Другие названия: углекислый газ, двуокись углерода, оксид углерода (IV), угольный ангидрид.

Физические свойства

Химические свойства и методы получения

Очистка

Рис.1. Установка для получения сероводорода.

Сухой лед

Температура сублимации при нормальном давлении -78,5˚ С. Технический «сухой лед» имеет плотность около 1560 кг/м 3 , при возгонке поглощает около 590 кДж/кг (140 ккал/кг) теплоты. Вырабатывается на углекислотных установках.

Список использованной литературы

1. Волков, А.И., Жарский, И.М. Большой химический справочник / А.И. Волков, И.М. Жарский. - Мн.: Современная школа, 2005. - 608 с ISBN 985-6751-04-7.
2. Гофман У. , Рюдорф В., Хаас А., Шенк П. В., Губер Ф., Шмайсер М., Баудлер М., Бехер Х.-Й., Дёнгес Э., Шмидбаур Х., Эрлих П., Зайферт Х. И. Руководство по неорганическому синтезу: В 6-ти томах. Т.3. Пер. с. нем./Под ред. Г. Брауэра. - М.: Мир, 1985. - 392 с., ил. [с. 682]

Пищевая добавка Е290 (диоксид углерода) применяется в пищевой промышленности в роли консерванта, регулятора кислотности и антиоксиданта. В быту добавка Е290 больше известна, как углекислый газ.

По своим физическим свойствам диоксид углерода является бесцветным газом, не имеющим запаха и обладающим немного кисловатым вкусом. Добавка Е290 может растворяться в воде с образованием слабой угольной кислоты. Химическая формула диоксида углерода: CO 2 .

В промышленных масштабах углекислый газ получают из дымовых газов путем его абсорбирования карбонатом калия или моноэтаноламина. Для этого смесь промышленных газов пропускают через раствор карбоната калия. Диоксид углерода абсорбируется данным раствором, образуя гидрокарбонат. Далее раствор гидрокарбоната нагревают или подвергают пониженному давлению, в результате чего из него высвобождается чистая углекислота.

Кроме этого, диоксид углерода могут получать на специальных установках по разделению воздуха, как побочный продукт при добыче чистого кислорода, аргона и азота.

В небольших количествах в лабораторных условиях диоксид углерода получают путем взаимодействия карбонатов с кислотами. Например, в ходе реакции мела с соляной кислотой происходит образование нестабильной угольной кислоты с последующим ее распадом на углекислый газ и воду:

• СаСО 3 + 2НСl = СаСl 2 + СО 2 + Н 2 О

Диоксид углерода входит в состав атмосферы и многих живых клеток нашего организма. По этой причине добавку Е290 можно отнести к классу относительно безвредных пищевых добавок.

Однако, следует помнить, что углекислый газ способствует ускоренному всасыванию различных веществ в слизистую желудка. Именно этот эффект проявляется при быстром опьянении в результате употребления газированных алкогольных напитков.

Кроме этого, газированные напитки представляют собой не что иное, как слабую угольную кислоту. Поэтому чрезмерное употребление напитков с добавкой Е290 противопоказано людям с болезнями желудка и желудочно-кишечного тракта (язвы, гастриты).

Существуют и более безобидные «побочные эффекты» воздействия углекислоты на организм. Так, при употреблении газированных напитков, у большинства людей наблюдается отрыжка и «вздутие живота».

Бытует и еще одно мнение относительно вреда пищевой добавки Е290. Сильногазированные напитки могут способствовать «вымыванию» кальция из костей организма.

В пищевой промышленности диоксид углерода применяется в качестве добавки-консерванта Е290 при производстве алкогольных и безалкогольных напитков. Угольная кислота, образуемая при реакции диоксида углерода с водой обладает обеззараживающим и антимикробным действием.

В хлебопекарном деле добавка Е290 может применяться в качестве разрыхлителя, придавая пышность хлебобулочным изделиям.

Диоксид углерода широко применяется и при производстве винной продукции. Регулируя количество углекислого газа в вином сусле можно управлять брожением.

