Якісна реакція на СО2. Хімічні та фізичні властивості вуглекислого газу. Вуглекислий газ в атмосфері Землі

Газована вода, вулкан, Венера, рефрижератор - що між ними спільного? Вуглекислий газ. Ми зібрали для Вас найцікавішу інформацію про одне з найважливіших хімічних сполук на Землі.

Що таке діоксид вуглецю

Діоксид вуглецю відомий в основному в своєму газоподібному стані, тобто як вуглекислого газу з простої хімічною формулою CO2. У такому вигляді він існує в нормальних умовах - при атмосферному тиску і «звичайних» температурах. Але при підвищеному тиску, понад 5 850 кПа (таке, наприклад, тиск на морській глибині близько 600 м), цей газ перетворюється в рідину. А при сильному охолодженні (мінус 78,5 ° С) він кристалізується і стає так званим сухим льодом, який широко використовується в торгівлі для зберігання заморожених продуктів в рефрижераторах.

Рідка вуглекислота і сухий лід виходять і застосовуються в людській діяльності, але ці форми нестійкі і легко розпадаються.

А ось газоподібний діоксид вуглецю розповсюджений усюди: він виділяється в процесі дихання тварин і рослин і є важливою складовою частиною хімічного складу атмосфери і океану.

Властивості вуглекислого газу

Вуглекислий газ CO2 не має кольору і запаху. У звичайних умовах він не має і смаку. Однак при вдиханні високих концентрацій діоксиду вуглецю можна відчути в роті кислуватий присмак, викликаний тим, що вуглекислий газ розчиняється на слизових і в слині, утворюючи слабкий розчин вугільної кислоти.

До речі, саме здатність діоксиду вуглецю розчинятися у воді використовується для виготовлення газованих вод. Бульбашки лимонаду - той самий вуглекислий газ. Перший апарат для насичення води CO2 був винайдений ще в 1770 р, а вже в 1783 р підприємливий швейцарець Якоб Швепп почав промислове виробництво газованої (торгова марка Schweppes існує до цих пір).

Вуглекислий газ важчий за повітря в 1,5 рази, тому має тенденцію «осідати» в його нижніх шарах, якщо приміщення погано вентилюється. Відомий ефект «собачої печери», де CO2 виділяється прямо з землі і накопичується на висоті близько півметра. Доросла людина, потрапляючи в таку печеру, на висоті свого зростання не відчуває надлишку вуглекислого газу, а ось собаки виявляються прямо в густому шарі діоксиду вуглецю і піддаються отруєння.

CO2 не підтримує горіння, тому його використовують в вогнегасниках і системах пожежогасіння. Фокус з гасінням палаючої свічки вмістом нібито порожнього стакана (а насправді - вуглекислим газом) заснований саме на цій властивості діоксиду вуглецю.

Вуглекислий газ в природі: природні джерела

Вуглекислий газ в природі утворюється з різних джерел:

• Дихання тварин і рослин.
  Кожному школяреві відомо, що рослини поглинають вуглекислий газ CO2 з повітря і використовують його в процесах фотосинтезу. Деякі господині намагаються кількістю кімнатних рослин спокутувати недоліки. Однак рослини не тільки поглинають, а й виділяють вуглекислий газ за відсутності світла - це частина процесу дихання. Тому джунглі в погано провітрюваній спальні - не дуже хороша ідея: вночі рівень CO2 буде рости ще більше.
• Вулканічна діяльність.
  Діоксид вуглецю входить до складу вулканічних газів. У місцевостях з високою вулканічною активністю CO2 може виділятися прямо з землі - з тріщин і розломів, які називаються Мофетілу. Концентрація вуглекислого газу в долинах з Мофетілу настільки висока, що багато дрібні тварини, потрапивши туди, вмирають.
• Розкладання органічних речовин.
  Вуглекислий газ утворюється при горінні і гнитті органіки. Об'ємні природні викиди діоксиду вуглецю супроводжують лісовим пожежам.

Вуглекислий газ «зберігається» в природі у вигляді вуглецевих сполук в корисних копалин: вугілля, нафти, торфі, вапняку. Гігантські запаси CO2 містяться в розчиненому вигляді в світовому океані.

Викид вуглекислого газу з відкритого водоймища може привести до лімнологічна катастрофа, як це траплялося, наприклад, в 1984 і 1986 рр. в озерах Мануну і Ніос в Камеруні. Обидва озера утворилися на місці вулканічних кратерів - нині вони згасли, проте в глибині вулканічна магма все ще виділяє вуглекислий газ, який піднімається до водам озер і розчиняється в них. В результаті ряду кліматичних і геологічних процесів концентрація вуглекислоти в водах перевищила критичне значення. В атмосферу було викинуто величезну кількість вуглекислого газу, який на зразок лавини спустився по гірських схилах. Жертвами Лімнологіческого катастроф на камерунських озерах стали близько 1 800 осіб.

Штучні джерела вуглекислого газу

Основними антропогенними джерелами діоксиду вуглецю є:

• промислові викиди, пов'язані з процесами згоряння;
• автомобільний транспорт.

Незважаючи на те, що частка екологічного транспорту в світі зростає, переважна частина населення планети ще не скоро матиме можливість (або бажання) перейти на нові автомобілі.

Активне зведення лісів в промислових цілях також веде до підвищення концентрації вуглекислого газу СО2 в повітрі.

