Диоксид углерода (углекислый газ): свойства, реакции, применение

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода также известен, как Е290 (в международной регистрации пищевых добавок). В большой концентрации обладает кисловатым привкусом и запахом, плотность 1,977 г/л. Применяется в качестве регулятора кислотности, антиоксиданта, консерванта. Представляет собой нетоксичный (в допустимых дозах), инертный, негорючий, тяжелый бесцветный газ, также именуемый, как углекислый, двуокись/оксид углерода, угольный ангидрид (СО₂).

Строение молекулы углекислого газа:

Молекула углекислого газа

Физические свойства

Углекислый газ существует в жидком, газообразном и твёрдом состоянии, в виде белого «сухого льда». Особенность – стремительный переход из кристаллизованного состояния в газообразное, минуя стадию жидкости. Цвет и запах ощутим только в условиях высокой концентрации СО₂. Газ двуокись углерода тяжелее воздуха, устойчива к термическому воздействию, поэтому в привычных атмосферных условиях испаряется, а не плавится. Сублимируется при 78°С. В жидкости не растворяется, частично контактирует с ней.

Формула и свойства

Традиционная формула углекислого газа: CO2, масса: 44 г/моль.

Инертную окись относят к оксидным кислотам.

• контактируя с Н₂О, образует нестабильную, мгновенно распадающуюся взаимообратимую кислоту: СО₂ + H₂O ↔ CO₂ × H₂O (растворение) ↔ Н₂СО₃;

• реакция между известковой жидкостью и углекислым газом образовывает карбонат кальция (белесый осадок на дне жидкости): CO₂ + Ca(OH)2 = CaCO₃↓ + H₂O;

• термальное воздействие разлагает диоксид на кислород и диоксид углерода: 2CO₂ = 2CO + O₂;

• газ СО₂, реагирующий с металлическими активными пероксидами, разлагается на кислород и карбонаты: 2CO₂ + 2Na₂O₂ = 2Na₂CO₃ + O₂↑.
• CaO + CO₂ = CaCO₃;
• Al₂O₃ + 3CO₂ = Al₂(CO₃)3;
• CO₂ + NaOH = NaHCO₃;
• CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O;

Следовательно, углекислый газ обладает 4 важнейшими свойствами:

1. Реагирует с основаниями и основными оксидами, образуя угольно-кислотные соли.
2. При воздействии высоких температур, восстановителей проявляется окислительная способность. Возобновить газообразную форму можно углем.
3. Горящий в воздухе магний продолжает гореть в атмосфере углекислого газа.
4. Качественная реакция, обусловленная появлением в известковой воде белого осадка, исчезающего при длительном пропускании диоксида через известняковую жидкость. В результате карбонат кальция, лишенный способности к растворению превращается в растворимый гидрокарбонат.

Свойства позволяют диоксиду углерода обладать несколькими формами. Например: при традиционном давлении атмосферы элемент существует в форме газа. Охлаждение океанскими глубинами трансформирует СО₂ в жидкое состояние, а заморозка – кристаллизует, формируя лёд. Резкое нагревание стимулирует испарение и восстановление газообразной формы.

Углекислый газ в атмосфере и природе

В окружающей среде газ СО₂ образуется несколькими источниками: природой, человеком, животными:

• люди и животные вдыхают кислород для жизнедеятельности, а в результате переработки легочной системой выводится оксид углерода. То же касается растений. При фотосинтезе поглощают О₂ и выводят СО2, поэтому не стоит размещать много цветов в непроветриваемой комнате;
  Важно! В сутки человеческий организм выделяет в атмосферу 0,03% углерода = 1 кг СО2

• углерод является составляющей вулканических газов, поэтому, в местностях с повышенной вулканической активностью диоксид углерода может попадать из недр на поверхность земли через трещины, почвенные разломы и пр. В некоторых случаях, концентрация СО2 настолько высока, что провоцирует отравление и гибель мелких животных;
• гниение, горение и разложение органики. Углекислый газ хранится в недрах земли, в виде торфа, угля, нефти, известняка, а также выделяется при горении древесины.

