Диоксид вуглецю

1. фізичні [ правити | правити код ]
2. хімічні [ правити | правити код ]
3. біологічні [ правити | правити код ]

Диоксид вуглецю систематичне
найменування Діоксид вуглецю Традиційні назви вуглекислий газ, вуглекислота, двоокис вуглецю, сухий лід (В твердому стані) Хім. формула CO2 Рац. формула CO2 стан безбарвний газ молярна маса 44,01 г / моль щільність газ (0 ° C): 1,9768 кг / м³
рідина (0 ° С, 35,5 ат): 925 кг / м³
тв. (-78,5 ° C): 1560 кг / м³ динамічна в'язкість 8,5⋅10-5 Па · с (10 ° C, 5,7 МПа) енергія іонізації 13,77 ± 0,01 еВ [2] Швидкість звуку в речовині 269 м / с -78,5 ° C Потрійна точка -56,6 ° C, 0,52 МПа [1] Кр. крапка 31 ° C, 7,38 МПа Уд. теплоємність. 849 Дж / (кг · К) теплопровідність 0,0166 Вт / (м · K) ентальпія освіти 394 кДж / моль ентальпія плавлення 9,02 кДж / моль ентальпія кипіння 16,7 кДж / моль ентальпія сублімації 26 кДж / моль Питома теплота випаровування 379,5 кДж / кг Питома теплота плавлення 205 кДж / кг Тиск пара 56,5 ± 0,1 атм [2] розчинність в воді 1,48 кг / м³ Реєстр. номер CAS 124-38-9 PubChem 280 Реєстр. номер EINECS 204-696-9 SMILES InChI Кодекс Аліментаріус E290 RTECS FF6400000 ChEBI 16526 номер ООН 1013 ChemSpider 274 ГДК 9 000 мг / м3 ЛД50 LC50: 90 000 мг / м3 * 5 хв (людина, інгаляція) токсичність Нетоксичний. Небезпечний лише в дуже великих кількостях (володіє задушливою дією). Негорючий. S-фрази S9, S23, S36 NFPA 704 Наводяться дані для стандартних умов (25 ° C, 100 кПа) , Якщо не вказано іншого.

діоксид вуглецю або двоокис вуглецю (також вуглекислий газ, углекіслотá, оксид вуглецю (IV), вугільний ангідрид) - безбарвний газ (В нормальних умовах), майже без запаху (у великих концентраціях з кислуватим « содовим »Запахом), з хімічною формулою C O 2.

щільність при нормальних умовах 1,98 кг / м³ (в 1,5 рази важчий за повітря). При атмосферному тиску діоксид вуглецю не існує в рідкому стані , Переходячи безпосередньо з твердого стану в газоподібне ( сублімація ). Твердий діоксид вуглецю називають сухим льодом . При підвищеному тиску і звичайних температурах вуглекислий газ переходить в рідину, що використовується для його зберігання.

Концентрація вуглекислого газу в атмосфері землі складає в середньому 0,04% [3] . Вуглекислий газ легко пропускає випромінювання в ультрафіолетової і видимої частинах спектра, яке надходить на Землю від Сонця і обігріває її. У той же час він поглинає випускається Землею інфрачервоне випромінювання і є одним з парникових газів , Внаслідок чого бере участь в процесі глобального потепління . Постійне зростання рівня вмісту цього газу в атмосфері спостерігається з початку індустріальної епохи .

фізичні [ правити | правити код ]

оксид вуглецю (IV) - вуглекислий газ, безбарвний газ, при малих концентраціях в повітрі не має запаху, при великих концентраціях має характерний кислуватий запах газованої води. Важчий за повітря приблизно в 1,5 рази.

Молекула вуглекислого газу лінійна, відстань від центру центрального атома вуглецю до центрів двох атомів кисню 116,3 пм.

При температурі -78,3 ° С кристалізується у вигляді білої снегообразной маси - « сухого льоду ». Сухий лід при атмосферному тиску не плавиться, а випаровується, не переходячи в рідкий стан, температура сублімації -78 ° С. Рідкий вуглекислий газ можна отримати при підвищенні тиску. Так, при температурі 20 ° С і тиску понад 6 МПа (~ 60 атм ) Газ згущується в безбарвну рідину. У спокійному електричному розряді світиться характерним біло-зеленим світлом.

