Углекислый газ, свойства, получение и применение

Углекислый газ объем, масса и сгорание углекислого газа

Углекислый газ, или диоксид углерода, или CO2 — одно из самых распространенных на Земле газообразных веществ. Он окружает нас в течение всей нашей жизни. Углекислый газ не имеет цвета, вкуса и запаха и никак не ощущается человеком.

Он является важным участником обмена веществ живых организмов. Газ сам по себе не ядовит, но не поддерживает дыхание, поэтому превышение его концентрации ведет к ухудшению снабжения тканей организма кислородом и к удушью. Углекислый газ широко применяется в быту и в промышленности.

Что такое диоксид углерода

При атмосферном давлении и комнатной температуре диоксид углерода находится в газообразном состоянии. Это наиболее часто встречающаяся его форма, в ней он участвует в процессах дыхания, фотосинтеза и обмена веществ живых организмов.

При охлаждении до -78 °С он, минуя жидкую фазу, кристаллизуется и образует так называемый «сухой лед», широко применяемый как безопасный хладагент в пищевой и химической промышленности и в уличной торговле и рефрижераторных перевозках.

При особых условиях — давлении в десятки атмосфер — углекислота переходит в жидкое агрегатное состояние. Это происходит на морском дне, на глубине свыше 600 м.

Свойства углекислого газа

В 17 веке Жан-Батист Ван Гельмонт из Фландрии открыл углекислый газ и определил его формулу. Подробное исследование и описание было сделано столетие спустя шотландцем Джозефом Блэком. Он исследовал свойства углекислого газа и провел серию опытов, в которых доказал, что он выделяется при дыхании животных.

В состав молекулы вещества входит один атом углерода и два атома кислорода. Химическая формула углекислого газа записывается как CO2

В нормальных условиях не обладает вкусом, цветом и запахом. Только вдыхая большое его количество, человек ощущает кислый привкус. Его дает угольная кислота, образующаяся в малых дозах при растворении углекислого газа в слюне. Эта особенность применяется для приготовления газированных напитков. Пузырьки в шампанском, просекко, пиве и лимонаде — это и есть углекислый газ, образовавшийся в результате естественных процессов брожения или добавленный в напиток искусственно.

Физические свойства углекислого газа

Плотность углекислого газа больше плотности воздуха, поэтому при отсутствии вентиляции он скапливается внизу. Он не поддерживает окислительные процессы, такие, как дыхание и горение.

Поэтому углекислоту применяют в огнетушителях. Это свойство углекислого газа иллюстрируют с помощью фокуса — горящую свечу опускают в «пустой» стакан, где она и гаснет. В действительности стакан заполнен CO2.

Углекислый газ в природе естественные источники

К таким источникам относятся окислительные процессы разной интенсивности:

  • Дыхание живых организмов. Из школьного курса химии и ботаники все помнят, что в ходе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Но не все помнят, что это происходит только днем, при достаточном уровне освещения. В темное время суток растения наоборот, поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Так что попытка улучшить качество воздуха в комнате, превращая ее в заросли фикусов и герани может сыграть злую шутку.
  • Извержения и другая вулканическая активность. CO2 выбрасывается из глубин мантии Земли вместе с вулканическими газами. В долинах рядом с источниками извержений газа настолько много, что, скапливаясь в низинах, он вызывает удушье животных и даже людей. Известны несколько случаев в Африке, когда задыхались целые деревни.
  • Горение и гниение органики. Горение и гниение — это одна и та же реакция окисления, но протекающая с разной скоростью. Богатые углеродом разлагающиеся органические остатки растений и животных, лесные пожары и тлеющие торфяники — все это источники диоксида углерода.
  • Самым же большим природным хранилищем CO2 являются воды мирового океана, в которых он растворен.

Углекислый газ в природе

За миллионы лет эволюции основанной на углеродных соединениях жизни на Земле в различных источниках накопились многие миллиарды тонн углекислого газа. Его одномоментный выброс в атмосферу приведет к гибели всего живого на планете из-за невозможности дыхания. Хорошо, что вероятность такого одномоментного выброса стремится к нулю.

