Может ли углекислый газ. Формула углекислого газа структурная химическая. Получение двуокиси углерода

Рано или поздно перед каждым серьезным аквариумистом встает вопрос о снабжении аквариума СО2. И неспроста. Зачем он нужен аквариумным растениям?

Итак, СО2 - что это такое? Все мы знаем, что питаются в первую очередь углекислым газом, растворенным в воде. Это и есть СО2. В природе растения получают его из водоема, в котором растут. Поскольку объем воды в природных водоемах очень велик, его концентрация в них обычно постоянна. А вот про аквариумы этого сказать нельзя.

Растения быстро используют весь газ СО2 из аквариумной воды, а само по себе восстановление его концентрации не произойдет, потому что аквариум является замкнутой системой. Даже содержащиеся в нем рыбки не смогут восполнить недостаток СО2, так как они выдыхают настолько мизерную его долю, что ее никогда не хватит для растений. А в итоге аквариумные растения перестают расти.

Кроме того, что растения перестают расти из-за недостатка СО2, вода, в которой его содержание низкое, имеет повышенную жесткость (рН), что губительно для них. Даже неопытные аквариумисты наверняка замечали, что после добавления растений водопроводная вода становится более жесткой, чем была в пустом аквариуме. Это объясняется тем, что способствует появлению в воде угольной кислоты, а она понижает жесткость. То есть важно понимать: чем меньше СО2 в воде, тем выше ее рН.

Как помочь

Для решения вопроса снабжения растений СО2 есть несколько путей. Можно установить специальный баллон и соответствующую аппаратуру, а можно и пойти другим путем и попробовать сделать все необходимое своими руками. Многим такой способ нравится больше. И понятно почему - ведь намного интересней и приятней решить проблему самостоятельно, не прибегая к помощи покупного оборудования.

Единственное, на что стоит обратить полученный результат. Не зная, как все работает в аквариуме, не стоит лезть туда и что-то менять и переделывать, чтобы потом не расстраиваться. Здесь важно не участие, а понимание того, что вы делаете.

В наше время все больше аквариумистов занимается разведением водных растений и самостоятельно решает проблемы с недостатком углекислоты в воде. В какой-то степени такие масштабы вполне могут свести на нет все результаты борьбы с вредными выбросами предприятий и автомобилей, потому что самодельные аквариумные девайсы стали необходимыми и весьма модными, а их объемы порой довольно велики. Конечно, это образное сравнение, но доля правды в этих опасениях есть.

Итак, газ СО2 - что это такое? Как же разобраться с углекислым газом в нашем аквариуме и как производить его недорого и в достаточных количествах? А ведь вполне реально самим сделать такую систему и перезаправлять ее 5-7 раз в год.

Что нужно аквариумным растениям?

Еще раз вспомним о том, что представляет собой СО2 и для чего он необходим растениям в аквариуме. СО2 для аквариума - это нужный растениям источник углерода, как пища для человека. Растения потребляют его на свету, однако в темноте им не меньше нужен кислород. Это первая проблема, с которой сталкиваются начинающие аквариумисты.

Если об этом забывать, то по ночам в аквариуме начнутся заморы. Даже если очевидной гибели флоры и не будет, то растения просто перестанут нормально расти, а это сделает бессмысленными все наши старания.

Другими словами, в аквариуме постоянно должна быть диффузия (аэрация). И кислорода должно хватать и на темную половину суток. Обычно его много в начале дня, но растения, как и дышащие им рыбы, его «выбирают» довольно быстро. В такой ситуации СО2 не только не сможет помочь, но и запросто усугубит проблему.

Не менее часто встречается другое. Новички в аквариумном деле, видя, как их, казалось бы, неприхотливая валлиснерия или несложная в уходе риччия с гигрофилой совершенно отказываются расти, начинают мудрить с CO2 и экспериментировать в надежде на улучшение. А дело вовсе не в недостаточном количестве углекислоты или света. Эти простые в содержании растения прекрасно живут и при меньшем освещении и в менее насыщенной углекислотой воде. Оказывается, что просто-напросто либо растения были куплены «на грани смерти», либо грунт слишком бедный или вода новая, еще не устоявшаяся.

Что важней - свет, удобрения или СО2?

К успеху, проста: СО2 для аквариума, питательные вещества и свет. И относиться к ней нужно не фиктивно, а со всем уважением, потому, что все ее составляющие одинаково важны для жизни растений. Если «разогнать» систему в сторону одной из них, без учета двух остальных, то довольно быстро и неизбежно вы столкнетесь с проявлением закона Либиха вместо того, чтобы любоваться сильной и здоровой флорой в своем искусственном водоеме. Это так называемый эффект качелей. Причем, чем сильней разогнана система, тем большее вмешательство потребуется, а тем временем растения «устают и тоскуют».

В результате вместо бодрой зелени в аквариуме постепенно все тускнеет, а затем и вовсе часть посадок гибнет. Либо вода начнет заполняться водорослями, если наш «бульон» растения не смогут «переварить».

Факторы, влияющие на состав воды в аквариуме

Интересно, что часто, думая о СО2, кислороде, свете и питательных веществах, совершенно забывают о температуре. А она является главным регулятором аквариумного фотосинтеза. Не свет и не СО2, как может показаться. Об этом хорошо осведомлены ботаники, но «аквариумные исследователи» об этом факте забывают довольно часто.