Негорючий, але в його атмосфері може підтримуватися горіння активних металів, наприклад, лужних металів і лужноземельних - магнію , кальцію , барію .

Вуглекислий газ утворюється при гнитті і горінні органічних речовин. Міститься в повітрі і мінеральних джерелах, виділяється при диханні тварин і рослин. Розчинний у воді (0,738 обсягів вуглекислого газу в одному об'ємі води при 15 ° С).

хімічні [ правити | правити код ]

За хімічними властивостями діоксид вуглецю відноситься до кислотних оксидів. При розчиненні в воді утворює вугільну кислоту . реагує з лугами з освітою карбонатів і гідрокарбонатів . Вступає в реакції електрофільного заміщення (Наприклад, з фенолом ) і нуклеофільного приєднання (Наприклад, з магнійорганіческіе сполуками ).

Оксид вуглецю (IV) не підтримує горіння . У ньому горять тільки деякі активні метали [4] :

2 M g + C O 2 ↑ → 2 M g O + C {\ displaystyle {\ mathsf {2Mg + CO_ {2} \ uparrow \ to 2MgO + C}}}

Взаємодія з оксидом активного металу:

C a O + C O 2 ↑ → C a C O 3 {\ displaystyle {\ mathsf {CaO + CO_ {2} \ uparrow \ to CaCO_ {3}}}}

При розчиненні в воді утворює рівноважну суміш розчину діоксиду вуглецю і вугільної кислоти , Причому рівновага сильно зрушено в бік розкладання кислоти:

C O 2 ↑ + H 2 O ⇄ H 2 C O 3 {\ displaystyle {\ mathsf {CO_ {2} \ uparrow + H_ {2} O \ rightleftarrows H_ {2} CO_ {3}}}}

Реагує з лугами з утворенням карбонатів і гідрокарбонатів:

C a (OH) 2 + CO 2 ↑ → C a CO 3 ↓ + H 2 O {\ displaystyle {\ mathsf {Ca (OH) _ {2} + CO_ {2} \ uparrow \ to CaCO_ {3} \ downarrow + H_ {2} O}}} (Якісна реакція на вуглекислий газ) K O H + C O 2 ↑ → K H C O 3 {\ displaystyle {\ mathsf {KOH + CO_ {2} \ uparrow \ to KHCO_ {3}}}}

біологічні [ правити | правити код ]

Організм людини виділяє приблизно 1 кг вуглекислого газу на добу [5] .

Цей вуглекислий газ переноситься від тканин, де він утворюється в якості одного з кінцевих продуктів метаболізму , По венозній системі і потім виділяється з повітрям, що видихається через легкі . Таким чином, вміст вуглекислого газу в крові підвищується в венозної системі, зменшується в капілярної мережі легких, і мало в артеріальній крові. Вміст вуглекислого газу в пробі крові часто висловлюють в термінах парціального тиску, тобто тиску, яке б мав міститься в пробі крові в даній кількості вуглекислий газ, якби весь обсяг проби крові займав тільки він [6] .

Вміст вуглекислого газу в крові людини приблизно таке:

Референтні значення або середні значення парціального тиску вуглекислого газу в крові (pCO2) Одиниці виміру Газ венозної крові Альвеолярний легеневий газ Газ артеріальної крові кПа 5,5 [7] -6,8 [7] 4,8 4,7 [7] -6,0 [7] мм рт. ст. 41-51 36 35 [8] -45 [8]

Вуглекислий газ транспортується в крові трьома різними способами (точне співвідношення кожного з цих трьох способів транспортування залежить від того, чи є кров артеріальної або венозної).

• Велика частина вуглекислого газу (від 70% до 80%) перетворюється ферментом карбоангидразой еритроцитів в іони гідрокарбонату за допомогою реакції CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻.
• Близько 5-10% вуглекислого газу розчинено в плазмі крові.
• Близько 5-10% вуглекислого газу пов'язане з гемоглобіном у вигляді карбаміносоедіненій (карбогемоглобін).

