Углекислый газ: свойства, получение, применение

Свойства углекислого газа

Определение №1 Углекислый газ – химическое соединение, состоящее из одного атома углерода и двух атомов кислорода.  

Химические свойства углекислого газа

CO2 – кислотный оксид. Степень окисления углерода в соединении: +4 – это высшая степень, так как углерод находится в 4 группе таблицы Менделеева. При этом, низшая степень окисления – 4. Благодаря этому углекислый газ проявляет окислительные свойства.

Для соединения характерны все стандартные реакции кислотных оксидов (К.О.):

1. кислотный оксид + вода = кислота

СО2 + Н2О = Н2СО3

Угольная кислота – одна из самых неустойчивых. В условиях атмосферного давления сразу распадается на составные соединения. Поэтому, при ее образовании происходит обратная реакция с выделением газообразного СО2: Н2СО3 = СО2 + Н2О.

2. кислотный оксид + основание = соль + вода

в данной реакции важно соотношение реагирующих веществ. Если в реакционный смеси избыток оксида, образуется кислая соль (с атомами водорода):

СО2 (избыток) + КОН = КНСО3

Если же добавить избыток основания, образуется основная соль (с –ОН):

СО2 + 2Мg(OH)2 (избыток) = (MgOH)2CO3

Специфическое свойство углекислого газа – способность вступать в реакцию с амфотерными гидроксидами (Pb(OH)2, Zn(OH)2, Cu(OH)2, Be(OH)2) с образованием основной соли и воды:

СО2 + 2Pb(OH)2 =(PbOH)2CO3 + H2O

3. Кислотный оксид + основный оксид = соль

СО2 + Na2O = Na2CO3

4. Кислотный оксид + амфотерный оксид = соль

СО2 + BaO = BaCO3

Специфические реакции углекислого газа основаны на его окислительных свойствах:

5. Взаимодействие с неметаллами (с углеродом) при высокой температуре – ОВР реакция диспропорционирования, когда углерод в оксиде восстанавливается до степени окисления +2:

СО2 + C = CO

6. Взаимодействие с металлами при высокой температуре приводит к восстановлению углерода до степени окисления 0:

СО2 + Mg = C + MgO

7. В нашем организме углекислый газ образуется в результате окисления молекулы глюкозы, как конечный продукт метаболизма:

C6H12O6 + 12O2 = 6 СО2 + 12H2O

Физические свойства углекислого газа

СО2 – бесцветный газ без запаха, тяжелее воздуха в 1,5 раза.  Не ядовит.

При температуре -780С этот оксид переходит в твердое состояние – «сухой лед». Установлено, что именно твердый оксид углерода образует полярные шапки на Марсе. При повышении температуры СО2 возгоняется (переходит в твердую фазу, минуя стадию жидкости).

При температуре 200С и высоком давлении (более 60 атмосфер) газ переходит в жидкую фазу.Газ не горюч, так что в атмосфере СО2 происходит затухание огня. Правда, некоторые щелочные металлы способны гореть даже в атмосфере СО2.

Физические параметры СО2

Применение углекислого газа

Углекислый газ используется практически во всех отраслях жизнедеятельности человека:

1. Пищевая промышленность: 

а) в качестве консерванта (Е290) – в закрытых банках под давлением образуется углекислота, убивающая бактерий или замедляющая скорость их размножения;

б) разрыхлитель – после растворения в воде быстро распадается, переходя в газообразную форму. Образующиеся пузырьки «поднимают» тесто.

в) газирование воды – под высоким давлением вода насыщается углекислотой. Газ начинает образовываться только при открытии бутылки и выравнивании давления.

2. Медицина:

а) основной компонент лазерного луча при криоабляции – вариант хирургического удаления опухолей с помощью замораживающих лучей.

б) CO2 используется при реанимации людей с остановкой дыхания. 

Заметка №1 Это работает, так как в нашем организме есть рецепторы, фиксирующие повышение концентрации углекислого газа. При прохождении газа по дыхательным путям активируются «аварийные» режимы и происходит вдох. Если же при такой реанимации использовать кислород (частая ошибка), рецепторы будут фиксировать нормальную его концентрацию и стимула к дыханию не будет.

3. Строительство:

а) в качестве хладагента при заморозке грунта.

б) система низкотемпературной сварки на основе углекислого газа.

Заметка №2 В углекислотных сварках используется смесь газа с пылью металла. Углекислый газ распадается с образованием кислорода, кислород, в сою очередь, окисляет металл, что приводит к соединению шва.

4. Пожаротушение:

Большинство огнетушителей и систем тушения огня содержат углекислый газ. Он не поддерживает горение и быстро перекрывает доступ кислорода к очагу возгорания.

5. В оружейном деле:

Пневматическое оружие работает за счет быстрого расширения углекислого газа. Тот же принцип используется для получения энергии запуска авиационных двигателей при их тестировании. 

Способы получения углекислого газа

Заметка №3 Углекислый газ распространен в природе и является «парниковым» - влияет на нагрев атмосферного воздуха. Такое воздействие неоднозначно. С одной стороны, углекислотные облака задерживают солнечные лучи, что снижает температуру воздуха. С другой стороны, СО2 удерживает тепло, что повышает общую температуру атмосферы.