CO2 - один з кінцевих продуктів метаболізму (розщеплення глюкози і жирів). Він виділяється в тканинах і переноситься за допомогою гемоглобіну до легким, через які видихається. У видихуваному людиною повітрі близько 4,5% діоксиду вуглецю (45 000 ppm) - в 60-110 разів більше, ніж у вдихуваному.

Вуглекислий газ відіграє велику роль в регуляції кровопостачання і дихання. Підвищення рівня CO2 в крові призводить до того, що капіляри розширюються, пропускаючи більшу кількість крові, яке доставляє до тканин кисень і виводить вуглекислоту.

Дихальна система теж стимулюється підвищенням вмісту вуглекислого газу, а не браком кисню, як може здатися. Насправді брак кисню довго не відчувається організмом і цілком можлива ситуація, коли в розрідженому повітрі людина знепритомніє раніше, ніж відчує брак повітря. Стимулююча властивість CO2 використовується в апаратах штучного дихання: там вуглекислий газ подмешивается до кисню, щоб «запустити» дихальну систему.

Вуглекислий газ і ми: чим небезпечний СO2

Вуглекислий газ необхідний людському організму так само, як кисень. Але так само, як з киснем, надлишок вуглекислого газу шкодить нашому здоров'ю.

Велика концентрація CO2 в повітрі призводить до інтоксикації організму і викликає стан гіперкапнії. При гіперкапнії людина відчуває труднощі з диханням, нудоту, головний біль і може навіть знепритомніти. Якщо вміст вуглекислого газу не знижується, то далі настає черга - кисневого голодування. Справа в тому, що і вуглекислий газ, і кисень переміщуються в організмі на одному і тому ж «транспорті» - гемоглобіні. У нормі вони «подорожують» разом, прикріплений до різних місць молекули гемоглобіну. Однак підвищена концентрація вуглекислого газу в крові знижує здатність кисню зв'язуватися з гемоглобіном. Кількість кисню в крові зменшується і настає гіпоксія.

Такі хворі для організму наслідки настають при вдиханні повітря з вмістом CO2 більше 5 000 ppm (таким може бути повітря в шахтах, наприклад). Справедливості заради, в звичайному житті ми практично не стикаємося з таким повітрям. Однак і набагато менша концентрація діоксиду вуглецю відбивається на здоров'ї не кращим чином.

Згідно з висновками деяких, вже 1 000 ppm CO2 викликає у половини випробовуваних стомлення і головний біль. Задуху і дискомфорт багато людей починають відчувати ще раніше. При подальшому підвищенні концентрації вуглекислого газу до 1 500 - 2 500 ppm критично, мозок «лінується» проявляти ініціативу, обробляти інформацію і приймати рішення.

І якщо рівень 5 000 ppm майже неможливий в повсякденному житті, То 1 000 і навіть 2 500 ppm легко можуть бути частиною реальності сучасної людини. Наш показав, що в рідко провітрюваних шкільних класах рівень CO2 значну частину часу тримається на позначці понад 1 500 ppm, а іноді підскакує вище 2 000 ppm. Є всі підстави припускати, що в багатьох офісах і навіть квартирах ситуація схожа.

Безпечним для самопочуття людини рівнем вуглекислого газу фізіологи вважають 800 ppm.

Ще одне дослідження виявило зв'язок між рівнем CO2 і окислювальним стресом: чим вище рівень діоксиду вуглецю, тим більше ми страждаємо від, який руйнує клітини нашого організму.

Вуглекислий газ в атмосфері Землі

В атмосфері нашої планети всього близько 0,04% CO2 (це приблизно 400 ppm), а зовсім недавно було і того менше: позначку в 400 ppm вуглекислий газ переступив тільки восени 2016 року. Вчені пов'язують зростання рівня CO2 в атмосфері з індустріалізацією: в середині XVIII століття, перед промисловим переворотом, він становив лише близько 270 ppm.

Вуглекислий газ (двоокис вуглецю), званий також вуглекислотою, - найважливіший компонент у складі газованих напоїв. Він обумовлює смак і біологічну стійкість напоїв, повідомляє їм ігристість і освіжаючі властивості.

Хімічні властивості. В хімічному відношенні вуглекислий газ інертний. Утворившись з виділенням великої кількості тепла, він, як продукт повного окислення вуглецю, дуже стійкий. Реакції відновлення двоокису вуглецю протікають тільки при високих температурах. Так, наприклад, взаємодіючи з калієм при 230 ° С, вуглекислий газ відновлюється до щавлевої кислоти:

вступаючи в хімічну взаємодію з водою, газ, в кількості не більше 1% від вмісту його в розчині, утворює вугільну кислоту, дисоціюють на іони Н +, НСО 3 -, СО 2 3. В водному розчині вуглекислий газ легко вступає в хімічні реакції, утворюючи різні вуглекислі солі. Тому водний розчин вуглекислого газу має велику агресивністю по відношенню до металів, а також руйнівно діє на бетон.

Фізичні властивості.Для сатурації напоїв використовується вуглекислий газ, наведений в рідкий стан стисненням до високого тиску. Залежно від температури і тиску вуглекислий газ може знаходитися також у газоподібному і твердому стані. Температура і тиск, що відповідають даному агрегатному стані, наведені на діаграмі фазового рівноваги (рис. 13).