Гемоглобін, основний кисень-транспортує білок еритроцитів крові, здатний транспортувати як кисень, так і вуглекислий газ . Однак вуглекислий газ зв'язується з гемоглобіном в іншому місці, ніж кисень. Він зв'язується з N-термінальними кінцями ланцюгів глобіну , А не з гемом . Однак завдяки аллостерическим ефектів, які призводять до зміни конфігурації молекули гемоглобіну при зв'язуванні, зв'язування вуглекислого газу знижує здатність кисню до зв'язування з ним же, при цьому парціальному тиску кисню, і навпаки - зв'язування кисню з гемоглобіном знижує здатність вуглекислого газу до зв'язування з ним же, при даному парціальному тиску вуглекислого газу. Крім цього, здатність гемоглобіну до переважного зв'язування з киснем або з вуглекислим газом залежить також і від pH середовища. Ці особливості дуже важливі для успішного захоплення і транспорту кисню з легенів до тканин і його успішного вивільнення в тканинах, а також для успішного захоплення і транспорту вуглекислого газу з тканин в легені і його вивільнення там.

Вуглекислий газ є одним з найважливіших медіаторів ауторегуляції кровотоку. Він є потужним вазодилятатором . Відповідно, якщо рівень вуглекислого газу в тканини або в крові підвищується (наприклад, внаслідок інтенсивного метаболізму - викликаного, скажімо, фізичним навантаженням, запаленням, пошкодженням тканин, або внаслідок утруднення кровотоку, ішемії тканини), то капіляри розширюються, що призводить до збільшення кровотоку і відповідно до збільшення доставки до тканин кисню і транспорту з тканин накопиченої вуглекислоти. Крім того, вуглекислий газ в певних концентраціях (підвищених, але ще не досягають токсичних значень) робить позитивний інотропну і хронотропное дію на міокард і підвищує його чутливість до адреналіну , Що призводить до збільшення сили і частоти серцевих скорочень, величини серцевого викиду і, як наслідок, ударного і хвилинного об'єму крові. Це також сприяє корекції тканинної гіпоксії і гіперкапнії (підвищеного рівня вуглекислоти).

Іони гідрокарбонату дуже важливі для регуляції pH крові і підтримки нормального кислотно-лужної рівноваги. Частота дихання впливає на вміст вуглекислого газу в крові. Слабке або уповільнене дихання викликає респіраторний ацидоз , В той час як прискорене і надмірно глибоке дихання призводить до гіпервентиляції і розвитку респіраторного алкалоза .

Крім того, вуглекислий газ також важливий в регуляції дихання. Хоча наш організм потребує кисню для забезпечення метаболізму, низький вміст кисню в крові або в тканинах зазвичай не стимулює дихання (вірніше, стимулюючий вплив нестачі кисню на дихання занадто слабо і «включається» пізно, при дуже низьких рівнях кисню в крові, при яких людина нерідко вже втрачає свідомість). У нормі дихання стимулюється підвищенням рівня вуглекислого газу в крові. Дихальний центр набагато більш чутливий до підвищення рівня вуглекислого газу, ніж до браку кисню. Як наслідок цього, дихання сильно розрідженим повітрям (з низьким парціальним тиском кисню) або газовою сумішшю, взагалі не містить кисню (наприклад, 100% азотом або 100% закисом азоту) може швидко привести до втрати свідомості без виникнення відчуття нестачі повітря (оскільки рівень вуглекислоти в крові не підвищується, бо ніщо не перешкоджає її видихання). Це особливо небезпечно для пілотів військових літаків, що літають на великих висотах (у разі аварійної розгерметизації кабіни пілотів можуть швидко втратити свідомість). Ця особливість системи регуляції дихання також є причиною того, чому в літаках стюардеси інструктують пасажирів в разі розгерметизації салону літака в першу чергу надягати кисневу маску самим, перш ніж намагатися допомогти кому-небудь ще - роблячи це, що допомагає ризикує швидко втратити свідомість сам, причому навіть НЕ відчуваючи до останнього моменту будь-якого дискомфорту і потреби в кисні.

