Диоксид углерода: устройство молекулы, свойства и значение для живой природы

Устройство молекулы, свойства и значение для живой природы

Оксид углерода (IV) встречается повсюду - и в природных процессах, и в повседневной жизни человека. Это неизбежный спутник горения углеродного топлива, а также результат дыхания любых живых существ. При этом сам он не поддерживает ни горение, ни дыхание. Ниже разбираются определение вещества, его строение, физико-химические характеристики и области применения.

Что называют углекислым газом

Прежде чем переходить к свойствам, стоит уяснить строение соединения и сформулировать строгое научное определение.

Данное соединение неизменно присутствует в составе атмосферы, где его средняя доля равна 0,04%. Именно оно служит исходным реагентом фотосинтеза. У вещества есть несколько бытовых и научных наименований:

• оксид углерода (IV);
• двуокись углерода;
• диоксид углерода;
• угольный ангидрид.

Строение молекулы

Углерод в этом соединении проявляет валентность IV и степень окисления +4. В таком состоянии он способен формировать четыре связи с другими атомами. Внутри молекулы углекислый газ удерживает два кислородных атома двумя двойными ковалентными полярными связями.

История открытия и изучения СО2

Обратимся к хронологии событий, чтобы понять, когда и с какой целью было получено это соединение.

Ранние опыты

Первые эксперименты с газообразными веществами провёл Роберт Бойль в середине XVII века. Ему принадлежит известное наблюдение: объём газа сокращается по мере роста давления. Однако полученные закономерности применялись лишь к переходам воды между жидким и парообразным состояниями. Открыть оксид углерода (IV) в этих опытах не удалось - это произошло позднее, при исследовании нагретого мрамора.

Официальное признание газа

Получить углекислый газ из мрамора первым сумел шотландский химик Джозеф Блэк. Современников поразило то, что газообразное вещество высвобождается из твёрдого камня - для этого достаточно было прогреть мрамор. Открытие быстро нашло применение в разных областях науки; поначалу газ, добытый из раковин, использовали для растворения мочевых камней. Продолжая исследования, Блэк доказал кислотную природу соединения: он соединил едкую известь - сильное основание-гидроксид - с оксидом углерода и получил твёрдый осадок.

Физические характеристики и химическая активность

Опишем для двуокиси углерода набор физических параметров, а затем её реакционную способность.

Физические параметры

В обычных условиях диоксид углерода - это газ, который тяжелее воздуха, лишённый цвета и запаха. Он способен скапливаться в непроветриваемых помещениях, вытесняя кислород. Существует и в сжиженной форме, а при затвердевании превращается в сухой лёд. Разложение вещества наступает лишь при 2 000 °C.

Ключевые физические показатели удобно свести в перечень:

• температура кипения - -78 °C;
• температура плавления - -57 °C;
• плотность - 1,977 г/л;
• молярная масса - 44 г/моль;
• растворимость в воде - частичная; при +150 °C в 1 л воды растворяется 1,7 л CO2.

Химические свойства

По химической природе это типичный кислотный оксид, которому соответствует слабая угольная кислота. Соединение охотно реагирует со щелочами и основными оксидами. Поскольку углерод здесь пребывает в высшей степени окисления, вещество может играть роль окислителя в окислительно-восстановительных процессах. Рассмотрим характерные превращения по пунктам.

• Растворение газа в воде рождает слабую угольную кислоту, которая почти сразу распадается обратно.
• При контакте с водным раствором аммиака образуется гидрокарбонат аммония.
• Взаимодействие с сильными основаниями даёт соли угольной кислоты - карбонат. На примере гидроксида натрия побочно выделяется вода.
• Нагревание с коксом или углём в жёстких условиях запускает конпропорционирование: весь углерод переходит в степень окисления +2, образуя угарный газ.
• Реагируя как кислотный оксид с основными оксидами, вещество формирует карбонат (пример - оксид кальция).
• Соединение с карбонатами приводит к кислым солям; для карбоната аммония продуктом служит гидрокарбонат аммония, а расходуется одна молекула воды.
• Любопытна реакция горения магния в среде углекислого газа: металл вытесняет углерод из оксида, и получаются оксид магния и уголь.
• Взаимодействие с пероксидом натрия также относится к окислительно-восстановительным: итогом становятся карбонат натрия и кислород.
• Восстановление молекулярным водородом при сильном нагреве и в присутствии катализатора - оксида меди (II) - даёт метан и воду.

Способы получения СО2

Разберём, как углекислый газ добывают в лаборатории и в промышленных масштабах.

Лабораторный путь

В лабораторных условиях оксид углерода (IV) выделяют, действуя сильной кислотой (например, соляной) на карбонат. В роли карбоната выступают мел, мрамор или сода. Соответствующие уравнения выглядят так:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2;

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.

Промышленный путь

Промышленность опирается на два приёма: обжиг известняка и разделение воздуха на компоненты - кислород, азот и углекислый газ. Обжиг представляет собой термическое разложение карбоната кальция:

CaCO3 = CaO + CO2.

Значение СО2 для биосферы

Перечислим процессы, порождающие углекислый газ:

• дыхание - окисление питательных веществ с участием кислорода;
• брожение - переработка питательного субстрата бактериями с выделением газа;
• гниение - распад живой материи, при котором наряду с рядом токсичных соединений освобождается оксид углерода (IV);
• разрушение природных карбонатов - продолжительное разложение горных пород;
• горение топлива - сжигание углеродного сырья, всегда сопровождающееся выбросом CO2;
• образование дымовых газов.

Только организм одного человека вырабатывает около 1 кг углекислого газа в сутки. Казалось бы, атмосфера должна была бы целиком насытиться этим газом. Спасает положение обширный растительный покров: днём растения ведут фотосинтез - превращают CO2 в кислород. Так поддерживается устойчивое равновесие газа в биосфере.

Как измеряют содержание СО2

Приведём две методики контроля концентрации газа - инфракрасный датчик и газовую хроматографию.

Углекислый газ интенсивно поглощает инфракрасное излучение, поэтому по соотношению испущенного и уловленного сигнала рассчитывают его концентрацию.

Газохроматографический метод - технология, разделяющая несмешивающиеся смеси и позволяющая изучать их состав.

Влияние на организм человека

Поскольку диоксид углерода не поддерживает дыхание, в замкнутом помещении человек рискует потерять сознание либо погибнуть из-за дефицита кислорода и избытка этого газа. Рост его концентрации в теле вызывает усталость, головную боль, вялость и утомление - типичные признаки кислородного голодания.

Ограничение выбросов и улавливание СО2

Сократить образование углекислого газа помогает переход на экологичное топливо, ведь основными его источниками остаются нефтяное, древесное и углеродное сырьё. Поэтому ряд природоохранных организаций призывает отказаться от сжигаемого топлива. Параллельно ведётся наблюдение за концентрацией газа в атмосфере: сейчас она держится на уровне 0,04% от общего объёма. Рост даже на сотые доли процента способен запустить масштабное изменение климата и усилить парниковый эффект на планете.

Разбор типовой задачи

Решим задачу на определение массовой доли элемента в веществе - найдём долю углерода в молекуле углекислого газа.

• Вычислим молярную массу соединения:

M(CO2) = 12 + 2 * 16 = 44 г/моль.

• Молярная масса углерода равна:

Ar(C) = 12 г/моль.

• Разделим массу углерода на массу углекислого газа:

W(C) = 12/44 = 0,27 = 27%.

Ответ: массовая доля углерода в молекуле углекислого газа составляет 27%.