При температурі мінус 56,6 ° С і тиску 0,52 Мн / м 2 (5,28 кг / см 2), відповідних потрійний точці, вуглекислий газ може одночасно перебувати в газоподібному, рідкому і твердому стані. При більш високій температурі і тиску вуглекислий газ знаходиться в рідкому і газоподібному стані; при температурі і тиску, які нижче цих показників, газ, безпосередньо минаючи рідку фазу, переходить в газоподібний стан (сублімує). При температурі, що перевищує критичну температуру 31,5 ° С, ніякий тиск не може утримати вуглекислий газ у вигляді рідини.

У газоподібному стані вуглекислий газ безбарвний, не має запаху і володіє слабовираженним кислим смаком. При температурі 0 ° С і атмосферному тиску щільність вуглекислого газу становить 1,9769 кг / ж 3; він в 1,529 разів важчий за повітря. При 0 ° С і атмосферному тиску 1 кг газу займає об'єм 506 л. Зв'язок між обсягом, температурою і тиском вуглекислого газу виражається рівнянням:

де V - об'єм 1 кг газу в м 3 / кг; Т - температура газу в ° К; Р - тиск газу в н / м 2; R - газова постійна; А - додаткова величина, що враховує відхилення від рівняння стану ідеального газу;

Зріджений вуглекислий газ - безбарвна, прозора, легко рухлива рідина, що нагадує за зовнішнім виглядом спирт або ефір. Щільність рідини при 0 ° С дорівнює 0,947. При температурі 20 ° С зріджений газ зберігається під тиском 6,37 Мн / м 2 (65 кг / см 2) в сталевих балонах. При вільному витіканні з балона рідина випаровується з поглинанням великої кількості тепла. При зниженні температури до мінус 78,5 ° С частина рідини замерзає, перетворюючись на так званий сухий лід. По твердості сухий лід близький до крейди і має матово-білий колір. Сухий лід випаровується повільніше рідини, при цьому він безпосередньо переходить в газоподібний стан.

При температурі мінус 78,9 ° С і тиску 1 кг / см 2 (9,8 Мн / м 2) теплота сублімації сухого льоду становить 136,89 ккал / кг (573,57 кДж / кг).

енциклопедичний YouTube

• 1 / 5

  Оксид вуглецю (IV) не підтримує горіння. У ньому горять тільки деякі активні метали: :

  2 M g + C O 2 → 2 M g O + C (\\ displaystyle (\\ mathsf (2Mg + CO_ (2) \\ rightarrow 2MgO + C)))

  Взаємодія з оксидом активного металу:

  C a O + C O 2 → C a C O 3 (\\ displaystyle (\\ mathsf (CaO + CO_ (2) \\ rightarrow CaCO_ (3))))

  При розчиненні в воді утворює вугільну кислоту:

  C O 2 + H 2 O ⇄ H 2 C O 3 (\\ displaystyle (\\ mathsf (CO_ (2) + H_ (2) O \\ rightleftarrows H_ (2) CO_ (3))))

  Реагує з лугами з утворенням карбонатів і гідрокарбонатів:

  C a (OH) 2 + CO 2 → C a CO 3 ↓ + H 2 O (\\ displaystyle (\\ mathsf (Ca (OH) _ (2) + CO_ (2) \\ rightarrow CaCO_ (3) \\ downarrow + H_ ( 2) O))) (Якісна реакція на вуглекислий газ) K O H + C O 2 → K H C O 3 (\\ displaystyle (\\ mathsf (KOH + CO_ (2) \\ rightarrow KHCO_ (3))))

  біологічні

  Організм людини виділяє приблизно 1 кг вуглекислого газу на добу.

  Цей вуглекислий газ переноситься від тканин, де він утворюється в якості одного з кінцевих продуктів метаболізму, по венозній системі і потім виділяється з повітрям, що видихається через легені. Таким чином, вміст вуглекислого газу в крові підвищується в венозної системі, і зменшується в капілярної мережі легких, і мало в артеріальній крові. Вміст вуглекислого газу в пробі крові часто висловлюють в термінах парціального тиску, тобто тиску, яке б мав міститься в пробі крові в даній кількості вуглекислий газ, якби весь обсяг проби крові займав тільки він.

  Вуглекислий газ (CO 2) транспортується в крові трьома різними способами (точне співвідношення кожного з цих трьох способів транспортування залежить від того, чи є кров артеріальної або венозної).

  Гемоглобін, основний кисень-транспортує білок еритроцитів крові, здатний транспортувати як кисень, так і вуглекислий газ. Однак вуглекислий газ зв'язується з гемоглобіном в іншому місці, ніж кисень. Він зв'язується з N-термінальними кінцями ланцюгів глобіну, а не з гемом. Однак завдяки аллостерическим ефектів, які призводять до зміни конфігурації молекули гемоглобіну при зв'язуванні, зв'язування вуглекислого газу знижує здатність кисню до зв'язування з ним же, при цьому парціальному тиску кисню, і навпаки - зв'язування кисню з гемоглобіном знижує здатність вуглекислого газу до зв'язування з ним же, при даному парціальному тиску вуглекислого газу. Крім цього, здатність гемоглобіну до переважного зв'язування з киснем або з вуглекислим газом залежить також і від pH середовища. Ці особливості дуже важливі для успішного захоплення і транспорту кисню з легенів до тканин і його успішного вивільнення в тканинах, а також для успішного захоплення і транспорту вуглекислого газу з тканин в легені і його вивільнення там.

