Диоксид углерода

Диоксид углерода
Общие
Систематическое наименование	Оксид углерода​(IV)​
Традиционные названия	углекислый газ диоксид углерода углекислота двуокись углерода сухой лёд (в твёрдом состоянии)
Хим. формула	CO2
Рац. формула	CO2
Физические свойства
Состояние	Газообразное
Молярная масса	44,01 г/моль
Плотность	газ (0 °C): 1,9768 кг/м3 жидкость (0 °С, 35,5 ат): 925 кг/м3 тв. (−78,5 °C): 1560 кг/м3 г/см³
Динамическая вязкость	8,5⋅10−5 Па·с (10 °C, 5,7 МПа)
Скорость звука в веществе	269 м/с
Термические свойства
Температура
• сублимации	−78,5 °C
Тройная точка	−56,6 °C, 0,52 МПа
Критическая точка	31 °C, 7,38 МПа
Критическая плотность	467 кг/м3 см³/моль
Уд. теплоёмк.	849 Дж/(кг·К)
Теплопроводность	0,0166 Вт/(м·K)
Энтальпия
• образования	−394 кДж/моль
• плавления	9,02 кДж/моль
• кипения	16,7 кДж/моль
• сублимации	26 кДж/моль
Удельная теплота испарения	379,5 кДж/кг
Удельная теплота плавления	205 кДж/кг
Химические свойства
Растворимость
• в воде	1,48 кг/м3 г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS	124-38-9
RTECS	FF6400000
Безопасность
Предельная концентрация	9 г/м3 (5000 ppm) долговременное воздействие, 54 г/м3 (30 000 ppm) кратковременное воздействие (<15 мин)
ЛД50	LC50: 90 г/м3 (5 мин, человек, ингаляция)
Токсичность	Нетоксичен. Опасен лишь в очень больших количествах (обладает удушающим действием). Негорюч.
NFPA 704	0 1 0 SA
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Диокси́д углеро́да или двуо́кись углерода (оксид углерода (IV), углекислый газ, угольный ангидрид, углекислота) — неорганическое химическое соединение углерода с кислородом, бинарный кислотный оксид с формулой CO₂, молярная масса — 44 г/моль. Молекула состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. При нормальных условиях диоксид углерода — это бесцветный газ, без вкуса и практически без запаха (в больших концентрациях — с кисловатым «содовым» запахом). В качестве хладагента углекислый газ называется R-744 или R744.

История происхождения

В середине XVII века английский химик и физик Роберт Бойль доказал, что чем больше давление, которое испытывает газ, тем меньший объём он занимает. Но при переходы воды из жидкого состояния в газообразное вода превращается в пар. При этом пары воды легко переходят в жидкое состояние — воду. Находясь в парообразном состоянии, они занимают сравнительно большое пространство.

В 1754 году шотландский учёный Джозеф Блэк, проведя опыт с нагреванием мрамора (CaCO₃), установил, что при разложении твёрдого вещества — мрамора выделяется углекислый газ или «фиксируемый воздух» и образуется негашёная известь (оксид кальция, CaO), которые способны соединяться в первоначальное вещество — карбонат кальция. Учёный обратил внимание на то, что газ может быть получен из твёрдого тела, чем является мрамор. Кроме того, выделившийся газ, был фиксированным, то есть связанным химически, что отличало его от обычного воздуха.

Поводом к открытию Д. Блэком углекислого газа стали английский государственный деятель Роберт Вальполь и его брат Гораций, которые страдали от мочекаменной болезни. Им казалось, что они получили некоторое облегчение от придуманного некоей миссис Стефенс лекарства, получившая за раскрытие своего тайного рецепта 5000 фунтов стерлингов. Рецепт был напечатан в «Лондонской газете» в 1739 году:

