Качественной реакцией на углекислый газ является. Физические и химические свойства углекислого газа. Химические свойства углекислого газа

Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?

Углекислый газ и его физические свойства

Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.

Рис. 1. Молекула углекислого газа.

Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.

Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».

Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.

Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.

Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.

Чтобы вычислить массовые доли элементов в углекислом газе необходимо следовать формулерасчета массовых долей каждого химического элемента в веществе.

n – число атомов или молекул.
Ar – относительная атомная масса химического элемента.
Mr – относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27 % Так как в формулу углекислого газа входит два атома кислорода, то n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73 %

Ответ: w(C) = 0,27 или 27 %; w(O) = 0,73 или 73 %

Химические и биологические свойства углекислого газа

Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO₃=2CO+O₃.

Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:

СaO+Co₃=CaCO₃.

Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.

Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.

Продолжение. См. 21, 22, 23, 24, 25-26, 27-28, 29/2003

6. Подгруппа углерода

Знать : аллотропные модификации углерода, зависимость их свойств от строения кристаллической решетки; важнейшие свойства и применение углерода, оксидов углерода, угольной кислоты, карбонатов, кремния, оксидов кремния, кремниевой кислоты; состав и получение строительных материалов – стекла, цемента, бетона, керамики, условия их рационального хранения и использования; качественную реакцию на карбонат-ион; способы обнаружения углекислого газа.
Уметь : давать характеристику подгруппе элементов на основе строения атомов и положения элементов в периодической системе; описывать химические свойства изученных веществ уравнениями реакций; определять на практике карбонат-ион и углекислый газ; решать комбинированные задачи.
Основные понятия: адсорбция, десорбция, адсорбент, известковая вода, известковое молоко, карбиды, силициды, кремниевый ангидрид, керамика.

Контрольные вопросы

1. Какова валентность углерода в соединениях? Почему?
2. Какие аллотропные формы образует углерод?
3. В чем различие свойств графита и алмаза? Почему свойства этих веществ так различны?
4. Почему активированный уголь способен к адсорбции?
5. Что называется адсорбцией? Где применяется это свойство?
6. В какие реакции может вступать углерод? Напишите уравнения реакций.
7. Какие оксиды образует углерод?
8. Как устроена молекула монооксида углерода, какой в ней тип химической связи?
9. Как можно получить оксид углерода(II)? Приведите уравнение химической реакции.
10. Каковы физические свойства угарного газа?
11. В какие реакции может вступать монооксид углерода? Приведите уравнения химических реакций.
12. Где применяется оксид углерода(II)?
13. Как влияет угарный газ на живой организм? Как уберечься от отравления им?
14. Как устроена молекула диоксида углерода, какой в ней тип химической связи?
15. Как можно получить СО 2 ? Составьте уравнение реакции.
16. Каковы физические свойства углекислого газа?
17. Какие реакции возможны для диоксида углерода? Приведите соответствующие уравнения реакций.
18. Как образуются средние и кислые соли в реакциях СО 2 с щелочами? Напишите уравнения реакций.
19. Как распознать углекислый газ? Напишите уравнение качественной реакции на СО 2 .
20. Почему СО 2 не поддерживает горения и дыхания?
21. Каково расположение атомов в молекуле угольной кислоты?
22. Какой тип химической связи между атомами в молекуле угольной кислоты?
23. Как можно получить угольную кислоту? Приведите уравнение реакции.
24. Как диссоциирует угольная кислота? Сильный ли это электролит?
25. Как происходит гидролиз карбоната натрия в растворе? Напишите уравнение реакции.
26. Какова окраска лакмуса в растворе угольной кислоты? Почему?
27. Какие соли может образовывать угольная кислота? Приведите примеры формул веществ.
28. Какие соли угольной кислоты встречаются в природе и как они называются?
29. Какие карбонаты получают в промышленности?
30. Каковы физические свойства солей угольной кислоты?
31. Как ведут себя карбонаты при нагревании? Напишите уравнения реакций.
32. Что происходит с гидрокарбонатами при нагревании?
33. Какие другие реакции (кроме разложения) возможны для карбонатов?
34. Какова качественная реакция на карбонаты? Напишите уравнение реакции.
35. Опишите строение атома кремния.
36. Каковы возможные степени окисления кремния в его соединениях?
37. Каковы физические свойства кремния?
38. Как можно получить чистый кремний? Составьте уравнение реакции.
39. Какие реакции возможны для кремния? Напишите уравнения реакций.
40. Как взаимодействует кремний с щелочами? Составьте уравнение реакции.
41. Где применяется кремний?
42. Какой оксид образует кремний? В каком виде оксид кремния встречается в природе?
43. Почему диоксид кремния твердый и тугоплавкий?
44. Каковы химические свойства диоксида кремния? Напишите уравнения реакций.
45. Где применяется диоксид кремния?
46. Какова простейшая формула кремниевой кислоты?
47. Как можно получить кремниевую кислоту? Приведите уравнение реакции.
48. Каковы физические свойства кремниевой кислоты?
49. Как получают силикаты? Напишите уравнения реакций.
50. Каковы химические свойства силикатов? Составьте уравнения реакций.
51. Где применяется кремниевая кислота?
52. Где применяются силикаты?
53. Какие материалы производит силикатная отрасль промышленности?
54. Что является сырьем для производства стекла?
55. Как можно изменить свойства стекла?
56. Где применяется стекло?
57. Где применяются изделия из керамики?
58. Что служит сырьем при производстве цемента?
59. Где применяется цемент?
60. Какие элементы составляют семейство углерода?
61. Как изменяются свойства элементов в подгруппе углерода с увеличением заряда ядра атома? Почему?
62. Где применяют элементы семейства углерода?