  Вуглекислий газ є одним з найважливіших медіаторів ауторегуляції кровотоку. Він є потужним вазодилататором. Відповідно, якщо рівень вуглекислого газу в тканини або в крові підвищується (наприклад, внаслідок інтенсивного метаболізму - викликаного, скажімо, фізичним навантаженням, запаленням, пошкодженням тканин, або внаслідок утруднення кровотоку, ішемії тканини), то капіляри розширюються, що призводить до збільшення кровотоку і відповідно до збільшення доставки до тканин кисню і транспорту з тканин накопиченої вуглекислоти. Крім того, вуглекислий газ в певних концентраціях (підвищених, але ще не досягають токсичних значень) робить позитивний інотропну і хронотропное дію на міокард і підвищує його чутливість до адреналіну, що призводить до збільшення сили і частоти серцевих скорочень, величини серцевого викиду і, як наслідок , ударного і хвилинного об'єму крові. Це також сприяє корекції тканинної гіпоксії і гіперкапнії (підвищеного рівня вуглекислоти).

  Іони гідрокарбонату дуже важливі для регуляції pH крові і підтримки нормального кислотно-лужної рівноваги. Частота дихання впливає на вміст вуглекислого газу в крові. Слабке або уповільнене дихання викликає респіраторний ацидоз, в той час як прискорене і надмірно глибоке дихання призводить до гіпервентиляції і розвитку респіраторного алкалозу.

  Крім того, вуглекислий газ також важливий в регуляції дихання. Хоча наш організм потребує кисню для забезпечення метаболізму, низький вміст кисню в крові або в тканинах зазвичай не стимулює дихання (вірніше, стимулюючий вплив нестачі кисню на дихання занадто слабо і «включається» пізно, при дуже низьких рівнях кисню в крові, при яких людина нерідко вже втрачає свідомість). У нормі дихання стимулюється підвищенням рівня вуглекислого газу в крові. Дихальний центр набагато більш чутливий до підвищення рівня вуглекислого газу, ніж до браку кисню. Як наслідок цього, дихання сильно розрідженим повітрям (з низьким парціальним тиском кисню) або газовою сумішшю, взагалі не містить кисню (наприклад, 100% азотом або 100% закисом азоту) може швидко привести до втрати свідомості без виникнення відчуття нестачі повітря (оскільки рівень вуглекислоти в крові не підвищується, бо ніщо не перешкоджає її видихання). Це особливо небезпечно для пілотів військових літаків, що літають на великих висотах (В разі аварійної розгерметизації кабіни пілотів можуть швидко втратити свідомість). Ця особливість системи регуляції дихання також є причиною того, чому в літаках стюардеси інструктують пасажирів в разі розгерметизації салону літака в першу чергу надягати кисневу маску самим, перш ніж намагатися допомогти кому-небудь ще - роблячи це, що допомагає ризикує швидко втратити свідомість сам, причому навіть НЕ відчуваючи до останнього моменту будь-якого дискомфорту і потреби в кисні.

  Дихальний центр людини намагається підтримувати парціальний тиск вуглекислого газу в артеріальній крові не вище 40 мм ртутного стовпа. При свідомої гіпервентиляції вміст вуглекислого газу в артеріальній крові може знизитися до 10-20 мм ртутного стовпа, при цьому вміст кисню в крові практично не зміниться або збільшиться незначно, а потреба зробити черговий вдих зменшиться як наслідок зменшення стимулюючого впливу вуглекислого газу на активність дихального центру. Це є причиною того, чому після деякого періоду свідомої гіпервентиляції легше затримати дихання надовго, ніж без попередньої гіпервентиляції. Така свідома гіпервентиляція з наступною затримкою дихання може привести до втрати свідомості до того, як людина відчує потребу зробити вдих. У безпечній обстановці така втрата свідомості нічим особливим не загрожує (знепритомнівши, людина втратить і контроль над собою, перестане затримувати дихання і зробить вдих, дихання, а разом з ним і постачання мозку киснем відновиться, а потім відновиться і свідомість). Однак в інших ситуаціях, наприклад, перед пірнанням, це може бути небезпечним (втрата свідомості і потреба зробити вдих настануть на глибині, і за відсутності свідомого контролю в дихальні шляхи потрапить вода, що може привести до втоплення). Саме тому гіпервентиляція перед пірнанням небезпечна і не рекомендується.

  отримання

  У промислових кількостях вуглекислота виділяється з димових газів, або як побічний продукт хімічних процесів, Наприклад, при розкладанні природних карбонатів (вапняк, доломіт) або при виробництві алкоголю (спиртове бродіння). Суміш отриманих газів промивають розчином карбонату калію, які поглинають вуглекислий газ, переходячи в гідрокарбонат. Розчин гідрокарбонату при нагріванні або при зниженому тиску розкладається, вивільняючи вуглекислоту. У сучасних установках отримання вуглекислого газу замість гідрокарбонату частіше застосовується водний розчин моноетаноламіна, який за певних умов здатний абсорбувати СО₂, що міститься в димовому газі, а при нагріванні віддавати його; таким чином відокремлюється готовий продукт від інших речовин.

  Також вуглекислий газ отримують на установках поділу повітря як побічний продукт отримання чистого кисню, азоту та аргону.