Дихальний центр людини намагається підтримувати парціальний тиск вуглекислого газу в артеріальній крові не вище 50 мм ртутного стовпа. При свідомої гіпервентиляції вміст вуглекислого газу в артеріальній крові може знизитися до 10-20 мм ртутного стовпа, при цьому вміст кисню в крові практично не зміниться або збільшиться незначно, а потреба зробити черговий вдих зменшиться як наслідок зменшення стимулюючого впливу вуглекислого газу на активність дихального центру. Це є причиною того, чому після деякого періоду свідомої гіпервентиляції легше затримати дихання надовго, ніж без попередньої гіпервентиляції. Така свідома гіпервентиляція з наступною затримкою дихання може привести до втрати свідомості до того, як людина відчує потребу зробити вдих. У безпечній обстановці така втрата свідомості нічим особливим не загрожує (знепритомнівши, людина втратить і контроль над собою, перестане затримувати дихання і зробить вдих, дихання, а разом з ним і постачання мозку киснем відновиться, а потім відновиться і свідомість). Однак в інших ситуаціях, наприклад, перед пірнанням, це може бути небезпечним (втрата свідомості і потреба зробити вдих настануть на глибині, і за відсутності свідомого контролю в дихальні шляхи потрапить вода, що може привести до втоплення) [ Джерело не вказано 638 днів ]. Саме тому гіпервентиляція перед пірнанням небезпечна і не рекомендується.

• У промислових кількостях вуглекислота виділяється з димових газів, або як побічний продукт хімічних процесів, наприклад, при розкладанні природних карбонатів [10] ( вапняк , доломіт ) Або при виробництві алкоголю ( спиртове бродіння ). Суміш отриманих газів промивають розчином карбонату калію, які поглинають вуглекислий газ, переходячи в гідрокарбонат. Розчин гідрокарбонату при нагріванні або при зниженому тиску розкладається, вивільняючи вуглекислоту. У сучасних установках отримання вуглекислого газу замість гідрокарбонату частіше застосовується водний розчин моноетаноламіна , Який за певних умов здатний абсорбувати СО2, що міститься в димовому газі, а при нагріванні віддавати його; таким чином відокремлюється готовий продукт від інших речовин.

• Також вуглекислий газ отримують на установках поділу повітря як побічний продукт отримання чистого кисню, азоту і аргону .

У лабораторних умовах невеликі кількості отримують взаємодією карбонатів і гідрокарбонатів з кислотами, наприклад мармуру , Крейди або соди з соляною кислотою , Використовуючи, наприклад, апарат кіп [10] .

CaCO 3 + 2 HCl ⟶ CaCl 2 + H 2 O + CO 2 ↑ ⋅ {\ displaystyle {\ ce {CaCO3 \ + 2HCl-> CaCl2 \ + H2O \ + CO2 \ uparrow.}}}

Використання реакції сірчаної кислоти з крейдою або мармуром призводить до утворення малорастворимого сульфату кальцію, який уповільнює реакцію, і який віддаляється значним надлишком кислоти з утворенням кислого сульфату кальцію .

Для приготування напоїв може бути використана реакція харчової соди з лимонною кислотою або з кислим лимонним соком. Саме в такому вигляді з'явилися перші газовані напої. Їх виготовленням і продажем займалися аптекарі.

Також для отримання вуглекислого газу застосовується зкзотерміческая реакція горіння вуглецю в кисні [10] :

C + O 2 ⟶ CO 2 ↑ + 394 kJ ⋅ {\ displaystyle {\ ce {C + O2 -> CO2 ^ + \ 394 kJ.}}}

У харчовій промисловості вуглекислота використовується як консервант і розпушувач , Позначається на упаковці кодом Е290.

В кріохірургії використовується як одне з основних речовин для кріоабляціі новоутворень.

Рідка вуглекислота широко застосовується в системах пожежогасіння і в вогнегасниках . Автоматичні вуглекислотні установки для пожежогасіння розрізняються по системам пуску, які бувають пневматичними, механічними або електричними.