«Мои лекарства суть: порошок, отвар и пилюли. Порошок состоит из яичной скорлупы и прокалённых улиток. Чтобы получить отвар, нужно варить некоторые травы с шаром, приготовленным из мыла, обугленного кресса и мёда. Пилюли состоят из прокалённых улиток, семени дикой репы, репейника, шиповника и овса (все они должны быть обуглены), мыла и мёда. Яичная скорлупа и улитки прокаливаются в течение восьми часов в тигле, окружённом углем, и затем помещаются в глиняный сосуд в сухой комнате, где они и остаются в течение двух месяцев. Здесь скорлупа становится мягкой на вкус и распадается в порошок. Улитки нагреваются в тигле до полного удаления запаха и затем в ступке истираются в порошок. Пропорция такова: 6 частей яичной скорлупы на одну часть порошка улиток. Последний может быть приготовлен только в мае, июне, июле и августе. Травы для отвара: зелёная ромашка, сладкий укроп, петрушка и репейник; листья или коренья».

Доктор Кэлен и его коллеги оспаривали действенность столь странного и едкого средства. Для нахождения более мягкой щёлочи для медицинских целей, Джозеф приступил к своим опытам. Опыты эти были описаны в статье под заглавием «Опыты над белой магнезией, едкой известью и некоторыми другими щелочными веществами».

Все средства, используемые для растворения мочевых камней в медицине, обладали едкими свойствами. Их получали из карбонатов, растворы которых варились с гашёной известью, получаемой из едкой извести (оксид кальция) с водой:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

Оксид кальция (едкая известь) образуется при нагревании на огне известняка (карбоната кальция):

CaCO₃ = CaO + CO₂↑

Взаимодействие карбонатов с известью происходит по уравнению реакции:

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + 2NaOH,

где, CaCO₃, как малорастворимая соль, переходит в осадок, а едкий натр NaOH остается в растворе.

Предполагалось, что едкие свойства исходят от огня, эссенция которого при варке мягких щелочей с известью переходит к щелочам, которые и становятся едкими.

Как доказывает лабораторный дневник учёного, Д. Блэк пытался добыть материю огня в тот момент, когда она выделялась из извести, между тем как последняя на воздухе становилась мягче. Проведя множество лабораторных испытаний, в дневнике им было записано:

«Ничего не выделяется, сосуд сильно прибавляет в весе, так как воздух поглощается».

Также в его дневнике описал опыт, в котором хотел сравнить потерю в весе, испытываемую унцией известкового камня при накаливании, с потерей, которая получается при растворении ее же в соляной кислоте. Этот опыт прояснил причину мягкости и едкости веществ:

«Если я осаждаю известь обыкновенной щёлочью, то никакой пены нет. Воздух оставляет щёлочь и переходит к извести. Но это уже не известь, а другое вещество. Теперь это пенится, чего при хорошей извести не бывает».

Получив карбонат магния, MgCO₃ («мягкую магнезию») осаждением из сульфата магния и горькой соли с карбонатом калия (поташом), Джозеф Блэк обнаружил, что она растворяется с бурным выделением воздуха кислотами купороса, селитры или обыкновенной соли, а также дистиллированным винным уксусом. Если сильно нагреть мягкую магнезию, то она превращается в белый порошок, растворяющийся в кислотах, без выделения газов. Кроме того, она при нагревании теряет 7/12 своего веса. Для того, чтобы снова получить её, Блэк растворил остаток в серной кислоте, добавил щёлочь (карбонат). Полученный белый порошок растворялся в кислотах с выделением газа и снова приобретал первоначальные свойства, увеличиваясь в весе при этом на столько же, сколько терял при накаливании. Образование пузырьков приписывалось воздуху. «Отсюда ясно, – заключил Блэк, – что кислота вытеснила воздух, то есть CO₂) из щёлочи, и он перешёл к магнезии». Таким образом, Д. Блэк сделал открытие, взвесив газ в связанном состоянии.