6.1. Решение задач по теме «Подгруппа углерода»

Задача 1. При обработке 3,8 г смеси карбоната и гидрокарбоната натрия соляной кислотой образовалось 896 мл газа
(н. у.). Какой объем соляной кислоты (массовая доля – 20%, плотность – 1,1 г/см 3) был израсходован и каков состав исходной смеси?

Решение

1. Расчет количества вещества:

(CO 2) = 0,896 (л)/22,4 (л/моль) = 0,04 моль.

Обозначим через х количество вещества газа СО 2 , выделившегося в реакции Na 2 CO 3 c cоляной кислотой. Тогда
(CO 2), выделившегося при реакции NaHCO 3 c HCl, равно (0,04 – х ) моль. Напишем уравнения реакций:

2. Составим запись для определения количественного состава смеси:

106х + 84 (0,04 – х ) = 3,8, отсюда х = 0,02 моль;

m (Na 2 CO 3) = 0,02 106 = 2,12 г,

m (NaНCO 3) = 0,02 84 = 1,68 г.

3. Рассчитаем объем кислоты. В реакции с Na 2 CO 3 расходуется 0,04 моль HCl, а в реакции с NaНCO 3 – 0,02 моль HCl.

Ответ . 9,95 мл кислоты HCl; 2,12 г Na 2 CO 3 и 1,68 г NaНCO 3 .

Задача 2. Какой объем углекислого газа необходимо пропустить (н. у.) через раствор массой 80 г с массовой долей растворенного вещества гидроксида бария 5% для получения гидрокарбоната бария?

Решение

1. Составим уравнение реакции:

2. Рассчитаем количества веществ исходных соединений, вступивших в реакцию:

m (Ва(ОН) 2) = 80 0,05 = 4 г,

(Ва(ОН) 2) = 4/171 = 0,0234 моль;

(СО 2) = 2(Ва(ОН) 2) = 2 0,0234 = 0,0468 моль.

3. Рассчитаем объем газа:

V (СО 2) = 0,0468 22,4 = 1,05 л.

Ответ . 1,05 л СО 2 .

Задача 3. Через известковую воду пропустили 1 л смеси оксидов углерода(II) и (IV). Выпавший осадок отфильтровали и высушили, масса осадка составила 2,45 г. Установите содержание газов в исходной смеси в процентах по объему
(н. у.).

Решение

1. Запишем уравнения реакций:

2. Рассчитаем количество вещества СО 2:

(СО 2) = (СаСО 3) = 2,45/100 = 0,0245 моль.

3. Рассчитаем объемы и объемные доли () газов в смеси:

V (СО 2) = 22,4 0,0245 = 0,5488 л, (СО 2) = 54,88%;

V (СО) = 1 – 0,5488 = 0,4512 л, (СО) = 45,12%.

Ответ . Объемные доли (СО 2) = 54,88%; (СО) = 45,12%.

Задания для самоконтроля

1. С какими веществами будет реагировать оксид углерода(IV): гидроксид натрия, вода, карбонат магния, хлорид натрия, оксид кальция, гидроксид меди(II), уголь, известковая вода? Напишите уравнения возможных реакций.

