Диоксид углерода: формула, свойства и области применения. Углекислота жидкая (СО2, двуокись углерода, диоксид углерода) Co2 получение в промышленности

Диоксид углерода (двуокись углерода, углекислый газ, CO 2) формируется путем взаимодействия двух элементов – кислорода и углерода. Диоксид углерода образуется при сжигании углеводородных соединений или угля, в результате ферментации жидкостей, а также в качестве продукта дыхания животных и человека. В атмосфере он содержится в небольших количествах. Растения поглощают двуокись углерода из атмосферы и превращают его в органические компоненты. При исчезновении этого газа из атмосферы на Земле практически не будет дождей и станет заметно прохладнее.

Свойства диоксида углерода

Диоксид углерода тяжелее воздуха. Он замерзает при температуре -78 °C. При замерзании из двуокиси углерода образуется снег. В виде раствора углекислый газ образует угольную кислоту. Благодаря некоторым свойствам диоксид углерода иногда называют «одеялом» Земли. Он с легкостью пропускает ультрафиолетовые лучи. Инфракрасные лучи излучаются с поверхности диоксида углерода в космическое пространство.

Углекислый газ выпускают в жидкой форме при низкой температуре, в жидкой форме при высоком давлении и в газообразной форме. Газообразную форму двуокиси углерода получают из отбросных газов при производстве спиртов, аммиака, а также в результате сжигания топлива. Газообразный диоксид углерода по свойствам представляет собой нетоксичный и невзрывоопасный газ, без запаха и цвета. В жидкой форме двуокись углерода – жидкость без цвета и запаха. При содержании более 5% углекислый газ накапливается в районе пола в слабо проветриваемых помещениях. Снижение объемной доли кислорода в воздухе может привести к кислородной недостаточности и удушью. Эмбриологи установили, что клеткам человека и животных двуокиси углерода необходимо около 7%, а кислорода – всего 2%. Двуокись углерода – транквилизатор нервной системы и прекрасное анестезирующее средство. Газ в организме человека участвует в синтезе аминокислот, оказывает сосудорасширяющее действие. Недостаток углекислого газа в крови приводит к спазму сосудов и гладкой мускулатуры всех органов, к увеличению секреции в носовых ходах, бронхах и к развитию полипов и аденоидов, к уплотнению мембран из-за отложения холестерина.

Получение диоксида углерода

Существует несколько способов получения диоксида углерода. В промышленности двуокись углерода получают из доломита, известняка – продуктов разложения природных карбонатов, а также из печных газов. Газовую смесь промывают раствором карбоната калия. Смесь поглощает двуокись углерода и превращается в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната нагревают и он, разлагаясь, высвобождает углекислоту. При промышленном методе получения диоксид углерода закачивается в баллоны.

В лабораториях получение диоксида углерода основывается на взаимодействии гидрокарбонатов и карбонатов с кислотами.

Области применения диоксида углерода

В повседневной практике двуокись углерода используют достаточно часто. В пищевой индустрии углекислый газ используют в качестве разрыхлителя теста, а также в качестве консерванта. Его обозначают на упаковке продукта под кодом Е290. Свойства диоксида углерода также используют при производстве газированной воды.

Биохимики выяснили, что для повышения урожайности различных культур весьма эффективно удобрять воздух углекислым газом. Однако данный способ удобрения можно применять только в оранжереях. В сельском хозяйстве газ применяют для создания искусственного дождя. При нейтрализации щелочной среды двуокись углерода заменяет сильнодействующие минеральные кислоты. В овощехранилищах углекислый газ применяют для создания газовой среды.

В парфюмерной промышленности двуокись углерода применяют при изготовлении духов. В медицине углекислый газ используют для антисептического воздействия при проведении открытых операций.

При охлаждении углекислый газ превращается в «сухой лед». Сжиженный диоксид углерода расфасовывают в баллоны и отправляют потребителям. Углекислый газ в виде «сухого льда» используют для сохранения пищевых продуктов. Такой лед при нагревании испаряется без остатка.

Углекислый газ используют как активную среду при сварке проволокой. При сварке двуокись углерода разлагается на кислород и угарный газ. Кислород вступает во взаимодействие с жидким металлом и окисляет его.