Формирование газа диоксида углерода в недрах земли и выведение СО2 в атмосферу живыми существами взаимосвязано. Первоначально органические вещества (выделяемые животными, известняки) минерализуются, превращаясь в ископаемые, хранящиеся в недрах земли веками. Затем уголь, нефть, торф используются перерабатывающими станциями и выделяют в атмосферу СО2.

Также люди, животные, растения, поглощая кислород, выводят в воздух газообразный диоксид углерода, растворяющийся в морях и океанах, превращающийся в известняк.

Считается, что избыток углекислого газа – это причина климатических изменений в мире, ведь она провоцирует парниковый эффект. Следовательно, солнечное излучение беспрепятственно попадает на поверхность почвы и задерживается в атмосфере. Возникает тепловой эффект, плавящий ледники, повышающий уровень моря.

Последствия климатических изменений и повышенного количества СО2:

• эволюция растений, животных;
• глобальное повышение температуры;
• природные катастрофы, пожары.

Больше всех пострадает человечество: уменьшится территория для жизнедеятельности, которая станет менее комфортной. Способ спастись – снизить выбросы диоксида углерода, путём минимизации выработки углекислоты на производстве и переходом на экологический транспорт.

Происхождение

Образование диоксида углерода носит естественный характер. Основная часть углерода на Земле миллионы лет хранится в надежных кладовых карбонатных горных пород, вроде той, из которых состоят известные «Белые Скалы Дувра» на побережье Ла-Манша.

В создании этих скал участвовали существа, в тысячу раз меньше булавочной головки. Триллионы подобных, микроскопических существ — одноклеточные водоросли.

Вулканы, горячие источники и гейзеры выбрасывали CO2 в атмосферу, а океаны осуществляли его медленное поглощение. Сотни миллионов лет одноклеточные водоросли растворяли в себе двуокись углерода и формировали из нее крошечные раковины. Обилие этих раковин образовывало огромные залежи мела или известняка на дне океана. В результате смещения тектонических плит, земля подняла морское дно из глубины и высекла из него большие «Белые Скалы Дувра». Полипы и водоросли, которые умеют из воды извлекать известь, использовали двуокись углерода для постройки гигантских коралловых рифов. Сами же океаны превращали в известняк поглощенный диоксид углерода, без помощи со стороны живых существ.

Поглощение океаном CO2

С течением времени в атмосфере планеты остались едва заметные следы CO2, концентрация углекислого газа на данный момент составляет около 0,04 процента от общего объема воздуха. Сейчас наряду с азотом (N2), кислородом (O2) и аргоном (Ar) диоксид углерода образует составную часть воздуха планеты, которым мы дышим.

В массовом эквиваленте на кубометр воздуха приходится 760 миллиграмм CO2. Однако в этом и заключается разница между бесплодной пустошью и буйством жизни в земном саду. При полном отсутствии углекислого газа Земля превратилась бы в ледяной шар. При увеличении его в 2 раза, а именно при 8 молекулах на каждые 10000, нам стало бы не комфортно при такой жаре.

Получение углекислоты

Кроме получения газа СО₂ природными способами, его также добывают лабораторно и в промышленности для применения в пищевой, медицинской и др. индустриях.

Лабораторные способы

Лаборатории изготавливают небольшие партии углекислого газа, путём вытеснения воздуха при взаимодействии соли, мрамора, мела с соляной кислотой:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂+ H₂O + CO₂, NaHCO₃+ HCl → NaCl + H₂O + CO₂

Промышленное производство

Диоксид углерода получают при отделении азота, кислорода, аргона при обжиге промышленных отходов (дыма). Это наивыгодный способ добычи газа углекислоты. Моноэтаноламин адсорбируют, путем подачи в дымовую трубу. Частицы впитывают углекислый газ и подаются в специальные резервуары, где при определённом давлении и температурных показателях высвобождаются (из моноэтаноламина). Так получают диоксид углерода в газообразной форме.

