Углекислый газ: как устроен CO2, где он рождается и чем полезен

Как устроен CO2, где он рождается и чем полезен

За привычной аббревиатурой CO2 скрывается соединение, знакомое каждому: его выдыхают все живые существа, оно поднимает тесто и гасит пожары. Молекула состоит всего из трёх атомов — одного углеродного и двух кислородных, — но круг её ролей в природе и технике огромен. Разберём вещество по частям: сначала оглянемся на его источники, затем изучим физику и химию, а под конец пройдёмся по областям применения и решим три расчётные задачи.

Откуда берётся диоксид углерода

CO2 — один из самых распространённых газов на планете, и вдобавок «парниковый»: его влияние на температуру воздуха двоякое. С одной стороны, скопления газа отражают часть солнечных лучей и слегка охлаждают атмосферу. С другой — тот же CO2 удерживает тепло у поверхности, а это уже работает на потепление.

Природные потоки

Главный природный генератор газа — само дыхание. Животные выделяют его круглосуточно; растения днём поглощают CO2 в ходе фотосинтеза, а с наступлением темноты, подобно животным, дышат и отдают его обратно. Масштабы впечатляют: взрослый человек выпускает за сутки порядка 506 л углекислоты, и чем выше физическая нагрузка, тем больше газа образуется.

Второй мощный источник — горение органики. В газовых установках топливом служит метан, сгорающий по уравнению:

CH4 + O2 = CO2 + H2O

Внешность и физика газа

Диоксид углерода бесцветен, лишён запаха и в полтора раза тяжелее воздуха. Он не ядовит и не горит — в его атмосфере пламя попросту затухает, хотя отдельные щелочные металлы умудряются гореть даже здесь.

Интересно ведёт себя вещество при смене температуры и давления. Охлаждённый до -78 °C, оксид минует жидкую фазу и сразу застывает в «сухой лёд»; при нагреве он так же напрямую возгоняется обратно в газ. Кстати, именно твёрдый CO2 формирует полярные шапки Марса. А вот перевести газ в жидкость удаётся лишь при 20 °C и давлении свыше 60 атмосфер.

Числовые характеристики удобнее собрать в таблицу.

Химическая природа соединения

По своей сути CO2 относится к кислотным оксидам. Углерод в нём несёт степень окисления +4 — высшую для этого элемента, ведь он стоит в IV группе таблицы Менделеева; низшая же равна -4. Такой разброс и наделяет газ окислительными способностями.

Поведение кислотного оксида

Для CO2 характерен весь типовой набор реакций кислотных оксидов.

Взаимодействие с водой даёт угольную кислоту — одну из самых неустойчивых:

СО2 + Н2О = Н2СО3

При атмосферном давлении она мгновенно распадается обратно, и процесс идёт в противоположную сторону с высвобождением газа: Н2СО3 = СО2 + Н2О.

Реакция с основанием чувствительна к пропорциям реагентов. Избыток оксида приводит к кислой соли (с атомами водорода):

СО2 (избыток) + КОН = КНСО3

А если в избытке основание, рождается основная соль (с группой –ОН):

СО2 + 2Мg(OH)2 (избыток) = (MgOH)2CO3

Отдельная особенность газа — способность реагировать с амфотерными гидроксидами вроде Pb(OH)2, Zn(OH)2, Cu(OH)2 и Be(OH)2, давая основную соль и воду:

СО2 + 2Pb(OH)2 = (PbOH)2CO3 + H2O

Наконец, диоксид углерода образует соли и с основными, и с амфотерными оксидами:

СО2 + Na2O = Na2CO3

СО2 + BaO = BaCO3

Окислительные превращения

Отдельная группа реакций опирается на окислительный характер CO2.

При высокой температуре газ вступает в реакцию с неметаллами. Контакт с углеродом — это диспропорционирование, где углерод оксида восстанавливается до степени окисления +2:

СО2 + C = CO

С металлами при нагреве углерод восстанавливается уже до нуля:

СО2 + Mg = C + MgO

Есть и биохимический маршрут: в нашем теле CO2 возникает как финальный продукт обмена веществ при окислении глюкозы:

C6H12O6 + 12O2 = 6 СО2 + 12H2O

Где применяют углекислый газ

Сфера использования CO2 охватывает едва ли не все стороны человеческой деятельности.

Пищевая отрасль. Здесь у газа сразу три роли. В роли консерванта E290 он образует в закупоренных банках под давлением углекислоту, которая губит бактерий или тормозит их размножение. Как разрыхлитель — растворяется в воде, стремительно распадается в газ, и его пузырьки поднимают тесто. А при газировании воды под высоким давлением жидкость насыщается углекислотой, которая вырывается наружу лишь при открытии бутылки и падении давления.