2. В одной пробирке дан раствор карбоната натрия, а в другой – сульфата натрия. В каждую пробирку добавили раствор хлорида бария и в обоих случаях наблюдали выпадение белого осадка. Как определить, в какой пробирке находится карбонат? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций.

3. Объясните окислительно-восстановительные процессы, показав переходы электронов методом электронного баланса:

4. Запишите уравнения реакций следующих превращений:

5. При действии избытка соляной кислоты на образец доломита МgСО 3 СаСО 3 массой 50 г выделяется 11,2 л углекислого газа (н. у.). Определите массовую долю примесей в данном образце доломита.

Ответ . 8%.

6. Известно, что при горении угля выделяется 402 кДж/моль, а при обжиге известняка поглощается 180 кДж/моль теплоты. Используя эти данные, определите массу угля (содержащего 0,98 массовой доли углерода), необходимого для разложения 1 кг известняка, содержащего 5% примесей.

Ответ . 52 г.

7. 1,68 л смеси оксидов углерода(II) и (IV) пропустили при комнатной температуре через 50 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией 2 моль/л, после чего содержание щелочи в растворе уменьшилось вдвое. Определите состав исходной смеси газов в процентах по массе и объему.

Ответ. (СО) = 33,3%, (СО) = 24,1%;
(СО 2) = 66,7%, (СО 2) = 75,9%.

8. Газ, полученный при полном восстановлении 16 г оксида железа(III) с помощью угарного газа, пропущен через 98,2 мл 15%-го раствора гидроксида калия (плотность – 1,14 кг/дм 3). Сколько литров оксида углерода(II) израсходовано
(н. у.)? Каковы состав и масса образовавшейся соли?

Ответ . 6,72 л СО, 30 г КНСО 3 .

7. Общие свойства металлов

Знать : положение металлов в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева; строение и физические свойства металлов; нахождение металлов в природе; общие химические свойства металлов; виды коррозии и способы защиты от нее; электролиз как окислительно-восстановительный процесс и его применение; классификацию сплавов, состав некоторых сплавов, их свойства и применение; сущность и значение электрохимического ряда напряжений металлов.
Уметь : давать характеристику металлам на основании положения элементов в периодической системе и строения атомов; характеризовать физические свойства металлов; составлять уравнения реакций, отражающих общие свойства металлов; составлять схемы и уравнения электролиза расплавов и растворов солей и щелочей; решать типовые и комбинированные задачи.
Основные понятия : металлическая связь, металлическая кристаллическая решетка, гальванический элемент, электрохимический элемент, коррозия, электролиз, электроэкстрация, электролитическое рафинирование металлов, гальванопластика, гальваностегия, сплавы.

Реакции металлов с кислотами

Активные металлы могут реагировать с кислотами с выделением водорода (реакции замещения).
Малоактивные металлы водород из кислот не вытесняют.

Контрольные вопросы

1. Каково значение металлов в жизни человека?
2. Каковы особенности строения атомов металлов?
3. Где расположены металлы в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?
4. Сколько наружных электронов имеют атомы металлов главных и побочных подгрупп?
5. В каких формах могут находиться металлы в природе?
6. Как можно получить металлы из их соединений?
7. Как устроена кристаллическая решетка металлов?
8. Каковы физические свойства металлов?
9. Как ведут себя атомы металлов в химических реакциях и почему?
10. Какие свойства – окислителей или восстановителей – проявляют металлы в химических реакциях?
11. Расскажите об электрохимическом ряде напряжений металлов.
12. Перечислите реакции, в которые могут вступать металлы.
13. Как связаны химические активности атомов металлов и ионов металлов?
14. Пары какого металла смертельно опасны? Опишите признаки отравления.
15. Что такое коррозия металла и как уберечь от нее металл?
16. Перечислите щелочные металлы. Почему они так называются?
17. Каковы особенности строения атомов щелочных металлов?
18. Как можно получить щелочные металлы?
19. Каковы физические свойства щелочных металлов?
20. Какие оксиды и пероксиды получаются при окислении щелочных металлов?
21. Какова степень окисления щелочного металла в соединении? Почему?
22. Как образуется гидрид щелочного металла? Какова степень окисления водорода в нем?
23. Как реагирует щелочной металл с раствором соли?
24. Как окрашивают пламя атомы и ионы щелочных металлов?
25. Какие реакции характерны для щелочных металлов?
26. Какие химические связи образуют щелочные металлы с неметаллами?
27. Как взаимодействует пероксид натрия с углекислым газом?
28. Где применяются щелочные металлы?
29. Какой из щелочных металлов наиболее активен и почему?
30. Как надпероксид КО 2 взаимодействует с СО 2 ? Напишите уравнение реакции.

