Физические свойства углекислого газа кратко

Углекислый газ

Углекислый газ, или диоксид углерода, или CO₂ — одно из самых распространенных на Земле газообразных веществ. Он окружает нас в течение всей нашей жизни. Углекислый газ не имеет цвета, вкуса и запаха и никак не ощущается человеком.

Он является важным участником обмена веществ живых организмов. Газ сам по себе не ядовит, но не поддерживает дыхание, поэтому превышение его концентрации ведет к ухудшению снабжения тканей организма кислородом и к удушью. Углекислый газ широко применяется в быту и в промышленности.

Что такое диоксид углерода

При атмосферном давлении и комнатной температуре диоксид углерода находится в газообразном состоянии. Это наиболее часто встречающаяся его форма, в ней он участвует в процессах дыхания, фотосинтеза и обмена веществ живых организмов.

При охлаждении до -78 °С он, минуя жидкую фазу, кристаллизуется и образует так называемый «сухой лед», широко применяемый как безопасный хладагент в пищевой и химической промышленности и в уличной торговле и рефрижераторных перевозках.

При особых условиях — давлении в десятки атмосфер — углекислота переходит в жидкое агрегатное состояние. Это происходит на морском дне, на глубине свыше 600 м.

Свойства углекислого газа

В 17 веке Жан-Батист Ван Гельмонт из Фландрии открыл углекислый газ и определил его формулу. Подробное исследование и описание было сделано столетие спустя шотландцем Джозефом Блэком. Он исследовал свойства углекислого газа и провел серию опытов, в которых доказал, что он выделяется при дыхании животных.

В состав молекулы вещества входит один атом углерода и два атома кислорода. Химическая формула углекислого газа записывается как CO₂

В нормальных условиях не обладает вкусом, цветом и запахом. Только вдыхая большое его количество, человек ощущает кислый привкус. Его дает угольная кислота, образующаяся в малых дозах при растворении углекислого газа в слюне. Эта особенность применяется для приготовления газированных напитков. Пузырьки в шампанском, просекко, пиве и лимонаде — это и есть углекислый газ, образовавшийся в результате естественных процессов брожения или добавленный в напиток искусственно.

Физические свойства углекислого газа

Плотность углекислого газа больше плотности воздуха, поэтому при отсутствии вентиляции он скапливается внизу. Он не поддерживает окислительные процессы, такие, как дыхание и горение.

Поэтому углекислоту применяют в огнетушителях. Это свойство углекислого газа иллюстрируют с помощью фокуса — горящую свечу опускают в «пустой» стакан, где она и гаснет. В действительности стакан заполнен CO₂.

Углекислый газ в природе естественные источники

К таким источникам относятся окислительные процессы разной интенсивности:

• Дыхание живых организмов. Из школьного курса химии и ботаники все помнят, что в ходе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Но не все помнят, что это происходит только днем, при достаточном уровне освещения. В темное время суток растения наоборот, поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Так что попытка улучшить качество воздуха в комнате, превращая ее в заросли фикусов и герани может сыграть злую шутку.
• Извержения и другая вулканическая активность. CO₂ выбрасывается из глубин мантии Земли вместе с вулканическими газами. В долинах рядом с источниками извержений газа настолько много, что, скапливаясь в низинах, он вызывает удушье животных и даже людей. Известны несколько случаев в Африке, когда задыхались целые деревни.
• Горение и гниение органики. Горение и гниение — это одна и та же реакция окисления, но протекающая с разной скоростью. Богатые углеродом разлагающиеся органические остатки растений и животных, лесные пожары и тлеющие торфяники — все это источники диоксида углерода.
• Самым же большим природным хранилищем CO₂ являются воды мирового океана, в которых он растворен.

Углекислый газ в природе

За миллионы лет эволюции основанной на углеродных соединениях жизни на Земле в различных источниках накопились многие миллиарды тонн углекислого газа. Его одномоментный выброс в атмосферу приведет к гибели всего живого на планете из-за невозможности дыхания. Хорошо, что вероятность такого одномоментного выброса стремится к нулю.