В авиамоделировании двуокись углерода используется как источник энергии для двигателей. Двуокись углерода в баллончиках используется в пневматическом оружии.

(IV), диоксид углерода или же двуокись углерода. Также его еще называют угольным ангидридом. Он является совершенно бесцветным газом, который не имеет запаха, с кисловатым вкусом. Углекислый газ тяжелее воздуха и плохо растворяется в воде. При температуре ниже - 78 градусов Цельсия кристаллизуется и становится похожим на снег.

Из газообразного состояния это вещество переходит в твердое, поскольку не может существовать в жидком состоянии в условиях атмосферного давления. Плотность углекислого газа в нормальных условиях составляет 1,97 кг/м3 - в 1,5 раза выше Диоксид углерода в твердом виде называется «сухой лед». В жидкое состояние, в котором его можно хранить длительное время, он переходит при повышении давления. Рассмотрим подробнее данное вещество и его химическое строение.

Углекислый газ, формула которого CO2, состоит из углерода и кислорода, а получается он в результате сжигания или гниения органических веществ. Оксид углерода содержится в воздухе и подземных минеральных источниках. Люди и животные тоже выделяют углекислый газ при выдыхании воздуха. Растения без освещения выделяют его, а во время фотосинтеза интенсивно поглощают. Благодаря процессу метаболизма клеток всех живых существ оксид углерода является одним из главных составляющих окружающей природы.

Этот газ не токсичен, но если он скапливается в большой концентрации, может начаться удушье (гиперкапния), а при его недостатке развивается противоположное состояние - гипокапния. Диоксид углерода пропускает и отражает инфракрасные. Он является который непосредственно влияет на глобальное потепление. Это происходит из-за того, что уровень его содержания в атмосфере постоянно растет, что и приводит к парниковому эффекту.

Диоксид углерода получают промышленным путем из дымных или печных газов, или же путем разложения карбонатов доломита и известняка. Смесь этих газов тщательно промывается специальным раствором, состоящим из карбоната калия. Далее она переходит в гидрокарбонат и при нагревании разлагается, в результате чего высвобождается углекислота. Углекислота (H2CO3) образуется из углекислого газа, растворенного в воде, но в современных условиях получают ее и другими, более прогрессивными методами. После того как углекислый газ очищен, его сжимают, охлаждают и закачивают в баллоны.

В промышленности это вещество широко и повсеместно применяется. Пищевики используют его как разрыхлитель (например, для приготовления теста) или в качестве консерванта (Е290). С помощью углекислого газа производят различные тонизирующие напитки и газировки, которые так любимы не только детьми, но и взрослыми. Диоксид углерода используют при изготовлении пищевой соды, пива, сахара, шипучих вин.

Углекислый газ применяется и при производстве эффективных огнетушителей. С помощью углекислого газа создается активная среда, необходимая при При высокой температуре сварочной дуги углекислый газ распадается на кислород и угарный газ. Кислород взаимодействует с жидким металлом и окисляет его. Углекислота в баллончиках применяется в пневматических ружьях и пистолетах.

Авиамоделисты используют это вещество в качестве топлива для своих моделей. С помощью углекислого газа можно значительно повысить урожайность культур, выращиваемых в оранжерее. Также в промышленности широко используется в котором продукты питания сохраняются значительно лучше. Его применяют в качестве хладагента в холодильниках, морозильных камерах, электрических генераторах и других теплоэнергетических установках.

8.1. Что такое химическая номенклатура

Химическая номенклатура складывалась постепенно, в течение нескольких столетий. По мере накопления химических знаний она неоднократно менялась. Уточняется и развивается она и сейчас, что связано не только с несовершенством некоторых номенклатурных правил, но еще и с тем, что ученые постоянно открывают новые и новые соединения, назвать которые (а бывает, что даже и составить формулы), пользуясь существующими правилами иногда оказывается невозможно. Номенклатурные правила, принятые в настоящее время научным сообществом всего мира, содержатся в многотомном издании: " Номенклатурные правила ИЮПАК по химии" , число томов в котором непрерывно возрастает.
С типами химических формул, а также с некоторыми правилами их составления вы уже знакомы. А какие же бывают названия химических веществ?
Пользуясь номенклатурными правилами, можно составить систематическое название вещества.

