Определение №1 Углекислый газ – химическое соединение, состоящее из одного атома углерода и двух атомов кислорода.
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
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
|
Молярная масса |
44,0095(14) г/моль |
|
Точка кипения CO2 |
-78oC (195 K) |
|
Точка плавления |
-57oC (216 K), под давлением |
|
Удельная теплота плавления |
25,13 кДж/моль |
|
Удельная теплоемкость |
0,846 кДж/(кг*С) при 27oC |
|
Растворимость в воде |
1,45 кг/м3 |
|
Плотность в 3-ех фазах |
1,9769 кг/м3, газ; 771 кг/м3, жидкий; 1512 кг/м3, твердый |
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.
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.
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
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 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
