В данной статье рассказываем про углекислый газ. Оксид углерода (IV) широко распространен в природе и жизни человека. Он является обязательным продуктом процессов горения углеродного топлива и дыхания всех живых организмов. Однако не поддерживает горение и дыхание. Дадим определение, строение, свойства и применение СО2.
Перед тем, как рассматривать свойства вещества, необходимо разобраться с его строением и дать научное определение.
Определение: Углекислый газ (оксид углерода (IV)) (СО2) — бинарное соединение из четырехвалентного углерода (С) и двух атомов кислорода (О).
Является обязательным компонентом атмосферного воздуха (в среднем 0,04%). Известен как начальный реагент для процесса фотосинтеза. Определим его тривиальные и научные названия:
В молекуле углекислого газа углерод имеет валентность IV, а степень окисления +4. В таком состоянии он может образовывать четыре связи в своих соединениях. В углекислом газе углерод связывается с двумя атомами кислорода посредством двух двойных ковалентных полярных связей.
Взглянем в историческую справку и узнаем: когда был открыт углекислый газ и для какой цели.
Первые исследование в области газовых веществ проводит Роберт Бойль. В середине XVII века он делает знаменитое открытие: доказательство уменьшения объема газа при увеличении давления на него. Полученные знания применялись только на воде при переходе ее из жидкого состояния в газообразное и наоборот.
Но в этом исследовании газов не получилось открыть оксид углерода. Это сделали в последующем исследовании нагревания мраморного камня.
Первым, кому удалось получить углекислый газ из мрамора, был шотландский химик Джозев Блэк. Людей поразило выделение газообразного вещества из твердого тела. Для выделения оксида углерода необходимо было лишь нагреть мрамор.
В дальнейшем открытие получает поддержку во многих научных областях. Первое время углекислый газ, образованный из раковин, использовали для растворения мочевых камней.
Дальше ученый продолжает работу над углекислым газом и доказывает его кислотные свойства. Для этого он соединил едкую известь (сильное основание — гидроксид) с оксидом углерода. Взаимодействие прошло и получилось твердое вещество — осадок.
Определим для двуокиси углерода физические конкретные характеристики и химическую активность.
В нормальном состоянии углекислый газ представляет собой газообразное вещество тяжелее воздуха. Не имеет цвета и запаха. Может накапливаться в пространствах без доступа свежего воздуха и вызывать нехватку кислорода. Существует в сжиженной форме, которая переходит в твердое вещество — «сухой лед». Разлагается лишь при 2 000 °C.
Определим конкретные физические характеристики:
Углекислый газ — типичный кислотный оксид, который соответствует слабой угольной кислоте. Легко вступает в реакции с сильными основаниями (щелочами), основными оксидами. Углерод находиться в своей высшей степени окисления, из-за чего углекислый газ может выступать в качестве окислителя в окислительно-восстановительных реакциях. Рассмотрим свойства на примерах.
Рассмотрим промышленную и лабораторную методики получения углекислого газа.
В лабораториях химики получают оксид углерода (IV) в прямом контакте карбоната с сильной кислотой, например, соляной. Карбонатом могут послужить мел, мрамор или сода. Напишем уравнения реакций.
CaCO3 + 2HCl = CaCl2+ H2O + CO2;
NaHCO3+ HCl = NaCl + H2O + CO2.
В промышленности используют два способа: обжиг известняка и метод разделения воздуха на составные части (кислород, азот, углекислый газ). Напишем уравнение обжига — термического разложения карбоната кальция.
CaCO3 = CaO + CO2.
Перечислим все процессы, в результате которых образуется углекислый газ:
Только в человеческом организме образуется 1 кг углекислого газа в сутки. Таким образом, весь атмосферный воздух мог быть заполненным данным газом. Однако этого не происходит благодаря многочисленным растениям. В дневное время растения осуществляют фотосинтез — превращение СО2 в кислород.
Приведем в пример две методики измерения уровня углекислого газа: инфракрасный датчик и газохроматографический метод.
Определение: Инфракрасный датчик — технология, состоящая из ИК-излучателя и ИК-приемника.
Углекислый газ активно поглощает инфракрасное излучение. На основе плавления выпущенного и принятого излучения вычисляется концентрация углекислого газа.
Определение: Газохроматографический метод — технология, позволяющая разделить две несмешивающиеся смеси и анализировать их состав.
Углекислый газ не поддерживает процесс дыхания. Поэтому в закрытом помещении человек может потерять сознание или даже умереть от нехватки кислорода и переизбытка углекислого газа.
При увеличении концентрации углекислого газа в теле человек начинает чувствовать усталость, головную боль, вялость, утомление. Это типичное клиническое проявление кислородного голодания.
Однако сильно остуженный углекислый газ используется для криоабляции новообразований. Также применяется для глубоко дыхания.
Снижение выработки углекислого газа происходит при использовании экологическое топлива. Основные источники данного вещества — нефтяное, древесное, углеродное топливо. Таким образом, ряд организаций-защитников планеты выступает с обращением в пользу запрета сжигаемого топлива.
Ведется контроль концентрации углекислого газа в атмосфере. Сейчас она составляет 0,04 % от общего объема. Повышение данного значения даже на сотые доли может вызвать массовое изменение климата на Земле.
Решим задачу на нахождение массовой доли элемента в веществе. Необходимо найти долю углерода в молекуле углекислого газа.
М(СО2) = 12 + 2 * 16 = 44 г/моль.
Аr(С) = 12 г/моль.
W(С) = 12/44 = 0,27 = 27%.
Ответ: массовая доля углерода в молекуле углекислого газа 27%.