Также оксид углерода может применяться в роли защитного газа при хранении и транспортировки различных пищевых продуктов.

Другие направления использования диоксида углерода:

• в сварочном производстве в качестве защитной атмосферы;
• в холодильных установках в виде «сухого льда»;
• в системах пожаротушения
• в газобалонной пневматике

Добавка Е290 разрешена для использования в пищевой промышленности практически всех стран мира, в том числе Украине и РФ.

Наиболее часто встречающиеся процессы образования этого соединения - гниение животных и растительных останков, горение различных видов топлива, дыхание животных и растений. Например, один человек за сутки выделяет в атмосферу около килограмма углекислого газа. Оксид и диоксид углерода могут образовываться и в неживой природе. Углекислый газ выделяется при вулканической деятельности, а также может быть добыт из минеральных водных источников. Углекислый газ находится в небольшим количестве и в атмосфере Земли.

Особенности химического строения данного соединения позволяют ему участвовать во множестве химических реакций, основой для которых является диоксид углерода.

Формула

В соединении этого вещества четырехвалентный атом углерода образовывает линейную связь с двумя молекулами кислорода. Внешний вид такой молекулы можно представить так:

Теория гибридизации объясняет строение молекулы диоксида углерода так: две существующие сигма-связи образованы между sp-орбиталями атомов углерода и двумя 2р-орбиталями кислорода; р-орбитали углерода, которые не принимают участие в гибридизации, связаны в соединении с аналогичными орбиталями кислорода. В химических реакциях углекислый газ записывается в виде: CO 2.

Физические свойства

При нормальных условиях диоксид углерода представляет собой бесцветный газ, не обладающий запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому углекислый газ и может вести себя, как жидкость. Например, его можно переливать из одной емкости в другую. Это вещество немного растворяется в воде - в одном литре воды при 20 ⁰С растворяется около 0,88 л CO 2 . Небольшое понижение температуры кардинально меняет ситуацию - в том же литре воды при 17⁰С может раствориться 1,7 л CO 2 . При сильном охлаждении это вещество осаждается в виде снежных хлопьев - образуется так называемый «сухой лед». Такое название произошло от того, что при нормальном давлении вещество, минуя жидкую фазу, сразу превращается в газ. Жидкий диоксид углерода образуется при давлении чуть выше 0,6 МПа и при комнатной температуре.

Химические свойства

При взаимодействии с сильными окислителями 4-диоксид углерода проявляет окислительные свойства. Типичная реакция этого взаимодействия:

С + СО 2 = 2СО.

Так, при помощи угля диоксид углерода восстанавливается до своей двухвалентной модификации - угарного газа.

При нормальных условиях углекислый газ инертен. Но некоторые активные металлы могут в нем гореть, извлекая из соединения кислород и высвобождая газообразный углерод. Типичная реакция - горение магния:

2Mg + CO 2 = 2MgO + C.

В процессе реакции образуется оксид магния и свободный углерод.

В химических соединениях СО 2 часто проявляет свойства типичного кислотного оксида. Например, он реагирует с основаниями и основными оксидами. Результатом реакции становятся соли угольной кислоты.

Например, реакция соединения оксида натрия с углекислым газом может быть представлена так:

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3 ;

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O;

NaOH + CO 2 = NaHCO 3 .

Угольная кислота и раствор СО 2

Диоксид углерода в воде образует раствор с небольшой степенью диссоциации. Такой раствор углекислого газа называется угольной кислотой. Она бесцветна, слабо выражена и имеет кисловатый вкус.

Запись химической реакции:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

Равновесие довольно сильно сдвинуто влево - лишь около 1% начального углекислого газа превращается в угольную кислоту. Чем выше температура - тем меньше в растворе молекул угольной кислоты. При кипении соединения она исчезает полностью, и раствор распадается на диоксид углерода и воду. Структурная формула угольной кислоты представлена ниже.

