Что такое co2 в химии

Углекислый газ: характеристики и применение

Человечество научилось использовать газообразные вещества для поддержания искусственных процессов и реакций, в результате которых удаётся получить другие химические соединения. Кроме этого, различные газы используются для получения определённых физических явлений и свойств. Углекислый газ или СО2 обладает большим количеством качеств, которые не могут не использоваться в химической промышленности и быту.

Что такое углекислый газ

Оксид углерода (IV) представляет собой тяжёлый газ. Плотность углекислоты примерно в полтора раза больше чем у атмосферного воздуха. Несмотря на то, что этот газ уже при температуре минус 78,3 градуса Цельсия превращается в снегообразную массу, получить жидкую углекислоту при нормальном давлении не представляется возможным. Так называемый сухой лёд при малейшем повышении температуры сразу переходит из твёрдой, в газообразную форму. Получить жидкую углекислоту можно только при давлении более 60 атмосфер. В таких условиях газ конденсируется даже при комнатной температуре с образованием бесцветной жидкости.

Углекислый газ не окисляется, но может поддерживать горение некоторых металлов. В среде углекислоты, при определённых условиях, могут возгораться такие активные элементы как магний, кальций и барий. Этот газ хорошо растворим в воде, а в воздухе его содержится большое количество благодаря дыханию живых организмов и растений, наличию вулканической активности на земле, а также в результате сгорания органических веществ.

В результате растворения СО2 в воде в большой концентрации образуется угольная кислота. Это вещество может вступать в реакцию с фенолом и магнийорганическими соединениями. Углекислый газ также реагирует с щелочами. В результате такой реакции образуются соли и эфиры угольной кислоты.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ невозможно определить органами зрения или обоняния. Если концентрация СО2 невелика, то не будет ощущаться и вкуса, но при наличии большого количества этого газа в воздухе может ощущаться кисловатый привкус.

При большой концентрации углекислоты во вдыхаемом воздухе может наступить отравление. Признаками негативного воздействия СО2 на организм человека являются:

Шум и гул в ушах.
Обильный холодный пот.
Потеря сознания.

Учитывая тот факт, что углекислый газ тяжелее воздуха, его концентрация в нижней части помещения будет более значительной. По этой причине, первую очередь симптомы отравления могут наблюдаться у животных и детей, а также у взрослых очень маленького роста. Большая концентрация СО2 может привести к гибели людей. При потере сознания человек может оказаться на полу, где количество кислорода будет недостаточным для поддержания нормального процесса дыхания.

Углекислый газ: получение в промышленности

Существует большое количество способов промышленного получения углекислоты. Наиболее рентабельными являются варианты добычи газа, основанные на получении СО2, который образовывается на химических производствах в виде отходов.

Газообразный оксид углерода (IV) получают из промышленного дыма способом адсорбции моноэтаноламина. Частицы этого вещества подаются в трубу с отходами и вбирают в себя углекислоту. После прохождение через смесь CO2 моноэтаноламины направляются на очистку в специальные резервуары, в которых, при определённых показателях температуры и давления, происходит высвобождение углекислого газа.

Углекислый газ высокого качества получается в результате брожения сырья при изготовлении спиртных напитков. На таких производствах газообразный СО2 обрабатывают водородом, перманганатом калия и углем. В результате реакции получают жидкую форму углекислоты.

Твёрдое состояние СО2 или «сухой лёд» также получают из отходов пивоваренных заводов и ликероводочных производств. Это агрегатное состояние вещества в промышленных масштабах образуется в такой последовательности:

Из резервуара, где происходит брожение, газ подаётся в ёмкость для промывки.
Углекислота направляется в газгольдер, в котором подвергается воздействию повышенного давления.
В специальных холодильниках СО2 охлаждается до определённой температуры.
Образовавшаяся жидкость фильтруется через слой угля.
Углекислота снова направляется в холодильник, где производится дополнительное охлаждение вещества с последующим прессованием.

Таким образом получается высококачественный «сухой лёд», который может использоваться в пищевой промышленности, растениеводстве или в быту.

Применение углекислого газа

Благодаря наличию определённых физических и химических свойств углекислый газ может использоваться в различных сферах. В химической промышленности углекислота используется для:

Синтеза искусственных химических соединений.
Для очистки животной и растительной ткани.
Регулирования температуры реакций.
Нейтрализации щёлочи.

В металлургии CO2 применяется с целью:

Регулирования отвода воды в шахтах.
Создания лазерного луча для резки металлов.
Осаждения вредных газообразных веществ.

Кроме перечисленных областей углекислый газ активно используется при производстве бумаги. Оксид углерода применяется регулирования водородного показателя древесной массы, а также усиления мощности производственных машин.

