Вуглекислий газ: властивості, одержання, застосування. Вуглекислий газ

Усього близько 0.04% вуглекислого газу міститься у повітрі.В основному він потрапляє в повітря через розкладання рослинних та тваринних тканин, а також у процесі згоряння кам'яного вугілля та деревини.

Вміст кисню та вуглекислого газу в атмосфері нашої планети здатні регулювати рослини. Під впливом води та сонячного світла вуглекислий газ у клітинах рослин перетворюється на крохмаль, а також на багато інших поживних речовин. Рослинам, щоб жити, також треба дихати. Тому вони поглинають кисень та виділяють вуглекислий газ.Але в процесі утворення крохмалю вони виділяють набагато більше кисню, ніж поглинають, коли дихають. Але при утворенні крохмалю рослинний світ поглинає значно більше вуглекислого газу, ніж видихають.

Отже, потрібно берегти ліси та весь рослинний світна нашій планеті, тому що вони підтримують постійний вміст вуглекислого газу та кисню у природі.

Користь та шкода вуглекислого газу

Вуглекислий газ дуже корисний для людини, він бере участь у надходженні кисню в тканини та регуляції процесів дихання людини

СО2 дуже впливає на клімат. Також без нього неможливий метаболізм. Це незамінний компонент для всіх улюблених газованих напоїв.

У свою чергу він може і завдати шкоди. Перенасичення організму вуглекислим газом завдає величезної шкоди людині і може спричинити смерть.

(IV), діоксид вуглецю або двоокис вуглецю. Також його ще називають вугільним ангідридом. Він є абсолютно безбарвним газом, який не має запаху, із кислуватим смаком. Вуглекислий газ важчий за повітря і погано розчиняється у воді. За температури нижче - 78 градусів Цельсія кристалізується і стає схожим на сніг.

З газоподібного стану ця речовина переходить у твердий, оскільки не може існувати в рідкому стані в умовах атмосферного тиску. Щільність вуглекислого газу в нормальних умовах становить 1,97 кг/м3 – в 1,5 рази вище Діоксид вуглецю у твердому вигляді називається «сухий лід». У рідкий стан, у якому його можна зберігати тривалий час, він переходить у разі підвищення тиску. Розглянемо докладніше цю речовину та її хімічну будову.

Вуглекислий газ, формула якого CO2, складається з вуглецю та кисню, а виходить він у результаті спалювання або гниття органічних речовин. Оксид вуглецю міститься у повітрі та підземних мінеральних джерелах. Люди та тварини також виділяють вуглекислий газ при видиханні повітря. Рослини без освітлення виділяють її, а під час фотосинтезу інтенсивно поглинають. Завдяки процесу метаболізму клітин всіх живих істот оксид вуглецю є одним із головних складових навколишньої природи.

Цей газ не токсичний, але якщо він накопичується у великій концентрації, може початися ядуха (гіперкапнія), а при його нестачі розвивається протилежний стан - гіпокапнія. Діоксид вуглецю пропускає та відображає інфрачервоні. Він є безпосередньо впливає на глобальне потепління. Це відбувається через те, що рівень його вмісту в атмосфері постійно зростає, що призводить до парникового ефекту.

Діоксид вуглецю отримують промисловим шляхом з димних або пічних газів, або шляхом розкладання карбонатів доломіту і вапняку. Суміш цих газів ретельно промивається спеціальним розчином, що складається з карбонату калію. Далі вона переходить у гідрокарбонат і при нагріванні розкладається, у результаті вивільняється вуглекислота. Вуглекислота (H2CO3) утворюється з вуглекислого газу, розчиненого у воді, але в сучасних умовах одержують її та іншими, більш прогресивними методами. Після того, як вуглекислий газ очищений, його стискають, охолоджують і закачують у балони.

У промисловості ця речовина широко та повсюдно застосовується. Харчовики використовують його як розпушувач (наприклад, для приготування тіста) або як консервант (Е290). За допомогою вуглекислого газу виробляють різні тонізуючі напої та газування, які так улюблені не лише дітьми, а й дорослими. Діоксид вуглецю використовують для виготовлення харчової соди, пива, цукру, шипучих вин.