7.1. Электролиз расплавов

Катод – восстановитель, на нем происходит процесс приема электронов катионами металлов.
Анод – окислитель, на нем происходит процесс отдачи электронов анионами кислотных остатков или гидроксид-ионами.

В случае окисления ионов ОН – составляется схема:

4ОН – – 4e = 2Н 2 O + О 2 .

Электролиз расплавов солей.
(Алгоритм 30.)

Задание 1 . Составьте схему электролиза расплава бромида натрия.

Задание 2. Составьте схему электролиза расплава сульфата натрия.

Электролиз расплавов щелочей.
(Алгоритм 31.)

Задание 1 . Составьте схему электролиза расплава гидроксида натрия.

7.2. Электролиз растворов

Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании через электролит электрического тока. При электролизе катод является восстановителем, т. к. отдает электроны, а анод – окислителем, т. к. принимает электроны от анионов.

Для выбора наиболее вероятного процесса на катоде и аноде при электролизе растворов с использованием инертного (нерастворимого) анода (например, графита, угля, платины, иридия) используют следующие правила .

1. На аноде образуются:

а) при электролизе растворов, содержащих анионы F – , – , , , OH – , – O 2 ;
б) при окислении анионов Сl – , Вr – , I – – соответственно Сl 2 , Вr 2 , I 2 .

2. На катоде образуются:

а) при электролизе растворов, содержащих ионы, расположенные в ряду напряжений левее Аl 3+ , – Н 2 ;
б) если ионы расположены в ряду напряжений правее водорода – металлы;
в) если ионы расположены в ряду напряжений между Аl 3+ и H + , то на катоде могут протекать конкурирующие процессы – восстановление как металлов, так и водорода;
г) если водный раствор содержит катионы различных металлов, то их восстановление протекает в порядке уменьшения величины стандартного электродного потенциала (справа налево по ряду напряжений металлов).

В случае использования активного (растворимого) анода (из меди, серебра, цинка, никеля, кадмия) анод сам подвергается окислению (растворяется) и на катоде кроме катионов металла соли и ионов водорода восстанавливаются катионы металла, полученные при растворении анода.
Восстановительные свойства металлов удобно сравнивать, используя электрохимический ряд напряжений, в который включен и водород. Восстановительная способность элементов в этом ряду уменьшается слева направо, в этом же направлении увеличивается окислительная способность соответствующих катионов.

Электролиз водного раствора соли.
(Алгоритм 32.)

Задание 1. Составьте схему электролиза водного раствора хлорида натрия с использованием инертных электродов.

Задание 2. Составьте схему электролиза водного раствора сульфата меди(II) с использованием инертных электродов.

Электролиз водного раствора щелочи.
(Алгоритм 33.)

Задание 1. Составьте схему электролиза водного раствора гидроксида натрия.

Задания для самоконтроля

1. Составьте схемы электролиза:

а) расплавов хлорида кальция, гидроксида калия, сульфата лития;
б) водных растворов хлорида магния, сульфата калия, нитрата ртути(II).

2. Какие реакции практически осуществимы:

а) Cu + HCl ... ;
б) Mg + H 2 SO 4 (разб.) ... ;
в) Zn + Pb(NO 3) 2 ... ;
г) Cu + ZnCl 2 ... ;
д) Ca + H 2 O ... ;
е) Fe + Cl 2 ... ?

3. На стальной крышке поставлена медная заклепка. Что раньше разрушится – крышка или заклепка? Почему?

4. Имеется изделие из железа, покрытое защитной пленкой из олова (луженое железо). Что будет происходить при нагревании такого изделия на воздухе? Напишите уравнения протекающих реакций.

5. Какой объем водорода (н. у.) выделится при погружении в воду 20 г изделия из сплава натрия, калия и меди в массовом отношении 1:1:2?

Ответ . 3,86 л.

6. Рассчитайте массу 9,8%-го раствора серной кислоты, которая потребуется для растворения четырех гранул цинка, если масса каждой гранулы 0,2 г.

Ответ . 12,3 г.