Затем Д. Блэк обратил своё внимание на известь. Растворив известняк в соляной кислоте и обработав полученный раствор мягкой щёлочью, он пришёл к выводу, что между вновь полученным известковым камнем и первоначальным не оказалось никакой разницы. Таким образом им впервые был отделён «фиксируемый воздух» — СО₂ от извести и затем опять объединён в первоначальное соединение. Проведённые им опыты позволили сделал вывод о том, что «фиксируемый воздух» должен обладать свойствами кислоты, так как превращает едкую известь («жесткую землю»), как он называл её, в известняк («мягкую землю»), предположив, что причина мягкости заключается в соединении с «фиксируемым воздухом».

Для доказательства факта о том, что «фиксируемый воздух» не обладает свойствами обыкновенного воздуха, Джозеф Блэк провёл новые испытания. Он последовательно поместил сначала 4 унции известковой воды и затем 4 унции обычной воды под колокол своего воздушного насоса, удалив воздух. В обоих опытах им были получены почти равные количества воздуха, что послужило выводом о том, что воздух, растворённый в воде , отличается от воздуха, притягиваемый известью. Едкая известь не притягивает воздуха, обладающего обычными своими свойствами, а способна соединяться только с особым видом его

Строение

Изотопы CO₂ и MgCO₃

Углекислый газ (диоксид углерода) обычно встречается в виде бесцветного газа. В твёрдом состоянии он называется сухим льдом. Химическая или молекулярная формула углекислого газа — CO₂. Центральный атом углерода соединён с двумя атомами кислорода ковалентными двойными связями, так как кислород более электроотрицателен, чем углерод. Химическая структура центросимметрична и линейна, поэтому у углекислого газа нет электрического диполя. Однако из-за симметричной структуры молекулы дипольные моменты связей компенсируются, и молекула в целом становится неполярной. В молекуле CO₂ отсутствуют неподелённые электронные пары на атоме углерода, так как он разделяет свои электроны с атомами кислорода через двойные связи.

Атом углерода в молекуле CO₂ находится в состоянии sp-гибридизации. Две sp-гибридные орбитали атома углерода перекрываются с двумя p-орбиталями атомов кислорода, образуя σ-связи. Негибридные p-орбитали атома углерода перекрываются с р-орбиталями атомов кислорода, образуя π-связи. Все атомы расположены по прямой линии. Угол между связями составляет 180 °, что связано с симметричным распределением электронов вокруг атома углерода: электроны распределены так, что любое притяжение в одном направлении или другом, сохраняет молекулу прямой. Расстояние от центра центрального атома углерода до центров двух атомов кислорода составляет 116,3 пм.

Валентность и степень окисления углерода в молекуле углекислого газа численно совпадают и соответственно равны: валентность — IV, степень окисления — +4.

Свойства

Физические свойства

Диоксид углерода представляет собой бесцветный газ плотностью 1,9768 г/дм³ (0 °C). Имеет слабый за́пах. Сжижается при температуре 20 °C и давлении 5,7 МПа. При температуре минус 78,5 °C и атмосферном давлении превращается в «сухой лёд» — белую снегообразную массу, которая при возгонке поглощает около 590 кДж/кг теплоты. При высоких давлениях способен образовывать стеклообразную массу.

При растворении диоксида углерода в воде (1,45 г/дм³ при 25 °C и 100 кПа) образуется угольная кислота Н₂СО₃. Также диоксид углерода в жидком состоянии хорошо растворяется в низших спиртах и эфире. Относится к термически устойчивым химическим веществам. При содержании углекислого газа в воздухе более 6 % —токсичен.

Химические свойства

Генетическая связь

• Диоксид углерода относится к кислотным оксидам, при взаимодействии с водой образуя кислоту, называемую угольной кислотой. Угольная кислота Н₂СО₃ химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие — СО₂ и воду Н₂О. Поэтому взаимодействие углекислого газа с водой — обратимый процесс:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃

• При взаимодействии диоксида углерода с растворами щелочей (NaOH, Ba(OH)₂) и аммиаком (NH₃) образуются соли (карбонаты и гидрокарбонаты):

CO₂ + NaOH _{(разбавленный)} = NaHCO₃,

CO₂ + 2NaOH _{(концентрированный)} = Na₂CO₃ + H₂O,

CO₂ + Ba(OH)₂ = BaCO₃ ↓ + H₂O,

CO₂ + BaCO_{3 (т)} + H₂O = Ba(HCO₃)_{2(раствор)} ,

CO₂ + NH₃ ∙ H₂O = NH₄HCO₃.

