Жидкий углекислый газ. Физические и химические свойства углекислого газа

15.01.2024

Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?

Углекислый газ и его физические свойства

Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.

Рис. 1. Молекула углекислого газа.

Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.

Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».

Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.

Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.

Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.

Чтобы вычислить массовые доли элементов в углекислом газе необходимо следовать формулерасчета массовых долей каждого химического элемента в веществе.

n – число атомов или молекул.
Ar – относительная атомная масса химического элемента.
Mr – относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27 % Так как в формулу углекислого газа входит два атома кислорода, то n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73 %

Ответ: w(C) = 0,27 или 27 %; w(O) = 0,73 или 73 %

Химические и биологические свойства углекислого газа

Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO₃=2CO+O₃.

Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:

СaO+Co₃=CaCO₃.

Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.

Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углекислый газ (двуокись углерода, угольный ангидрид, диоксид углерода) – оксид углерода (IV).

Формула – СО 2 . Молярная масса – 44 г/моль.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ относится к классу кислотных оксидов, т.е. при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется угольная. Угольная кислота химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие, т.е. реакция взаимодействия углекислого газа с водой носит обратимый характер:

CO 2 + H 2 O ↔ CO 2 ×H 2 O(solution) ↔ H 2 CO 3 .

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO 2 = 2CO + O 2 .

Как и для всех кислотных оксидов, для углекислого газа характерны реакции взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:

CaO + CO 2 = CaCO 3 ;

Al 2 O 3 + 3CO 2 = Al 2 (CO 3) 3 ;

CO 2 + NaOH (dilute) = NaHCO 3 ;

CO 2 + 2NaOH (conc) = Na 2 CO 3 + H 2 O.

Углекислый газ не поддерживает горения, в нем горят только активные металлы:

CO 2 + 2Mg = C + 2MgO (t);

CO 2 + 2Ca = C + 2CaO (t).

Углекислый газ вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами, такими как водород и углерод:

CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O (t, kat = Cu 2 O);

CO 2 + C = 2CO (t).

При взаимодействии углекислого газа с пероксидами активных металлов образуются карбонаты и выделяется кислород:

2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2 .

Качественной реакцией на углекислый газ является реакция его взаимодействия с известковой водой (молоком), т.е. с гидроксидом кальция, в которой образуется осадок белого цвета – карбонат кальция:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Физические свойства углекислого газа

Углекислый газ – газообразное вещество без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Термически устойчив. При сжатии и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое состояния. Углекислый газ в твердом агрегатном состоянии носит название «сухой лед» и легко возгоняется при комнатной температуре. Углекислый газ плохо растворим в воде, частично реагирует с ней. Плотность – 1,977 г/л.

Получение и применение углекислого газа

Выделяют промышленные и лабораторные способы получения углекислого газа. Так, в промышленности его получают обжигом известняка (1), а в лаборатории – действием сильных кислот на соли угольной кислоты (2):

CaCO 3 = CaO + CO 2 (t) (1);

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O (2).

Углекислый газ используется в пищевой (газирование лимонада), химической (регулировка температур при производстве синтетических волокон), металлургической (защита окружающей среды, например, осаждение бурого газа) и других отраслях промышленности.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Какой объем углекислого газа выделится при действии 200 г 10%-го раствора азотной кислоты на 90 г карбоната кальция, содержащего 8% примесей, нерастворимых в кислоте?

Решение

Молярные массы азотной кислоты и карбоната кальция, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 63 и 100 г/моль, соответственно.

Запишем уравнение растворения известняка в азотной кислоте:

CaCO 3 + 2HNO 3 → Ca(NO 3) 2 + CO 2 + H 2 O.

ω(CaCO 3) cl = 100% — ω admixture = 100% — 8% = 92% = 0,92.

Тогда, масса чистого карбоната кальция:

m(CaCO 3) cl = m limestone × ω(CaCO 3) cl / 100%;

m(CaCO 3) cl = 90 × 92 / 100% = 82,8 г.

Количество вещества карбоната кальция равно:

n(CaCO 3) = m(CaCO 3) cl / M(CaCO 3);

n(CaCO 3) = 82,8 / 100 = 0,83 моль.

Масса азотной кислоты в растворе будет равна:

m(HNO 3) = m(HNO 3) solution × ω(HNO 3) / 100%;

m(HNO 3) = 200 × 10 / 100% = 20 г.

Количество вещества азотной кислоты кальция равно:

n(HNO 3) = m(HNO 3) / M(HNO 3);

n(HNO 3) = 20 / 63 = 0,32 моль.

Сравнивая количества веществ, вступивших в реакцию, определяем, что азотная кислота находится в недостатке, следовательно дальнейшие расчеты производим по азотной кислоте. Согласно уравнению реакции n(HNO 3): n(CO 2) = 2:1, следовательно n(CO 2) = 1/2×n(HNO 3) = 0,16 моль. Тогда, объем углекислого газа будет равен:

V(CO 2) = n(CO 2)×V m ;

V(CO 2) = 0,16×22,4 = 3,58 г.

Ответ

Объем углекислого газа — 3,58 г.

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...