Регуляторная роль таких волн, как инфракрасные, отражает именно эту функцию. Возможно, так происходит из-за того, что в применяемых для аквариумов технологиях изготовления источников света вспоминать о температуре невыгодно. Поэтому делают вид, что она не важна.

Без чего может обойтись любой аквариум?

Аквариум вполне может обойтись без модных и гламурных излишеств. И не только может, но и благополучно обходится. Главное, сбалансировать в системе знания и полученные путем исследований причинно-следственные связи. Если система уже в равновесии, то ее больше не нужно трогать! И не стоит пробовать починить то, что и так исправно работает.

И тем не менее, если аквариумная емкость слишком густо засажена растениями, то даже при хорошем освещении им может на хватать СО2. Особенно это актуально для слабощелочной жесткой воды. Если совмещены и виды, которые могут усваивать только не занятый углекислый газ (это все виды мхов, многие травы, которые растут только в кислой и мягкой воде, лобелии), и эвриионные и стеноионные виды, которые способны извлекать углерод из карбонатов (а это валлиснерия, элодея, эхинодорусы и др.), то концентрация СО2 будет особенно низка.

Вылечить это совсем не сложно, так как достаточно просто заселить в аквариум больше рыбок. В тех аквариумах, в которых с экологией все нормально, и при плотном заселении живностью растения не испытывают недостатка углекислоты даже при довольно мощном свете. Но в любом случае дополнительная доза СО2 будет не лишней и для такого водоема.

Мы подробно рассмотрели роль СО2. Что это такое, теперь тоже наверняка понятно. Осталось научиться его производить дома.

Бражный метод снабжения аквариума углекислотой

Для обогащения аквариума углекислотой проще всего использовать обыкновенную брагу. Однако она нестабильно бродит. Вначале получится переизбыток газа, который будет улетучиваться, создавать парниковый эффект или создаст лишнюю концентрацию СО2 в воде. Затем скорость его производства резко снизится.

Недостатки метода с применением браги

Их всего два:

Необходимость слишком частых перезарядок (1,5-3 недели).
Сложность осуществления контроля работы системы в течение суток.

Однако это не означает, что вам недоступна подача СО2 в аквариум, так как эти недостатки легко решаются при использовании системы с баллоном. Правда, она имеет довольно высокую цену, да и помимо покупки, ее еще необходимо квалифицированно настроить.

Рассмотрим один из рецептов использования такой бражки. Ее достоинство в том, что брожение проходит очень ровно и долго (3-4 месяца). Конечно, ничего нового в науке нет, больше газа не выйдет из такого же количества вещества, но зато аквариум получает необходимый объем СО2 равномерно и медленно. Тем же, кому нужно большое количество углекислоты, этот рецепт ни в коем случае не подойдет, им однозначно требуется баллон СО2. В принципе, никакая брага не подойдет для стабильных высоких концентраций. Но она вполне удовлетворительно справляется с задачей снабжения углекислотой среднестатистического аквариума с плотным "населением", питательным грунтом и хорошей освещенностью, если в его жесткой воде соседствуют эвриионные и стеноионные виды.

Как сделать систему производства СО2 для аквариума своими руками

Используем полиэтиленовую емкость объемом 1,5 и 2 литра. В каждом конкретном случае размеры емкостей могут меняться, в зависимости от объема аквариума и количества необходимой углекислоты.

1. Насыпаем в емкости составляющие: 5-6 столовых ложек (с горкой) сахара, одну ложку соды и 2-3 ложки крахмала (тоже с горкой).

2. Наливаем 1,5-2 кружки воды, как видно на фото.

3. Отправляем все на водяную баню.

Важно: в кастрюле должно быть воды почти по уровень жидкости в бутылках, иначе состав на дне не станет густым, а сверху останется жидким.

4. Варим до консистенции густого киселя, то есть до готовности. Нужно получить очень густую смесь. Если опрокинуть бутылку, то она почти не должна стекать.

4. Остужаем полученные смеси.

Пока бутылки остывают, занимаемся изготовлением герметичных и надежных крышек с аккуратными креплениями для трубок. Ведь СО2 - газ, а значит, и герметизация должны быть очень тщательной. Удобно использовать штуцеры для системы тормозов ВАЗ (примерно 12 руб./пара в магазинах автозапчастей). Нам понадобятся два таких штуцера, прокладки и шайбы на 8 (около 40 руб./пара комплектов в ОБИ), а также пара гаек на 8.

Ножом и разогретым гвоздем нужно проделать отверстие, затем загнать в него резьбой вниз штуцер (резьбой внутрь бутылки). Наверху через шайбу, а внизу по схеме: прокладка/шайба/гайка.

Использовать для герметизации различные клеи нет смысла, поскольку они не дадут требуемой защиты. А вот изготовленная по описанной схеме крышка надежно удержит трубку, при этом вся система подачи СО2 получится довольно стойкой к манипуляциям и перезарядкам.

После того как бутылки остынут, нужно добавить в наш кисель по чайной ложке дрожжей (можно сухих), перед этим тщательно перемешав их в воде. Например, в стакане или рюмке.