• При нагревании диоксид углерода распадается на оксид углерода (II) и воду:

2CO₂ = 2CO + O₂.

• При температуре углекислый газ реагирует с активными металлами, например, с магнием, образуя оксиды:

CO₂ + 2Mg = C + 2MgO.

Углекислый газ в основном проявляет восстановительные свойства, но при взаимодействии с активными металлами является окислителем.

• Качественной реакцией на открытие газа СО₂ служит реакция с избытком гидроксида кальция. Аналитический эффект реакции — образование белого осадка:

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃ ↓ + Н₂О.

• В замкнутых пространствах (подводные лодки и т.д.) проводят реакцию, которая позволяет восстанавливать запасы кислорода:

2 СО₂ + 2Na₂O₂ = O₂ ↑ + 2 Na₂CO₃.

• Взаимодействует при нагревании с углеродом, выделяя оксид углерода (реакция Будуара), а также с органическими веществами (карбоксилирование).

Получение

Диоксид углерода получают следующими промышленными способами:

• горение кокса: С + О₂ = СО₂↑;

• обжиг известняка: СаСО₃ = СО₂ ↑ + СаО.

К лабораторным способам получения диоксида углерода относятся следующие:

• обработка карбонатов сильной кислотой (например, соляной): СаСО₃ + 2НСl = СаСl₂ + H₂O + CO₂↑;
• спиртовое брожение глюкозы: С₆Н₁₂О₆ = 2 СО₂ ↑ + 2 С₂Н₅ОН;

Для очистки углекислого газа от примесей, газ пропускают через раствор карбоната калия К₂СО₃ на холоду, СО₂ поглощается и в результате в растворе образуется гидрокарбонат калия. Примеси проходят через раствор, а СО₂ выделяют из раствора кипячением (идет термическое разложение гидрокарбоната).

Применение

В пищевой промышленности диоксид углерода используется в качестве пищевой добавки для создания газированных напитков и минеральной воды, как компонент азотных смесей для упаковки продуктов и увеличения их срока годности.

В медицине применяют углекислый газ для создания дыхательных смесей и стимуляции дыхания при его остановке.

В металлургической промышленности СО₂ в основном используется для резки и сварки металлов. С помощью углекислого газа регулируют водоотвод в шахтах, обеспечивают отвод вредных соединений из атмосферы рабочей зоны металлургических предприятий.

В электротехнической промышленности диоксидом углерода убирают осадки, очищают электронные компоненты и используют как охладитель.

Оксид углерода (IV) используют в синтезе различных продуктов, применяют в огнетушителях, используют как среду для хранения огнеопасных веществ.

Медико-биологическое значение диоксида углерода

Растительный пигмент хлорофилл поглощает энергию солнечного света, которая используется для превращения диоксида углерода и воды в углеводы и кислород по общей схеме реакции фотосинтеза:

xCO₂ + yH₂O = C_x(H₂O)_y + xO₂

Циркуляция CO₂ на Земле

Углеводы являются хранилищем энергии, и существование всех форм жизни на нашей планете обязано фотосинтезу. Зеленые листья площадью 1 м² за время освещения Солнцем в течение одного часа производят из диоксида углерода один грамм виноградного сахара. Окисление соединений углерода низших степеней окисления под действием кислорода приводит к образованию воды и углекислого газа (СО₂). Этот процесс имеет место с биосубстратом тканей и клеток живых организмов и служит энергетическим источником в живом организме.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) диоксида углерода в воздухе зависит от контекста:. для воздуха рабочей зоны или жилых помещений. CO₂ относится к 4-му классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76 и его избыточное содержание может негативно влиять на здоровье людей. Для воздуха рабочей зоны ПДК CO₂ установлены в соответствии с СанПиН 1.2.3685-21:

• 9000 мг/м³ (≈5000 ppm) — среднесменная предельно допустимая концентрация;
• 27 000 мг/м³ (≈15 000 ppm) — максимально разовая предельно допустимая концентрация.