  У лабораторних умовах невеликі кількості отримують взаємодією карбонатів і гідрокарбонатів з кислотами, наприклад мармуру, крейди або соди з соляною кислотою, використовуючи, наприклад, апарат кіп. Використання реакції сірчаної кислоти з крейдою або мармуром призводить до утворення малорастворимого сульфату кальцію, який заважає реакції, і який віддаляється значним надлишком кислоти.

  Для приготування напоїв може бути використана реакція харчової соди з лимонною кислотою або з кислим лимонним соком. Саме в такому вигляді з'явилися перші газовані напої. Їх виготовленням і продажем займалися аптекарі.

  застосування

  У харчовій промисловості вуглекислота використовується як консервант і розпушувач, позначається на упаковці кодом Е290.

  Пристрій для подачі вуглекислого газу в акваріум може включати в себе резервуар з газом. Найпростіший і найпоширеніший метод отримання вуглекислого газу заснований на конструкції для виготовлення алкогольного напою браги. При бродінні, що виділяється вуглекислий газ цілком може забезпечити підживлення акваріумних рослин

  Вуглекислий газ використовується для газування лимонаду і газованої води. Вуглекислий газ використовується також як захисне середовище при зварюванні дротом, але при високих температурах відбувається його розпад з виділенням кисню. Вирізняється кисень окисляє метал. У зв'язку з цим доводиться в зварювальний дріт вводити раскислители, такі як марганець і кремній. Іншим наслідком впливу кисню, також пов'язаного з окисленням, є різке зниження поверхневого натягу, що приводить, серед іншого, до більш інтенсивного розбризкування металу, ніж при зварюванні в інертному середовищі.

  Зберігання вуглекислоти в сталевому балоні в зрідженому стані вигідніше, ніж у вигляді газу. Вуглекислота має порівняно низьку критичну температуру + 31 ° С. У стандартний 40-літровий балон заливають близько 30 кг зрідженого вуглекислого газу, і при кімнатній температурі в балоні буде знаходитися рідка фаза, а тиск складе приблизно 6 МПа (60 кгс / см²). Якщо температура буде вище + 31 ° С, то вуглекислота перейде в надкритичної стан з тиском вище 7,36 МПа. Стандартне робочий тиск для звичайного 40-літрового балона становить 15 МПа (150 кгс / см²), проте він повинен безпечно витримувати тиск в 1,5 рази вище, тобто 22,5 МПа, - таким чином, робота з подібними балонами може вважатися цілком безпечною.

  Тверда вуглекислота - «сухий лід» - використовується в якості холодоагенту в лабораторних дослідженнях, в роздрібній торгівлі, при ремонті обладнання (наприклад: охолодження однієї з деталей, що при посадці внатяг) і т. Д. Для зрідження вуглекислого газу і отримання сухого льоду застосовуються вуглекислотні установки.

  методи реєстрації

  Вимірювання парціального тиску вуглекислого газу потрібно в технологічних процесах, В медичних цілях - аналіз дихальних сумішей при штучній вентиляції легень і в замкнутих системах життєзабезпечення. Аналіз концентрації CO 2 в атмосфері використовується для екологічних і наукових досліджень, Для вивчення парникового ефекту. Вуглекислий газ реєструють за допомогою газоаналізаторів заснованих на принципі інфрачервоної спектроскопії та інших газовимірювальних систем. Медичний газоаналізатор для реєстрації вмісту вуглекислоти в повітрі, що видихається називається капнограф. Для вимірювання низьких концентрацій CO 2 (а також) в технологічних газах або в атмосферному повітрі можна використовувати газохроматографічний метод з метанатором і реєстрацією на полум'яно-іонізаційному детекторі.

  Вуглекислий газ в природі

  Щорічні коливання концентрації атмосферної вуглекислоти на планеті визначаються, головним чином, рослинністю середніх (40-70 °) широт Північної півкулі.

  Велика кількість вуглекислоти розчинено в океані.

  Вуглекислий газ становить значну частину атмосфер деяких планет Сонячної системи: Венери, Марса.

  токсичність

  Вуглекислий газ нетоксичний, але по впливу його підвищених концентрацій в повітрі на воздуходишащіе живі організми його відносять до задушливим газам (Англ.)рос.. Незначні підвищення концентрації до 2-4% в приміщеннях призводять до розвитку у людей сонливості і слабкості. Небезпечними концентраціями вважаються рівні близько 7-10%, при яких розвивається задуха, що проявляє себе в головного болю, запаморочення, розлад слуху і у втраті свідомості (симптоми, схожі з симптомами висотної хвороби), в залежності від концентрації, протягом часу від кількох хвилин до однієї години. При вдиханні повітря з високими концентраціями газу смерть настає дуже швидко від задухи.

  Хоча, фактично, навіть концентрація 5-7% CO 2 не смертельна, вже при концентрації 0,1% (такий зміст вуглекислого газу спостерігається в повітрі мегаполісів) люди починають відчувати слабкість, сонливість. Це показує, що навіть при високих змістах кисню велика концентрація CO 2 сильно впливає на самопочуття.

  Вдихання повітря з підвищеною концентрацією цього газу не призводить до довготривалих розладів здоров'я і після видалення потерпілого із загазованого атмосфери швидко настає повне відновлення здоров'я.

  вуглець

  Елемент вуглець 6 С знаходиться в 2-му періоді, в головній підгрупі IV групи ПС.

