Твердый углекислый газ. Углекислота жидкая (СО2, двуокись углерода, диоксид углерода)

Диоксид углерода представляет собой в нормальных условиях газ без цвета, не обладающий ароматическими характеристиками, но имеющий немного кислый вкус. В условиях атмосферного давления соединение существует не в жидком состоянии, а переходит из твердого в газообразное. Диоксид углерода носит название сухого льда в твердой фазе. Другими наименованиями вещества являются двуокись углерода, углекислый газ, оксид углерода, угольный ангидрид.

Соединение содержится в минеральных источниках, воздухе, выделяется во время дыхания растений и животных. В живой природе вещество играет важную роль, принимая участие в обменных процессах живых клеток. Диоксид углерода получается путем окислительных реакций у млекопитающих, выделяется с дыханием в атмосферу. Основным источником углерода для растений служит атмосферный углекислый газ.

Углекислый газ в промышленных масштабах образуется из дымовых газов путем его абсорбирования моноэтаноламином или карбонатом калия. Помимо этого, соединение получают на особых установках по разделению воздуха, в качестве побочного продукта при добыче аргона, кислорода, азота.

Области применения диоксида углерода

Благодаря своим свойствам диоксид углерода стал применяться в пищевой промышленности еще в 19 столетии. Один из пивоваров обнаружил скопление газа под крышкой пивной бочки. Он решил его испробовать, в связи с этим обогатил воду и пиво данным химическим соединением. После новые напитки были поданы гостям, которым пришлась по вкусу газированная вода. Вот так берет начало использование углекислого газа в производстве напитков. Впоследствии были основательно изучены химические свойства и состав соединения.

Диоксид углерода, известный как пищевая добавка под номером Е290, применяется как разрыхлитель для теста, во время выпечки кондитерских изделий. Активно используется углекислый газ во время производства безалкогольных напитков. Его добавление оказывает положительный эффект на освежающие качества и свойства напитков. В виноделии процесс брожения контролируется с помощью добавления диоксида углерода. Некоторые из вин специально обогащают данным соединением. Для лучшего хранения соков также используется углекислый газ в небольшой концентрации. Кроме этого, вещество применяется как защитный газ при транспортировке и хранении пищевых продуктов.

Благодаря своим свойствам диоксид углерода применяется в баллонах огнетушителей, во время сварки проволокой, в пневматическом оружии, в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделях. В твердом виде соединение применяется с целью сохранения холода в морозильных камерах.

Добавка под номером Е290 разрешена практически во всех странах для использования в производстве пищевых продуктов.

Влияние диоксида углерода на человеческий организм

Диоксид углерода имеется в составе многих живых клеток организма и атмосферы. В связи с этим добавку Е290 можно отнести к относительно безвредным.

Но помните, что углекислый газ способствует активизации всасывания в слизистую желудка разнообразных веществ. Именно этим объясняется быстрое опьянение в результате потребления алкогольных газированных напитков.

Вред диоксида углерода проявляется такими побочными эффектами, как вздутие живота и отрыжка при употреблении газированных напитков. Есть и еще одно мнение касательно данной пищевой добавки, которое заключается в следующем: вред диоксида углерода состоит в том, что сильногазированные напитки способны вымывать кальций из костей.

Популярные статьи Читать больше статей

02.12.2013

Все мы много ходим в течение дня. Даже если у нас малоподвижный образ жизни, мы все равно ходим – ведь у нас н...

608384 65 Подробнее

10.10.2013

Пятьдесят лет для представительниц прекрасного пола – это своеобразный рубеж, перешагнув который каждая вторая...

449227 117 Подробнее

02.12.2013

В наше время бег уже не вызывает массу восторженных отзывов, как это было лет тридцать назад. Тогда общество б...

355965 41 Подробнее

В промышленном масштабе углекислоту можно получить следующими способами:

1. из известняка, в котором содержится до 40% СО 2 , кокса или антрацита до 18% CO 2 путем их обжига в специальных печах;
2. на установках, работающих по сернокислому методу за счет реакций взаимодействия серной кислоты с эмульсией мела;
3. из газов, образующихся при брожении спирта, пива, расщепления жиров;
4. из дымовых газов промышленных котельных, сжигающих уголь, природный газ и другое топливо. Дымовой газ содержит 12-20% СО 2 ;
5. из отходящих газов химических производств, в первую очередь синтетического аммиака и метанола. Отходящие газы содержат примерно 90% СО 2 .

На данный момент наиболее распространенным способом получения углекислоты является – получение из газов при брожении . Отходящий газ в этих случаях представляет собой почти чистый углекислый газ и является дешевым побочным продуктом производства.

На гидролизных заводах при брожении дрожжей с опилками выделяются газы, содержащие 99% CO 2 .

1 - бродильный чан; 2 - газгольдер; 3 - промывочная башня; 4 - предварительный компрессор; 5 - трубчатый холодильник; 6 - маслоотделитель; 7 - башня; 8 - башня; 9 - двухступенчатый компрессор; 10 - холодильник; 11 - маслоотделитель; 12 - цистерна.

Схема получения углекислого газа на гидролизных заводах

Газ из бродильного чана 1 подается насосами, а при наличии достаточного давления поступает самостоятельно в газгольдер 2, где происходит отделение от него твердых частиц. Затем газ поступает в промывочную башню 3, заполненную коксом или керамическими кольцами, где он омывается встречным потоком воды и окончательно освобождается от твердых частиц и растворимых в воде примесей. После промывки газ поступает в предварительный компрессор 4, где он сжимается до давления 400-550 кПа.