Для многих веществ кроме систематических используются и традиционные, так называемые тривиальные названия. При своем возникновении эти названия отражали определенные свойства веществ, способы получения или содержали название того, из чего данное вещество было выделено. Сравните систематические и тривиальные названия веществ, приведенных в таблице 25.

К тривиальным относятся и все названия минералов (природных веществ, составляющих горные породы), например: кварц (SiO 2); каменная соль, или галит (NaCl); цинковая обманка, или сфалерит (ZnS); магнитный железняк, или магнетит (Fe 3 O 4); пиролюзит (MnO 2); плавиковый шпат, или флюорит (CaF 2) и многие другие.

Таблица 25. Систематические и тривиальные названия некоторых веществ

Для некоторых наиболее известных или широко распространенных веществ употребляются только тривиальные названия, например: вода, аммиак, метан, алмаз, графит и другие. В этом случае такие тривиальные названия иногда называют специальными .
Как составляются названия веществ, относящихся к разным классам, вы узнаете из следующих параграфов.

ХИМИЧЕСКАЯ НОМЕНКЛАТУРА, СИСТЕМАТИЧЕСКОЕ НАЗВАНИЕ, ТРИВИАЛЬНОЕ НАЗВАНИЕ, СПЕЦИАЛЬНОЕ НАЗВАНИЕ.
1.Выпишите из предыдущих глав учебника десять тривиальных названий любых соединений (отсутствующих в таблице), запишите формулы этих веществ и дайте их систематические названия.
2.О чем говорят тривиальные названия " поваренная соль" , " кальцинированная сода" , " угарный газ" , " жженая магнезия" ?

Названия большинства простых веществ совпадают с названиями соответствующих элементов. Только все аллотропные модификации углерода имеют свои особые названия: алмаз, графит, карбин и другие. Кроме этого имеет свое особое название одна из аллотропных модификаций кислорода – озон.
Простейшая формула простого немолекулярного вещества состоит только из символа соответствующего элемента, например: Na – натрий, Fe – железо, Si – кремний.
Аллотропные модификации обозначают, используя буквенные индексы или буквы греческого алфавита:

C (а) – алмаз; - Sn – серое олово;
С (гр) – графит; - Sn – белое олово.

В молекулярных формулах молекулярных простых веществ индекс, как вы знаете, показывает число атомов в молекуле вещества:
H 2 – водород; O 2 – кислород; Cl 2 – хлор; O 3 – озон.

В соответствии с номенклатурными правилами систематическое название такого вещества должно содержать приставку, показывающую число атомов в молекуле:
H 2 – диводород;
O 3 – трикислород;
P 4 – тетрафосфор;
S 8 – октасера и т. д., но в настоящее время это правило еще не стало общеупотребительным.

Таблица 26.Числовые приставки

В соответствии с общим правилом в формуле бинарного вещества на первое место ставится символ элемента с меньшей электроотрицательностью атомов, а на второе – с большей, например: NaF, BaCl 2 , CO 2 , OF 2 (а не FNa, Cl 2 Ba, O 2 C или F 2 O!).
Так как значения электроотрицательности для атомов разных элементов постоянно уточняются, обычно пользуются двумя практическими правилами:
1. Если бинарное соединения представляет собой соединение элемента, образующего металл, с элементом, образующим неметалл, то на первое место (слева) всегда ставится символ элемента, образующего металл.
2. Если оба элемента, входящие в состав соединения – элементы, образующие неметаллы, то их символы располагают в следующей последовательности:

B, Si, C, Sb, As, P, N, H, Te, Se, S, At, I, Br, Cl, O, F.

Примечание: следует помнить, что место азота в этом практическом ряду не соответствует его электроотрицательности; в соответствии с общим правилом его следовало бы поместить между хлором и кислородом.

Примеры: Al 2 O 3 , FeO, Na 3 P, PbCl 2 , Cr 2 S 3 , UO 2 (по первому правилу);
BF 3 , CCl 4 , As 2 S 3 , NH 3 , SO 3 , I 2 O 5 , OF 2 (по второму правилу).
Систематическое название бинарного соединения может быть дано двумя способами. Например, СО 2 можно назвать диоксидом углерода – это название вам уже известно – и оксидом углерода(IV). Во втором названии в скобках указывается число Штока (степень окисления) углерода. Это делается для того, чтобы отличить это соединение от СО – оксида углерода(II).
Можно использовать и тот, и другой тип названия в зависимости от того, какой в данном случае более удобен.