Вуглекислий газ застосовується і під час виробництва ефективних вогнегасників. За допомогою вуглекислого газу створюється активне середовище, необхідне при високій температурі зварювальної дуги вуглекислий газ розпадається на кисень і чадний газ. Кисень взаємодіє з рідким металом та окислює його. Вуглекислота в балончиках застосовується в пневматичних рушницях та пістолетах.

Авіамоделісти використовують цю речовину як паливо для своїх моделей. За допомогою вуглекислого газу можна значно підвищити врожайність культур, які вирощуються в оранжереї. Також у промисловості широко використовується в якому продукти харчування зберігаються значно краще. Його застосовують як холодоагент у холодильниках, морозильних камерах, електричних генераторах та інших теплоенергетичних установках.

Ще в минулому столітті було проведено різноманітні дослідження щодо впливу CO 2 на організм людини. У 60-х роках вчена О.В.Єлісєєва у своїй дисертації привела детальне дослідження, як впливає вуглекислий газ у концентраціях 0,1% (1000 ррm) до 0,5% (5000 ррm) на організм людини і дійшла висновку, що короткочасне вдихання здоровими людьми двоокису вуглецю в цих концентраціях викликає чіткі зрушення функції зовнішнього дихання, кровообігу і значні погіршення електричної активності головного мозку. Згідно з її рекомендаціями, вміст CO2 у повітрі житлових та громадських будівель не повинен перевищувати 0,1% (1000 ррm), а середній вміст CO2 має бути близько 0,05% (500 ррm).

Фахівці знають, що існує прямий зв'язок між концентрацією CO2 та відчуттям задухи. Це відчуття виникає у здорової людини на рівні 0,08% (тобто 800 ррm). Хоча в сучасних офісах дуже часто буває 2000 ррм і більше. І людина може не відчувати небезпечного впливу CO2. Коли йдеться про хвору людину, то поріг її чутливості ще зростає.

Залежність фізіологічних проявів від вмісту CO2 у повітрі наведена у таблиці:

Рівень CO 2 , ррm	Фізіологічні прояви у людини
Атмосферне повітря 380-400	Ідеально для здоров'я та гарного самопочуття.
400-600	Нормальна кількість. Рекомендовано для дитячих кімнат, спалень, офісних приміщень, шкіл та дитячих садків.
600-1000	З'являються скарги на якість повітря. У людей, які страждають на астму, можуть частішати напади.
Вище 1000	Загальний дискомфорт, слабкість, біль голови, концентрація уваги падає на третину, зростає кількість помилок у роботі. Може призвести до негативних змін у крові, також можуть виникнути проблеми з дихальною та кровоносною системами.
Вище 2000	Кількість помилок у роботі сильно зростає, 70% співробітників що неспроможні зосередитися на роботі.

Основні зміни при вдиханні підвищених концентрацій вуглекислого газу (гіперкапнії) відбуваються в центральній нервовій системі, і вони мають при цьому фазний характер: спочатку підвищення, а потім зниження збудливості нервових утворень. Погіршення умовнорефлекторної діяльності спостерігається при концентраціях, близьких до 2% - знижується збудливість дихального центру мозку, зменшується вентиляторна функція легень, порушується гомеостаз (рівновага внутрішнього середовища) організму шляхом пошкодження клітин або подразнення рецепторів неадекватним рівнім. При вмісті вуглекислого газу до 5% відбувається значне зниження амплітуди викликаних потенціалів головного мозку, десинхронізація ритмів спонтанної електроенцефалограми з подальшим пригніченням електричної активності мозку.

Що саме відбувається при підвищенні концентрації CO2 у повітрі, що потрапляє до організму? Збільшується парціальний тиск CO 2 в альвеолах, його розчинність у крові підвищується, і утворюється слабка вугільна кислота (CO 2 + Н 2 O = Н 2 3 ), що розпадається, у свою чергу, на Н + і НССО3-. Кров закислюється, що називається газовим ацидозом. Чим вища концентрація CO 2 у повітрі, яким ми дихаємо, тим нижча рН крові і тим більше кислу реакцію вона має.