  Валентні можливості вуглецю обумовлені будовою зовнішнього електронного шару його атома в основному і в збудженому станах:

  Перебуваючи в основному стані, атом вуглецю може утворити дві ковалентні зв'язки за обмінним механізмом і одну донорно-акцепторні зв'язок, Використовую вільну орбіталь. Однак в більшості з'єднань атоми вуглецю знаходяться в збудженому стані і проявляють валентність IV.

  Найбільш характерні ступені окислення вуглецю: в з'єднаннях з більш електронегативними елементами +4 (рідше +2); в з'єднаннях з менш електронегативними елементами -4.

  Знаходження в природі

  Зміст вуглецю в земній корі 0,48% за масою. Вільний вуглець знаходиться у вигляді алмазу і графіту. Основна маса вуглецю зустрічається у вигляді природних карбонатів, а також в горючих копалин: торфі, вугіллі, нафті, природному газі (суміш метану і його найближчих гомологів). В атмосфері і гідросфері вуглець знаходиться у вигляді вуглекислого газу СО 2 (в повітрі 0,046% по масі).

  CaCO 3 - вапняк, крейда, мармур, ісландський шпат

  CaCO 3 ∙ MgCO 3 - доломіт

  SiC - карборунд

  CuCO 3 ∙ Cu (OH) 2 - малахіт

  Фізичні властивості

  алмазмає атомну кристалічну решітку, тетраедричну розташування атомів в просторі (валентний кут дорівнює 109 °), дуже твердий, тугоплавкий, діелектрик, безбарвний, прозорий, погано проводить теплоту.

  графітмає атомну кристалічну решітку, його атоми розташовані шарами по вершинах правильних шестикутників (валентний кут 120 °), темно-сірий, непрозорий, з металевим блиском, м'який, жирний на дотик, проводить тепло і електричний струм, як і алмаз має дуже високі температури плавлення (3700 ° С) і кипіння (4500 ° С). Довжина зв'язку вуглець-вуглець в алмазі (0,537 нм) більше, ніж в графіті (0,142 нм). Щільність алмазу більше, ніж графіту.

  Карбин - лінійний полімер, складається з ланцюжків двох типів: -C≡C-C≡C- або \u003d С \u003d С \u003d С \u003d С \u003d, валентний кут дорівнює 180 °, порошок чорного кольору, напівпровідник.

  
  
  

  фулерени – кристалічні речовини чорного кольору з металевим блиском, складаються з порожнистих кулястих молекул (має молекулярну будову) Складу З 60, З 70 і ін. Атоми вуглецю на поверхні молекул з'єднані між собою в правильні п'ятикутник і шестикутники.

  Алмаз Графіт Фуллерени

  Хімічні властивості

  Вуглець - малоактивний, на холоді реагує тільки з фтором; хімічна активність проявляється при високих температурах.

  оксиди вуглецю

  Вуглець утворює несолеобразующіе оксид СО і солеобразующіе оксид СО 2.

  Оксид вуглецю (II) СО, чадний газ, монооксид вуглецю - газ без кольору і запаху, малорастворим в воді, отруйний. Зв'язок в молекулі потрійна, дуже міцна. Для чадного газу характерні відновні властивості в реакціях з простими і складними речовинами.

  CuO + CO \u003d Cu + CO 2

  Fe 2 O 3 + 3CO \u003d 2FeO + 3CO 3

  2CO + O 2 \u003d 2CO 2

  CO + Cl 2 \u003d COCl 2

  CO + H 2 O \u003d H 2 + CO 2

  Оксид вуглецю (II) реагує з Н 2, NаOH і метанолом:

  CO + 2H 2 \u003d CH 3 OH

  CO + NаOH \u003d HCOONa

  CO + CH 3 OH \u003d CH 3 COOH

  Отримання чадного газу

  1) У промисловості (в газогенераторах):

  C + O 2 \u003d CO 2 + 402 кДж, потім CO 2 + C \u003d 2CO - 175 кДж

  З + Н 2 О \u003d СО + Н 2 - Q,

  2) В лабораторії - термічним розкладанням мурашиної або щавлевої кислоти в присутності H 2 SO4 (конц.):

  HCOOH → H2O + CO

  H 2 C 2 O 4 → CO + CO 2 + H2O

  Оксид вуглецю (IV) СО2, вуглекислий газ, діоксид вуглецю - газ без кольору, запаху і смаку, розчинний у воді, в великих кількостях викликає задуху, під тиск перетворюється в білу тверду масу - «сухий лід», який використовується для охолодження швидкопсувних продуктів.

  Молекула СО 2 неполярна, має лінійну будову O \u003d C \u003d O.