Получение углеродного оксида в жидком состоянии выполняют, путём брожения сырья (при изготовлении алкоголя). Тогда полученные газы обрабатывают углем, перманганатом калия и водородом.

Добыча углерода в сухой форме производится на ликеро-водочных заводах, пивоварнях. Сложный и продолжительный процесс, выполняющийся в несколько этапов:

1. Выделенный газ (в результате брожения сырья) направляется на промывку.
2. После чистки проникает в устройство, где подвергается высокому давлению.
3. Подаётся в холодильники, охлаждается до жидкого состояния.
4. Повторно очищается углем.
5. Направляется в холодильники для обретения твёрдой формы.

Полученный высококачественный диоксид углерода направляется на предприятия для дальнейшего применения, в качестве охладителя, в виде белоснежного «сухого льда».

Химические реакции с диоксидом углерода, соединения

Сам по себе углерод не горюч, не активен, но реагирует с другими веществами, позволяя получить новые вещества, используемые практически во всех сферах промышленности.

1. Реакция между аммиаком и углекислым газом приводит к разложению элементов до гидрокарбоната аммония: 2NH₃ + CO₂ + H₂O = NH₄HCO₃ Гидрокарбонатная соль, широко используется хлебопекарнями.
2. При взаимодействии аммиака и углекислоты под температурой свыше 130°С и давлением 200 атомов производят мочевину: 2NH₃ + СО₂ → (NH₂)2СО + H₂O
3. Оксид цинка получают, путём комбинации цинка и диоксида углерода под воздействием температуры 800°С.
4. Газ CO₂ соединяют с гидроксидом бария для получения оксида водорода с карбонатом бария: Ba(OH)2+CO₂ = BaCO₃ + H₂O Получается средняя соль, используемая для изготовления синтетики, кухонной плитки, фейерверков, красных кирпичей и пр.
5. Поскольку углекислый газ не горюч, поддерживать горение он может только в соединении с магнием: 2Mg + CO₂ = C + 2MgO Полученный оксид магния применяют в косметологии и, в качестве активной пищевой добавки.
6. Углекислый газ реагирует с карбонатами и бикарбонатами, образуя гидрокарбонаты: CO₂ + NaOH → NaHCO₃. Большее количество натрия образует карбонат натрия и воду: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O
7. Комбинация углекислого газа и щёлочи служит для затвердевания известняка: Ca(OH)2 + CO₂ → CaCO₃ + Н₂O
8. При взаимодействии углекислоты и воды формируется глюкоза, позволяющая растениям питаться (принимающая участие в фотосинтезе): 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
9. Соду получают, в результате соединения аммиака, углекислоты и натрия хлорида: NaCl + CO₂ + NH₃ + H₂O → NaHCO₃ + NH₄Cl
10. Контактирующий с углеродом фенолят натрия разлагается, образуя осадок из плохо растворимого фенола.

Благородные газы: ксенон, аргон, гелий и пр. не вступают в реакцию с двуокисью углерода, из-за несовместимого молекулярного строения этих газов.

Открытие

Джозеф Блэк
Первооткрывателем углекислого газа является шотландский физик и химик, Джозеф Блэк (Joseph Black). В 1756 году ученный проводил эксперимент, нагревая белую магнезию (MgCO3). В результате нагрева он выявил, что карбонат магния разложился до жженой магнезии (оксида магния) с потерей массы и образованием так называемого «связанного воздуха». Этим воздухом, как не трудно догадаться, был диоксид углерода.

Впервые, при детальном изучении CO2, Джозеф Блэк доказал что, окружающий нас воздух, это не единая субстанция, а смесь газов. До этого момента все ученные считали воздух одним газом.