Примеры (выделены более удобные названия):

Другие примеры:

Если атомы элемента, стоящего в формуле вещества на первом месте, проявляют только одну положительную степень окисления, то ни числовые приставки, ни обозначение этой степени окисления в названии вещества обычно не используются, например:
Na 2 O – оксид натрия; KCl – хлорид калия;
Cs 2 S – сульфид цезия; BaCl 2 – хлорид бария;
BCl 3 – хлорид бора; HCl – хлорид водорода (хлороводород);
Al 2 O 3 – оксид алюминия; H 2 S – сульфид водорода (сероводород).

1.Составьте систематические названия веществ (для бинарных веществ – двумя способами):
а) O 2 , FeBr 2 , BF 3 , CuO, HI;
б) N 2 , FeCl 2 , Al 2 S 3 , CuI, H 2 Te;
в) I 2 , PCl 5 , MnBr 2 , BeH 2 , Cu 2 O.
2.Назовите двумя способами каждый из оксидов азота: N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 4 , N 2 O 5 . Подчеркните более удобные названия.
3.Запишите формулы следующих веществ:
а) фторид натрия, сульфид бария, гидрид стронция, оксид лития;
б) фторид углерода(IV), сульфид меди(II), оксид фосфора(III), оксид фосфора(V);
в) диоксид кремния, пентаоксид дийода, триоксид дифосфора, дисульфид углерода;
г) селеноводород, бромоводород, йодоводород, теллуроводород;
д) метан, силан, аммиак, фосфин.
4.Сформулируйте правила составления формул бинарных веществ по положению элементов, входящих в состав этого вещества, в системе элементов.

Как вы уже заметили, в формуле бинарного соединения на первом месте стоит символ катиона или атома с частичным положительным зарядом, а на втором – аниона или атома с частичным отрицательным зарядом. Точно также составляются формулы и более сложных веществ, но места атомов или простых ионов в них занимают группы атомов или сложные ионы.
В качестве примера рассмотрим соединение (NH 4) 2 CO 3 . В нем на первом месте стоит формула сложного катиона (NH 4 ), а на втором – формула сложного аниона (CO 3 2).
В формуле самого сложного иона на первое место ставится символ центрального атома, то есть атома, с которым связаны остальные атомы (или группы атомов) этого иона, а в названии указывается степень окисления центрального атома.

Примеры систематических названий:
Na 2 SO 4 тетраоксосульфат(VI) натрия(I),
K 2 SO 3 триоксосульфат(IV) калия(II),
CaCO 3 триоксокарбонат(IV) кальция(II),
(NH 4) 3 PO 4 тетраоксофосфат(V) аммония,
PH 4 Cl хлорид фосфония,
Mg(OH) 2 гидроксид магния(II).

Такие названия точно отражают состав соединения, но очень громоздки. Поэтому вместо них обычно используют сокращенные (полусистематические ) названия этих соединений:
Na 2 SO 4 сульфат натрия,
K 2 SO 3 сульфит калия,
CaCO 3 карбонат кальция,
(NH 4) 3 PO 4 фосфат аммония,
Mg(OH) 2 гидроксид магния.

Систематические названия кислот составляется так, как будто кислота – соль водорода:
H 2 SO 4 тетраоксосульфат(VI) водорода,
H 2 CO 3 триоксокарбонат(IV) водорода,
H 2 гексафторосиликат(IV) водорода.(О причинах применения квадратных скобок в формуле этого соединения вы узнаете позже)
Но для наиболее известных кислот номенклатурные правила допускают применение их тривиальных названий, которые вместе с названиями соответствующих анионов приведены в таблице 27.

