Углекислый газ, свойства, получение и применение

Плотность углекислого газа (CO2), значение и примеры

Плотность углекислого газа и другие его физические свойства

Он плохо растворяется в воде, частично реагируя с ней.

Основные константы углекислого газа приведены в таблице ниже.

Таблица 1. Физические свойства и плотность углекислого газа.

Плотность, кг/м 3

Удельная теплота плавления, кДж/моль

Динамическая вязкость, Па×с

Молярная масса, г/моль

Углекислый газ играет важную роль в биологических (фотосинтез), природных (парниковый эффект) и геохимических (растворение в океанах и образование карбонатов) процессах. В больших количествах он поступает в окружающую среду в результате сжигания органического топлива, гниения отходов и др.

Химический состав и строение молекулы углекислого газа

Химический состав молекулы углекислого газа выражается эмпирической формулой CO2. Молекула диоксида углерода (рис. 1) линейная, что соответствует минимальному отталкиванию связывающих электронных пар, длина связи С=Щ равна 0,116 нм, а её средняя энергия – 806 кДж/моль. В рамках метода валентных связей две σ-связи С-О образованы sp-гибридизованнойорбиталью атома углерода и 2pz – орбиталями атомов кислорода. Не участвующие в sp-гибридизации 2px— и 2py-орбитали атома углерода перекрываются с аналогичными орбиталями атомов кислорода. При этом образуются две π-орбитали, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Рис. 1. Строение молекулы углекислого газа.

Благодаря симметричному расположению атомов кислорода молекула CO2 неполярная, поэтому диоксид мало растворим в воде (один объем CO2 в одном объеме H2O при 1 атм и 15 o С). Неполярность молекулы приводит к слабым межмолекулярным взаимодействия и низкой температуре тройной точки: t = -57,2 o С и P = 5,2 атм.

Краткое описание химических свойств и плотность углекислого газа

Химически углекислый газ инертен, что обусловлено высокой энергией связей O=C=O. С сильными восстановителями при высоких температурах диоксид углерода проявляет окислительные свойства. Углем он восстанавливается до угарного газа CO:

C + CO2 = 2CO (t = 1000 o C).

Магний, зажженный на воздухе, продолжает гореть и в атмосфре углекислого газа:

CO2 + 2Mg = 2MgO + C.

Оксид углерода (IV) частично реагирует с водой:

Проявляет кислотные свойства:

При нагревании до температуры свыше 2000 o С углекислый раз разлагается:

Примеры решения задач

Задание При сгорании 0,77 г органического вещества, состоящего из углерода, водорода и кислорода, образовалось 2,4 г углекислого газа и 0,7 г воды. Плотность паров вещества по кислороду равна 1,34. Определите молекулярную формулу вещества.
Решение Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у» и «z» соответственно:

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H2O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль.

m(C) = [2,4 / 44]×12 = 0,65 г;

m(H) = 2×0,7 / 18 ×1= 0,08 г.

Определим химическую формулу соединения:

x:y:z = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O);

x:y:z = 0,65/12 :0,08/1 : 0,04/16;

x:y:z = 0,054: 0,08: 0,0025 = 22 : 32 : 1.

Значит простейшая формула соединения C22H32O, а его молярная масса равна 46 г/моль [M(C22H32O) = 22×Ar(C) + 32×Ar(H) + Ar(O)= 22×12 + 32×1 + 16 = 264 + 32 + 16 = 312 г / моль].

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по кислороду:

Msubstance = 32 × 1,34 = 43 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс:

Значит все коэффициенты в формуле необходимо умножить на 0,13. Значит молекулярная формула вещества будет иметь вид C3H4O.

Задание При сжигании органического вещества массой 10,5 г получили 16,8 л углекислого газ (н.у.) и 13,5 г воды. Плотность паров вещества по воздуху равна 2,9. Выведите молекулярную формулу вещества.
Решение Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у» и «z» соответственно:

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H2O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль.

m(C) = [16,8 / 22,4]×12 = 9 г;

m(H) = 2×13,5 / 18 ×1= 1,5 г.

Определим химическую формулу соединения:

x:y = 0,75: 1,5 = 1 : 2.

Значит простейшая формула соединения CH2, а его молярная масса равна 14 г/моль [M(CH2) = Ar(C) + 2×Ar(H) = 12 + 2×1 = 12 + 2 = 14 / моль].

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по воздуху:

Msubstance = 29 × 2,9 = 84 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс:

Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 6 раз выше, т.е. формула вещества будет иметь вид C6H12.