Так как при сжатии температура углекислого газа повышается до 90-100°С, то после компрессора газ поступает в трубчатый холодильник 5, где охлаждается до 15°С. Затем углекислота направляется в маслоотделитель 6, где отделяется масло, попавшее в газ при сжатии. После этого углекислый газ подвергается очистке водными растворами окислителей (KMnO 4 , K 2 Cr 2 P 7 , гипохромитом) в башне 7, а затем осушке активированным углем или силикагелем в башне 8.

После очистки и осушки углекислота поступает в двухступенчатый компрессор 9. На ступени I происходит сжатие его до 1-1,2 МПа. Затем углекислый газ поступает в холодильник 10, где охлаждается со 100 до 15°C, проходит маслоотделитель 11 и поступает на II ступень компрессора, где сжимается до 6-7 МПа, превращается в жидкую двуокись углерода и собирается в цистерну 12, из которой производится заправка стандартных баллонов или других емкостей (танков).

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.

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

В ней равна +4), называется диоксид углерода (иные названия: углекислый газ, ангидрид угольной кислоты, двуокись углерода). Это вещество принято записывать молекулярной формулой CO2. Молярная масса его равна 44,01 г/моль. По внешнему виду при нормальных условиях угольный ангидрид является бесцветным газом. При низких концентрациях он не имеет запаха, при более высоких концентрациях приобретает острый, кислый запах.

Для этого химического вещества возможны три агрегатных состояния, которые характеризуются различными значениями плотности:

• твердое (сухой лед); при давлении 1 атм. и температуре -78,5 °С — 1562 кг/м³;
• жидкое (углекислота); при давлении 56 атм. и температуре +20 °С — 770 кг/м³;
• газообразное; при давлении 1 атм. и температуре 0 °С — 1,977 кг/м³.

Температура плавления двуокиси углерода равняется -78 °С, температура кипения— -57 °С. Вещество растворяется в воде: при 25 °С и давлении 100 кПа его растворимость равняется 1,45 г/л.

Диоксид углерода является естественным химическим соединением, в молекуле которого атомы кислорода с атомом углерода связаны ковалентной связью. Молекула углекислого газа является линейной и центросимметричной. Обе связи между углеродом и двумя кислородными атомами эквивалентны (по сути являются двойными). Молекула симметрична относительно своего центра, поэтому она не имеет никакого электрического дипольного момента.

Диоксид углерода был одним из первых газообразных химических соединений, которые перестали отождествлять с воздухом. В семнадцатом веке фламандский химик Ян Баптиста ван Гельмонт заметил, что, когда он сжигается уголь в закрытом сосуде, масса полученной золы намного меньше, чем у обычного Свойства двуокиси углерода были изучены более тщательно в 1750 году шотландским врачом Джозефом Блэком.

Диоксид углерода при стандартном давлении и температуре находится в атмосфере Земли в количестве примерно 0,04 % объемных. В рамках углеродного цикла, известного как фотосинтез, двуокись углерода поглощается растениями, водорослями, цианобактериями. В результате образуется вода и углеводы, но происходит этот процесс только под действием света. Углекислый газ также образуется при сжигании угля или углеводородов, при ферментации жидкостей и при выдыхании воздуха людьми и животными. Кроме того, выбрасывается из вулканов, горячих источников, гейзеров.

В диоксид углерода играет важную роль (поглощает и испускает излучение в тепловом инфракрасном диапазоне). Также это химическое соединение является одним из основных источников снижения рН океана: растворяясь в воде, оно образует слабую угольную кислоту: CO2 + H2O ↔ H2CO3, неспособную полностью диссоциировать на ионы.

Углекислый газ не поддерживает горения и дыхания. Зажженная лучина в его атмосфере гаснет. Животные и человек при большой концентрации CO2 задыхаются. При 3 %-ной концентрации в воздухе учащается дыхание, при 10 %-ной наступает потеря сознания и быстрая смерть, а 20 %-ное содержание вызывает мгновенный паралич.

Диоксид углерода является ангидридом угольной кислоты, поэтому для него характерны свойства кислотного оксида. В лабораторных условиях его получают при взаимодействии мела с соляной кислотой в CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O. В промышленности его производят термическим разложением известняка или мела (реже магнезита или доломита): CaCO3 → CaO + CO2. Получение углекислоты является побочным процессом низкотемпературного разделения воздуха на азот и кислород. В наше время выпускаются специальные генераторы для получения углекислого газа из воздуха. Применяются такие генераторы для подачи CO2 в теплицы с целью создания благоприятной среды для растений.

Диоксид углерода имеет широкое применение в химических производствах. Его используют для получения соды, для синтеза органических кислот, для изготовления безалкогольных напитков. используется как холодильный агент, например, в виноделии. Углекислотная атмосфера создается для предотвращения гниения пищевых продуктов, того же винограда после его сбора и до начала производства вина.

Производство углекислоты или сжиженного углекислого газа осуществляется для заполнения им которые используются для тушения возгораний. Однако им нельзя тушить человека, так значительная часть струи жидкого CO2 испаряется, при этом температура резко понижается (что может вызвать обморожение) и CO2 превращается в сухой лед. Углекислотой обычно тушат и электропроводку. Механизм заключается в прекращении поступления доступа кислорода воздуха к очагу возгорания.