  отримання

  1. Термічним розкладанням солей вугільної кислоти (карбонатів). Випал вапняку - в промисловості:

  CaCO 3 → CaO + CO 2

  2. Дією сильних кислот на карбонати і гідрокарбонати - в лабораторії:

  CaCO 3 (мармур) + 2HCl → CaCl 2 + H 2 O + CO 2

  NaHCO 3 + HCl → NaCl + H 2 O + CO 2

  способи збирання

  витісненням повітря

  3. Від згоряння вуглець речовин:

  СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2

  4. При повільному окисленні в біохімічних процесах (дихання, гниття, бродіння)

  Хімічні властивості

  1) З водою дає неміцну вугільну кислоту:

  СО 2 + Н 2 О ↔ Н 2 СО 3

  2) Реагує з основними оксидами і підставами, утворюючи солі вугільної кислоти

  Na 2 O + CO 2 → Na 2 CO 3

  2NaOH + CO 2 → Na 2 CO 3 + H 2 O

  NaOH + CO 2 (надлишок) → NaHCO 3

  3) При підвищеній температурі може проявляти окисні властивості - окисляє метали

  СО2 + 2Mg → 2MgO + C

  4) Реагує з пероксидамі і надпероксида:

  2Na 2 O 2 + 2CO 2 \u003d 2Na 2 CO 3 + O 2

  4KO 2 + 2CO 2 \u003d 2K 2 CO 3 + 2O 2

  якісна реакція на вуглекислий газ

  Помутніння вапняної води Ca (OH) 2 за рахунок утворення білого осаду - нерозчинної солі CaCO 3:

  Ca (OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O

  вугільна кислота

  Н 2 СО 3 існує лише в розчинах, нестійка, слабка, двухосновная, дисоціює ступінчасто, утворює середні (карбонати) і кислі (гідрокарбонати) солі, розчин СО 2 в воді забарвлює лакмус не в червоний, а в рожевий колір.

  Хімічні властивості

  1) з активними металами

  H 2 CO 3 + Ca \u003d CaCO 3 + H 2

  2) з основними оксидами

  H 2 CO 3 + CaO \u003d CaCO 3 + H 2 O

  3) з підставами

  H 2 CO 3 (хат) + NaOH \u003d NaHCO 3 + H 2 O

  H 2 CO 3 + 2NaOH \u003d Na 2 CO 3 + 2H 2 O

  4) Дуже нетривка кислота - розкладається

  Н 2 СО 3 \u003d Н 2 О + СО 2

  Солі вугільної кислоти отримують з використанням СО 2:

  CO 2 + 2NaOH \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O

  CO 2 + KOH \u003d KHCO 3

  або по реакції обміну:

  K 2 CO 3 + BaCl 2 \u003d 2KCl + BaCO 3

  При взаємодії у водному розчині з СО 2 карбонати перетворюються в гідрокарбонати:

  Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d 2NaHCO 3

  CаCO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d Ca (HCO 3) 2

  Навпаки, при нагріванні (або під дією лугів) гідрокарбонати перетворюються в гідрокарбонати:

  2NaHCO 3 \u003d Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O

  KHCO 3 + KOH \u003d K 2 CO 3 + H 2 O

  Карбонати лужних металів (крім літію) до нагрівання стійкі, карбонати інших металів при нагріванні розкладаються:

  MgCO \u003d MgO + CO 2

  Особливо легко розкладаються амонійні солі вугільної кислоти:

  (NH 4) 2 CO 3 \u003d 2NH 3 + CO 2 + H 2 O

  NH 4 HCO 3 \u003d NH 3 + CO 2 + H 2 O

  застосування

  вуглець використовують для отримання сажі, коксу, металів з руд, мастильних матеріалів, в медицині, як поглинач газів, для виготовлення наконечників свердел (алмаз).

  Na 2 CO 3 ∙ 10H 2 O - кристалічна сода (кальцинована сода); використовується для отримання мила, скла, барвників, сполук натрію;

  NaHCO 3 - питна сода; використовується в харчовій промисловості;

  CaCO 3 використовується в будівництві, для полученіяСО 2, СаО;

  K 2 CO 3 - поташ; використовується для отримання скла, мила, добрив;

  CO - як відновник, паливо;

  СО 2 - для зберігання продуктів харчування, газування води, виробництва соди, цукру.

  Найбільш часто зустрічаються процеси утворення цієї сполуки - гниття тваринних і рослинних решток, горіння різних видів палива, дихання тварин і рослин. Наприклад, одна людина за добу виділяє в атмосферу близько кілограма вуглекислого газу. Оксид і діоксид вуглецю можуть утворюватися і в неживій природі. Вуглекислий газ виділяється при вулканічної діяльності, а також може бути видобутий з мінеральних водних джерел. Вуглекислий газ знаходиться в невеликим кількості і в атмосфері Землі.

  Особливості хімічної будови даного з'єднання дозволяють йому брати участь в безлічі хімічних реакцій, основою для яких є діоксид вуглецю.

  Формула

  У поєднанні цієї речовини чотиривалентний атом вуглецю утворює лінійну зв'язок з двома молекулами кисню. Зовнішній вигляд такої молекули можна представити так:

  

  Теорія гібридизації пояснює будову молекули діоксиду вуглецю так: дві існуючі сигма-зв'язку утворені між sp -орбіталямі атомів вуглецю і двома 2р -орбіталямі кисню; р-орбіталі вуглецю, які не беруть участі в гібридизації, пов'язані в з'єднанні з аналогічними орбиталями кисню. В хімічних реакціях вуглекислий газ записується у вигляді: CO 2.

  Фізичні властивості

  При нормальних умовах діоксид вуглецю є безбарвний газ, що не володіє запахом. Він важчий за повітря, тому вуглекислий газ і може вести себе, як рідина. Наприклад, його можна переливати з однієї ємності в іншу. Ця речовина трохи розчиняється в воді - в одному літрі води при 20 ⁰С розчиняється близько 0,88 л CO 2. Невелике зниження температури кардинально змінює ситуацію - в тому ж літрі води при 17⁰С може розчинитися 1,7 л CO 2. При сильному охолодженні ця речовина осідає у вигляді сніжинок - утворюється так званий «сухий лід». Така назва походить від того, що при нормальному тиску речовина, минаючи рідку фазу, відразу перетворюється в газ. Рідкий діоксид вуглецю утворюється при тиску трохи вище 0,6 МПа і при кімнатній температурі.