607513 65 Подробнее

10.10.2013

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

447015 117 Подробнее

02.12.2013

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

355641 41 Подробнее

4.3 из 5

Диоксид углерода – химическое соединение, которое образуется при взаимодействии кислорода и углерода , данное вещество также называется углекислым газом, двуокисью углерода или угольным ангидридом.

Свойства диоксида углерода, получение

Как известно, углекислый газ содержится в атмосфере Земли, это соединение выделяется в воздух как результат процесса дыхания животных и человека. Растения поглощают двуокись углерода в процессе фотосинтеза, то есть в светлое время суток, а ночью также выделяют его. Кроме того, диоксид углерода содержится в минералах, и определенное его количество должно непременно присутствовать в клетках организма человека и животных, так как он, к примеру, поддерживает и регулирует тонус сосудов.

По своим физическим свойствам диоксид углерода представляет собой бесцветный газ, не наделенный запахом, но имеющий слегка кисловатый вкус. При сильном охлаждении он способен кристаллизоваться, превращаясь в так называемый «сухой лед», которому человечество нашло немало способов применения.

Химические свойства диоксида углерода следующие :

он прекрасно растворяется в воде, образуя при этом угольную кислоту;
при взаимодействии со щелочами углекислый газ образует карбонаты и гидрокарбонаты;
вступает в реакции нуклеофильного присоединения и электрофильного замещения;
не поддерживает горения, в нем могут гореть лишь некоторые активные металлы (например, магний).

В природе углекислый газ существует как результат окислительных реакций в живых организмах и в минералах. В промышленных масштабах диоксид углерода получают одним из нескольких способов:

Углекислый газ синтезируется как побочный продукт химических процессов (например, при разложении природных карбонов) или производства алкогольных напитков;
Диоксид углерода получают с помощью абсорбирования дымовых газов карбонатом калия или моноэтаноламином;
Существуют специальные установки по разделению воздуха в качестве побочного продукта во время производства кислорода, азота и аргона;
Небольшое количество диоксида углерода можно получить в лабораторных условиях как результат взаимодействия карбонатов или гидрокарбонатов с кислотами;
Для получения углекислого газа для приготовления напитков зачастую используется реакция соды и лимонной кислоты – именно так появились первые газированные напитки, первенство приготовления которых принадлежит аптекарям.

Как применяется диоксид углерода

К настоящему времени диоксид углерода активно используется во многих сферах и отраслях промышленности:

Пищевая индустрия применяет углекислый газ в качестве консерванта или разрыхлителя, маркируемого как Е290. Эту добавку можно встретить в хлебобулочной продукции, безалкогольных и алкогольных напитках – именно благодаря угольному ангидриду существуют газировки и лимонады, пиво и шампанское. Кроме того, диоксид углерода используют в качестве защитного газа во время транспортировки и хранения некоторых пищевых продуктов;
В системах пожаротушения и огнетушителях содержится жидкая углекислота;
В процессе сварки проволокой в роли защитной среды выступает углекислый газ, правда, высокие температуры провоцируют диссоциацию соединения с выделением кислорода;
Пневматическое оружие снабжается баллончиками с углекислотой, а авиамоделирование в качестве источника энергии для двигателей также применяет именно диоксид углерода ;
«Сухой лед» – кристаллическое состояние углекислого газа – используется для заморозки и хранения пищевых продуктов питания, в медицине для избавления от дефектов кожи (например, бородавок) и излишней пигментации, в качестве хладагента в лабораторных условиях и розничной торговле.

Как влияет диоксид углерода на организм человека

Как пищевая добавка углекислый газ признан «условно безопасным» и разрешен к использованию практически во всех странах мира, в том числе и в России. Тем не менее, по утверждению специалистов, чрезмерное употребление, например в составе газированных напитков, диоксида углерода, вред которого заключается в способности увеличивать всасываемость кишечника, может привести к следующим неприятным последствиям:

быстрое опьянение в результате употребления газированных алкогольных напитков;
вздутие живота и отрыжка;
существуют данные, что сильногазированные напитки способны вымывать кальций из костей.

Несмотря на то, что углекислый газ нетоксичен, повышение его концентрации во вдыхаемом воздухе может быть опасным. При незначительном увеличении уровня углекислого газа человек ощущает слабость и сонливость, если же наблюдаются такие симптомы как удушье, головокружение, расстройства слуха или даже потеря сознания – концентрация двуокиси углерода в воздухе чрезмерна. Вред диоксида углерода в этом случае будет заключаться в гиперкапнии (состоянии, когда концентрация углекислого газа в крови резко возрастает), что может привести даже к смерти от удушья.

Одеяло Земли

— двуокись углерода. Он же — углекислый газ, оксид углерода (IV) или угольный ангидрид. В нормальных условиях это бесцветный не имеющий запаха газ с кисловатым вкусом.

В условиях атмосферного давления двуокись углерода имеет два агрегатных состояния: газообразное (углекислый газ тяжелее воздуха, плохо растворяется в воде) и твёрдое (при -78 ºС превращается в сухой лёд).