Свойства угольной кислоты

Угольная кислота очень слабая. В растворах она распадается на ионы водорода Н + и соединения НСО 3 - . В очень небольшом количестве образуются ионы СО 3 - .

Угольная кислота - двухосновная, поэтому соли, образованные ею, могут быть средними и кислыми. Средние соли в русской химической традиции называются карбонатами, а сильные - гидрокарбонатами.

Качественная реакция

Одним из возможных способов обнаружения газообразного диоксида углерода является изменение прозрачности известкового раствора.

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Этот опыт известен еще из школьного курса химии. В начале реакции образуется небольшое количество белого осадка, который впоследствии исчезает при пропускании через воду углекислого газа. Изменение прозрачности происходит потому, что в процессе взаимодействия нерастворимое соединение - карбонат кальция превращается в растворимое вещество - гидрокарбонат кальция. Реакция протекает по такому пути:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 .

Получение диоксида углерода

Если требуется получить небольшое количество СО2, можно запустить реакцию соляной кислоты с карбонатом кальция (мрамором). Химическая запись этого взаимодействия выглядит так:

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

Также для этой цели используют реакции горения углеродсодержащих веществ, например ацетилена:

СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2 -.

Для сбора и хранения полученного газообразного вещества используют аппарат Киппа.

Для нужд промышленности и сельского хозяйства масштабы получения диоксида углерода должны быть большими. Популярным методом такой масштабной реакции является обжиг известняка, в результате которого получается диоксид углерода. Формула реакции приведена ниже:

CaCO 3 = CaO + CO 2 .

Применение диоксида углерода

Пищевая промышленность после масштабного получения «сухого льда» перешла на принципиально новый метод хранения продуктов. Он незаменим при производстве газированных напитков и минеральной воды. Содержание СО 2 в напитках придает им свежесть и заметно увеличивает срок хранения. А карбидизация минеральных вод позволяет избежать затхлости и неприятного вкуса.

В кулинарии часто используют метод погашения лимонной кислоты уксусом. Выделяющийся при этом углекислый газ придает пышность и легкость кондитерским изделиям.

Данное соединение часто используется в качестве пищевой добавки, повышающей срок хранения пищевых продуктах. Согласно международным нормам классификации химических добавок содержания в продуктах, проходит под кодом Е 290,

Порошкообразный углекислый газ - одно из наиболее популярных веществ, входящих в состав пожаротушительных смесей. Это вещество встречается и в пене огнетушителей.

Транспортировать и хранить углекислый газ лучше всего в металлических баллонах. При температуре более 31⁰С давление в баллоне может достигнуть критического и жидкий СО 2 перейдет в сверхкритическое состояние с резким подъемом рабочего давления до 7,35 МПа. Металлический баллон выдерживает внутреннее давление до 22 МПа, поэтому диапазон давления при температурах свыше тридцати градусов признается безопасным.

Оксид углерода(IV) (углекислый газ , диоксид углерода , двуокись углерода , угольный ангидрид ) - CO 2 , бесцветный газ (в нормальных условиях), без запаха, со слегка кисловатым вкусом .

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,0395 %.

Углекислый газ в организмах животных имеет и физиологическое значение, например, участвует в регуляции сосудистого тонуса (см. Артериолы).

Получение

В промышленных количествах углекислота выделяется из дымовых газов, или как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов (известняк , доломит) или при производстве алкоголя. Смесь полученных газов, промывают раствором карбоната калия, которые поглощают углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В современных установках получения углекислого газа вместо гидрокарбоната, чаще применяется водный раствор моноэтаноламина , который при определённых условиях способен абсорбировать СО₂, содержащийся в дымовом газе, а при нагреве отдавать его, таким образом, отделяется готовый продукт от других веществ.

Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха, как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона .

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора , мела или соды с соляной кислотой . Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты.

Для приготовления напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.

Применение

В пищевой промышленности углекислота используется как консервант и разрыхлитель, обозначается на упаковке кодом Е290 .

Жидкая углекислота широко применяется в системах пожаротушения , в огнетушителях и для производства газированной воды и лимонада .