  

  Хімічні властивості

  При взаємодії з сильними окислювачами 4-діоксид вуглецю виявляє окисні властивості. Типова реакція цієї взаємодії:

  З + СО 2 \u003d 2СО.

  Так, за допомогою вугілля діоксид вуглецю відновлюється до своєї двухвалентной модифікації - чадного газу.

  При нормальних умовах вуглекислий газ інертний. Але деякі активні метали можуть в ньому горіти, витягуючи з сполуки кисень і вивільняючи газоподібний вуглець. Типова реакція - горіння магнію:

  2Mg + CO 2 \u003d 2MgO + C.

  В процесі реакції утворюється оксид магнію і вільний вуглець.

  

  В хімічних сполуках СО 2 часто проявляє властивості типового кислотного оксиду. Наприклад, він реагує з підставами і основними оксидами. Результатом реакції стають солі вугільної кислоти.

  Наприклад, реакція сполуки оксиду натрію з вуглекислим газом може бути представлена \u200b\u200bтак:

  Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3;

  2NaOH + CO 2 \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O;

  NaOH + CO 2 \u003d NaHCO 3.

  Вугільна кислота і розчин СО 2

  Діоксид вуглецю в воді утворює розчин з невеликим ступенем дисоціації. Такий розчин вуглекислого газу називається вугільної кислотою. Вона безбарвна, слабко виражена і має кислуватий смак.

  Запис хімічної реакції:

  CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

  Рівновага досить сильно зрушено вліво - лише близько 1% початкового вуглекислого газу перетворюється у вугільну кислоту. Чим вище температура - тим менше в розчині молекул вугільної кислоти. При кипінні з'єднання вона зникає повністю, і розчин розпадається на вуглекислий газ і воду. структурна формула вугільної кислоти представлена \u200b\u200bнижче.

  

  Властивості вугільної кислоти

  Вугільна кислота дуже слабка. У розчинах вона розпадається на іони водню Н + та з'єднання НСО 3 -. У дуже невеликій кількості утворюються іони СО 3 -.

  Вугільна кислота - двухосновная, тому солі, утворені нею, можуть бути середніми і кислими. Середні солі в російській хімічної традиції називаються карбонатами, а сильні - гідрокарбонатами.

  якісна реакція

  Одним з можливих способів виявлення газоподібного діоксиду вуглецю є зміна прозорості вапняного розчину.

  Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 3 ↓ + H 2 O.

  Цей досвід відомий ще з шкільного курсу хімії. На початку реакції утворюється невелика кількість білого осаду, який згодом зникає при пропущенні через воду вуглекислого газу. Зміна прозорості відбувається тому, що в процесі взаємодії нерозчинний з'єднання - карбонат кальцію перетворюється в розчинний речовину - гідрокарбонат кальцію. Реакція протікає по такому шляху:

  CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2.

  Отримання діоксиду вуглецю

  Якщо потрібно отримати невелику кількість СО2, можна запустити реакцію соляної кислоти з карбонатом кальцію (мармуром). Хімічна запис цієї взаємодії виглядає так:

  CaCO 3 + HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2.

  Також для цієї мети використовують реакції горіння вуглець речовин, наприклад ацетилену:

  СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2 -.

  Для збору і зберігання отриманого газоподібної речовини використовують апарат кіп.

  Для потреб промисловості і сільського господарства масштаби отримання діоксиду вуглецю повинні бути великими. Популярним методом такої масштабної реакції є випал вапняку, в результаті якого виходить діоксид вуглецю. Формула реакції приведена нижче:

  CaCO 3 \u003d CaO + CO 2.

  Застосування діоксиду вуглецю

  Харчова промисловість після масштабного отримання «сухого льоду» перейшла на принципово новий метод зберігання продуктів. Він незамінний при виробництві газованих напоїв і мінеральної води. Вміст СО 2 в напоях надає їм свіжість і помітно збільшує термін зберігання. А карбідізація мінеральних вод дозволяє уникнути затхлості і неприємного смаку.

  

  У кулінарії часто використовують метод погашення лимонної кислоти оцтом. Виділяється при цьому вуглекислий газ надає пишність і легкість кондитерським виробам.

  Дане з'єднання часто використовується в якості харчової добавки, Що підвищує термін зберігання харчових продуктах. Відповідно до міжнародних норм класифікації хімічних добавок вмісту в продуктах, проходить під кодом Е 290,

  Порошкоподібний вуглекислий газ - одне з найбільш популярних речовин, що входять до складу для пожежогасіння сумішей. Ця речовина зустрічається і в піні вогнегасників.

  Транспортувати і зберігати вуглекислий газ найкраще в металевих балонах. При температурі понад 31⁰С тиск в балоні може досягти критичного і рідкий СО2 перейде в сверхкритическое стан з різким підйомом робочого тиску до 7,35 МПа. Металевий балон витримує внутрішній тиск до 22 МПа, тому діапазон тиску при температурах понад тридцять градусів визнається безпечним.