Углекислый газ — один из главных составляющих окружающей среды. Он содержится в воздухе и подземных минеральных водах, выделяется при дыхании человека и животных, участвует в фотосинтезе растений.

Двуокись углерода активно влияет на климат. Она регулирует теплообмен планеты: пропускает ультрафиолет и блокирует инфракрасное излучение. В связи с этим углекислый газ порой называют одеялом Земли.

O2 — энергия. CO2 — искра

Двуокись углерода сопровождает человека на протяжении всей жизни. Будучи естественным регулятором дыхания и кровообращения, углекислый газ является неотъемлемым компонентом обмена веществ.

Делая вдох, человек наполняет лёгкие кислородом.

При этом в альвеолах (специальных «пузырьках» лёгких) происходит двусторонний обмен: кислород переходит в кровь, а углекислый газ выделяется из неё.

Человек выдыхает. CO2 — один из конечных продуктов метаболизма.

Говоря образно, кислород — это энергия, а углекислый газ — искра, разжигающая её.

Вдыхая около 30 литров кислорода в час, человек выделяет 20-25 литров углекислого газа.

Углекислый газ не менее важен для организма, чем кислород. Он является физиологическим стимулятором дыхания: влияет на кору головного мозга и стимулирует дыхательный центр. Сигналом для очередного вдоха служит не недостаток кислорода, а избыток углекислого газа. Ведь обмен веществ в клетках и тканях непрерывен, и нужно постоянно удалять его конечные продукты.

Кроме того, углекислый газ на секрецию гормонов, активность ферментов и скорость биохимических процессов.

Равновесие газообмена

Углекислый газ не токсичен, не взрывоопасен и абсолютно безвреден для людей. Однако для нормальной жизнедеятельности крайне важен баланс двуокиси углерода и кислорода. Недостаток и избыток углекислого газа в организме приводит к гипокапнии и гиперкапнии соответственно.

Гипокапния — недостаток СО2 в крови. Возникает в результате глубокого учащённого дыхания, когда в организм поступает больше кислорода, чем нужно. Например, во время слишком интенсивных физических нагрузок. Последствия могут быть различными: от лёгкого головокружения до потери сознания.

Гиперкапния — избыток СО2 в крови. Человек (вместе с кислородом, азотом, водяными парами и инертными газами) 0,04% углекислого газа, а выдыхает 4,4%. Если находиться в небольшом помещении с плохой вентиляцией, концентрация двуокиси углерода может превысить норму. Как следствие, может возникнуть головная боль, тошнота, сонливость. Но чаще всего гиперкапния сопутствует экстремальным ситуациям: неисправность дыхательного аппарата, задержка дыхания под водой и другим.

Таким образом, вопреки мнению большинства людей, углекислый газ в количествах, предусмотренных природой, необходим для жизни и здоровья человека. Кроме того, он нашёл широкое промышленное применение и приносит людям немало практической пользы.

Игристые пузырьки на службе поваров

СО2 используется во многих сферах. Но, пожалуй, наиболее востребован углекислый газ в пищевой промышленности и кулинарии.

Углекислый газ образуется в дрожжевом тесте под влиянием брожения. Именно его пузырьки разрыхляют тесто, делая его воздушным и увеличивая его объём.

С помощью углекислого газа делают различные освежающие напитки: квас, минеральную воду и другие любимые детьми и взрослыми газировки.

Эти напитки пользуются популярностью у миллионов потребителей во всём мире во многом из-за игристых пузырьков, которые так забавно лопаются в бокале и так приятно «колют» в носу.

Может ли углекислый газ, содержащийся в газированных напитках, способствовать гиперкапнии или нанести любой другой вред здоровому организму? Конечно, нет!

Во-первых, углекислый газ, который используется при приготовлении газированных напитков, специально подготовлен для применения в пищевой промышленности. В тех количествах, в которых он содержится в газировках, он абсолютно безвреден для организма здоровых людей.

Во-вторых, большая часть углекислого газа улетучивается сразу после откупоривания бутылки. Оставшиеся пузырьки «испаряются» в процессе питья, оставляя после себя лишь характерное шипение. В итоге в организм попадает ничтожно малое количество углекислого газа.

«Тогда почему врачи порой запрещают пить газированные напитки?» — спросите вы. По мнению кандидата медицинских наук, врача-гастроэнтеролога Алёны Александровны Тяжевой, это связано с тем, что существует ряд заболеваний желудочно-кишечного тракта, при которых предписывается специальная строгая диета. В список противопоказаний попадают не только напитки, содержащие газ, но и многие продукты питания.

Здоровый же человек без проблем может включить в свой рацион умеренное количество газированных напитков и время от времени позволять себе стаканчик той же колы.

Вывод

Углекислый газ необходим для поддержания жизни как планеты, так и отдельно взятого организма. СО2 влияет на климат, являясь своеобразным одеялом. Без него невозможен метаболизм: с углекислым газом из организма выходят продукты обмена. А ещё это незаменимый компонент любимых всеми газированных напитков. Именно углекислый газ создаёт игривые пузырьки, щекочущие в носу. При этом для здорового человека он абсолютно безопасен.

Похожие статьи: