Углекислый газ (двуокись углерода), называемый также углекислотой, - важнейший компонент в составе газированных напитков. Он обусловливает вкус и биологическую стойкость напитков, сообщает им игристость и освежающие свойства.
Химические свойства. В химическом отношении углекислый газ инертен. Образовавшись с выделением большого количества тепла, он, как продукт полного окисления углерода, весьма стоек. Реакции восстановления двуокиси углерода протекают только при высоких температурах. Так, например, взаимодействуя с калием при 230° С, углекислый газ восстанавливается до щавелевой кислоты:
Вступая в химическое взаимодействие с водой, газ, в количестве не более 1% от содержания его в растворе, образует угольную кислоту, диссоциирующую на ионы Н + , НСО 3 - , СО 2 3- . В водном растворе углекислый газ легко вступает в химические реакции, образуя различные углекислые соли. Поэтому водный раствор углекислого газа обладает большой агрессивностью по отношению к металлам, а также разрушающе действует на бетон.
Физические свойства. Для сатурации напитков используется углекислый газ, приведенный в жидкое состояние сжатием до высокого давления. В зависимости от температуры и давления углекислый газ может находиться также в газообразном и твердом состоянии. Температура и давление, соответствующие данному агрегатному состоянию, приведены на диаграмме фазового равновесия (рис. 13).
При температуре минус 56,6° С и давлении 0,52 Мн/м 2 (5,28 кГ/см 2), соответствующих тройной точке, углекислый газ может одновременно находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии. При более высоких температуре и давлении углекислый газ находится в жидком и газообразном состоянии; при температуре и давлении, которые ниже этих показателей, газ, непосредственно минуя жидкую фазу, переходит в газообразное состояние (сублимирует). При температуре, превышающей критическую температуру 31,5° С, никакое давление не может удержать углекислый газ в виде жидкости.
В газообразном состоянии углекислый газ бесцветен, не имеет запаха и обладает слабовыраженным кислым вкусом. При температуре 0° С и атмосферном давлении плотность углекислого газа составляет 1,9769 кг/ж 3 ; он в 1,529 раз тяжелее воздуха. При 0°С и атмосферном давлении 1 кг газа занимает объем 506 л. Связь между объемом, температурой и давлением углекислого газа выражается уравнением:
где V - объем 1 кг газа в м 3 /кг; Т - температура газа в ° К; Р - давление газа в н/м 2 ; R - газовая постоянная; А - дополнительная величина, учитывающая отклонение от уравнения состояния идеального газа;
Ожиженный углекислый газ - бесцветная, прозрачная, легкоподвижная жидкость, напоминающая по внешнему виду спирт или эфир. Плотность жидкости при 0° С равна 0,947. При температуре 20°С ожиженный газ сохраняется под давлением 6,37 Мн/м 2 (65 кГ/см 2) в стальных баллонах. При свободном истечении из баллона жидкость испаряется с поглощением большого количества тепла. При снижении температуры до минус 78,5° С часть жидкости замерзает, превращаясь в так называемый сухой лед. По твердости сухой лед близок к мелу и имеет матово-белый цвет. Сухой лед испаряется медленнее жидкости, при этом он непосредственно переходит в газообразное состояние.
При температуре минус 78,9° С и давлении 1 кГ/см 2 (9,8 Мн/м 2) теплота сублимации сухого льда составляет 136,89 ккал/кг (573,57 кдж/кг).
В таблице представлены теплофизические свойства углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры и давления. Свойства в таблице указаны при температуре от 273 до 1273 К и давлении от 1 до 100 атм.
Рассмотрим такое важное свойство углекислого газа, как .
Плотность углекислого газа равна 1,913 кг/м 3
при нормальных условиях (при н.у.). По данным таблицы видно, что плотность углекислого газа существенно зависит от температуры и давления — при росте давления плотность CO 2 значительно увеличивается, а при повышении температуры газа — снижается. Так, при нагревании на 1000 градусов плотность углекислого газа уменьшается в 4,7 раза.
Однако, при увеличении давления углекислого газа, его плотность начинает расти, причем значительно сильнее, чем снижается при нагреве. Например при давлении и температуре 0°С плотность углекислого газа вырастает уже до значения 20,46 кг/м 3 .
Необходимо отметить, что рост давления газа приводит к пропорциональному увеличению значения его плотности, то есть при 10 атм. удельный вес углекислого газа в 10 раз больше, чем при нормальном атмосферном давлении.
В таблице приведены следующие теплофизические свойства углекислого газа:
- плотность углекислого газа в кг/м 3 ;
- удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
- , Вт/(м·град);
- динамическая вязкость, Па·с;
- температуропроводность, м 2 /с;
- кинематическая вязкость, м 2 /с;
- число Прандтля.
Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!
Теплофизические свойства углекислого газа CO 2 при атмосферном давлении
В таблице даны теплофизические свойства углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры (в интервале от -75 до 1500°С) при атмосферном давлении. Даны следующие теплофизические свойства углекислого газа:
- , Па·с;
- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
- число Прандтля.
По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность и динамическая вязкость углекислого газа также увеличиваются. Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!
Теплопроводность углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры и давления
теплопроводности углекислого газа CO 2 в интервале температуры от 220 до 1400 К и при давлении от 1 до 600 атм. Данные выше черты в таблице относятся к жидкому CO 2 .
Следует отметить, что теплопроводность сжиженного углекислого газа при увеличении его температуры снижается , а при увеличении давления — растет. Углекислый газ (в газовый фазе) становится более теплопроводным, как при увеличении температуры, так и при росте его давления.
Теплопроводность в таблице дана в размерности Вт/(м·град). Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
Теплопроводность углекислого газа CO 2 в критической области
В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO 2 в критической области в интервале температуры от 30 до 50°С и при давлении .
Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000! Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).
Теплопроводность диссоциированного углекислого газа CO 2 при высоких температурах
В таблице представлены значения теплопроводности диссоциированного углекислого газа CO 2 в интервале температуры от 1600 до 4000 К и при давлении от 0,01 до 100 атм. Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
В таблице представлены значения теплопроводности жидкого углекислого газа CO 2
на линии насыщения в зависимости от температуры.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).
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.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Углекислый газ (диоксид углерода) при обычных условиях - бесцветный газ, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, благодаря чему его можно переливать, как жидкость, из одного сосуда в другой.
Масса 1 л CO 2 при нормальных условиях составляет 1,98 г. Растворимость диоксида углерода в воде невелика: 1 объем воды при 20 o С растворяет 0,88 объема CO 2 , а при 0 o С - 1,7 объема.
Под давлением около 0,6 МПа диоксид углерода при комнатной температуре превращается в жидкость. Жидкий диоксид углерода хранят в стальных баллонах. При быстром выливании его из баллона поглощается вследствие испарения так много теплоты, что CO 2 превращается в твердую белую снегообразную массу, которая, не плавясь, сублимируется при -78,5 o С.
Раствор CO 2 в воде имеет кисловатый вкус и обладает слабокислой реакцией, обусловленной присутствием в растворе небольших количеств угольной кислоты H 2 CO 3 , образующейся в результате обратимой реакции:
CO 2 + H 2 O↔H 2 CO 3 .
Некоторые свойства углекислого газа представлены в таблице ниже:
Получение углекислого газа
Углекислый газ в небольших количествах получают действием кислот на карбонаты:
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 .
В промышленном масштабе CO 2 получают главным образом как побочный продукт в процессе синтеза аммиака:
CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 ;
CO + H 2 O = CO 2 + H 2 .
Кроме этого, большие количества углекислого газа получают при обжиге известняка:
CaCO 3 = CaO + CO 2 .
Химические свойства углекислого газа
Углекислый газ проявляет кислотные свойства: реагирует сощелочами, гидратом аммиака. Восстанавливается активными металлами, водородом, углеродом.
CO 2 + NaOH dilute = NaHCO 3 ;
CO 2 + 2NaOH conc = Na 2 CO 3 + H 2 O;
CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 + H 2 O;
CO 2 + BaCO 3 + H 2 O = Ba(HCO 3) 2 ;
CO 2 + NH 3 ×H 2 O = NH 4 HCO 3 ;
CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O (t = 200 o C, kat. Cu 2 O);
CO 2 + C = 2CO (t > 1000 o C);
CO 2 + 2Mg = C + 2MgO;
2CO 2 + 5Ca = CaC 2 + 4CaO (t = 500 o C);
2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2 .
Применение углекислого газа
Углекислый газ применяется при получении соды по аммиачно-хлоридному способу, для синтеза карбамида, для получения солей угольной кислоты, а также для газирования фруктовых и минеральных вод и других напитков.
Твердый диоксид углерода под названием «сухой лед» применяется для охлаждения скоропортящихся продуктов, для производства и сохранения мороженого, а также многих других случаях, когда требуется получение низкой температуры.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Какой объем и какая масса углекислого газа выделятся при термическом разложении карбоната кальция массой 45,4 г? |
| Решение | Запишем уравнение термического разложения карбоната кальция:
CaCO 3 = CaO + CO 2 . Найдем количество вещества карбоната кальция: n(CaCO 3) = m(CaCO 3) / M(CaCO 3); M(CaCO 3) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 40 + 12 + 3×16 = 100 г/моль; n(CaCO 3) = 45,4 / 100 = 0,454 моль. Согласно уравнению реакции n(CaCO 3) :n(CO 2) = 1: 1, следовательно n(CaCO 3) =n(CO 2) =0,454 моль. Рассчитаем массу и объем выделившегося углекислого газа: V(CO 2) = V m ×n(CO 2) = 22,4 ×0,454 = 10,2 л; m(CO 2) = n(CO 2)× М(CO 2); М(CO 2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12 + 2×16 = 44 г/моль; m(CO 2) = 0,454 ×44 = 20 г. |
| Ответ | Масса углекислого газа равна 20 г, объем - 10,2 л. |
Диоксид углерода (двуокись углерода, углекислый газ, CO 2) формируется путем взаимодействия двух элементов – кислорода и углерода. Диоксид углерода образуется при сжигании углеводородных соединений или угля, в результате ферментации жидкостей, а также в качестве продукта дыхания животных и человека. В атмосфере он содержится в небольших количествах. Растения поглощают двуокись углерода из атмосферы и превращают его в органические компоненты. При исчезновении этого газа из атмосферы на Земле практически не будет дождей и станет заметно прохладнее.
Свойства диоксида углерода
Диоксид углерода тяжелее воздуха. Он замерзает при температуре -78 °C. При замерзании из двуокиси углерода образуется снег. В виде раствора углекислый газ образует угольную кислоту. Благодаря некоторым свойствам диоксид углерода иногда называют «одеялом» Земли. Он с легкостью пропускает ультрафиолетовые лучи. Инфракрасные лучи излучаются с поверхности диоксида углерода в космическое пространство.
Углекислый газ выпускают в жидкой форме при низкой температуре, в жидкой форме при высоком давлении и в газообразной форме. Газообразную форму двуокиси углерода получают из отбросных газов при производстве спиртов, аммиака, а также в результате сжигания топлива. Газообразный диоксид углерода по свойствам представляет собой нетоксичный и невзрывоопасный газ, без запаха и цвета. В жидкой форме двуокись углерода – жидкость без цвета и запаха. При содержании более 5% углекислый газ накапливается в районе пола в слабо проветриваемых помещениях. Снижение объемной доли кислорода в воздухе может привести к кислородной недостаточности и удушью. Эмбриологи установили, что клеткам человека и животных двуокиси углерода необходимо около 7%, а кислорода – всего 2%. Двуокись углерода – транквилизатор нервной системы и прекрасное анестезирующее средство. Газ в организме человека участвует в синтезе аминокислот, оказывает сосудорасширяющее действие. Недостаток углекислого газа в крови приводит к спазму сосудов и гладкой мускулатуры всех органов, к увеличению секреции в носовых ходах, бронхах и к развитию полипов и аденоидов, к уплотнению мембран из-за отложения холестерина.
Получение диоксида углерода
Существует несколько способов получения диоксида углерода. В промышленности двуокись углерода получают из доломита, известняка – продуктов разложения природных карбонатов, а также из печных газов. Газовую смесь промывают раствором карбоната калия. Смесь поглощает двуокись углерода и превращается в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната нагревают и он, разлагаясь, высвобождает углекислоту. При промышленном методе получения диоксид углерода закачивается в баллоны.
В лабораториях получение диоксида углерода основывается на взаимодействии гидрокарбонатов и карбонатов с кислотами.
Области применения диоксида углерода
В повседневной практике двуокись углерода используют достаточно часто. В пищевой индустрии углекислый газ используют в качестве разрыхлителя теста, а также в качестве консерванта. Его обозначают на упаковке продукта под кодом Е290. Свойства диоксида углерода также используют при производстве газированной воды.
Биохимики выяснили, что для повышения урожайности различных культур весьма эффективно удобрять воздух углекислым газом. Однако данный способ удобрения можно применять только в оранжереях. В сельском хозяйстве газ применяют для создания искусственного дождя. При нейтрализации щелочной среды двуокись углерода заменяет сильнодействующие минеральные кислоты. В овощехранилищах углекислый газ применяют для создания газовой среды.
В парфюмерной промышленности двуокись углерода применяют при изготовлении духов. В медицине углекислый газ используют для антисептического воздействия при проведении открытых операций.
При охлаждении углекислый газ превращается в «сухой лед». Сжиженный диоксид углерода расфасовывают в баллоны и отправляют потребителям. Углекислый газ в виде «сухого льда» используют для сохранения пищевых продуктов. Такой лед при нагревании испаряется без остатка.
Углекислый газ используют как активную среду при сварке проволокой. При сварке двуокись углерода разлагается на кислород и угарный газ. Кислород вступает во взаимодействие с жидким металлом и окисляет его.
В авиамоделировании двуокись углерода используется как источник энергии для двигателей. Двуокись углерода в баллончиках используется в пневматическом оружии.