Искусственные источники углекислого газа

Углекислый газ попадает в атмосферу и в результате человеческой жизнедеятельности. Самыми активными источниками в наше время считаются:

• Индустриальные выбросы, происходящие в ходе сгорания топлива на электростанциях и в технологических установках
• Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания транспортных средств: автомобилей, поездов, самолетов и судов.
• Сельскохозяйственные отходы — гниение навоза в больших животноводческих комплексах

Кроме прямых выбросов, существует и косвенное воздействие человека на содержание CO₂ в атмосфере. Это массовая вырубка лесов в тропической и субтропической зоне, прежде всего в бассейне Амазонки.

Искусственный источник углекислого газа

Несмотря на то, что в атмосфере Земли содержится менее процента диоксида углерода, он оказывает все возрастающее действие на климат и природные явления. Углекислый газ участвует в создании так называемого парникового эффекта путем поглощения теплового излучения планеты и удерживания этого тепла в атмосфере. Это ведет к постепенному, но весьма угрожающему повышению среднегодовой температуры планеты, таянию горных ледников и полярных ледяных шапок, росту уровня мирового океана, затоплению прибрежных регионов и ухудшению климата в далеких от моря странах.

Знаменательно, что на фоне общего потепления на планете происходит значительное перераспределение воздушных масс и морских течений, и в отдельных регионах среднегодовая температура не повышается, а понижается. Это дает козыри в руки критикам теории глобального потепления, обвиняющим ее сторонников в подтасовке фактов и манипуляции общественным мнением в угоду определенным политическим центрам влияния и финансово-экономическим интересам

Человечество пытается взять под контроль содержание углекислого газа в воздухе, были подписаны Киотский и Парижский протоколы, накладывающие на национальные экономики определенные обязательства. Кроме того, многие ведущие автопроизводители автомобилей объявили о сворачивании к 2020-25 годам выпуска моделей с двигателями внутреннего сгорания и переходе на гибриды и электромобили. Однако некоторые ведущие экономики мира, такие, как Китай и США, не торопятся выполнять старые и брать на себя новые обязательства, мотивируя это угрозой уровню жизни в своих странах.

Углекислый газ и мы: чем опасен CO₂

Углекислый газ — один из продуктов обмена веществ в организме человека. Он играет большую роль в управлении дыханием и снабжением кровью органов. Рост содержания CO₂ в крови вызывает расширение сосудов, способных таким образом транспортировать больше кислорода к тканям и органам. Аналогично и система дыхания понуждается к большей активности, если концентрация углекислоты в организме растет. Это свойство используют в аппаратах искусственной вентиляции легких, чтобы подстегнуть собственные органы дыхания пациента к большей активности.

Кроме упомянутой пользы, превышение концентрации СO₂ может принести организму и вред. Повышенное содержание во вдыхаемом воздухе приводит к тошноте, головной боли, удушью и даже к потере сознания. Организм протестует против углекислого газа и подает человеку сигналы. При дальнейшем увеличении концентрации развивается кислородное голодание, или гипоксия. Co₂ мешает кислороду присоединяться к молекулам гемоглобина, которые и осуществляют перемещение связанных газов по кровеносной системе. Кислородное голодание ведет к снижению работоспособности, ослаблению реакции и способностей к анализу ситуации и принятию решений, апатии и может привести к смерти.

Общие симптомы отравления углекислым газом

Такие концентрации углекислого газа, к сожалению, достижимы не только в тесных шахтах, но и в плохо проветриваемых школьных классах, концертных залах, офисных помещениях и транспортных средствах — везде, где в замкнутом пространстве без достаточного воздухообмена с окружающей средой скапливается большое количество людей.

Основное применение

CO₂ широко применяется в промышленности и в быту – в огнетушителях и для изготовления газировки, для охлаждения продуктов и для создания инертной среды при сварке.

Основное применение углекислого газа

Применение углекислого газа отмечено в таких отраслях, как:

• для чистки поверхностей сухим льдом.