Коли починається ацидоз, спочатку організм захищається, підвищуючи концентрацію бікарбонату в плазмі крові, - про це свідчать численні біохімічні дослідження. Щоб компенсувати ацидоз, нирки посилено виділяють Н+ та затримують НССО 3 -. Потім включаються інші буферні системи та вторинні біохімічні реакції організму. Оскільки слабкі кислоти, в т. ч. і вугільна (Н 2 3), можуть утворювати з іонами металів слаборозчинні сполуки (СаСО 3), то вони відкладаються у вигляді каменів, насамперед у нирках.

Співробітник медичної науково-дослідної лабораторії військово-морського підводного флоту США Карл Шафер досліджував, як впливають різні концентрації вуглекислого газу на морських свинок. Гризунів вісім тижнів містили при 0,5% CO 2 (кисень був у нормі – 21%), після чого вони мали значну кальцифікацію нирок. Вона відзначалася навіть після тривалого на морських свинок менших концентрацій – 0,3% CO 2 (3000 ррm). Але це ще не все. Шафер та його колеги знайшли у свинок через вісім тижнів впливу 1%-го CO 2 демінералізацію кісток, а також структурні зміни у легенях. Дослідники розцінили ці захворювання як адаптацію організму до хронічного впливу підвищеного рівня CO2.

Відмінною особливістю довгострокової гіперкапнії (підвищене СО2) є тривалі негативні наслідки. Незважаючи на нормалізацію атмосферного дихання, в організмі людини тривалий час спостерігаються зміни біохімічного складу крові, зниження імунологічного статусу, стійкості до фізичних навантажень та інших зовнішніх впливів.

Висновок – щоб уникнути негативних наслідків, вміст вуглекислого газу у повітрі, що вдихається, потрібно обов'язково контролювати. Для цієї мети чудово підходить сучасний та надійний прилад – .

Всім відомо, що рослини мають здатність продукувати в процесі фотосинтезу велику кількість кисню, а натомість поглинати вуглекислий газ. Він є продуктом повітрообміну всього живого землі, зокрема і рослин. Крім того, він широко використовується в різних сферах життя, а також накопичується в щільно закритих приміщеннях, що створює небезпеку вдихання шкідливих для здоров'я доз. Високі концентрації цієї речовини викликають отруєння вуглекислим газом.

Вуглекислий газ та його застосування

Вуглекислий газ – це хімічна сполука двоокис вуглецю (CO2), що є ангідридом вугільної кислоти. Він постійно знаходиться в атмосфері в межах 0,03%, в повітрі, що видихається людиною, його концентрація становить близько 4%.

Внаслідок взаємодії двоокису вуглецю з водою утворюється нестійка вугільна кислота. Газ відрізняється такими характеристиками:

• Майже немає ні запаху, ні кольору, під певним тиском здатний перетворюватися на рідкий стан, а при випаровуванні – перетворюватися на білу масу, в пресованому вигляді складову основу так званого «сухого льоду».
• Не має горючості (що використовується в протипожежних пристроях) і здатний розчинятися у воді під тиском (так виробляються газовані напої).

Різноманітні властивості CO2 знайшли застосування у металургії та хімічній промисловості, у холодильних камерах, при гасінні пожеж, під час зварювальних робіт.

У великих концентраціях з'єднання токсичне і може спричинити отруєння.

Як можна отруїтися двоокисом вуглецю

Невелика кількість двоокису вуглецю завжди присутня в навколишньому повітрі. Безпечна для людини концентрація у природному середовищі становить 0,03-0,2%. Однак існують певні умови, за яких рівень CO2 може бути підвищеним:

1. У приміщеннях озокеритових та вугільних шахт. Там допускається підвищення вмісту CO2 рівня 0,5%. Якщо рівень підвищуватиметься, а кисню – знижуватиметься, отруєння неминуче.
2. В інших промислових приміщеннях – усередині сатураційних котлів на цукрових заводах, оглядових колодязів каналізаційної та водопровідної мереж, бродильних відділень пивоварень. Працівники подібних підприємств найчастіше схильні до інтоксикації.
3. При частому контакті із «сухим льодом» у зв'язку з професійною діяльністю.
4. При порушенні технології під час встановлення систем повітрообміну у підводних човнах, приміщеннях метрополітену, на підводних океанографічних станціях, у спорядженні дайверів.
5. У приміщеннях, що рідко провітрюються, з великою кількістю людей (наприклад, у шкільних класах або задушливих офісах, особливо з пластиковими рамами на вікнах) може виникнути легкий ступінь отруєння.