Пристрій для подачі вуглекислого газу в акваріум може включати в себе резервуар з газом. Найпростіший і найпоширеніший метод отримання вуглекислого газу заснований на конструкції для виготовлення алкогольного напою браги . При бродінні, що виділяється вуглекислий газ цілком може забезпечити підживлення акваріумних рослин [11]

Вуглекислий газ використовується для газування лимонаду і газованої води . Вуглекислий газ використовується також як захисне середовище при зварюванні дротом, але при високих температурах відбувається його розпад з виділенням кисню. Вирізняється кисень окисляє метал . У зв'язку з цим доводиться в зварювальний дріт вводити раскислители, такі як марганець і кремній . Іншим наслідком впливу кисню, також пов'язаного з окисленням, є різке зниження поверхневого натягу, що приводить, серед іншого, до більш інтенсивного розбризкування металу, ніж при зварюванні в інертному середовищі.

Вуглекислота в балончиках застосовується в пневматичній зброї (в газобалонної пневматику ) І в якості джерела енергії для двигунів в авіамоделювання .

Зберігання вуглекислоти в сталевому балоні в зрідженому стані вигідніше, ніж у вигляді газу. Вуглекислота має порівняно низьку критичну температуру +31 ° С. У стандартний 40-літровий балон заливають близько 30 кг зрідженого вуглекислого газу, і при кімнатній температурі в балоні буде знаходитися рідка фаза, а тиск складе приблизно 6 МПа (60 кгс / см²). Якщо температура буде вище +31 ° С, то вуглекислота перейде в сверхкритическое стан з тиском вище 7,36 МПа. Стандартне робочий тиск для звичайного 40-літрового балона становить 15 МПа (150 кгс / см²), проте він повинен безпечно витримувати тиск в 1,5 рази вище, тобто 22,5 МПа, - таким чином, робота з подібними балонами може вважатися цілком безпечною.

Тверда вуглекислота - «сухий лід» - використовується в якості холодоагенту в лабораторних дослідженнях, в роздрібній торгівлі, при ремонті обладнання (наприклад: охолодження однієї з деталей, що при посадці внатяг) і т. д. Для зрідження вуглекислого газу і отримання сухого льоду застосовуються вуглекислотні установки .

Вимірювання парціального тиску вуглекислого газу потрібно в технологічних процесах, в медичних цілях - аналіз дихальних сумішей при штучній вентиляції легень і в замкнутих системах життєзабезпечення. Аналіз концентрації CO₂ в атмосфері використовується для екологічних і наукових досліджень, для вивчення парникового ефекту . Вуглекислий газ реєструють за допомогою газоаналізаторів заснованих на принципі інфрачервоної спектроскопії та інших газовимірювальних систем . Медичний газоаналізатор для реєстрації вмісту вуглекислоти в повітрі, що видихається називається капнограф . Для вимірювання низьких концентрацій CO₂ (а також CO ) В технологічних газах або в атмосферному повітрі можна використовувати газохроматографічний метод з метанатором і реєстрацією на полум'яно-іонізаційному детекторі [12] .

Щорічні коливання концентрації атмосферної вуглекислоти на планеті визначаються, головним чином, рослинністю середніх (40-70 °) широт Північної півкулі.

вегетація в тропіках практично не залежить від сезону , Сухий пояс пустель 20-30 ° (обох півкуль) дає малий внесок в кругообіг вуглекислоти, а смуги суші , Найбільш вкриті рослинністю, розташовані на Землі асиметрично (в південній півкулі в середніх широтах знаходиться океан ).
Тому з березня по вересень внаслідок фотосинтезу вміст СО2 в атмосфері падає, а з жовтня по лютий - підвищується. Внесок в зимовий приріст дають як окислення деревини (гетеротрофное дихання рослин , гниття , розкладання гумусу , лісові пожежі ), Так і спалювання викопного палива ( вугілля , нафти , газу ), Помітно збільшується в зимовий сезон [13] .

Велика кількість вуглекислоти розчинено в океані.

Вуглекислий газ становить значну частину атмосфер деяких планет сонячної системи : Венери , Марса .