Применение углерода

Пищевая добавка Е290 (углекислый газ) разрешается для использования в пищевой индустрии, в качестве консерванта, регулятора кислотности, антиоксиданта, газификации напитков (алкогольных и безалкогольных). Также, растворенные частицы углекислоты в воде, оказывают обеззараживающее и антибактериальное действие.

Пищевая промышленность

В хлебобулочном производстве пищевая добавка Е290 является разрыхлителем, придающим изделиям пышность и объём. В виноделии угольная кислота – регулятор брожения.

Углекислый газ в кристаллизованной форме применяют для транспортировки и хранения пищевых продуктов.

Пищевая добавка Е290 в оптимальных количествах не воздействует негативно на организм, поэтому может применяться для изготовления пищевых продуктов.

Химическая промышленность

Химическая отрасль использует СО₂ для регуляции температуры реактора, изготовления синтетических, химических веществ, нейтрализации щёлочи сточных вод и увеличения их проводимости, сушки\очистки полимеров растительного, животного происхождения.

Медицина, косметология

В лечебных целях углекислый газ применяют для стимуляции углублённого дыхания, криоабляции злокачественных опухолей.

В дерматокосметологии диоксид углерода вводят подкожно для расщепления липидов. Попадая в дерму изотонический раствор, вступает в реакцию с углекислотой, распадается на гидрокарбонаты и ионы водорода, приводя к сжиганию жиров. Остатки СО₂ вызывают нехватку кислорода, стимулируя улучшение кровотока и обмена веществ.

Металлургия

Металлургия применяет углекислоту для защиты окружающей среды от вредных выбросов в атмосферу:

• осаждение дыма и минимизация азота при вскрытии промышленных печей, донном перемешивании;
• для осаждения дыма при транспортировке слитков, штейна цветных металлов;
• при отводе шахтных кислотных вод для рециркуляции жидкости.

Металлургическая отрасль использует лазеры для резки металлов, устройства заправляют жидким углекислым газом. Так, диоксид углерода выступает ещё и топливом для металлургического оборудования.

Лабораторные исследования

Подвижный диоксид углерода (стадия между жидкой и газообразной) применяется для экстрагирования и хроматографического анализа.

Полиграфия

Углекислый газ применяют для регуляции pH переработанного сырья, отбеливания древесины, целлюлозы для качественного изготовления тетрадей и белоснежных листов. А также для улучшения производительности оборудования, нейтрализации талового масла.

Электроника

Диоксид углерода в электронике применяется при испытательных проверках воздействия электронного оборудования на окружающую среду. Также для увеличения проводимости, обработки сточных вод, устранения фототвердеющих частиц из кристаллических пластин, чтобы избежать применения растворителей органического типа.

Охрана окружающей среды

Углекислый газ используется в качестве альтернативы серной кислоты для поддержания pH в сточных водах.

Влияние на человеческий организм

Углекислый газ – это конечный продукт метаболизма, возникающий при глюкозно-жировом расщеплении. Гемоглобин переносит его к лёгким, откуда выводится в воздух. Скопление в организме приводит к расширению капилляр, увеличению кровотока, переизбытку кислорода.

Польза углекислого газа

Именно диоксид углерода возбуждает дыхательную систему, поэтому очередной вдох регулируется количеством углекислоты. При вдохе происходит обмен – поступление кислорода и выделение углекислого газа.

Примечание! Кислород при помощи гемоглобина транспортируется по клеткам, а отходы (в виде газа СО₂) переносятся им же в дыхательную систему для выведения.

Процессы, в которых участвует газ СО₂:

• поддержка обмена веществ;
• возбудимость нервной системы;
• регуляция сосудисто-двигательного центра, дыхания;
• электролитный состав крови;
• активность гормонов и ферментов.

