате реакции образуются карбид гафния и оксид гафния.

5. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и германия:

Ge + CO₂ → GeO + CO (t = 700-900 °C).

В результате реакции образуются оксид германия и оксид углерода (II).

6. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и цинка:

Zn + CO₂ → ZnO + CO (t = 800-950 °C).

В результате реакции образуются оксид цинка и оксид углерода (II).

7. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и индия:

2In + CO₂ → In₂O + CO (t ~ 850 °C).

В результате реакции образуются оксид индия и оксид углерода (II).

8. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и циркония:

2Zr + CO₂ → ZrC + ZrO₂ (t = 800-100 °C).

В результате реакции образуются карбид циркония и оксид циркония.

9. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и вольфрама:

W + 2CO₂ → WO₂ + 2CO (t ~ 1200 °C).

В результате реакции образуются оксид вольфрама и оксид углерода (II).

10. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и оксида лития:

Li₂O + CO₂ → Li₂CO₃.

В результате реакции образуется карбонат лития.

11. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и оксида натрия:

Na₂O + CO₂ → Na₂CO₃ (t = 450-550 °C).

В результате реакции образуется карбонат натрия.

12. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и оксида калия:

K₂O + CO₂ → K₂CO₃ (t ~ 400 °C).

В результате реакции образуется карбонат калия.

13. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и оксида бария:

BaO + CO₂ → BaCO₃.

В результате реакции образуется карбонат бария.

14. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и оксида кальция:

CaO + CO₂ → CaCO₃.

В результате реакции образуется карбонат кальция.

15. реакция взаимодействия карбоната кальция, оксида углерода (IV) и воды:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂.

В результате реакции образуется гидрокарбонат кальция.

16. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и оксида магния:

MgO + CO₂ → MgCO₃.

В результате реакции образуется карбонат магния.

17. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и оксида кремния (II):

SiO + CO₂ → SiO₂ + CO (t ~ 500 °C).

В результате реакции образуются оксид кремния (IV) и оксид углерода (II).

18. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и воды:

CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃.

В результате реакции образуется угольная кислота.

19. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и гидроксида лития:

2LiOH + CO₂ → Li₂CO₃ + H₂O.

В результате реакции образуются карбонат лития и вода. В ходе реакции используется концентрированный раствор гидроксида лития.

20. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и гидроксида калия:

KOH + CO₂ → KHCO₃,

2KOH + CO₂ → K₂CO₃ + H₂O.

В первом случае в результате реакции образуются гидрокарбонат калия, во втором случае – карбонат калия и вода. Реакция протекает в первом случае в этаноле и используется разбавленный раствор гидроксида калия, во втором используется концентрированный раствор гидроксида калия.

21. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и гидроксида натрия:

NaOH + CO₂ → NaHCO₃,

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O.

В первом случае в результате реакции образуются гидрокарбонат натрия, во втором – карбонат натрия и вода. В ходе первой реакции используется разбавленный раствор гидроксида натрия, в ходе второй – концентрированный раствор гидроксида натрия.

22. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и гидроксида кальция:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O.

В результате реакции образуются карбонат кальция и вода.

23. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и гидроксида бария:

Ba(OH)₂ + CO₂ → BaCO₃ + H₂O.

В результате реакции образуются карбонат бария и вода.

24. реакция взаимодействия оксида углерода (IV) и метана:

CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂ (t = 800-900 °C, kat = NiO, нанесенный на Al₂O₃).

В результате реакции образуются оксид углерода (II) и вода.

25. реакция термического разложения оксида углерода (IV):

2CO₂ → 2CO + O₂ (t > 2000 °C).

В результате реакции образуются оксид углерода (II) и кислород.

26. реакция фотосинтеза:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (hv, kat = хлорофилл).

В результате реакции образуются глюкоза и кислород.

 

Применение углекислого газа:

Углекислый газ используется во многих отраслях промышленности и быту:

– как пищевая добавка Е290 в качестве разрыхлителя в пищевом производстве и консерванта в алкогольных и безалкогольных газированных напитках, а также для газирования лимонада, газированной воды и других напитков;

– в системах пожаротушения и в огнетушителях;

– для создания защитной среды при сварке металлов;

– для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов при прямом и косвенном контакте с сухим льдом;

– для сушки литейных форм;

– в качестве активной среды углекислотного лазера.

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com.