Углекислый газ

 Химическая формула и названия

Хи­ми­че­ская фор­му­ла уг­ле­кис­ло­го газа – СО₂. Уг­ле­кис­лый газ – ве­ще­ство, ко­то­рое имеет мно­же­ство на­зва­ний: оксид уг­ле­ро­да (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, рас­тво­рим в воде. При тем­пе­ра­ту­ре ниже -78 °С кри­стал­ли­зу­ет­ся и ста­но­вит­ся по­хо­жим на снег.

 История открытия

Уг­ле­кис­лый газ был пер­вым между всеми дру­ги­ми га­за­ми про­ти­во­по­став­лен воз­ду­ху под на­зва­ни­ем «дикий газ» ал­хи­ми­ком XVI века Вант Гель­мон­том.

От­кры­ти­ем СО₂ было по­ло­же­но на­ча­ло новой от­рас­ли химии – пнев­ма­то­хи­мии (химии газов).

Шот­ланд­ский химик Джо­зеф Блэк (1728–1799) в 1754 году уста­но­вил, что из­вест­ко­вый ми­не­рал мра­мор (кар­бо­нат каль­ция) при на­гре­ва­нии раз­ла­га­ет­ся с вы­де­ле­ни­ем газа и об­ра­зу­ет нега­ше­ную из­весть (оксид каль­ция):

CaCO₃CaO + CO₂

Вы­де­ля­ю­щий­ся газ можно было вновь со­еди­нить с ок­си­дом каль­ция и вновь по­лу­чить кар­бо­нат каль­ция:

CaO + CO₂CaCO₃

Этот газ был иден­ти­чен от­кры­то­му Ван Гель­мон­том «ди­ко­му газу», но Блэк дал ему новое на­зва­ние – «свя­зан­ный воз­дух» – так как этот газ можно было свя­зать и вновь по­лу­чить твер­дую суб­стан­цию – кар­бо­нат каль­ция.

Несколь­ко лет спу­стя Ка­вен­диш об­на­ру­жил еще два ха­рак­тер­ных фи­зи­че­ских свой­ства уг­ле­кис­ло­го газа – его вы­со­кую плот­ность и зна­чи­тель­ную рас­тво­ри­мость в воде.

 Нахождение в природе и биологическая роль

Со­дер­жа­ние уг­ле­кис­ло­го газа в ат­мо­сфе­ре от­но­си­тель­но неболь­шое, около 0,03% (по объ­е­му). Уг­ле­кис­лый газ, со­сре­до­то­чен­ный в ат­мо­сфе­ре, имеет массу 2200 бил­ли­о­нов тонн.

В 60 раз боль­ше уг­ле­кис­ло­го газа со­дер­жит­ся в рас­тво­рен­ном виде в морях и оке­а­нах.

В те­че­ние каж­до­го года из ат­мо­сфе­ры из­вле­ка­ет­ся при­мер­но 1/50 часть всего со­дер­жа­ще­го­ся в ней CO₂ рас­ти­тель­ным по­кро­вом зем­но­го шара в про­цес­се фо­то­син­те­за, пре­вра­ща­ю­ще­го ми­не­раль­ные ве­ще­ства в ор­га­ни­че­ские.

Ос­нов­ная масса уг­ле­кис­ло­го газа в при­ро­де об­ра­зу­ет­ся в ре­зуль­та­те раз­лич­ных про­цес­сов раз­ло­же­ния ор­га­ни­че­ских ве­ществ. Уг­ле­кис­лый газ вы­де­ля­ет­ся при ды­ха­нии рас­те­ний, жи­вот­ных, мик­ро­ор­га­низ­мов. Непре­рыв­но уве­ли­чи­ва­ет­ся ко­ли­че­ство уг­ле­кис­ло­го газа, вы­де­ля­е­мо­го раз­лич­ны­ми про­из­вод­ства­ми. Уг­ле­кис­лый газ со­дер­жит­ся в со­ста­ве вул­ка­ни­че­ских газов, вы­де­ля­ет­ся он и из земли в вул­ка­ни­че­ских мест­но­стях.

Вне зем­но­го шара оксид уг­ле­ро­да (IV) об­на­ру­жен в ат­мо­сфе­рах Марса и Ве­не­ры – пла­не­тах «зем­но­го типа».

 Получение в промышленности и лаборатории

В про­мыш­лен­но­сти уг­ле­кис­лый газ по­лу­ча­ет­ся глав­ным об­ра­зом как по­боч­ный про­дукт об­жи­га из­вест­ня­ка, спир­то­во­го бро­же­ния и др.