Фармацевтика

• для химического синтеза компонентов лекарственных средств;
• создания инертной атмосферы;
• нормализация индекса pH отходов производства.

Углекислый газ в фармацевтике

Пищевая отрасль

• производство газированных напитков;
• упаковка продуктов питания в инертной атмосфере для продления срока годности;
• декаффеинизация кофейных зерен;
• замораживание или охлаждение продуктов.

Углекислый газ в пищевой отрасли

Медицина, анализы и экология

• Создание защитной атмосферы при полостных операциях.
• Включение в дыхательные смеси в качестве стимулятора дыхания.
• В хроматографических анализах.
• Поддержание уровня pH в жидких отходах производства.

Углекислый газ и экология

Электроника

• Охлаждение электронных компонентов и устройств при тестировании на температурную стойкость.
• Абразивная очистка в микроэлектронике (в твердой фазе).
• Очищающее средство в производстве кремниевых кристаллов.

Химическая отрасль

Широко применяется в химическом синтезе в качестве реагента и в качестве регулятора температур в реакторе. CO₂ отлично подходит для обеззараживания жидких отходов с низким индексом pH.

Использование углекислого газа

Применяется также для осушения полимерных веществ, растительных или животных фиброматериалов, в целлюлозном производстве для нормализации уровня pH как компонентов основного процесса, так и его отходов.

Металлургическая отрасль

В металлургии CO₂ в основном служит делу экологии, защиты природы от вредных выбросов путем их нейтрализации:

Применение углекислого газа в металлургии

• В черной металлургии — для нейтрализации плавильных газов и для донного перемешивания расплава.
• В цветной металлургии при производстве свинца, меди, никеля и цинка — для нейтрализации газов при транспортировке ковша с расплавом или горячих слитков.
• В качестве восстановительного агента при организации оборота кислотных шахтных вод.

Сварка в углекислой среде

Процесс сварки с применением углекислого газа

Разновидность сварки под флюсом является сварка в углекислой среде. Операции сварочных работ с углекислым газом осуществляется плавящимся электродом и распространен в процессе монтажных работ, устранении дефектов и исправления деталей с тонкими стенками.

Физические свойства углекислого газа кратко

3. Сгорание углеродсодержащих веществ:

4. При медленном окислении в биохимических процессах (дыхание, гниение, брожение)

1) с водой даёт непрочную угольную кислоту:

2) реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты

Качественная реакция на углекислый газ:

Помутнение известковой воды Ca ( OH )₂ за счёт образования белого осадка – нерастворимой соли CaCO ₃ :

Угольная кислота и её соли

Структурная формула – все связи ковалентные полярные:

Кислота слабая, существует только в водном растворе, очень непрочная, разлагается на углекислый газ и воду:

Для угольной кислоты характерны все свойства кислот.

1) Диссоциация – двухосновная кислота, диссоциирует слабо в две ступени, индикатор — лакмус краснеет в водном растворе:

2) с активными металлами

3) с основными оксидами

4) с основаниями

5) Очень непрочная кислота – разлагается

Соли угольной кислоты – карбонаты и гидрокарбонаты

Угольная кислота образует два ряда солей:

_· Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты Na HCO₃ , Ca ( HCO ₃ )₂

В природе встречаются :

K ₂ CO ₃ (поташ, в золе растений)

Na ₂ CO ₃ – сода, кальцинированная сода

Na ₂ CO ₃ x 10 H ₂ O – кристаллическая сода

Все карбонаты – твёрдые кристаллические вещества. Большинство из них в воде не растворяются. Гидрокарбонаты растворяются в воде.

Химические свойства солей угольной кислоты:

Общие свойства солей:

1) Вступают в реакции обмена с другими растворимыми солями

2) Разложение гидрокарбонатов при нагревании

3) Разложение нерастворимых карбонатов при нагревании

4) Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№ 1. Закончите уравнения осуществимых химических реакций:

Физические и химические свойства углекислого газа

Физические и химические свойства углекислого газа

Углекислый газ (двуокись углерода, угольный ангидрид, диоксид углерода) – оксид углерода (IV).