Теплопроводность, плотность углекислого газа, свойства CO2

Плотность и другие свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления

В таблице представлены теплофизические свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления. Свойства в таблице указаны при температуре от 273 до 1273 К и давлении от 1 до 100 атм.

Рассмотрим такое важное свойство углекислого газа, как плотность.
Плотность углекислого газа равна 1,913 кг/м 3 при нормальных условиях (при н.у.). По данным таблицы видно, что плотность углекислого газа существенно зависит от температуры и давления — при росте давления плотность CO2 значительно увеличивается, а при повышении температуры газа — снижается. Так, при нагревании на 1000 градусов плотность углекислого газа уменьшается в 4,7 раза.

Однако, при увеличении давления углекислого газа, его плотность начинает расти, причем значительно сильнее, чем снижается при нагреве. Например при давлении 10 атм. и температуре 0°С плотность углекислого газа вырастает уже до значения 20,46 кг/м 3 .

Необходимо отметить, что рост давления газа приводит к пропорциональному увеличению значения его плотности, то есть при 10 атм. удельный вес углекислого газа в 10 раз больше, чем при нормальном атмосферном давлении.

В таблице приведены следующие теплофизические свойства углекислого газа:

  • плотность углекислого газа в кг/м 3 ;
  • удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
  • теплопроводность, Вт/(м·град);
  • динамическая вязкость, Па·с;
  • температуропроводность, м 2 /с;
  • кинематическая вязкость, м 2 /с;
  • число Прандтля.

Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!

Теплофизические свойства углекислого газа CO2 при атмосферном давлении

В таблице даны теплофизические свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры (в интервале от -75 до 1500°С) при атмосферном давлении. Даны следующие теплофизические свойства углекислого газа:

  • динамическая вязкость, Па·с;
  • коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
  • число Прандтля.

По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность и динамическая вязкость углекислого газа также увеличиваются. Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!

Теплопроводность углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления

В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO2 в интервале температуры от 220 до 1400 К и при давлении от 1 до 600 атм. Данные выше черты в таблице относятся к жидкому CO2.

Следует отметить, что теплопроводность сжиженного углекислого газа при увеличении его температуры снижается, а при увеличении давления — растет. Углекислый газ (в газовый фазе) становится более теплопроводным, как при увеличении температуры, так и при росте его давления.

Теплопроводность в таблице дана в размерности Вт/(м·град). Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

Теплопроводность углекислого газа CO2 в критической области

В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO2 в критической области в интервале температуры от 30 до 50°С и при давлении от 62 до 80 атм.
Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000! Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Теплопроводность диссоциированного углекислого газа CO2 при высоких температурах

В таблице представлены значения теплопроводности диссоциированного углекислого газа CO2 в интервале температуры от 1600 до 4000 К и при давлении от 0,01 до 100 атм. Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Теплопроводность жидкого углекислого газа CO2

В таблице представлены значения теплопроводности жидкого углекислого газа CO2 на линии насыщения в зависимости от температуры.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Углекислый газ

Углекислый газ, или диоксид углерода, или CO2 — одно из самых распространенных на Земле газообразных веществ. Он окружает нас в течение всей нашей жизни. Углекислый газ не имеет цвета, вкуса и запаха и никак не ощущается человеком.

Он является важным участником обмена веществ живых организмов. Газ сам по себе не ядовит, но не поддерживает дыхание, поэтому превышение его концентрации ведет к ухудшению снабжения тканей организма кислородом и к удушью. Углекислый газ широко применяется в быту и в промышленности.

Что такое диоксид углерода

При атмосферном давлении и комнатной температуре диоксид углерода находится в газообразном состоянии. Это наиболее часто встречающаяся его форма, в ней он участвует в процессах дыхания, фотосинтеза и обмена веществ живых организмов.

При охлаждении до -78 °С он, минуя жидкую фазу, кристаллизуется и образует так называемый «сухой лед», широко применяемый как безопасный хладагент в пищевой и химической промышленности и в уличной торговле и рефрижераторных перевозках.

При особых условиях — давлении в десятки атмосфер — углекислота переходит в жидкое агрегатное состояние. Это происходит на морском дне, на глубине свыше 600 м.

Свойства углекислого газа

В 17 веке Жан-Батист Ван Гельмонт из Фландрии открыл углекислый газ и определил его формулу. Подробное исследование и описание было сделано столетие спустя шотландцем Джозефом Блэком. Он исследовал свойства углекислого газа и провел серию опытов, в которых доказал, что он выделяется при дыхании животных.

В состав молекулы вещества входит один атом углерода и два атома кислорода. Химическая формула углекислого газа записывается как CO2

В нормальных условиях не обладает вкусом, цветом и запахом. Только вдыхая большое его количество, человек ощущает кислый привкус. Его дает угольная кислота, образующаяся в малых дозах при растворении углекислого газа в слюне. Эта особенность применяется для приготовления газированных напитков. Пузырьки в шампанском, просекко, пиве и лимонаде — это и есть углекислый газ, образовавшийся в результате естественных процессов брожения или добавленный в напиток искусственно.

Физические свойства углекислого газа

Плотность углекислого газа больше плотности воздуха, поэтому при отсутствии вентиляции он скапливается внизу. Он не поддерживает окислительные процессы, такие, как дыхание и горение.

Поэтому углекислоту применяют в огнетушителях. Это свойство углекислого газа иллюстрируют с помощью фокуса — горящую свечу опускают в «пустой» стакан, где она и гаснет. В действительности стакан заполнен CO2.

Углекислый газ в природе естественные источники

К таким источникам относятся окислительные процессы разной интенсивности:

  • Дыхание живых организмов. Из школьного курса химии и ботаники все помнят, что в ходе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Но не все помнят, что это происходит только днем, при достаточном уровне освещения. В темное время суток растения наоборот, поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Так что попытка улучшить качество воздуха в комнате, превращая ее в заросли фикусов и герани может сыграть злую шутку.
  • Извержения и другая вулканическая активность. CO2 выбрасывается из глубин мантии Земли вместе с вулканическими газами. В долинах рядом с источниками извержений газа настолько много, что, скапливаясь в низинах, он вызывает удушье животных и даже людей. Известны несколько случаев в Африке, когда задыхались целые деревни.
  • Горение и гниение органики. Горение и гниение — это одна и та же реакция окисления, но протекающая с разной скоростью. Богатые углеродом разлагающиеся органические остатки растений и животных, лесные пожары и тлеющие торфяники — все это источники диоксида углерода.
  • Самым же большим природным хранилищем CO2 являются воды мирового океана, в которых он растворен.

Углекислый газ в природе

За миллионы лет эволюции основанной на углеродных соединениях жизни на Земле в различных источниках накопились многие миллиарды тонн углекислого газа. Его одномоментный выброс в атмосферу приведет к гибели всего живого на планете из-за невозможности дыхания. Хорошо, что вероятность такого одномоментного выброса стремится к нулю.

Искусственные источники углекислого газа

Углекислый газ попадает в атмосферу и в результате человеческой жизнедеятельности. Самыми активными источниками в наше время считаются:

  • Индустриальные выбросы, происходящие в ходе сгорания топлива на электростанциях и в технологических установках
  • Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания транспортных средств: автомобилей, поездов, самолетов и судов.
  • Сельскохозяйственные отходы — гниение навоза в больших животноводческих комплексах

Кроме прямых выбросов, существует и косвенное воздействие человека на содержание CO2 в атмосфере. Это массовая вырубка лесов в тропической и субтропической зоне, прежде всего в бассейне Амазонки.

Искусственный источник углекислого газа

Несмотря на то, что в атмосфере Земли содержится менее процента диоксида углерода, он оказывает все возрастающее действие на климат и природные явления. Углекислый газ участвует в создании так называемого парникового эффекта путем поглощения теплового излучения планеты и удерживания этого тепла в атмосфере. Это ведет к постепенному, но весьма угрожающему повышению среднегодовой температуры планеты, таянию горных ледников и полярных ледяных шапок, росту уровня мирового океана, затоплению прибрежных регионов и ухудшению климата в далеких от моря странах.

Знаменательно, что на фоне общего потепления на планете происходит значительное перераспределение воздушных масс и морских течений, и в отдельных регионах среднегодовая температура не повышается, а понижается. Это дает козыри в руки критикам теории глобального потепления, обвиняющим ее сторонников в подтасовке фактов и манипуляции общественным мнением в угоду определенным политическим центрам влияния и финансово-экономическим интересам

Человечество пытается взять под контроль содержание углекислого газа в воздухе, были подписаны Киотский и Парижский протоколы, накладывающие на национальные экономики определенные обязательства. Кроме того, многие ведущие автопроизводители автомобилей объявили о сворачивании к 2020-25 годам выпуска моделей с двигателями внутреннего сгорания и переходе на гибриды и электромобили. Однако некоторые ведущие экономики мира, такие, как Китай и США, не торопятся выполнять старые и брать на себя новые обязательства, мотивируя это угрозой уровню жизни в своих странах.

Углекислый газ и мы: чем опасен CO2

Углекислый газ — один из продуктов обмена веществ в организме человека. Он играет большую роль в управлении дыханием и снабжением кровью органов. Рост содержания CO2 в крови вызывает расширение сосудов, способных таким образом транспортировать больше кислорода к тканям и органам. Аналогично и система дыхания понуждается к большей активности, если концентрация углекислоты в организме растет. Это свойство используют в аппаратах искусственной вентиляции легких, чтобы подстегнуть собственные органы дыхания пациента к большей активности.

Кроме упомянутой пользы, превышение концентрации СO2 может принести организму и вред. Повышенное содержание во вдыхаемом воздухе приводит к тошноте, головной боли, удушью и даже к потере сознания. Организм протестует против углекислого газа и подает человеку сигналы. При дальнейшем увеличении концентрации развивается кислородное голодание, или гипоксия. Co2 мешает кислороду присоединяться к молекулам гемоглобина, которые и осуществляют перемещение связанных газов по кровеносной системе. Кислородное голодание ведет к снижению работоспособности, ослаблению реакции и способностей к анализу ситуации и принятию решений, апатии и может привести к смерти.

Общие симптомы отравления углекислым газом

Такие концентрации углекислого газа, к сожалению, достижимы не только в тесных шахтах, но и в плохо проветриваемых школьных классах, концертных залах, офисных помещениях и транспортных средствах — везде, где в замкнутом пространстве без достаточного воздухообмена с окружающей средой скапливается большое количество людей.

Основное применение

CO2 широко применяется в промышленности и в быту – в огнетушителях и для изготовления газировки, для охлаждения продуктов и для создания инертной среды при сварке.

Основное применение углекислого газа

Применение углекислого газа отмечено в таких отраслях, как:

  • для чистки поверхностей сухим льдом.

Фармацевтика

  • для химического синтеза компонентов лекарственных средств;
  • создания инертной атмосферы;
  • нормализация индекса pH отходов производства.

Углекислый газ в фармацевтике

Пищевая отрасль

  • производство газированных напитков;
  • упаковка продуктов питания в инертной атмосфере для продления срока годности;
  • декаффеинизация кофейных зерен;
  • замораживание или охлаждение продуктов.

Углекислый газ в пищевой отрасли

Медицина, анализы и экология

  • Создание защитной атмосферы при полостных операциях.
  • Включение в дыхательные смеси в качестве стимулятора дыхания.
  • В хроматографических анализах.
  • Поддержание уровня pH в жидких отходах производства.

Углекислый газ и экология

Электроника

  • Охлаждение электронных компонентов и устройств при тестировании на температурную стойкость.
  • Абразивная очистка в микроэлектронике (в твердой фазе).
  • Очищающее средство в производстве кремниевых кристаллов.

Химическая отрасль

Широко применяется в химическом синтезе в качестве реагента и в качестве регулятора температур в реакторе. CO2 отлично подходит для обеззараживания жидких отходов с низким индексом pH.

Использование углекислого газа

Применяется также для осушения полимерных веществ, растительных или животных фиброматериалов, в целлюлозном производстве для нормализации уровня pH как компонентов основного процесса, так и его отходов.

Металлургическая отрасль

В металлургии CO2 в основном служит делу экологии, защиты природы от вредных выбросов путем их нейтрализации:

Применение углекислого газа в металлургии

  • В черной металлургии — для нейтрализации плавильных газов и для донного перемешивания расплава.
  • В цветной металлургии при производстве свинца, меди, никеля и цинка — для нейтрализации газов при транспортировке ковша с расплавом или горячих слитков.
  • В качестве восстановительного агента при организации оборота кислотных шахтных вод.

Сварка в углекислой среде

Процесс сварки с применением углекислого газа

Разновидность сварки под флюсом является сварка в углекислой среде. Операции сварочных работ с углекислым газом осуществляется плавящимся электродом и распространен в процессе монтажных работ, устранении дефектов и исправления деталей с тонкими стенками.

Читайте также:  Свистит ремень генератора почему и что делать чтобы устранить эту неисправность
Ссылка на основную публикацию
Adblock detector