Углекислый газ используется в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его диссоциация с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.

Когда углекислота применяется в газовой фазе, то для хранения она используется под давлением, как сжиженный газ, в виде жидкой фазы. Хранение углекислоты в баллоне в сжиженном состоянии намного выгоднее, чем в виде газа. Углекислота имеет сравнительно низкую критическую температуру 31°С. Когда в 40-литровый баллон с нормальным давлением 100 кгс/сm² залито 30 кг сжиженного углекислого газа, то при температуре 31°С в баллоне будет только жидкая фаза с давлением 100 кгс/сm². Если температура будет выше, то следует уменьшить заполнение баллона или использовать баллоны с более высоким рабочим давлением. Если углекислота будет охлаждаться, то при температуре 21°С при нормальном заполнении в баллоне появиться газовая фаза.

Твёрдая углекислота - «сухой лёд» - используется в качестве хладагента в лабораторных исследованиях, в розничной торговле и т.д.

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях - анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO 2 в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта . Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем . Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф .

Углекислый газ в природе

Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40-70°) широт Северного полушария.

Большое количество углекислоты растворено в океане.

Углекислый газ составляет значительную часть атмосфер некоторых планет Солнечной системы: Венеры, Марса.

Токсичность

Углекислый газ является тяжелым, по сравнению с воздухом, газом без цвета и запаха. Воздействие его повышенных концентраций на живые организмы относит его к удушающим газам (англ.) русск. . Незначительные повышения концентрации до 2-4% в непроветриваемых помещениях приводят к развитию сонливости и слабости. Опасными концентрациями считаются уровни 7-10%, при которых развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и в потери сознания в течение периода времени от нескольких минут до одного часа. Отравление этим газом не приводит к долговременным последствиям и после его завершения происходит полное восстановление организма.

См. также

Примечания

Литература

• Вукалович М.П., Алтунин В.В., Теплофизические свойства двуокиси углерода, Атомиздат, Москва, 1965. 456 с.
• Тезиков А.Д., Производство и применение сухого льда, Госторгиздат, Москва, 1960. 86 с.
• Гродник М.Г., Величанский А.Я., Проектирование и эксплуатация углеслотных установок, ″Пищевая промышленность″, Москва, 1966. 275 с.
• Талянкер Ю.Е., Особенности хранения баллонов со сжиженным газом, Журнал "Сварочное производство", №11, 1972, Москва.

Ссылки

• International Chemical Safety Card 0021 (англ.)
• CID 280 с сайта PubChem (англ.)
• CO 2 Диоксид углерода, свойства, применение (англ.)
• Фазовая диаграмма (давление-температура)для диоксида углерода
• Molview from bluerhinos.co.uk Диоксид углерода в 3D
• Dry Ice information (англ.)

Углекислый газ

Оксид углерода(IV) (углекислый газ, диоксид углерода, двуокись углерода, угольный ангидрид, углекислота ) — CO 2 , бесцветный газ, без запаха, со слегка кисловатым вкусом.
Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,038 %.
Он не пригоден для поддержания жизни. Однако именно им «питаются» растения, превращая его в органические вещества. К тому же он является своеобразным «одеялом» Земли. Если этот газ вдруг исчезнет из атмосферы, на Земле станет гораздо прохладнее, а дожди практически исчезнут.

«Одеяло Земли»