Формула – ( mathrm_ <2>). Молярная масса – 44 г/моль.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ относится к классу кислотных оксидов, т.е. при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется угольная. Угольная кислота химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие, т.е. реакция взаимодействия углекислого газа с водой носит обратимый характер:

( mathrm_<2>+mathrm_ <2>mathrm leftrightarrow mathrm_ <2>times mathrm_ <2>mathrm(text < solution >) leftrightarrow mathrm_ <2>mathrm_ <3>).

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

Как и для всех кислотных оксидов, для углекислого газа характерны реакции взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:

Углекислый газ не поддерживает горения, в нем горят только активные металлы:

Углекислый газ вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами, такими как водород и углерод:

При взаимодействии углекислого газа с пероксидами активных металлов образуются карбонаты и выделяется кислород:

( 2 mathrm_<2>+2 mathrm_ <2>mathrm_<2>=2 mathrm_ <2>mathrm_<3>+mathrm_ <2>uparrow ).

Качественной реакцией на углекислый газ является реакция его взаимодействия с известковой водой (молоком), т.е. с гидроксидом кальция, в которой образуется осадок белого цвета – карбонат кальция:

Физические свойства углекислого газа Углекислый газ – газообразное вещество без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Термически устойчив. При сжатии и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое состояния. Углекислый газ в твердом агрегатном состоянии носит название «сухой лед» и легко возгоняется при комнатной температуре. Углекислый газ плохо растворим в воде, частично реагирует с ней. Плотность – 1,977 г/л.

Получение и применение углекислого газа Выделяют промышленные и лабораторные способы получения углекислого газа. Так, в промышленности его получают обжигом известняка (1), а в лаборатории – действием сильных кислот на соли угольной кислоты (2):

Углекислый газ используется в пищевой (газирование лимонада), химической (регулировка температур при производстве синтетических волокон), металлургической (защита окружающей среды, например, осаждение бурого газа) и других отраслях промышленности.

Примеры решения задач

Задание Какой объем углекислого газа выделится при действии 200 г 10%-го раствора азотной кислоты на 90 г карбоната кальция, содержащего 8% примесей, нерастворимых в кислоте? Решение Молярные массы азотной кислоты и карбоната кальция, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 63 и 100 г/моль, соответственно. Запишем уравнение растворения известняка в азотной кислоте:

( mathrm_<3>+2 mathrm_ <3>rightarrow mathrmleft(mathrm_<3>right)_<2>+mathrm_ <2>uparrow+mathrm_ <2>mathrm ).

Содержание чистого (без примесей) карбоната кальция в известняке:

Тогда, масса чистого карбоната кальция:

( mathrmleft(mathrm_<3>right)_>=90 times 92 / 100 %=82,8 mathrm <г>).

Количество вещества карбоната кальция равно:

( nleft(C a C O_<3>right)=mleft(C a C O_<3>right)_ / Mleft(C a C O_<3>right) );

( nleft(mathrm_<3>right)=82,8 / 100=0,83 mathrm <моль>)

Масса азотной кислоты в растворе будет равна:

( mathrmleft(mathrm_<3>right)=200 times 10 / 100 %=20 mathrm <г>)

Количество вещества азотной кислоты кальция равно:

( nleft(H N O_<3>right)=20 / 63=0,32 ) моль

Сравнивая количества веществ, вступивших в реакцию, определяем, что азотная кислота находится в недостатке, следовательно дальнейшие расчеты производим по азотной кислоте. Согласно уравнению реакции ( n(H N O 3) : n(C O 2)=2 : 1 ), следовательно n(CO2) = 1/2×n(HNO3) = 0,16 моль. Тогда, объем углекислого газа будет равен:

V(CO2) = 0,16×22,4 = 3,58 г.

Ответ Объем углекислого газа — 3,58 г.