Таблица 27. Названия некоторых кислот и их анионов

За последние годы перспективность CO 2 как хладагента заметно возросла. Диоксид углерода - один из немногих хладагентов для холодильных систем, актуальный с точки зрения эффективности применения и безопасности для окружающей среды. Применение традиционных хладагентов ограничивается различными нормативами, причем во всем мире наблюдается тенденция к их ужесточению. В связи с этим природные хладагенты находят все большее применение. Мы начинаем рубрику, посвященную использованию хладагента CO 2 в области искусственного холода.

Хладагент CO 2 принадлежит к группе так называемых природных хладагентов (аммиак, пропан, бутан, вода и др.) имеющий нулевой потенциал разрушения озонового слоя Земли (ODP=0) и являющийся эталонной единицей при расчете потенциала глобального потепления (GWP=1). У каждого из природных хладагентов есть свои недостатки, например, аммиак токсичен, пропан горюч, а у воды ограниченная область применения. В отличие от них CO 2 не токсичен и не горюч, хотя его влияние на окружающую среду не однозначно. С одной стороны, CO 2 содержится в окружающем нас воздухе и необходим для протекания жизненных процессов. С другой стороны, считается, что большая концентрация углекислоты в воздухе является одной из причин глобального потепления.

Инициатива вернуться к использованию CO 2 в холодильной технике принадлежит скандинавским странам, где законы значительно ограничивают использование хладагентов HFC и HCFC. В качестве хладагента для промышленных установок традиционно применяется аммиак, но его количество в системе ограничено. Это не является проблемой для установок, работающих на высокие и средние температуры (до -15/-25°С), где количество аммиака сокращается применением вторичного хладоносителя. Для более низких температур применение вторичного хладоносителя неэффективно из-за больших потерь на разнице температур, в этом случае используют CO 2 .

На рисунке выше приведена фазовая диаграмма CO 2 . Кривые линии, которые разделяют диаграмму на отдельные участки, определяют предельные значения давлений и температур для различных фаз: жидкой, твёрдой, паровой или сверхкритической. Точки на этих кривых определяют давления и соответствующие им температуры, при которых две фазы находятся в равновесном состоянии, например, твёрдая и паровая, жидкая и паровая, твёрдая и жидкая.

При атмосферном давлении CO 2 существует в твёрдой или паровой фазах. При таком давлении жидкая фаза не существует. При температурах ниже –78,4°C диоксид углерода находится в твёрдой фазе («сухой лёд»). При повышении температуры CO 2 сублимирует в паровую фазу. При давлении 5,2 бар и температуре –56,6°C хладагент достигает, так назы-ваемой, тройной точки. В этой точке все три фазы существуют в равновесном состоянии. При температуре +31,1°C CO 2 достигает своей критической точки, где его плотности вжидкостной и паровой фазе одинаковые (рисунок выше). Следовательно, различие между двумя фазами исчезает и CO 2 существует в сверхкритическом состоянии.

Диоксид углерода может использоваться в качестве хладагента в холодильных системах различных типов, как субкритических, так и транскритических. При использовании CO 2 в качестве хладагента необходимо учитывать как тройную, так и критическую точку для любых типов холодильных систем. В субкритическом цикле CO 2 (рисунок выше) весь диапазон рабочих температур и давлений лежит между критической и тройной точками. Одноступенчатые холодильные циклы CO 2 аналогичны другим хладагентам, но имеют некоторые неблагоприятные факторы, связанные в первую очередь с ограничением значений температур и давлений.

Транскритические холодильные системы на CO 2 в настоящее время используются в небольших и коммерческих холодильных установках, а именно: в мобильных системах кондиционирования воздуха, небольших тепловых насосах и системах охлаждения супермаркетов. Транскритические системы практически не применяются в промышленных холодильных установках. Рабочее давление в субкритическом цикле обычно находится в диапазоне от 5,7 до 35 бар при соответствующей температуре от –55 до 0°C. При оттаивании испарителя горячим газом значение рабочего давления увеличивается примерно на 10 бар.

Наиболее широко CO 2 применяется в каскадных системах промышленных холодильных установок. Это обусловлено тем, что диапазон рабочих давлений позволяет использовать стандартное оборудование (компрессоры, регуляторы и клапаны).

Существуют различные виды каскадных холодильных систем на CO 2: системы с непосредственным кипением, системы с насосной циркуляцией, системы на CO 2 со вторичным рассольным контуром или комбинации этих систем.