Углекислый газ помогает кислороду высвобождаться и проникать в клетки организма. Недостаток СО₂ влечет затрудненное дыхание, ощущение нехватки кислорода, вялость, плохое самочувствие, сбой работе всего организма.

Вред

Организм нуждается в углекислоте наравне с кислородом, но его нехватка или переизбыток влечёт серьёзные проблемы, такие как:

• Гипокапния. Первые проявления тошнота: кружение головы. При отсутствии лечения – обмороки. Характеризуется недостатком углекислоты в организме, из–за чего он не способен высвободить кислородные молекулы и снабдить нужным количеством полезных веществ.
• Гиперкапния. Уровень углекислоты в организме превышает 1000 ppm, провоцирует отравление. Первые симптомы: тошнота: потеря работоспособности, затрудненное дыхание, боль в голове. Отсутствие лечения приводит к недостатку кислорода, обморокам.

В норме газы О₂ и СО₂ крепятся по разные стороны гемоглобина и двигаются по телу, насыщая нужными веществами и забирая отработанные. Переизбыток СО₂ нарушает способность красных кровяных телец прикреплять кислород, из–за чего питательные вещества перестают насыщать клетки.

Повышенная концентрация газа СО₂ встречается в шахтах и в быту, особенно в осенне–весенний период, когда помещения проветриваются реже.

Считается, что напитки, содержащие в составе углекислый газ, вымывают кальций и нарушают обмен веществ, поэтому противопоказаны людям с заболеваниями желудочно-кишечного тракта (язва, гастрит и пр.)

Класс опасности и токсичности

Углекислый газ – это невзрывоопасное, негорючее, не поддерживающее горение вещество. В газообразной форме в 1,5 раза тяжелее воздуха, поэтому скапливается в шахтах, тоннелях, ямах, внутри подземного оборудования.

При контакте кожного покрова с углекислотой возможно покалывание пораженного участка, краснота, ощущение теплоты, вплоть до обморожения. Медленное согревание холодной водой приводит к прогрессированию болезни внешним источником холода.

Горячая вода может вызвать ожог пораженной области, в связи с частичной\полной потери температурной чувствительности дермы. Немедленно обратитесь к врачу!

Резервуары с газом СО₂ могут взрываться при воздействии высоких температур, ударах и сублимации сжиженной кислоты, разгерметизации баллона.

Основные физические свойства углекислого газа при различной температуре

* Табличные данные подготовлены по материалам зарубежных справочников

Хранение и транспортировка углекислого газа

Баллоны высокого давления с углекислым газом хранят в специализированных складских помещениях и огражденных площадках, оснащенных навесом, препятствующим контакту резервуаров с солнечными лучами и осадками. Хранить, не более 1 года со дня изготовления.

Низкотемпературный диоксид углерода с жидким веществом хранят в изотермических цистернах. Срок хранения 6 месяцев с момента изготовления.

Углекислый газ в баллонах

Транспортировка углекислого газа относится ко 2-му классу опасности. Требуется строгое соблюдение правил безопасности: не бросать, не бить! Во избежание повреждения баллона, утечки газа и, как следствие взрыва!

Углекислый газ в природе естественные источники

К таким источникам относятся окислительные процессы разной интенсивности:

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

Углекислый газ в природе

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

Где купить, сколько стоит диоксида углерода

Приобрести углекислый газ в промышленных целях, можно:

• в офисе завода изготовителя;
• у дистрибьютера
• через интернет.

Покупая у завода или дистрибьютора, вы оформите заказ на нужное количество сжиженного углекислого газа. Доставку организует отправитель, соблюдая технику безопасности. Стоимость договорная. Оговаривается непосредственно при формировании заказа, отталкиваясь от формы вещества (жидкая\«сухой лёд») и величины заказа.

Углекислый газ не оказывает негативного воздействия на организм, если употреблять в разумном количестве. Соединяется со многими элементами, помогая создать новые вещества, используемые в быту и промышленности.