Задание Найдите объем углекислого газа массой 35 г.

Решение Масса вещества и его объем связаны между собой через количество вещества. Запишем формулы для вычисления количества вещества с помощью его массы и объема:

Приравняет выражения, записанные справа и выразим объем:

Вычислим по выведенной формуле объем углекислого газа. Молярная масса углекислого газа, рассчитанная с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 44 г/моль.

( Vleft(C O_<2>right)=35 times 22,4 / 44=17,82 ) л.

Углекислый газ и пищевая жидкая углекислота

Углекислый газ (двуокись углерода), называемый также углекислотой, — важнейший компонент в составе газированных напитков. Он обусловливает вкус и биологическую стойкость напитков, сообщает им игристость и освежающие свойства.

Химические свойства. В химическом отношении углекислый газ инертен. Образовавшись с выделением большого количества тепла, он, как продукт полного окисления углерода, весьма стоек. Реакции восстановления двуокиси углерода протекают только при высоких температурах. Так, например, взаимодействуя с калием при 230° С, углекислый газ восстанавливается до щавелевой кислоты:

Вступая в химическое взаимодействие с водой, газ, в количестве не более 1% от содержания его в растворе, образует угольную кислоту, диссоциирующую на ионы Н + , НСО₃ — , СО₂ 3- . В водном растворе углекислый газ легко вступает в химические реакции, образуя различные углекислые соли. Поэтому водный раствор углекислого газа обладает большой агрессивностью по отношению к металлам, а также разрушающе действует на бетон.

Физические свойства. Для сатурации напитков используется углекислый газ, приведенный в жидкое состояние сжатием до высокого давления. В зависимости от температуры и давления углекислый газ может находиться также в газообразном и твердом состоянии. Температура и давление, соответствующие данному агрегатному состоянию, приведены на диаграмме фазового равновесия (рис. 13).

Рис. 13. Диаграмма фазового равновесия углекислого газа.

При температуре минус 56,6° С и давлении 0,52 Мн/м 2 (5,28 кГ/см 2 ), соответствующих тройной точке, углекислый газ может одновременно находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии. При более высоких температуре и давлении углекислый газ находится в жидком и газообразном состоянии; при температуре и давлении, которые ниже этих показателей, газ, непосредственно минуя жидкую фазу, переходит в газообразное состояние (сублимирует). При температуре, превышающей критическую температуру 31,5° С, никакое давление не может удержать углекислый газ в виде жидкости.

В газообразном состоянии углекислый газ бесцветен, не имеет запаха и обладает слабовыраженным кислым вкусом. При температуре 0° С и атмосферном давлении плотность углекислого газа составляет 1,9769 кг/ж 3 ; он в 1,529 раз тяжелее воздуха. При 0°С и атмосферном давлении 1 кг газа занимает объем 506 л. Связь между объемом, температурой и давлением углекислого газа выражается уравнением:

где V — объем 1 кг газа в м 3 /кг; Т — температура газа в ° К; Р — давление газа в н/м 2 ; R — газовая постоянная; А — дополнительная величина, учитывающая отклонение от уравнения состояния идеального газа;

Ожиженный углекислый газ — бесцветная, прозрачная, легкоподвижная жидкость, напоминающая по внешнему виду спирт или эфир. Плотность жидкости при 0° С равна 0,947. При температуре 20°С ожиженный газ сохраняется под давлением 6,37 Мн/м 2 (65 кГ/см 2 ) в стальных баллонах. При свободном истечении из баллона жидкость испаряется с поглощением большого количества тепла. При снижении температуры до минус 78,5° С часть жидкости замерзает, превращаясь в так называемый сухой лед. По твердости сухой лед близок к мелу и имеет матово-белый цвет. Сухой лед испаряется медленнее жидкости, при этом он непосредственно переходит в газообразное состояние.

При температуре минус 78,9° С и давлении 1 кГ/см 2 (9,8 Мн/м 2 ) теплота сублимации сухого льда составляет 136,89 ккал/кг (573,57 кдж/кг).