7. Рассчитайте, какой будет массовая доля гидроксида калия в растворе, если металлический калий массой 3,9 г растворить в воде объемом 80 мл.

Ответ. 6,68%.

8. При электролизе сульфата некоторого металла на аноде выделилось 176 мл кислорода (н. у.), а на катоде за то же время – 1 г металла. Сульфат какого металла был взят?

Ответ . CuSO 4 .

9. Железная пластинка массой 18 г опущена в раствор сульфата меди(II). Когда она покрылась медью, ее масса стала равной 18,2 г. Какая масса железа перешла в раствор?

Ответ . 1,4 г.

10. Железная пластинка массой 5 г опущена на некоторое время в 50 мл 15%-го раствора сульфата меди(II), плотность которого 1,12 г/см 3 . После того как пластину вынули, ее масса оказалась равной 5,16 г. Какова масса сульфата меди(II) в оставшемся растворе?

Ответ . 5,2 г.

Ответы на задания для самоконтроля

6.1. Решение задач по теме «Подгруппа углерода»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

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

Формула – СО 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:

CO 2 + H 2 O ↔ CO 2 ×H 2 O(solution) ↔ H 2 CO 3 .

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO 2 = 2CO + O 2 .

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

CaO + CO 2 = CaCO 3 ;

Al 2 O 3 + 3CO 2 = Al 2 (CO 3) 3 ;

CO 2 + NaOH (dilute) = NaHCO 3 ;

CO 2 + 2NaOH (conc) = Na 2 CO 3 + H 2 O.

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

CO 2 + 2Mg = C + 2MgO (t);

CO 2 + 2Ca = C + 2CaO (t).

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

CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O (t, kat = Cu 2 O);

CO 2 + C = 2CO (t).

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

2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2 .

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:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

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):

CaCO 3 = CaO + CO 2 (t) (1);

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O (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

ПРИМЕР 1

Газировка, вулкан, Венера, рефрижератор – что между ними общего? Углекислый газ. Мы собрали для Вас самую интересную информацию об одном из самых важных химических соединений на Земле.

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Углекислый газ в природе: естественные источники

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

• Дыхание животных и растений.
  Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки . Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
• Вулканическая деятельность.
  Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
• Разложение органических веществ.
  Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

Искусственные источники углекислого газа

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

• промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
• автомобильный транспорт.

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Углекислый газ и мы: чем опасен СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых , уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически , мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от , который разрушает клетки нашего организма.

Углекислый газ в атмосфере Земли

В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.

Наиболее часто встречающиеся процессы образования этого соединения - гниение животных и растительных останков, горение различных видов топлива, дыхание животных и растений. Например, один человек за сутки выделяет в атмосферу около килограмма углекислого газа. Оксид и диоксид углерода могут образовываться и в неживой природе. Углекислый газ выделяется при вулканической деятельности, а также может быть добыт из минеральных водных источников. Углекислый газ находится в небольшим количестве и в атмосфере Земли.

Особенности химического строения данного соединения позволяют ему участвовать во множестве химических реакций, основой для которых является диоксид углерода.

Формула

В соединении этого вещества четырехвалентный атом углерода образовывает линейную связь с двумя молекулами кислорода. Внешний вид такой молекулы можно представить так:

Теория гибридизации объясняет строение молекулы диоксида углерода так: две существующие сигма-связи образованы между sp-орбиталями атомов углерода и двумя 2р-орбиталями кислорода; р-орбитали углерода, которые не принимают участие в гибридизации, связаны в соединении с аналогичными орбиталями кислорода. В химических реакциях углекислый газ записывается в виде: CO 2.

Физические свойства

При нормальных условиях диоксид углерода представляет собой бесцветный газ, не обладающий запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому углекислый газ и может вести себя, как жидкость. Например, его можно переливать из одной емкости в другую. Это вещество немного растворяется в воде - в одном литре воды при 20 ⁰С растворяется около 0,88 л CO 2 . Небольшое понижение температуры кардинально меняет ситуацию - в том же литре воды при 17⁰С может раствориться 1,7 л CO 2 . При сильном охлаждении это вещество осаждается в виде снежных хлопьев - образуется так называемый «сухой лед». Такое название произошло от того, что при нормальном давлении вещество, минуя жидкую фазу, сразу превращается в газ. Жидкий диоксид углерода образуется при давлении чуть выше 0,6 МПа и при комнатной температуре.