По­лу­че­ние в ла­бо­ра­то­рии

В хи­ми­че­ских ла­бо­ра­то­ри­ях либо поль­зу­ют­ся го­то­вы­ми бал­ло­на­ми с жид­ким уг­ле­кис­лым газом, либо по­лу­ча­ют CO₂ в ап­па­ра­тах Киппа или при­бо­ре для по­лу­че­ния газов дей­стви­ем со­ля­ной кис­ло­ты на куски мра­мо­ра:

CaCO₃ + 2HClCaCl₂ + CO₂+ H₂O

Свойства

Фи­зи­че­ские свой­ства

CO₂ – это бес­цвет­ный газ, не имеет за­па­ха, тя­же­лее воз­ду­ха в 1,5 раза. Хо­ро­шая рас­тво­ри­мость уг­ле­кис­ло­го газа в воде де­ла­ет невоз­мож­ным со­би­ра­ние его ме­то­дом «вы­тес­не­ния воды».

Хи­ми­че­ские свой­ства

Оксид уг­ле­ро­да (IV) об­ла­да­ет кис­лот­ны­ми свой­ства­ми, и при рас­тво­ре­нии этого газа в воде об­ра­зу­ет­ся уголь­ная кис­ло­та. При про­пус­ка­нии CO₂ через под­кра­шен­ную лак­му­сом воду можно на­блю­дать из­ме­не­ние цвета ин­ди­ка­то­ра с фи­о­ле­то­во­го на крас­ный.

Ка­че­ствен­ной ре­ак­ци­ей на со­дер­жа­ние уг­ле­кис­ло­го газа в воз­ду­хе яв­ля­ет­ся про­пус­ка­ние газа через раз­бав­лен­ный рас­твор гид­рок­си­да каль­ция (из­вест­ко­вую воду). Рис. 1. Уг­ле­кис­лый газ вы­зы­ва­ет об­ра­зо­ва­ние в этом рас­тво­ре нерас­тво­ри­мо­го кар­бо­на­та каль­ция, в ре­зуль­та­те чего рас­твор ста­но­вит­ся мут­ным:

CO₂ + Ca(OH)₂CaCO₃+ H₂O

Рис. 1. По­мут­не­ние из­вест­ко­вой воды при про­пус­ка­нии через нее уг­ле­кис­ло­го газа

При до­бав­ле­нии из­бы­точ­но­го ко­ли­че­ства CO₂ мут­ный рас­твор снова ста­но­вит­ся про­зрач­ным из-за пре­вра­ще­ния нерас­тво­ри­мо­го кар­бо­на­та в рас­тво­ри­мый гид­ро­кар­бо­нат каль­ция:

CaCO₃+ H₂O + CO₂Ca(HCO₃)₂

гид­ро­кар­бо­нат каль­ция

 Применение

1. Прес­со­ван­ный твер­дый уг­ле­кис­лый газ по­лу­чил на­зва­ние «су­хо­го льда».

Твер­дый CO₂ ско­рее похож на спрес­со­ван­ный плот­ный снег, по твер­до­сти на­по­ми­на­ю­щий мел. Рис. 2. Тем­пе­ра­ту­ра «су­хо­го льда» –78 ^оС. Сухой лед, в от­ли­чие от во­дя­но­го льда, плот­ный. Он тонет в воде, резко охла­ждая её. Го­ря­щий бен­зин можно быст­ро по­ту­шить, бро­сив в пламя несколь­ко ку­соч­ков су­хо­го льда.

Рис. 2. «Сухой лед»

Глав­ное при­ме­не­ние су­хо­го льда – хра­не­ние и пе­ре­воз­ка про­дук­тов пи­та­ния: рыбы, мяса, мо­ро­же­но­го и др. Цен­ность су­хо­го льда за­клю­ча­ет­ся не толь­ко в его охла­жда­ю­щем дей­ствии, но и в том, что про­дук­ты в уг­ле­кис­лом газе не плес­не­ве­ют и не гниют.

2. Сухим льдом ис­пы­ты­ва­ют в ла­бо­ра­то­ри­ях де­та­ли, при­бо­ры, ме­ха­низ­мы, ко­то­рые будут слу­жить в усло­ви­ях по­ни­жен­ных тем­пе­ра­тур. С по­мо­щью су­хо­го льда ис­пы­ты­ва­ют мо­ро­зо­устой­чи­вость ре­зи­но­вых по­кры­шек ав­то­мо­би­лей.

3. Уг­ле­кис­лый газ при­ме­ня­ют для га­зи­ро­ва­ния фрук­то­вых и ми­не­раль­ных вод, а в ме­ди­цине – для уг­ле­кис­лот­ных ванн.

4. Жид­кий уг­ле­кис­лый газ ис­поль­зу­ют в уг­ле­кис­лот­ных ог­не­ту­ши­те­лях. Он осо­бен­но эф­фек­ти­вен в тех слу­ча­ях, когда вода непри­год­на, на­при­мер, при ту­ше­нии за­го­рев­ших­ся ог­не­опас­ных жид­ко­стей или при на­ли­чии в по­ме­ще­нии не вы­клю­чен­ной элек­тро­про­вод­ки или уни­каль­но­го обо­ру­до­ва­ния, ко­то­рое от воды может по­стра­дать.