ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Углекислый газ (диоксид углерода) при обычных условиях - бесцветный газ, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, благодаря чему его можно переливать, как жидкость, из одного сосуда в другой.
Масса 1 л CO 2 при нормальных условиях составляет 1,98 г. Растворимость диоксида углерода в воде невелика: 1 объем воды при 20 o С растворяет 0,88 объема CO 2 , а при 0 o С - 1,7 объема.
Под давлением около 0,6 МПа диоксид углерода при комнатной температуре превращается в жидкость. Жидкий диоксид углерода хранят в стальных баллонах. При быстром выливании его из баллона поглощается вследствие испарения так много теплоты, что CO 2 превращается в твердую белую снегообразную массу, которая, не плавясь, сублимируется при -78,5 o С.
Раствор CO 2 в воде имеет кисловатый вкус и обладает слабокислой реакцией, обусловленной присутствием в растворе небольших количеств угольной кислоты H 2 CO 3 , образующейся в результате обратимой реакции:
CO 2 + H 2 O↔H 2 CO 3 .
Некоторые свойства углекислого газа представлены в таблице ниже:
Получение углекислого газа
Углекислый газ в небольших количествах получают действием кислот на карбонаты:
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 .
В промышленном масштабе CO 2 получают главным образом как побочный продукт в процессе синтеза аммиака:
CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 ;
CO + H 2 O = CO 2 + H 2 .
Кроме этого, большие количества углекислого газа получают при обжиге известняка:
CaCO 3 = CaO + CO 2 .
Химические свойства углекислого газа
Углекислый газ проявляет кислотные свойства: реагирует сощелочами, гидратом аммиака. Восстанавливается активными металлами, водородом, углеродом.
CO 2 + NaOH dilute = NaHCO 3 ;
CO 2 + 2NaOH conc = Na 2 CO 3 + H 2 O;
CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 + H 2 O;
CO 2 + BaCO 3 + H 2 O = Ba(HCO 3) 2 ;
CO 2 + NH 3 ×H 2 O = NH 4 HCO 3 ;
CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O (t = 200 o C, kat. Cu 2 O);
CO 2 + C = 2CO (t > 1000 o C);
CO 2 + 2Mg = C + 2MgO;
2CO 2 + 5Ca = CaC 2 + 4CaO (t = 500 o C);
2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2 .
Применение углекислого газа
Углекислый газ применяется при получении соды по аммиачно-хлоридному способу, для синтеза карбамида, для получения солей угольной кислоты, а также для газирования фруктовых и минеральных вод и других напитков.
Твердый диоксид углерода под названием «сухой лед» применяется для охлаждения скоропортящихся продуктов, для производства и сохранения мороженого, а также многих других случаях, когда требуется получение низкой температуры.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Какой объем и какая масса углекислого газа выделятся при термическом разложении карбоната кальция массой 45,4 г? |
| Решение | Запишем уравнение термического разложения карбоната кальция:
CaCO 3 = CaO + CO 2 . Найдем количество вещества карбоната кальция: n(CaCO 3) = m(CaCO 3) / M(CaCO 3); M(CaCO 3) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 40 + 12 + 3×16 = 100 г/моль; n(CaCO 3) = 45,4 / 100 = 0,454 моль. Согласно уравнению реакции n(CaCO 3) :n(CO 2) = 1: 1, следовательно n(CaCO 3) =n(CO 2) =0,454 моль. Рассчитаем массу и объем выделившегося углекислого газа: V(CO 2) = V m ×n(CO 2) = 22,4 ×0,454 = 10,2 л; m(CO 2) = n(CO 2)× М(CO 2); М(CO 2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12 + 2×16 = 44 г/моль; m(CO 2) = 0,454 ×44 = 20 г. |
| Ответ | Масса углекислого газа равна 20 г, объем - 10,2 л. |
От количества углекислого газа в кровяном русле человека зависит нормальное функционирование всех систем жизнедеятельности. Диоксид углерода повышает сопротивляемость организма к бактериальным и вирусным инфекциям, участвует в обмене биологически активных веществ. При физических и интеллектуальных нагрузках углекислый газ помогает поддерживать равновесие организма. Но значительное увеличение этого химического соединения в окружающей атмосфере ухудшает самочувствие человека. Вред и польза углекислого газа для существования жизни на Земле еще не до конца изучены.