Вуглекислий газ нетоксичний, но при вдіханні его підвіщеніх концентрацій в повітрі по впліву на воздуходішащіе живі організмі его відносять до задушливим газам (Англ.). За ГОСТом (ГОСТ 8050-85) вуглекислота відноситься до 4-го класу небезпеки.

Незначні підвищення концентрації, аж до 2-4%, в приміщеннях призводять до розвитку у людей сонливості і слабкості. Небезпечними для здоров'я концентраціями вважаються концентрації близько 7-10%, при яких розвиваються симптоми задухи, які проявляються у вигляді головного болю, запаморочення, розлад слуху і у втраті свідомості (симптоми, схожі з симптомами висотної хвороби ), Ці симптоми розвиваються, в залежності від концентрації, протягом часу від кількох хвилин до однієї години.

При вдиханні повітря з дуже високими концентраціями газу смерть настає дуже швидко від задухи, викликаного гіпоксією [14] .

Незважаючи на те, що навіть концентрація 5-7% CO₂ в повітрі несмертельної, але при концентрації 0,1% (такий зміст вуглекислого газу іноді спостерігається в повітрі мегаполісів ), Люди починають відчувати слабкість, сонливість. Це показує, що навіть при високому рівні кисню, велика концентрація CO₂ істотно впливає на самопочуття людини.

Вдихання повітря з підвищеною концентрацією цього газу не призводить до довготривалих розладів здоров'я. Після видалення потерпілого з атмосфери з високою концентрацією вуглекислого газу швидко настає повне відновлення здоров'я і самопочуття [15] .

1. ↑ Carbon Dioxide - Thermophysical Properties
2. ↑ 1 2 http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0103.html
3. ↑ Trends in Atmospheric Carbon Dioxide (Англ.). National Oceanic and Atmospheric Administration. Дата звернення 24 вересня 2013.
4. ↑ А. С. Єгоров. Репетитор з хімії - Ростов-на-Дону: «Фенікс», 2009.
5. ↑ How much carbon dioxide do humans contribute through breathing? (неопр.). Дата обігу 30 березня 2009. Читальний зал 2 лютого 2011 року.
6. ↑ Charles Henrickson. Chemistry. - Cliffs Notes, 2005. - ISBN 0-7645-7419-1 .
7. ↑ 1 2 3 4 Перераховано з значень в мм. рт. ст. з використанням коефіцієнта перерахунку 0,133322 кПа / мм. рт. ст.
8. ↑ 1 2 Таблиця референсних значень . Південно-Західний медичний центр при Університеті Далласа.
9. ↑ 1 2 3 Glinka, Nikolaj Leonidovič (1882-1965). Obŝaâ himiâ . - Izd. 27-e ster. - Leningrad: "Himiâ", 1988. - 702, [2] s. с. - ISBN 5724500035 , 9785724500036.
10. ↑ Велика Енциклопедія Нафти і Газу.
11. ↑ ГОСТ 31371.6-2008 (ИСО 6974-6: 2002). Газ природний. ВИЗНАЧЕННЯ СКЛАДУ МЕТОДОМ ГАЗОВОЇ ХРОМАТОГРАФІЇ З ОЦІНКОЮ невизначеності. Частина 6. Визначення водню, гелію, КИСНЮ, АЗОТУ, ДІОКСИДУ ВУГЛЕЦЮ І ВУГЛЕВОДНІВ C1 - C8 З ВИКОРИСТАННЯМ ТРЬОХ капілярні КОЛОНОК.
12. ↑ А. В. Бялко. Рослини прискорюють ріст. «Природа». No 10, 1996. (по Keeling CD, Whorf Т.P., Wahlen M., van der Plicht J. // Nature. 1995. V. 375, № 6533. P.666-670)
13. ↑ (Англ.) Carbon Dioxide as a Fire Suppressant: Examining the Risks , US Environmental Protection Agency :.
14. ↑ (Англ.) Glatte Jr HA, Motsay GJ, Welch BE (1967). "Carbon Dioxide Tolerance Studies" . Brooks AFB, TX School of Aerospace Medicine Technical Report. SAM-TR-67-77.