Висока доза CO2 призводить до ураження дихальної системи, але може дратувати слизові оболонки і шкіру (наприклад, дотик до «сухого льоду» здатний викликати серйозний опік).

Ознаки гострого отруєння можуть бути різними залежно від ступеня інтоксикації та концентрації вуглекислого газу.

Ознаки гострого отруєння вуглекислим газом

Виразність симптомів інтоксикації двоокисом вуглецю залежить від рівня вмісту газу у повітрі, що вдихається.

Легкий ступінь

При концентрації газу вище 2% отруєння проявляється:

• загальною слабкістю;
• підвищеною сонливістю;
• головним болем.

Середній ступінь

При рівні вмісту від 5 до 8% подразнюються слизові оболонки дихальних шляхів та органів зору, знижується температура тіла, підвищується артеріальний тиск, частішає та поглиблюється дихання. Все це супроводжується:

• нудотою;
• задишкою;
• серцебиттям;
• почуттям жару;
• головним болем;
• запамороченням;
• надмірною збудливістю;
• шумом у вухах.

Тяжкий ступінь

Концентрація CO2 більше 3% в умовах закритого приміщення при 13,6% вмісту кисню може призвести до задушення, а більш високі дози вважаються смертельними і загрожують летальним кінцем від зупинки дихання. Проте при наданні негайних заходів допомоги потерпілому навіть за тяжкого ступеня інтоксикації можливий вихід із цього стану, хоч і з тяжкими наслідками. Зазвичай вони проявляються:

• ретроградною амнезією;
• почуттям сором'язливості у грудях;
• загальною слабкістю;
• головним болем та іншими залишковими явищами.

Наслідками тяжкого ступеня отруєння нерідко стають пневмонія чи бронхіт.

Як допомогти постраждалому

Перша допомога при отруєнні вуглекислим газом, щоб запобігти летальному исходу, повинна бути надана наступним чином:

1. Насамперед потрібно вивести потерпілого з явними ознаками інтоксикації на свіже повітря і звільнити його від одягу, що стискує дихання.
2. У важких випадках може знадобитися інгаляція чистим киснем.
3. Якщо у отруївся спостерігається тахікардія та інші порушення серцевої діяльності, необхідна симптоматична терапія серцево-судинними засобами.
4. При зупинці дихання, викликаної інтоксикацією газом, виникає потреба у штучному диханні.

Смертельні випадки отруєння CO2 дуже рідкісні і, як правило, пов'язані з порушенням техніки безпеки під час проведення небезпечних робіт.

Як запобігти отруєнню вуглекислим газом

Найважливішою умовою профілактики інтоксикації є регулярне провітрювання таких потенційно небезпечних приміщень, де може накопичуватися вуглекислий газ:

• підвали та погреби;
• чани та ями, призначені для зберігання овочів або фруктів;
• будь-які закриті ємності чи колодязі.

Щоб уникнути накопичення небезпечного газу, підвали, льохи та інші підземні приміщення слід обладнати системами вентиляції (хоча б простими кватирками або витяжними трубами).

Профілактика отруєння CO2

При роботі у водопровідних або каналізаційних колодязях слід дотримуватись правил безпеки:

• Спускатися в колодязі лише у спеціальному спорядженні (протигазах).
• При спуску в колодязь нагорі обов'язково повинен залишатися хоча б один співробітник або будь-яка друга особа, здатна у разі потреби викликати рятувальників та швидку медичну допомогу.
• Водолазам і дайверам при перших ознаках нестачі повітря співробітники, що залишилися на землі, повинні повідомляти про необхідність посилення нагнітання повітря в їх оснащення, а при симптомах ядухи - припинити роботи і вимагати підйому.
• Відповідальні за стан повітря у приміщеннях з великою кількістю людей (вчителі, завідувачі господарської частини, медперсонал) повинні забезпечувати регулярне та повноцінне провітрювання класів, офісів, аудиторій, лікарняних палат.