Характерные особенности углекислого газа
Двуокись углерода, угольный ангидрид, углекислый газ - газообразное химическое соединение, не обладающее цветом и запахом. Вещество в 1, 5 раза тяжелее воздуха, а его концентрация в атмосфере Земли составляет приблизительно 0,04 %. Отличительной особенностью углекислого газа является отсутствие жидкой формы при увеличении давления - соединение сразу переходит в твердое состояние, известное как «сухой лед». Но при создании определенных искусственных условий двуокись углерода принимает форму жидкости, что широко используется для ее транспортировки и длительного хранения.
Интересный факт
Углекислый газ не становится преградой для ультрафиолетовых лучей, которые поступают в атмосферу от Солнца. А вот инфракрасное излучение Земли абсорбируется углеродным ангидридом. Это и становится причиной глобального потепления с момента образования огромного количества промышленных производств.
В течение суток организм человека поглощает и метаболизирует около 1 кг двуокиси углерода. Она принимает активное участие в обмене веществ, который происходит в мягких, костных, суставных тканях, а затем попадает в венозное русло. С потоком крови углекислый газ поступает в легкие и покидает организм при каждом выдохе.
Химическое вещество находится в теле человека преимущественно в венозной системе. Капиллярная сеть легочных структур и артериальная кровь содержат небольшую концентрацию углекислого газа. В медицине используется термин «парциальное давление», характеризующий концентрационное соотношение соединения по отношению ко всему объему крови.
Терапевтические свойства двуокиси углерода
Проникновение углекислого газа в организм вызывает у человека дыхательный рефлекс. Повышение давления химического соединения провоцирует тонкие нервные окончания посылать импульсы к рецепторам головного или (и) спинного мозга. Именно так происходят процессы вдоха и выдоха. Если уровень углекислоты в крови начинает повышаться, то легкие ускоряют его выделение из тела.
Интересный факт
Ученые доказали, что значительная продолжительность жизни у людей, проживающих в высокогорье, непосредственно связана с большим содержанием углекислого газа в воздухе. Он повышает иммунитет, нормализует обменные процессы, укрепляет сердечно-сосудистую систему.
В организме человека двуокись углерода является одним из важнейших регуляторов, выступая в качестве основного продукта наравне с молекулярным кислородом. Роль углекислого газа в процессе жизнедеятельности человека сложно переоценить. К основным функциональным особенностям вещества можно отнести следующие:
- обладает способностями вызывать стойкое расширение крупных сосудов и капилляров;
- способно оказывать седативное влияние на центральную нервную системы, провоцируя анестезирующее действие;
- принимает участие в продуцировании важнейших аминокислот;
- возбуждает дыхательный центр при увеличении концентрации в кровяном русле.
Если в организме ощущается острый дефицит углекислого газа, то все системы мобилизуются и повышают свою функциональную активность. Все процессы в организме направлены на восполнение запасов двуокиси углерода в тканях и кровяном русле:
- сосуды сужаются, развивается бронхоспазм гладкой мускулатуры верхних и нижних дыхательных путей, а также кровеносных сосудов;
- бронхи, бронхиолы, структурные отделы легких секретируют повышенной количество слизи;
- снижается проницаемость крупных и мелких кровеносных сосудов, капилляров;
- на клеточных мембранах начинает откладываться холестерин, что вызывает их уплотнение и тканевой склероз.
Совокупность всех этих патологических факторов в сочетании с малым поступлением молекулярного кислорода приводит к гипоксии тканей и снижению скорости течения крови в венах. Особенно остро ощущается кислородное голодание в клетках головного мозга, они начинают разрушаться. Нарушается регуляция всех систем жизнедеятельности: отекают мозг и легкие, снижается ритм сердечных сокращений. При отсутствии врачебного вмешательства человек может умереть.
Где используется углекислый газ
Углекислый газ находится не только в теле человека и в окружающей атмосфере. Многие промышленные производства активно используют химическое вещество на различных стадиях технологических процессов. Его применяют в качестве:
- стабилизатора;
- катализатора;
- первичного или вторичного сырья.
Интересный факт
Двуокись кислорода способствует преобразованию во вкусное терпкое домашнее вино. При брожении сахара, содержащегося в ягодах, выделяется углекислый газ. Он придает напитку игристость, позволяет ощутить лопающиеся пузырьки во рту.
На упаковке продуктов питания двуокись углерода скрывается под кодом Е290. Как правило, она используется в качестве консерванта для длительного хранения. При выпечке вкусных кексов или пирогов многие хозяйки добавляют в тесто разрыхлитель. В процессе приготовления образуются пузырьки воздуха, делающие сдобу пышной, мягкой. Это и есть углекислый газ - результат химической реакции между гидрокарбонатом натрия и пищевой кислотой. Любители аквариумных рыбок используют бесцветный газ в качестве активатора роста водных растений, а производители автоматических углекислотных установок помещают его в огнетушители.
Вред угольного ангидрида
Дети и взрослые очень любят разнообразные шипучие напитки за содержащиеся в них воздушные пузырьки. Эти скопления воздуха - чистый углекислый газ, выделяющийся при откручивании колпачка бутылки. Используемый в таком качестве, он не приносит организму человека никакой пользы. Попадая в желудочно-кишечный тракт, угольный ангидрид раздражает слизистые оболочки, провоцирует повреждение эпителиальных клеток.
Для человека с заболеваниями желудка крайне нежелательно употребление , так как под их воздействием усиливается воспалительный процесс и изъязвление внутренней стенки органов пищеварительной системы.
Гастроэнтерологи запрещают пить лимонады и минеральную воду пациентам с такими патологиями:
- острый, хронический, катаральный гастрит;
- язва желудка и двенадцатиперстной кишки;
- дуоденит;
- снижение перистальтики кишечника;
- доброкачественные и злокачественные новообразования желудочно-кишечного тракта.
Следует учесть, что по статистическим данным ВОЗ более половины жителей планеты Земля страдают от той или иной формы гастрита. Основные симптомы заболевания желудка: кислая отрыжка, изжога, вздутие живота и боли в эпигастральной области.
Если человек не в силах отказаться от употребления напитков с углекислым газом, то ему следует остановить выбор на слабогазированной минеральной воде.
Специалисты советуют исключить лимонады из повседневного рациона. После проведенных статистических исследований у людей, которые длительно пили сладкую воду с углекислым газом, были выявлены такие заболевания:
- кариес;
- эндокринные нарушения;
- повышенная хрупкость костной ткани;
- жировая дистрофия печени;
- образование конкрементов в мочевом пузыре и почках;
- нарушения метаболизма углеводов.
Сотрудники офисных помещений, не оборудованных кондиционерами, часто испытывают мучительные головные боли, тошноту, слабость. Это состояние у человека возникает при избыточном скоплении в комнате углекислого газа. Постоянное нахождение в такой обстановке приводит к ацидозу (повышению кислотности крови), провоцирует снижение функциональной активности всех систем жизнедеятельности.
Польза углекислого газа
Оздоровляющее действие двуокиси углерода на организм человека широко используется в медицине в терапии различных заболеваний. Так, в последнее время пользуются огромной популярностью сухие углекислые ванны. Процедура заключается в воздействии углекислого газа на тело человека при отсутствии посторонних факторов: давления воды и температуры окружающей среды.
Косметические салоны и лечебные учреждения предлагают клиентам проведение необычных врачебных манипуляций:
- пневмопунктуру;
- карбокситерапию.
Под сложными терминами скрываются газовые уколы или инъекции углекислым газом. Такие процедуры можно отнести как к разновидностям мезотерапии, так и к методикам реабилитации после перенесенных тяжелых заболеваний.
Перед проведением этих процедур следует посетить лечащего врача для консультации и тщательной диагностики. Как и все методики терапии, уколы с углекислым газом имеют противопоказания к применению.
Полезные свойства двуокиси углерода используются в терапии сердечно-сосудистых заболеваний, артериальной гипертензии. А сухие ванны снижают содержание свободных радикалов в организме, обладают омолаживающим действием. Углекислый газ увеличивает сопротивляемость человека вирусным и бактериальным инфекциям, укрепляет иммунитет, повышает жизненный тонус.
Ещё в прошлом веке были проведены различные исследования по влиянию CO 2 на организм человека. В 60-ых годах учёная О.В.Елисеева в своей диссертации привела детальное исследование, как влияет углекислый газ в концентрациях 0,1% (1000 ррm) до 0,5% (5000 ррm) на организм человека и пришла к выводу, что кратковременное вдыхание здоровыми людьми двуокиси углерода в этих концентрациях вызывает отчетливые сдвиги в функции внешнего дыхания, кровообращении и значительные ухудшения электрической активности головного мозга. Согласно ее рекомендациям, содержание CO 2 в воздухе жилых и общественных зданий не должно превышать 0,1% (1000 ррm), а среднее содержание CO 2 должно быть около 0,05% (500 ррm).
Специалисты знают, что существует прямая связь между концентрацией CO 2 и ощущением духоты. Это ощущение возникает у здорового человека уже на уровне 0,08% (т. е. 800 ррm). Хотя в современных офисах очень часто бывает 2000 ррm и более. И человек может не ощущать опасного воздействия CO 2 . Когда речь идёт о больном человеке, то порог его чувствительности ещё увеличивается.
Зависимость физиологических проявлений от содержания CO2 в воздухе приведена в таблице:
| Уровень CO 2 , ррm | Физиологические проявления у человека |
| Атмосферный воздух 380-400 | Идеально для здоровья и хорошего самочувствия. |
| 400-600 | Нормальное количество. Рекомендовано для детских комнат, спален, офисных помещений, школ и детских садов. |
| 600-1000 | Появляются жалобы на качество воздуха. У людей, страдающих астмой, могут учащаться приступы. |
| Выше 1000 | Общий дискомфорт, слабость, головная боль, концентрация внимания падает на треть, растёт число ошибок в работе. Может привести к негативным изменениям в крови, также могут появиться проблемы с дыхательной и кровеносной системами. |
| Выше 2000 | Количество ошибок в работе сильно возрастает, 70% сотрудников не могут сосредоточиться на работе. |
Основные изменения при вдыхании повышенных концентраций углекислого газа (гиперкапнии) происходят в центральной нервной системе, и носят они при этом фазный характер: сначала повышение, а затем снижение возбудимости нервных образований. Ухудшение условнорефлекторной деятельности наблюдается при концентрациях, близких к 2% – понижается возбудимость дыхательного центра мозга, уменьшается вентиляторная функция лёгких, нарушается гомеостаз (равновесие внутренней среды) организма путем либо повреждения клеток, либо путем раздражения рецепторов неадекватным уровнем определенного вещества. А при содержании углекислого газа до 5% происходит значительное снижение амплитуды вызванных потенциалов головного мозга, десинхронизация ритмов спонтанной электроэнцефалограммы с дальнейшим угнетением электрической активности мозга.
Что именно происходит при повышении концентрации CO 2 в воздухе, который попадает в организм? Увеличивается парциальное давление CO 2 в альвеолах, его растворимость в крови повышается, и образуется слабая угольная кислота (CO 2 + Н 2 O = Н 2 СО 3), распадающаяся, в свою очередь, на Н+ и НССО3-. Кровь закисляется, что по-научному называется газовым ацидозом . Чем выше концентрация CO 2 в воздухе, которым мы дышим, тем ниже рН крови и тем более кислую реакцию она имеет.
Когда начинается ацидоз, то сначала организм защищается, повышая концентрацию бикарбоната в плазме крови, – об этом свидетельствуют многочисленные биохимические исследования. Чтобы компенсировать ацидоз, почки усиленно выделяют Н+ и задерживают НССО 3 -. Потом включаются другие буферные системы, и вторичные биохимические реакции организма. Поскольку слабые кислоты, в т. ч. и угольная (Н 2 СО 3), могут образовывать с ионами металлов слаборастворимые соединения (СаСО 3), то они откладываются в виде камней, прежде всего в почках.
Сотрудник медицинской научно-исследовательской лаборатории военно-морского подводного флота США Карл Шафер исследовал, как влияют различные концентрации углекислого газа на морских свинок. Грызунов восемь недель содержали при 0,5% CO 2 (кислород был в норме – 21%), после чего у них наблюдалась значительная кальцификация почек. Она отмечалась даже после длительного воздействия на морских свинок меньших концентраций – 0,3% CO 2 (3000 ррm). Но это еще не все. Шафер и его коллеги нашли у свинок через восемь недель воздействия 1%-го CO 2 деминерализацию костей , а также структурные изменения в легких. Исследователи расценили эти заболевания как адаптацию организма к хроническому воздействию повышенного уровня CO 2 .
 |
Отличительной особенностью долгосрочной гиперкапнии (повышенное CO 2) являются длительные отрицательные последствия. Несмотря на нормализацию атмосферного дыхания, в организме человека продолжительное время наблюдаются изменения биохимического состава крови, снижение иммунологического статуса, устойчивости к физическим нагрузкам и другим внешним воздействиям.
Вывод – во избежание негативных последствий, содержание углекислого газа во вдыхаемом воздухе нужно обязательно контролировать. Для этой цели отлично подходит современный и надежный прибор – .
На промышленном предприятии при приеме на работу нового сотрудника, который будет иметь допуск к работам с продуктами углекислого газа, его в обязательном порядке проинструктирует инспектор по охране труда.
Предприниматель или частным образом работающий сварщик такого «сервиса» лишены, но о наиболее сложных сторонах «взаимодействия» с углекислотой или сухим льдом должны знать не меньше. На самом деле: чем опасна углекислота как таковая, и в каких случаях нужно быть особенно осторожным при работе с ней?
Смертельно опасная концентрация углекислого газа
В обычном атмосферном воздухе углекислого газа содержится около 0,04%. В такой концентрации диоксид углерода необходим и полезен всему живому, в том числе и человеку. Однако при превышении данного уровня всего в 3-5 раз люди начинают ощущать общую слабость, при вдыхании воздуха с 10-кратным увеличением концентрации диоксида углерода возможны серьезные последствия для здоровья, а при 250-кратном превышении нормы содержания CO2 может наступить потеря сознания и смерть.
Проветривание помещений – простая и эффективная мера безопасности
В комнате, складском помещении или гаражном боксе концентрация углекислого газа может расти не только в процессе работы. Моментально испаряющаяся которой обычно выполняется посредством замены пустого баллона на полный, может улетучиваться через дефектный вентиль. А сухой лед, правда, с меньшей интенсивностью, испаряется даже при хранении в изотермическом боксе. Самой надежной мерой безопасности является организация эффективной приточной вентиляции или обыкновенное проветривание помещений через открытые окна. Не забывайте об этом!
, двуокись углерода , свойства диоксида углерода , получение диоксида углерода
Он не пригоден для поддержания жизни. Однако именно им «питаются» растения, превращая его в органические вещества. К тому же он является своеобразным «одеялом» Земли. Если этот газ вдруг исчезнет из атмосферы, на Земле станет гораздо прохладнее, а дожди практически исчезнут.
«Одеяло Земли»
(двуокись углерода, диоксид углерода, CO 2) формируется при соединении двух элементов: углерода и кислорода. Он образуется в процессе сжигания угля или углеводородных соединений, при ферментации жидкостей, а также как продукт дыхания людей и животных. В небольших количествах он содержится и в атмосфере, откуда он ассимилируется растениями, которые, в свою очередь, производят кислород.
Углекислый газ бесцветен и тяжелее воздуха. Замерзает при температуре −78.5°C с образованием снега, состоящего из двуокиси углерода. В виде водного раствора он образует угольную кислоту, однако она не обладает достаточной стабильностью для того, чтобы ее можно было легко изолировать.
Углекислый газ — это «одеяло» Земли. Он легко пропускает ультрафиолетовые лучи, которые обогревают нашу планету, и отражает инфракрасные, излучаемые с ее поверхности в космическое пространство. И если вдруг углекислый газ исчезнет из атмосферы, то это в первую очередь скажется на климате. На Земле станет гораздо прохладнее, дожди будут выпадать очень редко. К чему это в конце концов приведет, догадаться нетрудно.
Правда, такая катастрофа нам пока еще не грозит. Скорее даже, наоборот. Сжигание органических веществ: нефти, угля, природного газа, древесины - постепенно увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере. Значит, со временем надо ждать значительного потепления и увлажнения земного климата. Кстати, старожилы считают, что уже сейчас заметно теплее, чем было во времена их молодости...
Двуокись углерода выпускается жидкая низкотемпературная, жидкая высокого давления и газообразная . Ее получают из отбросных газов производств аммиака, спиртов, а также на базе специального сжигания топлива и других производств. Газообразная двуокись углерода - газ без цвета и запаха при температуре 20°С и давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), плотность - 1,839 кг/м 3 . Жидкая двуокись углерода - просто бесцветная жидкость без запаха.
Нетоксичен и невзрывоопасен. При концентрациях более 5% (92 г/м 3) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека — она тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья.
Получение двуокиси углерода
В промышленности углекислый газ получают из печных газов , из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании разлагается, высвобождая углекислоту. При промышленном производстве газ закачивается в баллоны.
В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами , например мрамора с соляной кислотой.
«Сухой лед» и прочие полезные свойства диоксида углерода
В повседневной практике углекислый газ используется достаточно широко. Например, газированная вода с добавками ароматных эссенций - прекрасный освежающий напиток. В пищевой промышленности диоксид углерода используется и как консервант — он обозначается на упаковке под кодом Е290 , а также в качестве разрыхлителя теста.
Углекислотными огнетушителями пользуются при пожарах. Биохимики нашли, что удобрение... воздуха углекислым газом весьма эффективное средство для увеличения урожайности различных культур. Пожалуй, такое удобрение имеет единственный, но существенный недостаток: применять его можно только в оранжереях. На заводах, производящих диоксид углерода, сжиженный газ расфасовывают в стальные баллоны и отправляют потребителям. Если открыть вентиль, то из отверстия с шипением вырывается... снег. Что за чудо?
Все объясняется просто. Работа, затраченная на сжатие газа, оказывается значительно меньше той, которая требуется на его расширение. И чтобы как-то компенсировать возникающий дефицит, углекислый газ резко охлаждается, превращаясь в «сухой лед» . Он широко используется для сохранения пищевых продуктов и перед обычным льдом имеет значительные преимущества: во-первых, «хладопроизводительность» его вдвое выше на единицу веса; во-вторых, он испаряется без остатка.
Углекислый газ используется в качестве активной среды при сварке проволокой , так как при температуре дуги углекислота разлагается на угарный газ СО и кислород, который, в свою очередь, и входит во взаимодействие с жидким металлом, окисляя его.
Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.