Природные источники углекислого газа

Все живые организмы при дыхании выделяют углекислый газ. Животные выделяю его постоянно, растения днем усваивают СО2 посредством фотосинтеза, а ночью, как и животные, дышат, выделяя газ.

Заметка №4 Взрослый человек в сутки выделяет около 506 л углекислоты. Чем выше физическая активность, тем боле газа образуется.

Углекислый газ образуется при горении всех органических соединений. в газовых установках используется метан, горение которого происходит в соответствии с уравнением:CH4 + O2 = CO2 + H2O

Заметка №5 нельзя использовать газовые плиты или котлы в изолированных помещениях. При горении в недостатке кислорода образуется угарный газ СО, который ядовит даже в маленьких концентрациях и приводит к удушению:

CH4 + O2 (недостаток) = CO + H2O

Лабораторные способы получения

В лаборатории возможно несколько способов получения СО2:

1. Взаимодействие карбонатов с кислотами. В результате реакции образуется кислота, которая сразу же разлагается с образованием СО2:

CaCO3 + HCl = CO2 + H2O + CaCl2

Заметка №6 Чаще всего использую карбонат кальция (мрамор, мел), так как это дешевый и легкодоступный реактив.

2. Горение углерода (в модификации графита или сажи):

C + O2 = CO2

Заметка №7 Реакция окисления углерода протекает с выделением тепла (экзотермически).

Промышленные способы получения

Промышленные способы не сильно отличаются от лабораторных. Принцип выбора реакции в производстве основан на дешевизне и доступности сырья. 

1. Так как мрамор (мел, гранит) широко распространен в земной коре, углекислоту получают действием кислот на этот карбонат:

CaCO3 + 2HCl = CO2 + H2O + CaCl2

Заметка №8 Использование серной кислоты в качестве реагента возможно, но не желательно. При взаимодействии карбоната с кислотой образуются малорастворимые сульфаты, снижающие скорость получения основного продукта:

CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 + H2O

Углекислый газ собирается поглотительными установками.

2. Иногда СО2 получают методом очистки смеси газов, так как углекислота является побочным продуктом многих химических процессов. Так, во время спиртового брожения выделяется углекислота:

C6H12O6 + Na2SO3 → C3H8O3 + C2H4O + CO2

2 C6H12O6 + H2O → C₂H₆O + ацетат + 2 C3H8O3 + 2CO2

Пример №1 Человеку для дыхания требуется примерно 32 г кислорода в час. Рассчитайте, сколько литров углекислого газа образуется в комнате через сутки.

Дано: m(О2) = 32г

Найти: V(CO2)

Решение:

Найдем количество кислорода по формуле: n=m/M; n(О2) = 32г/32 г/моль = 1 моль.

Составим уравнение реакции: C6H12O6 + 12O2 = 6 СО2 + 12H2O

По уравнению количество вещества СО2 соотносится с количеством вещества кислорода как 6/12. Соответственно, n(СО2) = 0.5 моль.

Найдем объем углекислого газа по формуле: V = n*Vm; V(СО2) = 0.5 моль * 22.4 моль/л = 11.2 л

В час образуется 11.2 л углекислого газа. В сутках 24 часа. За сутки в комнате накопится: 

11.2 л * 24 = 268.8 литров СО2.

Ответ: 268.8 литров СО2.

Пример №2 Вычислите объем углекислого газа, выделившуюся при взаимодействии 26 г карбоната кальция с 30 г хлороводородной кислоты.

Дано: m (CaCO3) = 26 г,m (HCl) = 30 г

Найти: V(CO2)

Решение:

Найдем количество карбоната кальция и соляной кислоты по формуле: n=m/M;

n (CaCO3) =26 г / 100 г/моль = 0.26 моль;

n (HCl) =30 г / 36.5 г/моль = 0.82 моль.

Составим уравнение реакции:

CaCO3 + 2HCl = CO2 + H2O + CaCl2

По уравнению соотношение карбоната кальция и соляной кислоты 1/2. Соляная кислота в избытке, решаем по CaCO3.

Соотношение углекислого газа и карбоната кальция 1:1. Следовательно, количество вещества CO2 = 0.26 моль.

Найдем объем углекислоты по формуле: V = n*Vm; V(СО2) = 0.26 моль * 22.4 моль/л = 5.8 л

Ответ: 5.8 л

Пример №3 В результате брожения образовалось 50 л глицерина. Какое количество углекислого газа выделится в результате реакции.

Дано: V(C3H8O3) = 50л

Найти: V(CO2)

Решение:Найдем количество глицерина по формуле: n = V/Vm; n(C3H8O3) = 50 л/22.4 л/моль = 2.23 моль.

Составим уравнение реакции брожения:

2 C6H12O6 + H2O → C₂H₆O + ацетат + 2 C3H8O3 + 2CO2

По уравнению количество углекислого газа и глицерина соотносится как 2:2. Следовательно, n(CO2) = 2.23 моль.

Найдем объем углекислого газа: V = n*Vm; V(СО2) = 2.23 моль * 22.4 моль/л = 50 л

Ответ: 50 л