Углекислый газ используется в пищевой промышленности в качестве добавки, которая оказывает консервирующее действие. При изготовлении выпечки СО2 применяется в качестве разрыхлителя. Газированные напитки также изготавливаются с применением углекислоты, а для хранения быстро портящихся продуктов используется «сухой лёд».

Незаменим углекислый газ и при выращивании овощей и фруктов в зимних теплицах. В таких помещения в воздухе недостаточное количество СО2, который необходим для «дыхания» растений, поэтому приходится искусственно насыщать атмосферу этим газом.

В медицине углекислота применяется во время проведения сложных операций на внутренних органах. Наиболее ценным качеством этого газа, является использование его для реанимационных мероприятий, ведь благодаря возможности повысить его концентрацию можно эффективно стимулировать процесс дыхания пациента.

При сварке металлов углекислота применяется в качестве инертного облака, которое служит защитой расплавленного участка от попадания в него активного кислорода. В результате такой обработки сварочный шов получается идеально ровным и не подверженным окислению.

Благодаря способности охлаждаться при испарении, СО2 используется для тушения пожаров. Заправленные этим веществом огнетушители являются эффективным средством борьбы с возгораниями на объектах, где применение порошковых или пенных средств тушения невозможно.

В быту углекислота используется в качестве напорного газа в пневматическом оружии, а также для отпугивания комаров и борьбы с грызунами.

Углекислый газ: хранение и транспортировка

Хранение СО осуществляется в баллонах чёрного цвета, на корпусе которых обязательно должна быть надпись «Углекислота».

Кроме этого, на ёмкости наносится маркировка, по которой можно получить информацию о производителе баллона, весе пустой ёмкости, а также узнать дату последнего освидетельствования. Нельзя использовать углекислотные баллоны, у которых:

Истёк срок освидетельствования.
Имеются повреждения.
Неисправны вентили.

Транспортировка наполненных газом баллонов должна осуществляться по следующим правилам:

Транспортировать ёмкости только в горизонтальном положении. Вертикальное размещение допускается только в том случае, если имеются специальные ограждения, которые препятствуют падению баллона во время перевозки.
Для безопасного перемещения на баллонах должны быть резиновые кольца.
Не допускать механических воздействий, а также чрезмерного нагрева.
Запрещается перевозка углекислотных баллонов в торговых аппаратах.

Кроме этого, техникой безопасности запрещается переносить баллоны вручную или перекатывать их по земле.

Хранение баллонов с углекислотой может осуществляться как в специально оборудованных помещениях, так и под открытым небом. В зданиях ёмкости следует размещать на расстоянии не менее 1 метра от отопительных приборов. При хранении на улице необходимо оградить ёмкости от воздействия прямых солнечных лучей и осадков, поэтому размещать резервуары таким способом рекомендуется под навесом. Если хранение баллонов осуществляется в неотапливаемом помещении или под открытым небом, то в зимнее время необходимо следить за тем, чтобы ёмкости не охлаждались ниже минус 40 градусов Цельсия.

Углекислый газ, он же углекислота, он же двуокись углерода…

Углекислый газ бесцветный газ с едва ощутимым запахом не ядовит, тяжелее воздуха. Углекислый газ широко распространен в природе. Растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н₂CO₃, придает ей кислый вкус. В воздухе содержится около 0,03% углекислого газа. Плотность в 1,524 раза больше плотности воздуха и равна 0,001976 г/см 3 (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Потенциал ионизации 14,3В. Химическая формула – CO₂.

Содержание

Как получилось так, что у данного газа столько много терминов неизвестно, но в сварочном производстве, согласно ГОСТ 2601, используется термин «углекислый газ». В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» принят термин «углекислота», а в ГОСТ 8050 — «двуокись углерода». Поэтому далее мы будем оперировать всеми этими понятиями.

Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре -78,5°С углекислый газ, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед».

Под давлением 528 кПа и при температуре -56,6°С углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).

Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и кислород только при температуре выше 2000°С.

Жидкая двуокись углерода

Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой, поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8-22,9°С не более 0,05%.

Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты.

Впервые жидкую двуокись углерода получили в 1823 г. Гемфри Дэви (Humphry Davy) и Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Сухой лед

При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении «тройной точки» она превращается в сухой лед, который забивает отверстие в понижающем редукторе, и дальнейший отбор газа прекращается. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения жидкой двуокиси углерода — поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.

История открытия углекислого газа

Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество. В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».

Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black).

Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO₃) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух». Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.

Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO₂ через водный раствор извести Ca(OH)₂ на дно осаждается карбонат кальция CaCO₃.

