Газировка, вулкан, Венера, рефрижератор – что между ними общего? Углекислый газ. Мы собрали для Вас самую интересную информацию об одном из самых важных химических соединений на Земле.
Что такое диоксид углерода
Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.
Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.
А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.
Свойства углекислого газа
Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.
Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).
Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.
CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.
Углекислый газ в природе: естественные источники
Углекислый газ в природе образуется из различных источников:
- Дыхание животных и растений.
Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки . Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше. - Вулканическая деятельность.
Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают. - Разложение органических веществ.
Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.
Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.
Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.
Искусственные источники углекислого газа
Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:
- промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
- автомобильный транспорт.
Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.
Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.
CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.
Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.
Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.
Углекислый газ и мы: чем опасен СO2
Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.
Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.
Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.
Согласно выводам некоторых , уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически , мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.
И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.
Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.
Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от , который разрушает клетки нашего организма.
Углекислый газ в атмосфере Земли
В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.
Альтернативное применение углекислого газа разработано учеными- химиками. Ученые разработали новый материал катализатора и конструкцию которая производит жидкое топливо из двуокиси углерода, огромной составляющей выбросов парниковых газов.
Результаты показывают, что существующие технологии могут преобразовывать двуокись углерода(СО 2) и, таким образом, не добавлять выбросы в атмосферу.
Топливо из углекислого газа
Предложенный катализатор дает новое применение углекислого газа для преобразовывания диоксида углерода (CO 2) в монооксид углерода (CO). Это первый шаг на пути преобразования CO 2 для других химических веществ, включая топливо. Химики уже установили методы для преобразования CO и кислород в различные жидкие виды топлива и другие продукты с энергией.
Монооксид углерода затем может быть дополнительно обработан в нужный материал.
И если водород и CO производятся с использованием солнечной или другой производимой энергии, то новая область применения углекислого газа может быть углеродно-нейтральной. В результате реакции разложения диоксида углерода (CO 2) образуется в монооксид углерода (II) (CO) и кислород (O 2) при достаточно большой температуре.
2CO 2 → 2CO + O 2
Перестраиваемое преобразование
Ученые знают, что настройка катализаторов влияет на получение желаемой доли CO в конечном продукте.
Большинство усилий технологов и конструкторов направлено на изготовление катализаторов для производства CO с учетом различной химии активной поверхности. Этот материал может производиться путем нанесения крошечных шариков полистирола на токопроводящих электродах субстрата, а затем электрохимическим способом серебрится поверхность. Этот метод создает соты как гексагональная структура клеток в промышленно выпускаемых .
Оказывается, различная толщина этого пористого катализатора производит двойной эффект: пористая структура катализатора сильно способствует производству CO из CO 2 в три раза, а также подавляет альтернативную реакцию производства H 2 (водорода), в десять раз. Используя этот совокупный эффект, производство CO может быть легко изменено. Результаты исследования дают фундаментальные идеи, которые могут быть применимы к разработке других материалов катализатора для производства энергии из углекислого газа CO 2 .
Это представляет собой лишь один шаг в преобразовании двуокиси углерода в используемые виды энергии, и первоначальные демонстрации в небольших лабораторных условиях. Таким образом, большой объем работы по-прежнему остается химикам для того, чтобы найти практический подход при применении углекислого газа для производства топлива для транспорта из углекислого газа.
Но поскольку избирательный подход и эффективность этого первоначального преобразования имеет верхний предел общей эффективности производства энергии из CO 2 , в техническом плане, работа обеспечивает основные фундаментальные принципы в углеродно нейтральной технологии для замены существующих систем ископаемого топлива.
Необходимо иметь возможность использовать всё из существующей инфраструктуры заправочных станций, средств доставки и емкости для хранения.
Использование углекислоты как в природе
В конечном счете применение углекислого газа по образу преобразования растениями. Эти устройства могут быть подключены непосредственно к потоку выбросов ископаемого топлива электростанциями.
При разработке окончательной технологии можно, например, использовать CO 2 для производства топлива вместо того, чтобы выпускать углекислый газ в атмосферу.
Если это будет разработано, то может представлять закрытый антропогенный углеродный цикл за счет использования вырабатываемой электроэнергии и преобразования выбросов парниковых газов в топливо.
В сущности, это так: чистый процесс будет делать то же самое, что растения и цианобактерии сделали на земле миллионы лет назад для производства ископаемых видов топлива.
В первую очередь: принимая двуокись углерода из воздуха и превращая его в более сложные молекулы. Но в этом случае, процесс должен длиться не на протяжении тысячелетий, процесс должен быть реплицирован очень быстро в лаборатории или на заводе. Это то же самое как естественный фотосинтез, но гораздо быстрее.
Одним из наиболее часто применяемых технических газов является углекислота. Еще этот газ называют диоксид углерода, углекислый газ, двуокись углерода и угольный ангидрид — CO2. Газ не имеет цвета, на вкус кисловат. Применяется в большинстве промышленных процессах, также в медицине, пищевой и газосварочной отрасли. Также он используется в огнетушителях и баллончиках пневматического оружия. Крупномасштабно углекислоту для промышленности получают при взаимодействии доломита или известняка и раствора карбоната калия. Для газированной воды и хлебобулочных изделий углекислоту получают путем спиртового брожения.
Углекислота не обладает токсичностью, но в сильных концентрациях опасна для человека. Углекислый газ в жидком состоянии при контакте с кислородом превращается отчасти в «сухой лед», а частично испаряется. При промышленном производстве технический газ закачивается в баллоны. Углекислый газ в жидком состоянии хранится под высоким давлением около 65—70 атмосфер.