Для жилых помещений ПДК CO₂ прямо не нормируется, но, согласно требованиям ГОСТ 30494-2011, для жилых зданий следует принимать, как правило, 2-й класс качества воздуха — не более 1000 ppm. Концентрацию CO₂ измеряют в миллионных долях (ppm) от общего объёма воздуха.

Нахождение в природе

В природе оксид углерода (IV) встречается не только в чистом виде. Он также содержится во многих полезных ископаемых, например: нефти, известняке, торфе. Большие запасы этого соединения находятся в мировом океане.Оксид углерода (IV) выделяется при дыхании живыми организмами.

Диоксид углерода (углекислый газ) находится в природе в следующих местах:

Образование СО₂ в природе

• Атмосфера Земли — содержится около 0,03 % по объёму;
• Гидросфера — содержится в виде физически растворённого диоксида углерода, а также растворённых гидрокарбонатов и карбонатов;
• Литосфера — содержит самую большую долю химически связанного диоксида углерода: карбонатные породы, такие как кальцит и доломит, содержат около 60 петатонн углерода;
• Биосфера — участвует в процессах фотосинтеза у растений, водорослей и цианобактерий.

Диоксид углерода выделяется с вулканическими газами, с парами горячих источников и гейзеров, при горении и разложении растительных и животных остатков, при спиртовом брожении, горении топлива.

Все источники диоксида углерода на земле можно разделить на две большие категории: естественные (углекислый кислород образуется независимо от воли человека) и искусственные (образование этого соединения является результатом деятельности человечества). Ниже предлагаем подробно рассмотреть обе эти категории.

Естественные источники

Углекислый газ это вещество, которое активно вырабатывается в природе без какого-либо стороннего вмешательства. Происходит это следующими способами:

• Участвует в биогеохимическом углеродном цикле: выделяется человеком и животными при дыхании. Человеческий организм выделяет примерно 1 кг этого соединения в сутки следующим образом: вначале углекислый газ образуется в качестве конечного продукта метаболизма, после чего по венозной системе он через лёгкие выводится наружу вместе с дыханием.
• Участвует в процессах фотосинтеза у растений, водорослей и цианобактерий. При недостатке света запускается обратная реакция. Именно поэтому в плохо проветриваемом помещении скопление большого количества растений — не желательно. В тёмное время суток концентрация двуокиси углерода увеличивается, что негативно сказывается на самочувствии человека.
• Другие естественные источники образования СО₂ — гниение и разложение органических соединений, извержение вулканов, массивные лесные пожары, выделение с парами горячих источников и гейзеров, при спиртовом брожении, горении топлива, при термическом разложении карбонатов и их взаимодействии с кислотами.
• 

  Выбросы CO₂ за 2022 год
  В атмосфере Земли диоксида углерода содержится около 0,03 % по объёму.

Искусственные источники

Концентрация СО₂ в атмосфере начала резко расти с приходом индустриальной эпохи. Активная выработка углекислого газа является результатом деятельности человека:

• выработка СО₂ в качестве продукта сгорания топлива — главным источникам выступает большое количество наземного, воздушного и водного транспорта, В процессе его работы в окружающую среду попадают ядовитые выхлопные газы;
• рост промышленных производств — СО₂ активно выделяется из дымовых газов, входит в состав побочных продуктов различных химических процессов — по объему выбросов этого газа в атмосферу относится металлургическая, химическая, пищевая, энергетическая промышленности.

Рост концентрации диоксида углерода на Земле увеличивает активная вырубка лесов, сокращение количества зелёных насаждений. Диоксид углерода входит в состав парниковых газов и влияет на климат Земли.