Химические свойства

При взаимодействии с сильными окислителями 4-диоксид углерода проявляет окислительные свойства. Типичная реакция этого взаимодействия:

С + СО 2 = 2СО.

Так, при помощи угля диоксид углерода восстанавливается до своей двухвалентной модификации - угарного газа.

При нормальных условиях углекислый газ инертен. Но некоторые активные металлы могут в нем гореть, извлекая из соединения кислород и высвобождая газообразный углерод. Типичная реакция - горение магния:

2Mg + CO 2 = 2MgO + C.

В процессе реакции образуется оксид магния и свободный углерод.

В химических соединениях СО 2 часто проявляет свойства типичного кислотного оксида. Например, он реагирует с основаниями и основными оксидами. Результатом реакции становятся соли угольной кислоты.

Например, реакция соединения оксида натрия с углекислым газом может быть представлена так:

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3 ;

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O;

NaOH + CO 2 = NaHCO 3 .

Угольная кислота и раствор СО 2

Диоксид углерода в воде образует раствор с небольшой степенью диссоциации. Такой раствор углекислого газа называется угольной кислотой. Она бесцветна, слабо выражена и имеет кисловатый вкус.

Запись химической реакции:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

Равновесие довольно сильно сдвинуто влево - лишь около 1% начального углекислого газа превращается в угольную кислоту. Чем выше температура - тем меньше в растворе молекул угольной кислоты. При кипении соединения она исчезает полностью, и раствор распадается на диоксид углерода и воду. Структурная формула угольной кислоты представлена ниже.

Свойства угольной кислоты

Угольная кислота очень слабая. В растворах она распадается на ионы водорода Н + и соединения НСО 3 - . В очень небольшом количестве образуются ионы СО 3 - .

Угольная кислота - двухосновная, поэтому соли, образованные ею, могут быть средними и кислыми. Средние соли в русской химической традиции называются карбонатами, а сильные - гидрокарбонатами.

Качественная реакция

Одним из возможных способов обнаружения газообразного диоксида углерода является изменение прозрачности известкового раствора.

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Этот опыт известен еще из школьного курса химии. В начале реакции образуется небольшое количество белого осадка, который впоследствии исчезает при пропускании через воду углекислого газа. Изменение прозрачности происходит потому, что в процессе взаимодействия нерастворимое соединение - карбонат кальция превращается в растворимое вещество - гидрокарбонат кальция. Реакция протекает по такому пути:

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

Получение диоксида углерода

Если требуется получить небольшое количество СО2, можно запустить реакцию соляной кислоты с карбонатом кальция (мрамором). Химическая запись этого взаимодействия выглядит так:

CaCO 3 + HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 .

Также для этой цели используют реакции горения углеродсодержащих веществ, например ацетилена:

СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2 -.

Для сбора и хранения полученного газообразного вещества используют аппарат Киппа.

Для нужд промышленности и сельского хозяйства масштабы получения диоксида углерода должны быть большими. Популярным методом такой масштабной реакции является обжиг известняка, в результате которого получается диоксид углерода. Формула реакции приведена ниже:

CaCO 3 = CaO + CO 2 .

Применение диоксида углерода

Пищевая промышленность после масштабного получения «сухого льда» перешла на принципиально новый метод хранения продуктов. Он незаменим при производстве газированных напитков и минеральной воды. Содержание СО 2 в напитках придает им свежесть и заметно увеличивает срок хранения. А карбидизация минеральных вод позволяет избежать затхлости и неприятного вкуса.

В кулинарии часто используют метод погашения лимонной кислоты уксусом. Выделяющийся при этом углекислый газ придает пышность и легкость кондитерским изделиям.

Данное соединение часто используется в качестве пищевой добавки, повышающей срок хранения пищевых продуктах. Согласно международным нормам классификации химических добавок содержания в продуктах, проходит под кодом Е 290,

Порошкообразный углекислый газ - одно из наиболее популярных веществ, входящих в состав пожаротушительных смесей. Это вещество встречается и в пене огнетушителей.

Транспортировать и хранить углекислый газ лучше всего в металлических баллонах. При температуре более 31⁰С давление в баллоне может достигнуть критического и жидкий СО 2 перейдет в сверхкритическое состояние с резким подъемом рабочего давления до 7,35 МПа. Металлический баллон выдерживает внутреннее давление до 22 МПа, поэтому диапазон давления при температурах свыше тридцати градусов признается безопасным.