Подготовленные таким образом бутылки ставим на места, аккуратно подключаем и не прикасаемся к ним 3-4 месяца. Углекислота выделяется равномерно и медленно, а если использовать слабопроточные реакторы типа «колокол», то весь процесс будет легко контролироваться визуально. Когда уровень в бутылках опустится ниже середины, их пора перезаряжать.

Перезарядка осуществляется просто. Перебродившая смесь снова превращается в жидкость и выливается, на ее место закладывается новая, а вы снова получаете СО2 для аквариума. Своими руками сделанное приспособление на основе пластиковых бутылок с легкостью переживет много таких перезарядок без потери своих качеств. Газ при этом подается круглосуточно.

Виды реакторов для аквариумов

«Колокол» - это выполненный по принципу перевернутого стакана любой реактор. Другими видами реакторов не рекомендуется растворять брагу, поскольку процесс выделения углекислоты станет неуправляемым, а плотность СО2 - неравномерной.
Самый простой реактор подобного типа - это разовый шприц , прикрепленный к стенке аквариума на присоске. Довольно эстетично смотрятся и переделанные поилки для птиц, к тому же они недороги. Вариантов много: от пластикового стакана, перевернутого вверх дном, до сложных конструкций.

Эффективность любого реактора напрямую зависит от «контактного пятна» - размера площади соприкосновения воды с газом. Лаффарт советует на каждые 100 литров воды (жесткостью 10 гр.) делать площадь растворения 30 кв. см. Это не так много - всего-то 5х6 см.

Итак, существует дилемма - изготавливать большой реактор, либо маленький, в котором процесс растворения будет проходить намного лучше, чем в большом.

Такой эффект можно получить, если направить часть воды по тонкой трубке от фильтра под "флейту" для получения "фонтана" внутри реактора. Если организовать такую проточность, например, в реакторе из шприца (20 куб.), то растворение улучшится в несколько раз, а концентрация СО2 будет равномерной. А это равносильно применению реактора типа «колокол», который имеет более громоздкие размеры.

Баллонный метод обогащения СО2

Для больших аквариумов оптимальным методом обогащения воды углекислотой является метод баллонной установки. Такая система состоит из баллона и системы для контроля, то есть редуктора, клапана, фитингов, катушки с разъемами, пневмодросселя и блока питания. Несложно собрать подобную установку самостоятельно, но проще купить уже готовую в магазине, правда, обойдется она в несколько раз дороже.

Достоинства и недостатки баллонного метода

Преимущества:

Стабильность выработки СО2.
Большое количество вырабатываемого газа.
Экономичность.
Если подключить рН-контроллер и газоанализатор СО2, то можно полностью автоматизировать процесс.

Недостатки:

Высокая цена.
Сложность самостоятельной сборки.
Требуется баллон высокого давления.

В заключение

Возвращаясь к выбору генератора СО2, следует упомянуть и о другом типе - химическом. В отличие от генератора, работающего на браге, химический использует реакции кислоты с карбонатами. Как и способ с брагой, такие пригодны для небольших аквариумов - размером до 100 литров. Кроме всего упомянутого в этой статье, есть возможность приобрести в магазине газоанализатор СО2 и с его помощью постоянно контролировать состояние воды в своем искусственном водоеме.

Общие химические свойства углекислого газа: CO 2 инертен, то есть химически не активен; при попадании в водный раствор легко вступает в реакции.
Большинство кислотных оксидов устойчивы к высоким температурам, но углекислота при их воздействии восстанавливается.

Взаимодействие с другими веществами:

1) Углекислота относится к кислотным оксидам, то есть в сочетании с водой образуется кислота. Однако угольная кислота неустойчива и распадается сразу. Эта реакция имеет обратимый характер:

СО 2 + H 2 O ↔ CO 2 × H 2 O (растворение) ↔ Н 2 СО 3

Диоксид углерода + вода ↔ угольная кислота

2) При взаимодействии углекислого газа и соединений азота с водородом (аммиаком) в водном растворе происходит разложение до углеаммонийной соли.

2NH 3 + CO 2 + H 2 O = NH 4 HCO 3

Аммиак + углекислота = гидрокарбонат аммония

Полученное вещество часто используется в приготовлении хлеба и различных кондитерских изделий.

3) Ход некоторых реакций должен поддерживаться высокими температурами. Примером является производство мочевины при 130 °C и давлении 200 атм., схематически изображаемое так:

2NH 3 + СО 2 → (NH 2) 2 СО + H 2 O

Аммиак + диоксид углерода → карбамид + вода

Также под воздействием температуры около 800 градусов протекает реакция образования оксида цинка:

Zn + CO 2 → ZnO + CO

Цинк + двуокись углерода → оксид цинка + оксид углерода

4) Возможно уравнение с гидроксидом бария, при котором выделяется средняя соль.

Ba(OH) 2 +CO 2 = BaCO 3 + H 2 O

Гидроксид бария + углекислота = карбонат бария + оксид водорода.

Применяется для регулировки калориметров по теплоемкости. Также вещество используют в промышленности для производства красных кирпичей, синтетических тканей, фейерверков, гончарных изделий, плитки для ванн и туалетов.

5) Углекислый газ выделяется при реакциях горения.

Горение метана.

CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + 891кДж

Горение газа на плите

Метан + кислород = углекислота + вода (в газообразном состоянии) + энергия

Горение этилена

C 2 H 4 + 3O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O + Q

Этилен + кислород = диоксид углерода + оксид водорода + энергия

Горение этана

2С 2 Н 6 + 7О 2 → 4CO 2 + 6H 2 O + Q

Этан + кислород = двуокись углерода + вода + энергия

Горение этанола

C 2 H 5 OH + 3O 2 = 3H 2 O + 2CO 2 + Q

Этанол + кислород = вода + углекислота + энергия

6) Газ не поддерживает горения, этот процесс возможен только с некоторыми активными металлами, например, магнием.

2Mg + CO 2 = C + 2MgO

Магний + углекислота = углерод + оксид магния.

MgO активно применяется при производстве косметических средств. Вещество используют в пищевой промышленности как пищевую добавку.

7) Двуокись углерода реагирует с гидроксидами с получением солей, которые существуют в двух формах, как карбонаты и бикарбонаты. Например, углекислый газ и гидроксид натрия, согласно формуле, образуют гидрокарбонат Na:

CO 2 + NaOH → NaHCO 3

диоксид углерода + гидроксид натрия → гидрокарбонат натрия.

Или же при большем количестве NaOH образуется карбонат Na с образованием воды:

CO 2 + 2 NaOH → Na 2 CO 3 + H 2 O

Диоксид углерода + гидроксид натрия → карбонат натрия + вода

Кислотно-щелочные реакции углекислоты используются на протяжении веков для затвердевания известкового раствора, что может быть выражено простым уравнением:

Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O

Гидроксид кальция + двуокись углерода → карбонат кальция + оксид водорода

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Образование глюкозы

Диоксид углерода + вода → глюкоза + кислород.

9) при производстве соды, суть этого процесса можно выразить суммарным уравнением:

NaCl + CO 2 + NH 3 + H 2 O → NaHCO 3 + NH 4 Cl

Хлорид натрия + Диоксид углерода + аммиак + вода → гидрокарбонат натрия + хлорид аммония

10) Фенолят Na разлагается при взаимодействии с углекислым газом, при этом малорастворимый фенол выпадает в осадок:

C6H 5 ONa + CO 2 + H 2 O = C 6 H 5 OH + NaHCO 3

Фенолят натрия + двуокись углерода + оксид водорода = фенол + гидрокарбонат натрия

11) Пероксид натрия и углекислый газ, взаимодействуя, образуют среднюю соль карбоната Na с выделением кислорода.

2Na 2 O 2 + 2CO 2 → 2N 2 CO 3 + O 2

Пероксид натрия + углекислота → карбонат натрия + кислород

Колба с пероксидом натрия

Образование углекислоты происходит при растворении в воде кальцинированной соды (стиральной соды).

NaHCO 3 + H 2 O → CO 2 + H 2 O + NaOH

Гидрокарбонат натрия + вода → углекислота + вода + гидроксид натрия
При этой реакции (гидролиз по катиону) образуется сильнощелочная среда.

12) CO2 вступает в реакцию с гидроксидом калия, последний образуется путем электролиза хлористого калия.

2KOH + CO 2 → K 2 CO 3 + H 2 O

Гидроксид калия + углекислота → карбонат калия + вода

13) Газ в силу своего строения не реагирует с благородными газами, то есть гелием, неоном, аргоном, криптоном, ксеноном, радоном, оганесоном.

Заключение

Мы привели большую часть химических реакций, в которых участвует CO 2 . Ученые всего мира пытаются решить проблему увеличения концентрации углекислоты в воздухе, не без помощи реакций с другими веществами, которые известны химикам. А какие химические формулы взаимодействия углекислого газа знаете вы?

Вещество с химическое формулой СО2 и молекулярной массой 44,011 г/моль, которое может существовать в четырёх фазовых состояниях - газообразном, жидком, твёрдом и сверхкритическом.

Газообразное состояние СО2 носит общеупотребительное название «углекислый газ». При атмосферном давлении это бесцветный газ без цвета и запаха, при температуре +20 ?С плотностью 1,839 кг/м? (в 1,52 раза тяжелее воздуха), хорошо растворяется в воде (0,88 объёма в 1 объёме воды), частично взаимодействуя в ней с образованием угольной кислоты. Входит в состав атмосферы в среднем 0,035% по объёму. При резком охлаждении за счёт расширения (детандирование) СО2 способен десублимироваться - переходить сразу в твёрдое состояние, минуя жидкую фазу.

Газообразный диоксид углерода ранее нередко хранили в стационарных газгольдерах. В настоящее время такой способ хранения не применяется; углекислый газ в необходимом количестве получают непосредственно на месте - путём испарения жидкой углекислоты в газификаторе. Далее газ можно легко перекачать по любому газопроводу под давлением 2-6 атмосфер.

Жидкое состояние СО2 носит техническое название «жидкая углекислота » или просто «углекислота». Это бесцветная жидкость без запаха, средней плотностью 771 кг/м3, которая существует только под давлением 3 482…519 кПа при температуре 0…-56,5 град.С («низкотемпературная углекислота»), либо под давлением 3 482…7 383 кПа при температуре 0…+31,0 град.С («углекислота высокого давления»). Углекислоту высокого давления получают чаще всего путём сжатия углекислого газа до давления конденсации, при одновременном охлаждении водой. Низкотемпературную углекислоту, являющейся основной формой диоксида углерода для промышленного потребления, чаще всего получают по циклу высокого давления путём трехступенчатого охлаждения и дросселирования в специальных установках.

При небольшом и среднем потреблении углекислоты (высокого давления),т для её хранения и транспортировки используют разнообразные стальные баллоны (от баллончиков для бытовых сифонов до ёмкостей вместимостью 55 л). Самым распространенным является 40 л баллон с рабочим давление 15 000 кПа, вмещающим 24 кг углекислоты. За стальными баллонами не требуется дополнительный уход, углекислота сохраняется без потерь в течение длительного времени. Баллоны с углекислотой высокого давления окрашивают в чёрный цвет.

При значительном потреблении, для хранения и транспортировки низкотемпературной жидкой углекислоты используют изотермические цистерны самой разнообразной вместимости, оснащённые служебными холодильными установками. Существуют накопительные (стационарные) вертикальные и горизонтальные цистерны вместимостью от 3 до 250 т, транспортируемые цистерны вместимостью от 3 до 18 т. Цистерны вертикального исполнения требуют строительства фундамента и используются преимущественно в условиях ограниченного пространства для размещения. Применение горизонтальных цистерн позволяет снизить затраты на фундаменты, особенно при наличии общей рамы с углекислотной станцией. Цистерны состоят из внутреннего сварного сосуда, изготовленного из низкотемпературной стали и имеющего пенополиуретановую или вакуумную теплоизоляцию; наружного кожуха из пластика, оцинкованной или нержавеющей стали; трубопроводов, арматуры и приборов контроля. Внутренняя и наружная поверхности сварного сосуда подвергаются специальной обработке, благодаря чему снижена до вероятность поверхностной коррозии металла. В дорогих импортных моделях наружный герметичный кожух выполнен из алюминия. Использование цистерн обеспечивает заправку и слив жидкой углекислоты; хранение и транспортировку без потерь продукта; визуальный контроль массы и рабочего давления при заправке, в процессе хранения и выдачи. Все типы цистерн оснащены многоуровневой системой безопасности. Предохранительные клапаны позволяют производить проверку и ремонт без остановки и опорожнения цистерны.

При мгновенном снижении давления до атмосферного, происходящем при впрыске в специальную расширительную камеру (дросселировании), жидкий диоксид углерода мгновенно превращается в газ и тончайшую снегообразную массу, которую прессуют и получают диоксид углерода в твёрдом состоянии, который носит общеупотребительное название «сухой лёд». При атмосферном давлении это белая стекловидная масса плотностью 1 562 кг/м?, с температурой -78,5 ?С, которая на открытом воздухе сублимируется - постепенно испаряется, минуя жидкое состояние. Сухой лёд может быть также получен непосредственно на установках высокого давления, применяемых для получения низкотемпературной углекислоты, из газовых смесей, содержащих СО2 в количестве не менее 75-80%. Объёмная холодопроизводительность сухого льда почти в 3 раза больше, чем у водяного льда, и составляет 573,6 кДж/кг.

Твёрдый диоксид углерода обычно выпускают в брикетах размером 200?100?20-70 мм, в гранулах диаметром 3, 6, 10, 12 и 16 мм, редко в виде тончайшего порошка («сухой снег»). Брикеты, гранулы и снег хранят не более 1-2 суток в стационарных заглублённых хранилищах шахтного типа, разбитых на небольшие отсеки; перевозят в специальных изотермических контейнерах с предохранительным клапаном. Используются контейнеры разных производителей вместимостью от 40 до 300 кг и более. Потери на сублимацию составляют, в зависимости от температуры окружающего воздуха 4-6% и более в сутки.

При давлении свыше 7,39 кПа и температуре более 31,6 град.С диоксид углерода находится в так называемом сверхкритическом состоянии, при котором его плотность как у жидкости, а вязкость и поверхностное натяжение как у газа. Эта необычная физическая субстанция (флюид) является отличным неполярным растворителем. Сверхкритический CO2 способен полностью или выборочно экстрагировать любые неполярные составляющие с молекулярной массой менее 2 000 дальтон: терпеновые соединения, воски, пигменты, высокомолекулярные насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, алкалоиды, жирорастворимые витамины и фитостерины. Нерастворимыми веществами для сверхкритического CO2 являются целлюлоза, крахмал, органические и неорганические полимеры с высоким молекулярным весом, сахара, гликозидные вещества, протеины, металлы и соли многих металлов. Обладая подобными свойствами, сверхкритический диоксид углерода всё шире применяется в процессах экстракции, фракционирования и импрегнации органических и неорганических веществ. Он является также перспективным рабочим телом для современных тепловых машин.

Удельный вес . Удельный вес углекислоты зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится.
Критическая температура углекислоты +31 град. Удельный вес углекислого газа при 0 град и давлении 760 мм рт.ст. равен 1, 9769 кг/м3.
Молекулярный вес углекислого газа 44,0. Относительный вес углекислого газа по сравнению с воздухом составляет 1,529.
Жидкая углекислота при температурах выше 0 град. значительно легче воды, и ее можно хранить только под давлением.
Удельный вес твердой углекислоты зависит от метода ее получения. Жидкая углекислота при замораживании превращается в сухой лед, представляющий прозрачное, стеклообразное твердое тело. В этом случае твердая углекислота имеет наибольшую плотность (при нормальном давлении в сосуде, охлаждаемом до минус 79 град., плотность равна 1,56). Промышленная твердая углекислота имеет белый цвет, по твердости близка к мелу,
ее удельный вес колеблется в зависимости от способа получения в пределах 1,3 - 1,6.

Уравнение состояния. Связь между объемом, температурой и давлением углекислого газа выражается уравнением
V= R T/p - A, где
V - объем, м3/кг;
R - газовая постоянная 848/44 = 19,273;
Т - температура, К град.;
р давление, кг/м2;
А - дополнительный член, характеризующий отклонение от уравнения состояния для идеального газа. Он выражается зависимостью А =(0, 0825 + (1,225)10-7 р)/(Т/100)10/3.

Тройная точка углекислоты. Тройная точка характеризуется давлением 5,28 ата (кг/см2) и температурой минус 56,6 град.
Углекислота может находиться во всех трех состояниях (твердом, жидком и газообразном) только в тройной точке. При давлениях ниже 5,28 ата (кг/см2) (или при температуре ниже минус 56,6 град.) углекислота может находиться только в твердом и газообразном состояниях.
В парожидкостной области, т.е. выше тройной точки, справедливы следующие соотношения
i" x + i"" у = i,
x + у = 1, где,
x и у - доля вещества в жидком и парообразном виде;
i" - энтальпия жидкости;
i"" - энтальпия пара;
i - энтальпия смеси.
По этим величинам легко определить величины x и у. Соответственно для области ниже тройной точки будут действительны следующие уравнения:
i"" у + i"" z = i,
у + z = 1, где,
i"" - энтальпия твердой углекислоты;
z - доля вещества в твердом состоянии.
В тройной точке для трех фаз имеются также только два уравнения
i" x + i"" у + i""" z = i,
x + у + z = 1.
Зная значения i," i"," i""" для тройной точки и используя приведенные уравнения можно определить энтальпию смеси для любой точки.

Теплоемкость. Теплоемкость углекислого газа при температуре 20 град. и 1 ата составляет
Ср = 0,202 и Сv = 0,156 ккал/кг*град. Показатель адиабаты k =1,30.
Теплоемкость жидкой углекислоты в диапазоне температур от -50 до +20 град. характеризуется следующими значениями, ккал/кг*град. :
Град.С -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20
Ср, 0,47 0,49 0,515 0,514 0,517 0,6 0,64 0,68

Точка плавления. Плавление твердой углекислоты происходит при температурах и давлениях, соответствующих тройной точке (t = -56,6 град. и р = 5,28 ата) или находящихся выше ее.
Ниже тройной точки твердая углекислота сублимирует. Температура сублимации является функцией давления: при нормальном давлении она равна -78,5 град., в вакууме она может быть -100 град. и ниже.

Энтальпия. Энтальпию пара углекислоты в широком диапазоне температур и давлений определяют по уравнению Планка и Куприянова.
i = 169,34 + (0,1955 + 0,000115t)t - 8,3724 p(1 + 0,007424p)/0,01T(10/3), где
I - ккал/кг, р - кг/см2, Т - град.К, t - град.С.
Энтальпию жидкой углекислоты в любой точке можно легко определить путем вычитания из энтальпии насыщенного пара величины скрытой теплоты парообразования. Точно так же, вычитая скрытую теплоту сублимации, можно определить энтальпию твердой углекислоты.

Теплопроводность . Теплопроводность углекислого газа при 0 град. составляет 0,012 ккал/м*час*град.С, а при температуре -78 град. она понижается до 0,008 ккал/м*час*град.С.
Данные о теплопроводности углекислоты в 10 4 ст. ккал/м*час*град.С при плюсовых температурах приведены в таблице.
Давление, кг/см2 10 град. 20 град. 30 град. 40 град.
Газообразная углекислота
1 130 136 142 148
20 - 147 152 157
40 - 173 174 175
60 - - 228 213
80 - - - 325
Жидкая углекислота
50 848 - - -
60 870 753 - -
70 888 776 - -
80 906 795 670
Теплопроводность твердой углекислоты может быть вычислена по формуле:
236,5/Т1,216 ст., ккал/м*час*град.С.

Коэффициент теплового расширения. Объемный коэффициент расширения а твердой углекислоты рассчитывают в зависимости от изменения удельного веса и температуры. Линейный коэффициент расширения определяют по выражению b = a/3. В диапазоне температур от -56 до -80 град. коэффициенты имеют следующие значения: а *10*5ст. = 185,5-117,0, b* 10* 5 cт. = 61,8-39,0.

Вязкость. Вязкость углекислоты 10 *6ст. в зависимости от давления и температуры (кг*сек/м2)
Давление, ата -15 град. 0 град. 20 град. 40 град.
5 1,38 1,42 1,49 1,60
30 12,04 1,63 1,61 1,72
75 13,13 12,01 8,32 2,30

Диэлектрическая постоянная. Диэлектрическая постоянная жидкой углекислоты при 50 - 125 ати, находится в пределах 1,6016 - 1,6425.
Диэлектрическая постоянная углекислого газа при 15 град. и давлении 9,4 - 39 ати 1,009 - 1,060.

Влагосодержание углекислого газа. Содержание водяных паров во влажном углекислом газе определяют с помощью уравнения,
Х = 18/44 * p’/p - p’ = 0,41 p’/p - p’ кг/кг, где
p’ - парциальное давление водяных паров при 100%-м насыщении;
р - общее давление паро-газовой смеси.

Растворимость углекислоты в воде. Растворимость газов измеряется объемами газа, приведенными к нормальным условиям (0 град, С и 760 мм рт. ст.) на объем растворителя.
Растворимость углекислоты в воде при умеренных температурах и давлениях до 4 - 5 ати подчиняется закону Генри, который выражается уравнением
Р = Н Х, где
Р - парциальное давление газа над жидкостью;
Х - количество газа в молях;
Н - коэффициент Генри.

Жидкая углекислота как растворитель. Растворимость смазочного масла в жидкой углекислоте при температуре -20град. до +25 град. составляет 0,388 г в100 СО2,
и увеличивается до 0,718 г в 100 г СО2 при температуре +25 град. С.
Растворимость воды в жидкой углекислоте в диапазоне температур от -5,8 до +22,9 град. составляет не более 0,05% по весу.

Техника безопасности

По степени воздействия на организм человека газообразный диоксид углерода относится к 4-му классу опасности по ГОСТу 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности». Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны не установлена, при оценке этой концентрации следует ориентироваться на нормативы для угольных и озокеритовых шахт, установленные в пределах 0,5%.

При применении сухого льда, при использовании сосудов с жидкой низкотемпературной углекислотой должно обеспечиваться соблюдение мер безопасности, предупреждающих обморожение рук и других участков тела работника.

Оксид углерода CO(II) или монооксид углерода - бесцветный газ, не имеющий запаха, плохо растворимый в воде.

Оксид углерода CO(II) рядовому обывателю более известен, как угарный газ , который стал причиной трагических смертей десятков тысяч людей.

В молекуле оксида углерода (II) атомы кислорода и углерода соединены тройной связью.

Электронные конфигурации:

кислорода - 1s 2 2s 2 2p 4
углерода - 1s 2 2s 2 2p 2

У обоих элементов имеется по два неспаренных электрона на внешнем энергетическом уровне, которые и образуют две ковалентные связи (обозначены зеленым цветом). Третья связь образуется по донорно-акцепторному принципу - атом углерода (акцептор) предоставляет свою свободную орбиталь (желтая ячейка), на которой размещается электронная пара кислорода (донор) (красный цвет).

В молекуле угарного газа атом углерода принимает валентность 3, но степень окисления +2. По этой причине, для оксида углерода CO(II) характерны реакции присоединения, в которых он играет роль восстановителя:

на воздухе оксид углерода CO(II) горит, образуя углекислый газ:
2C +2 O+O 2 0 = 2C +4 O 2 +Q
восстановительные свойства угарного газа нашли широкое применение в металлургических процессах получения металлов из их оксидов (руд):
CO+FeO = CO 2 +Fe
CO+CuO = CO 2 +Cu
в присутствии угля, который выполняет роль катализатора, на свету угарный газ взаимодействует с хлором с образованием отравляющего вещества фосген :
CO+Cl 2 = COCl 2

Поскольку монооксид углерода не образует солей, при н.у. угарный газ не взаимодействует с кислотами и щелочами.

В промышленных целях угарный газ получают взаимодействием углекислого газа с раскаленным углем:
CO 2 +C = 2CO

В лабораторных условиях CO получают действием концентрированной серной кислоты на муравьиную кислоту при высокой температуре:
HCOOH → CO + H 2 O

Угарный газ также образуется в процессе неполного сгорания топлива:
CH 4 +1½O 2 = CO+2H 2 O

Именно такие случаи приводят зачастую к непоправимым трагедиям, - люди "угорают", чаще всего в домах с печным отоплением, когда в целях сохранения тепла на ночь закрывается заслонка, препятствующая выходу продуктов горения в вытяжную трубу, но при этом дрова или уголь еще полностью не перегорели. В результате чего, образующийся угарный газ накапливается в помещении, и люди, вдыхая его во сне, умирают.

Второй, самый распространенный случай гибели людей от угарного газа - вдыхание выхлопных газов автомобиля с двигателем внутреннего сгорания в закрытом, плохо проветриваемом помещении. Сколько таких случаев было, когда водители грелись и погибали в закрытых гаражах.

Почему умирают от вдыхания угарного газа

Все дело в гемоглобине, который содержится в красных кровяных тельцах - эритроцитах. Гемоглобин - это белок, который транспортирует кислород от легких к тканям человека. Коварность угарного газа заключается в том, что CO легко преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, после чего растворяется в плазме крови, и начинает "цепляться" к эритроцитам, вытесняя из гемоглобина кислород с образованием карбоксигемоглобина - в молекуле гемоглобина молекулы угарного газа соединяются с атомами железа, после чего кислород остается "не при делах". Данная реакция происходит по причине того, что монооксид углерода в 250(!) раз более активно вступает в реакцию с гемоглобином, нежели кислород. Таким образом, поступление кислорода к тканям организма нарушается, и в течение короткого времени наступает смерть человека, который задыхается "изнутри".

Концентрация угарного газа 1,2% в воздухе является смертельной - достаточно всего нескольких вдохов, чтобы человек потерял сознание, смерть наступает в течение 2-3 минут.

Оксид углерода CO 2 (IV) - углекислый газ

Молекула углекислого газа имеет линейное строение (углерод имеет валентность 4, и степень окисления +4):

Атомы углерода и кислорода связаны ковалентными полярными связями, но сама молекула неполярна.

Углекислый газ (диоксид углерода) также, как и угарный газ, не имеет цвета, запаха, плохо растворим в воде, но, растворяется лучше, чем CO. При низких температурах углекислота переходит в жидкое, а затем в твердое состояние (сухой лед).

Углекислый газ реагирует со следующими веществами:

при растворении в воде образует угольную кислоту :
CO 2 +H 2 O = H 2 CO 3
с основными оксидами и основаниями CO 2 взаимодействует, как кислотный оксид, образуя соли, которые называются карбонатами:
Na 2 O+CO 2 = Na 2 CO 3
при высоких температурах углекислый газ проявляется свойства окислителя - активные металлы могут гореть в среде углекислого газа, отнимая у него кислород:
CO 2 +C = 2CO
CO 2 +2Mg = 2MgO+C

Получение и применение углекислого газа

в промышленности - обжигом известняка:
CaCO 3 = CaO+CO 2
в лаборатории - действием кислоты на соли угольной кислоты:
Na 2 CO 3 +2HCl = 2NaCl+H 2 O+CO 2
в природе углекислый газ выделяется при гниении и горении органических веществ:
C+O 2 = CO 2

Углекислый газ нашел широкое применение в пищевой промышленности, в качестве основного компонента газированных напитков. Сухой лед применяется в качестве охладителя. Углекислотные огнетушители применяются при тушении похара, если температура горения не превышает 1000°C.

В таблице представлены теплофизические свойства углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры и давления. Свойства в таблице указаны при температуре от 273 до 1273 К и давлении от 1 до 100 атм.

Рассмотрим такое важное свойство углекислого газа, как .
Плотность углекислого газа равна 1,913 кг/м 3 при нормальных условиях (при н.у.). По данным таблицы видно, что плотность углекислого газа существенно зависит от температуры и давления — при росте давления плотность CO 2 значительно увеличивается, а при повышении температуры газа — снижается. Так, при нагревании на 1000 градусов плотность углекислого газа уменьшается в 4,7 раза.

Однако, при увеличении давления углекислого газа, его плотность начинает расти, причем значительно сильнее, чем снижается при нагреве. Например при давлении и температуре 0°С плотность углекислого газа вырастает уже до значения 20,46 кг/м 3 .

Необходимо отметить, что рост давления газа приводит к пропорциональному увеличению значения его плотности, то есть при 10 атм. удельный вес углекислого газа в 10 раз больше, чем при нормальном атмосферном давлении.

В таблице приведены следующие теплофизические свойства углекислого газа:

плотность углекислого газа в кг/м 3 ;
удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
, Вт/(м·град);
динамическая вязкость, Па·с;
температуропроводность, м 2 /с;
кинематическая вязкость, м 2 /с;
число Прандтля.

Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!

Теплофизические свойства углекислого газа CO 2 при атмосферном давлении

В таблице даны теплофизические свойства углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры (в интервале от -75 до 1500°С) при атмосферном давлении. Даны следующие теплофизические свойства углекислого газа:

, Па·с;
коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
число Прандтля.

По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность и динамическая вязкость углекислого газа также увеличиваются. Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!

Теплопроводность углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры и давления

теплопроводности углекислого газа CO 2 в интервале температуры от 220 до 1400 К и при давлении от 1 до 600 атм. Данные выше черты в таблице относятся к жидкому CO 2 .

Следует отметить, что теплопроводность сжиженного углекислого газа при увеличении его температуры снижается , а при увеличении давления — растет. Углекислый газ (в газовый фазе) становится более теплопроводным, как при увеличении температуры, так и при росте его давления.

Теплопроводность в таблице дана в размерности Вт/(м·град). Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

Теплопроводность углекислого газа CO 2 в критической области

В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO 2 в критической области в интервале температуры от 30 до 50°С и при давлении .
Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000! Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Теплопроводность диссоциированного углекислого газа CO 2 при высоких температурах

В таблице представлены значения теплопроводности диссоциированного углекислого газа CO 2 в интервале температуры от 1600 до 4000 К и при давлении от 0,01 до 100 атм. Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

В таблице представлены значения теплопроводности жидкого углекислого газа CO 2 на линии насыщения в зависимости от температуры.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).