Медицина. Газ служит основой лазерного луча при криоабляции — удалении опухолей замораживающими лучами. Кроме того, его применяют при реанимации людей с остановкой дыхания.

Строительство. Диоксид углерода работает хладагентом при заморозке грунта, а также лежит в основе систем низкотемпературной сварки.

В углекислотной сварке используют смесь газа с металлической пылью. CO2 распадается с выделением кислорода, тот окисляет металл, и шов соединяется.

Пожаротушение. Большинство огнетушителей и стационарных систем тушения наполнены именно этим газом: он не поддерживает горение и быстро отсекает кислород от очага.

Оружейное дело. Пневматика стреляет за счёт стремительного расширения углекислого газа. Тот же принцип задействуют, чтобы получить пусковую энергию при испытаниях авиационных двигателей.

Как получают CO2

Лабораторные приёмы

В лаборатории газ добывают несколькими способами. Первый — действие кислот на карбонаты: образующаяся кислота тут же распадается с выделением CO2.

CaCO3 + HCl = CO2 + H2O + CaCl2

Второй путь — сжигание углерода в форме графита или сажи:

C + O2 = CO2

Промышленные схемы

На производстве логика та же — ставку делают на дешёвое и доступное сырьё. Поскольку мрамор (мел, гранит) широко распространён в земной коре, углекислоту получают действием кислот на этот карбонат:

CaCO3 + 2HCl = CO2 + H2O + CaCl2

Полученный газ улавливают поглотительными установками.

Иногда CO2 выделяют очисткой газовых смесей, ведь он выступает побочным продуктом многих процессов. Так, углекислота высвобождается при спиртовом брожении:

C6H12O6 + Na2SO3 → C3H8O3 + C2H4O + CO2

2 C6H12O6 + H2O → C₂H₆O + ацетат + 2 C3H8O3 + 2CO2

Разбор расчётных задач

Человеку для дыхания нужно около 32 г кислорода в час. Сколько литров углекислого газа накопится в комнате за сутки?

Дано: m(О2) = 32 г. Найти: V(CO2).

Найдём количество кислорода по формуле n = m/M:

n(О2) = 32 г / 32 г/моль = 1 моль.

Запишем уравнение реакции:

C6H12O6 + 12O2 = 6 СО2 + 12H2O

По уравнению количество CO2 относится к количеству кислорода как 6/12, поэтому n(СО2) = 0,5 моль. Объём газа найдём через V = n·Vm:

V(СО2) = 0,5 моль · 22,4 л/моль = 11,2 л.

За час образуется 11,2 л, а в сутках 24 часа, значит за день накопится:

11,2 л · 24 = 268,8 л CO2.

Ответ: 268,8 литров CO2.

Вычислите объём углекислого газа, выделившегося при взаимодействии 26 г карбоната кальция с 30 г хлороводородной кислоты.

Дано: m(CaCO3) = 26 г, m(HCl) = 30 г. Найти: V(CO2).

Найдём количества веществ по формуле n = m/M:

n(CaCO3) = 26 г / 100 г/моль = 0,26 моль;

n(HCl) = 30 г / 36,5 г/моль = 0,82 моль.

Уравнение реакции:

CaCO3 + 2HCl = CO2 + H2O + CaCl2

Соотношение карбоната и кислоты — 1/2. Соляная кислота в избытке, поэтому расчёт ведём по CaCO3. Углекислый газ и карбонат соотносятся как 1:1, следовательно n(CO2) = 0,26 моль.

Объём находим через V = n·Vm:

V(СО2) = 0,26 моль · 22,4 л/моль = 5,8 л.

Ответ: 5,8 л.

При брожении образовалось 50 л глицерина. Какой объём углекислого газа выделится в ходе реакции?

Дано: V(C3H8O3) = 50 л. Найти: V(CO2).

Найдём количество глицерина по формуле n = V/Vm:

n(C3H8O3) = 50 л / 22,4 л/моль = 2,23 моль.

Уравнение реакции брожения:

2 C6H12O6 + H2O → C₂H₆O + ацетат + 2 C3H8O3 + 2CO2

Углекислый газ и глицерин относятся как 2:2, поэтому n(CO2) = 2,23 моль. Объём газа:

V(СО2) = 2,23 моль · 22,4 л/моль = 50 л.

Ответ: 50 л.