Сучасні способи боротьби з надлишками CO2 у побуті

Сучасні енергозберігаючі технології, що не дозволяють часто провітрювати приміщення (наприклад, використання кондиціонерів типу «Зима-Літо»), змусили західних винахідників знаходити нові способи видалення надлишків двоокису вуглецю із задушливих приміщень. Завдяки дослідженням, що підтвердили шкідливий вплив цього газу на працездатність та загальне самопочуття людини, було встановлено гранично допустимі концентрації CO2 для закритих приміщень.

Пізніше було винайдено і сьогодні активно використовуються поглиначі (або абсорбери) CO2, здатні суттєво знижувати його рівень. Такий абсорбент, встановлений у задушливому приміщенні, вимагає мінімального догляду, споживає трохи електроенергії, але протягом 15 років гарантовано забезпечує площу, що обслуговується здоровим, очищеним повітрям.

Як зазначалося, випадки летального результату при інтоксикації двоокисом вуглецю вкрай рідкісні, але це говорить про його безпеки. Тому необхідно дотримуватися запобіжних заходів при роботі з цією речовиною або в приміщеннях, де вона може накопичуватися.

ВИЗНАЧЕННЯ

Вуглекислий газ (діоксид вуглецю)при звичайних умовах - безбарвний газ, приблизно в 1,5 рази важчий за повітря, завдяки чому його можна переливати, як рідина, з однієї судини в іншу.

Маса 1 л CO 2 за нормальних умов становить 1,98 р. Розчинність діоксиду вуглецю у воді невелика: 1 об'єм води при 20 o З розчиняє 0,88 об'єму CO 2 , а при 0 o С - 1,7 об'єму.

Під тиском близько 0,6 МПа діоксид вуглецю при кімнатній температурі перетворюється на рідину. Рідкий діоксид вуглецю зберігають у сталевих балонах. При швидкому виливанні його з балона поглинається внаслідок випаровування так багато теплоти, що CO 2 перетворюється на тверду білу снігоподібну масу, яка, не плавлячись, сублімується при -78,5 o С.

Розчин CO 2 у воді має кислуватий смак і має слабокислу реакцію, обумовлену присутністю в розчині невеликих кількостей вугільної кислоти H 2 CO 3 , що утворюється в результаті оборотної реакції:

CO 2 + H 2 O↔H 2 CO 3 .

Деякі властивості вуглекислого газу представлені в таблиці нижче:

Одержання вуглекислого газу

Вуглекислий газ у невеликих кількостях одержують дією кислот на карбонати:

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

У промисловому масштабі CO 2 отримують головним чином як побічний продукт у процесі синтезу аміаку:

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2;

CO + H2O = CO2 + H2.

Крім цього, великі кількості вуглекислого газу отримують при випаленні вапняку:

CaCO3 = CaO+CO2.

Хімічні властивості вуглекислого газу

Вуглекислий газ виявляє кислотні властивості: реагує лугами, гідратом аміаку. Відновлюється активними металами, воднем, вуглецем.

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 .

Застосування вуглекислого газу

Вуглекислий газ застосовується при отриманні соди за аміачно-хлоридним способом, для синтезу карбаміду, для отримання солей вугільної кислоти, а також для газування фруктових та мінеральних вод та інших напоїв.

Твердий діоксид вуглецю під назвою «сухий лід» застосовується для охолодження продуктів, що швидко псуються, для виробництва і збереження морозива, а також багатьох інших випадках, коли потрібне отримання низької температури.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Завдання	Який об'єм та яка маса вуглекислого газу виділяться при термічному розкладанні карбонату кальцію масою 45,4 г?
Рішення	Запишемо рівняння термічного розкладання карбонату кальцію: CaCO3 = CaO+CO2. Знайдемо кількість речовини карбонату кальцію: 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. Відповідно до рівняння реакції n(CaCO 3) :n(CO 2) = 1: 1, отже n(CaCO 3) =n(CO 2) =0,454 моль. Розрахуємо масу і обсяг вуглекислого газу, що виділився: V(CO2) = Vm×n(CO2) = 22,4×0,454 = 10,2 л; m(CO2) = n(CO2)× М(CO2); М(CO2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12 + 2×16 = 44 г/моль; m(CO 2 ) = 0,454×44 = 20 г.
Відповідь	Маса вуглекислого газу дорівнює 20 г, об'єм – 10,2 л.