Способы получения углекислого газа

В статье «Как получить углекислый газ» рассказано все в мельчайших подробностях, здесь лишь скажем, что основными способами получения являются:

из известняка;
из газов при брожении спирта;
из газов котельных;
из газов производств химической отрасли.

Применение углекислого газа

Двуокись углерода чаще всего применяют:

для создания защитной среды при сварке полуавтоматом;
в производстве газированных напитков;
охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
для систем пожаротушения;
очистка сухим льдом от загрязнений поверхности изделий.

Применение углекислоты для сварки

Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование металла шва при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Низкий потенциал ионизации и теплопроводность способствуют образованию горячей зоны в центре столба дуги и как следствие более глубокое проплавление и меньшую ширину шва. Углекислый газ является активным газом, т.е. в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие.

Молекула углекислого газа CO₂, попадая в зону сварочной дуги распадается на атомарный кислород О и угарный газ СО. В результате происходит выгорание легирующих элементов металла сварочной ванны и окисление основного металла (возникает окалина, шлак и дым). Реакция окисления расплавленного металла сварного шва имеет следующий вид:

Fe + CO₂ = FeO + CO

Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлось образование большого количества дефектов в сварных швах (преимущественно пор). Поры при сварке возникают в результате кипения затвердевающего металла сварочной ванны от выделения окиси углерода (СО) из-за недостаточной его раскисленности. При этом поверхность сварного шва сильно окислена и имеет большое количество шлака ввиду окисляющей атмосферы внутри сварочной дуги. Помимо неудовлетворительного эстетического вида, при необходимости дальнейшего нанесения защитного покрытия потребуется дополнительная операция зачистки поверхности.

При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:

Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным кислородом нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (сварка порошковой проволокой).

Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный кислород окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:

Мэ + O = МэO, где Мэ — металл (марганец, алюминий или др.).

Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами. В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное — кремния, марганца, хрома, ванадия и др.

Особенно энергично окисление примесей происходит при полуавтоматической сварке. Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке вольфрамовым электродом — только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом. Для компенсации выгорания легирующих элементов в сварном шве, необходимо применять сварочную проволоку с повышенным содержанием раскислителей (кремния и марганца).

Уже давно известна зависимость, чем больше сила сварочного тока, тем больше размер капель расплавленного металла. В свою очередь увеличение размера капель электродного металла увеличивает разбрызгивание.

В настоящее время ввиду большого разбрызгивания металла сварочной ванны при сварке в углекислоте все чаще применяют сварочные смеси с аргоном. Производители сварочного оборудования не остались в стороне от данной проблемы и предусматривают специальный режим на сварочных полуавтоматах, при котором уменьшается эффект разбрызгивания. Еще один путь решения данного вопроса – это использование специальных спреев или жидкостей, которые не позволяют прикипать брызгам к металлу свариваемой детали. В любом случае применение любого из данных методов с лихвой окупит затраты времени и расходных материалов на удаление брызг путем механической зачистки.

При сварке тонких деталей применением оптимальных режимов сварки возможно добиться короткозамкнутого переноса электродного металла и тем самым получить минимальное разбрызгивание. Например, при использовании сварочной проволоки Ø 1 мм, силе сварочного тока 150 А и напряжения дуги 16-23 В происходит перенос металла небольшими каплями за счет поверхностного натяжения.

Для MAG сварки толстостенных конструкций целесообразно применение проволоки большого диаметра и, следовательно увеличение силы сварочного тока, увеличение разбрызгивания, что ведет к уменьшению скорости наплавки электродного металла. Для уменьшения разбрызгивания уменьшают скорость подачи сварочной проволоки. Поэтому применение чистой углекислоты оказывает негативное влияние на производительность сварки и качества сварного шва. Углекислоту в качестве защитного газа рационально применять при сварке порошковой проволокой (FCAW) углеродистых сталей поскольку обеспечивается короткозамкнутый перенос и хорошее качество сварного шва.

При выборе защитного газа стоит учитывать не только его стоимость, но и влияние потерь на разбрызгивание, последующую зачистку и общую трудоемкость процесса.

Вредность и опасность углекислого газа

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м 3 ) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как он 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. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м 3 (0,5%).

Хранение и транспортировка углекислого газа

Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050. Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.

Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по ГОСТ 949 или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы.

В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.

Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10. 15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке качество шва.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги.

Баллон окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА».

Углерод

Углерод — неметаллический элемент IV группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, является важнейшей частью всех органических веществ в природе.

Общая характеристика элементов IVa группы

От C к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Из элементов IVа группы углерод и кремний относятся к неметаллам, германий, олово и свинец — металлы.

C — 2s 2 2p 2
Si — 3s 2 3p 2
Ge — 4s 2 4p 2
Sn — 5s 2 5p 2
Pb — 6s 2 6p 2

Природные соединения

Аллотропных модификаций — графит, алмаз, фуллерен
MgCO₃ — магнезит
CaCO₃ — кальцит (мел, мрамор)
CaCO₃*MgCO₃ — доломит

Получение

Углерод получают в ходе пиролиза углеводородов (пиролиз — нагревание без доступа кислорода). Также применяется получение углеродистых соединений: древесины и каменного угля.

Химические свойства

Реакции с неметаллами

При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.

2С + O₂ → (t) 2CO (угарный газ — продукт неполного окисления углерода, образуется при недостатке кислорода)

С + O₂ → (t) CO₂ (углекислый газ — продукт полного окисления углерода, образуется при достаточном количестве кислорода)

При нагревании углерод реагирует с металлами, проявляя свои окислительные свойства. Напомню, что металлы могут принимать только положительные степени окисления.

Ca + C → CaC₂ (карбид кальция, СО углерода = -1)

Al + C → Al₄C₃ (карбид алюминий, СО углерода -4)

Очевидно, что степень окисления углерода в соединении с различными металлами может отличаться.

Углерод — хороший восстановитель. С помощью него металлургическая промышленность справляется с задачей получения чистых металлов из их оксидов:

Углерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:

SiO₂ + C → (t) Si + CO

Может восстановить и собственный оксид:

Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца — крайне важна в промышленности:

В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:

Оксид углерода II — СO

Оксид углерода II — продукт неполного окисления углерода. Несолеобразующий оксид. Это чрезвычайно опасное вещество часто образуется при пожарах в замкнутых помещениях, при прогревании машины в гараже.

Растворяясь в крови угарный газ (имеющий в 300 раз большее сродство к гемоглобину, чем кислород) легко выигрывает конкуренцию у кислорода и занимает его место в эритроцитах. Отравление угарным газом нередко заканчивается летальным исходом.

В промышленности угарный газ получают восстановлением оксида углерода IV или газификацией угля (t = 1000 °С).

В лаборатории угарный газ получают при разложении муравьиной кислоты в присутствии серной:

Химические свойства

Полностью окисляется до углекислого газа в реакции с кислородом, восстанавливает оксиды металлов.

FeO + CO → Fe + CO₂

Образование карбонилов — чрезвычайно токсичных веществ.

Оксид углерода IV — CO₂

Продукт полного окисления углерода. Относится к кислотным оксидам, соответствует угольной кислоте H₂CO₃. Бесцветный газ, без запаха.

В промышленности углекислый газ получают при разложении известняка, в ходе производства алкоголя, при спиртовом брожении глюкозы.

В лабораторных условиях используют реакцию мела (мрамора) с соляной кислотой.

Углекислый газ образуется при горении органических веществ:

Химические свойства

В результате реакции с водой образуется нестойкая угольная кислота, которая сразу же распадается на воду и углекислый газ.

В ходе реакций с основаниями и основными оксидами углекислый газ образует соли угольной кислоты: средние — карбонаты (при избытке основания), кислые — гидрокарбонаты (при избытке кислотного оксида).

2KOH + CO₂ → K₂CO₃ + H₂O (соотношение основание — кислотный оксид 2:1)

KOH + CO₂ → KHCO₃ (соотношение основание — кислотный оксид 1:1)

При нагревании способен окислять металлы до их оксидов.

Zn + CO₂ → (t) ZnO + CO

Угольная кислота

Слабая двухосновная кислота, существующая только в растворах, разлагается на воду и углекислый газ.

Химические свойства

Определить наличие карбонат-иона можно с помощью кислоты: такая реакция сопровождается «закипанием» — появлением пузырьков бесцветного газа без запаха.

Я не раз встречал описание реакций, связанных с этой кислотой, которое заслуживает нашего внимания. В задании было сказано, что при добавлении к раствору гидроксида кальция углекислого газа осадок появлялся, при дальнейшем пропускании углекислого газа — помутнение исчезало.

Это можно легко объяснить, вспомнив про способность угольной кислоты образовывать кислые соли, которые растворимы.

Чтобы сделать из средней соли (карбоната) — кислую соль (гидрокарбонат) нужно добавить угольную кислоту. Однако написать ее формулу H₂CO₃ — ошибка. Ее следует записать в виде воды и углекислого газа.

Li₂CO₃ + CO₂ + H₂O → LiHCO₃ (средняя соль + кислота = кислая соль)

Чтобы вернуть среднюю соль, следует добавить к кислой соли щелочь.

При нагревании карбонаты распадаются на соответствующий оксид металла и углекислый газ, гидрокарбонаты — на карбонат металла, углекислый газ и воду.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.