Углекислый газ (двуокись углерода, диоксид углерода, CO 2 ) формируется при соединении двух элементов: углерода и кислорода. Он образуется в процессе сжигания угля или углеводородных соединений, при ферментации жидкостей, а также как продукт дыхания людей и животных. В небольших количествах он содержится и в атмосфере, откуда он ассимилируется растениями, которые, в свою очередь, производят кислород.
Углекислый газ бесцветен и тяжелее воздуха. Замерзает при температуре −78.5°C с образованием снега, состоящего из двуокиси углерода. В виде водного раствора он образует угольную кислоту, однако она не обладает достаточной стабильностью для того, чтобы ее можно было легко изолировать.
Углекислый газ — это «одеяло» Земли . Он легко пропускает ультрафиолетовые лучи, которые обогревают нашу планету, и отражает инфракрасные, излучаемые с ее поверхности в космическое пространство. И если вдруг углекислый газ исчезнет из атмосферы, то это в первую очередь скажется на климате. На Земле станет гораздо прохладнее, дожди будут выпадать очень редко. К чему это в конце концов приведет, догадаться нетрудно.
Правда, такая катастрофа нам пока еще не грозит. Скорее даже, наоборот. Сжигание органических веществ: нефти, угля, природного газа, древесины - постепенно увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере. Значит, со временем надо ждать значительного потепления и увлажнения земного климата. Кстати, старожилы считают, что уже сейчас заметно теплее, чем было во времена их молодости...
Двуокись углерода выпускается жидкая низкотемпературная, жидкая высокого давления и газообразная . Ее получают из отбросных газов производств аммиака, спиртов, а также на базе специального сжигания топлива и других производств. Газообразная двуокись углерода - газ без цвета и запаха при температуре 20°С и давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), плотность - 1,839 кг/м 3 . Жидкая двуокись углерода - просто бесцветная жидкость без запаха.
Углекислый газ нетоксичен и невзрывоопасен. При концентрациях более 5% (92 г/м 3) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека — она тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья.

Получение двуокиси углерода

В промышленности углекислый газ получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании разлагается, высвобождая углекислоту. При промышленном производстве газ закачивается в баллоны.
В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора с соляной кислотой.

Применение

В пищевой промышленности диоксид углерода используется как консервант и обозначается на упаковке под кодом Е290
Жидкая углекислота (жидкая пищевая углекислота) — сжиженный углекислый газ, хранящийся под высоким давлением (~ 65-70 Атм). Бесцветная жидкость. При выпуске жидкой углекислоты из баллона в атмосферу часть её испаряется, а другая часть образует хлопья сухого льда.
Баллоны с жидкой углекислотой широко применяются в качестве огнетушителей и для производства газированной воды и лимонада.
Углекислый газ используется в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его диссоциация с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.
Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.
Твёрдая углекислота — сухой лёд — используется в ледниках. Жидкая углекислота используется в качестве хладагента и рабочего тела в теплоэнергетических установках (в холодильниках, морозильниках, солнечных электрогенераторах и т.д.).

«Сухой лед» и прочие полезные свойства диоксида углерода

В повседневной практике углекислый газ используется достаточно широко. Например, газированная вода с добавками ароматных эссенций - прекрасный освежающий напиток. В пищевой промышленности диоксид углерода используется и как консервант — он обозначается на упаковке под кодом Е290 , а также в качестве разрыхлителя теста.
Углекислотными огнетушителями пользуются при пожарах. Биохимики нашли, что удобрение... воздуха углекислым газом весьма эффективное средство для увеличения урожайности различных культур. Пожалуй, такое удобрение имеет единственный, но существенный недостаток: применять его можно только в оранжереях. На заводах, производящих диоксид углерода, сжиженный газ расфасовывают в стальные баллоны и отправляют потребителям. Если открыть вентиль, то из отверстия с шипением вырывается... снег. Что за чудо?
Все объясняется просто. Работа, затраченная на сжатие газа, оказывается значительно меньше той, которая требуется на его расширение. И чтобы как-то компенсировать возникающий дефицит, углекислый газ резко охлаждается, превращаясь в «сухой лед». Он широко используется для сохранения пищевых продуктов и перед обычным льдом имеет значительные преимущества: во-первых, «хладопроизводительность» его вдвое выше на единицу веса; во-вторых, он испаряется без остатка.
Углекислый газ используется в качестве активной среды при сварке проволокой , так как при температуре дуги углекислота разлагается на угарный газ СО и кислород, который, в свою очередь, и входит во взаимодействие с жидким металлом, окисляя его.
Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

Показатели качества двуокиси углерода ГОСТ 8050-85