Углекислота нашла также свое применение в качестве инертной среды при сварке проволокой. Для лучшей эффективности сварочных работ обычно применяют другие технические газы, особенно когда необходимо сваривать толстенные металлические детали. Но эти газы не могут покрыть упрощенное использование баллонов с двуокисью углерода вместе со сварочной установкой, простоту производства и дешевизну самого газа.
Принимая во внимание все плюсы, углекислота является оптимально востребованным газом для сварки. При малых объемах использования углекислого газа для сварочных работ применяют баллоны. В баллон объемом 40 л заливают 25 кг жидкой углекислоты, в результате испарения которой выделяется около 12 500 л газа.
Углекислота в баллонах хранится под давлением 5—6 МПа. Баллон должен быть оснащен редуктором, подогревателем и осушителем газа. Когда углекислый газ выходит из баллона, то он сильно охлаждается, что может привести к замерзанию паров воды, которые находятся в газе и последующей закупорке редуктора. Поэтому между редуктором и вентилем баллона нужно устанавливать специальный подогреватель газа. Проходя по трубке, газ подогревается электрическим элементом, который включен в сеть с напряжением 24 или 36 В. Влагу из углекислого газа убирают при помощи осушителя, который состоит из емкости, заполненной соединениями, отлично впитывающими воду. Осушители делятся на два вида: высокого давления (их устанавливают до редуктора) и низкого давления, устанавливаемые после редуктора.
Углекислота сварочная бывает высшего, первого и второго сорта, согласно ГОСТ 8050-85. Однако применение второго сорта должно осуществляться строго с осушителем газа. Следует отметить, что сваривая детали при помощи углекислоты, можно зрительно контролировать качество шва, располагать баллоны под любым углом, что дает точный результат.
В Инженерно-техническом центре «Геллиос » есть все виды углекислоты для выполнения сварочных работ. Наши специалисты проконсультируют вас более детально по всем вопросам и представят соответствующие документы качества . Мы производим снабжение предприятий и физических лиц много лет и готовы к длительному сотрудничеству с каждым новым клиентом.
, двуокись углерода , свойства диоксида углерода , получение диоксида углерода
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»
(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.
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.
«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.
Показания к применению:Углекислоту применяют с кислородом при угнетении деятельности дыхательного центра: при отравлениях летучими наркотиками, окисью углерода, сероводородом, при асфиксии (отсутствии дыхания) новорожденных и т. п.
В хирургической практике ее применяют во время наркоза и в последствии операции для стимулирования дыхания, для предупреждения ателектаза легких (спадения легочной ткани) и пневмоний (воспаления легких). Вдыхание углекислоты показано также при сосудистом коллапсе (резком падении артериального давления).
При резком ослаблении дыхания применение углекислоты должно производиться с осторожностью, так как в результате недостаточной вентиляции она может накопиться в организме в избыточном количестве. В этих случаях могут наблюдаться такие же осложнения, как при использовании углекислоты в больших концентрациях.
Жидкая углекислота, выпускаемая из баллона, помещенного вниз вентилем, попадая в условия комнатной температуры и обычного давления, быстро испаряется, при всем этом поглощается так много тепла, что она превращается в твердую белую снегообразную массу. Этим пользуются при замораживании тканей для гистологических срезов (образцов ткани для микроскопических исследований). Если смешать твердый угольный ангидрид с эфиром, то температура падает до - 80 °С.
Фармакологическое действие:
Углекислота постоянно образуется в тканях организма в процессе обмена веществ и играет важную роль в регуляции дыхания и кровообращения. Она оказывает прямое и рефлекторное (через каротидные клубочки) влияние на дыхательный центр и является его специфическим возбудителем.
Вдыхание небольших концентраций углекислоты (3-5-7%) вызывает учащение и углубление дыхательных движений и увеличение легочной вентиляции; одновременно возбуждаются сосудодвигательные центры, в связи с чем происходит сужение кровеносных сосудов и повышается артериальное давление.
Большие концентрации углекислоты вызывают сильный ацидоз (закисление), одышку, судороги и паралич (остановку) дыхательного центра.
Углекислота способ применения и дозы:
Для стимуляции дыхания и сосудодвигательного центра используют ингаляции 5-7% углекислоты с 93-95% кислорода.
“Углекислый снег” имеет применение при кожных заболеваниях (при красной волчанке, лепрозных узлах, бородавках и т. п.). При образовании “углекислого снега” его собирают в специальные мешочки, потом набивают в формочки из картона или стеклянные трубочки и прикладывают к участкам кожи, подлежащим разрушению. Имеются данные об эффективности замораживания очагов поражения кожи (криотерапия) при нейродермитах (заболеваниях кожи, обусловленных нарушением функции центральной нервной системы).
Напитки, содержащие в растворенном виде углекислоту (углекислые минеральные воды, газированные напитки), вызывают гиперемию (покраснение) слизистой оболочки и усиливают секреторную (выделение пищеварительного сока), всасывательную и двигательную активность желудочно-кишечного тракта.
Углекислота, содержащаяся в естественных минеральных водах, используемых для лечебных ванн (например, нарзанные ванны), может оказывать сложное влияние на организм, вызывая возникновение центростремительных импульсов с рецепторов кожи и появление рефлекторных изменений в деятельности сердечно-сосудистой системы и других органов, также изменение трофики (питания) тканей.
Углекислота противопоказания:
Резкое ослабление дыхания.