Искусственные источники углекислого газа

Углекислый газ попадает в атмосферу и в результате человеческой жизнедеятельности. Самыми активными источниками в наше время считаются:

  • Индустриальные выбросы, происходящие в ходе сгорания топлива на электростанциях и в технологических установках
  • Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания транспортных средств: автомобилей, поездов, самолетов и судов.
  • Сельскохозяйственные отходы — гниение навоза в больших животноводческих комплексах

Кроме прямых выбросов, существует и косвенное воздействие человека на содержание CO2 в атмосфере. Это массовая вырубка лесов в тропической и субтропической зоне, прежде всего в бассейне Амазонки.

Искусственный источник углекислого газа

Несмотря на то, что в атмосфере Земли содержится менее процента диоксида углерода, он оказывает все возрастающее действие на климат и природные явления. Углекислый газ участвует в создании так называемого парникового эффекта путем поглощения теплового излучения планеты и удерживания этого тепла в атмосфере. Это ведет к постепенному, но весьма угрожающему повышению среднегодовой температуры планеты, таянию горных ледников и полярных ледяных шапок, росту уровня мирового океана, затоплению прибрежных регионов и ухудшению климата в далеких от моря странах.

Знаменательно, что на фоне общего потепления на планете происходит значительное перераспределение воздушных масс и морских течений, и в отдельных регионах среднегодовая температура не повышается, а понижается. Это дает козыри в руки критикам теории глобального потепления, обвиняющим ее сторонников в подтасовке фактов и манипуляции общественным мнением в угоду определенным политическим центрам влияния и финансово-экономическим интересам

Читайте также:  Как сделать крупорушку своими руками в домашних условиях

Человечество пытается взять под контроль содержание углекислого газа в воздухе, были подписаны Киотский и Парижский протоколы, накладывающие на национальные экономики определенные обязательства. Кроме того, многие ведущие автопроизводители автомобилей объявили о сворачивании к 2020-25 годам выпуска моделей с двигателями внутреннего сгорания и переходе на гибриды и электромобили. Однако некоторые ведущие экономики мира, такие, как Китай и США, не торопятся выполнять старые и брать на себя новые обязательства, мотивируя это угрозой уровню жизни в своих странах.

Углекислый газ и мы: чем опасен CO2

Углекислый газ — один из продуктов обмена веществ в организме человека. Он играет большую роль в управлении дыханием и снабжением кровью органов. Рост содержания CO2 в крови вызывает расширение сосудов, способных таким образом транспортировать больше кислорода к тканям и органам. Аналогично и система дыхания понуждается к большей активности, если концентрация углекислоты в организме растет. Это свойство используют в аппаратах искусственной вентиляции легких, чтобы подстегнуть собственные органы дыхания пациента к большей активности.

Кроме упомянутой пользы, превышение концентрации СO2 может принести организму и вред. Повышенное содержание во вдыхаемом воздухе приводит к тошноте, головной боли, удушью и даже к потере сознания. Организм протестует против углекислого газа и подает человеку сигналы. При дальнейшем увеличении концентрации развивается кислородное голодание, или гипоксия. Co2 мешает кислороду присоединяться к молекулам гемоглобина, которые и осуществляют перемещение связанных газов по кровеносной системе. Кислородное голодание ведет к снижению работоспособности, ослаблению реакции и способностей к анализу ситуации и принятию решений, апатии и может привести к смерти.

Общие симптомы отравления углекислым газом

Такие концентрации углекислого газа, к сожалению, достижимы не только в тесных шахтах, но и в плохо проветриваемых школьных классах, концертных залах, офисных помещениях и транспортных средствах — везде, где в замкнутом пространстве без достаточного воздухообмена с окружающей средой скапливается большое количество людей.

Основное применение

CO2 широко применяется в промышленности и в быту – в огнетушителях и для изготовления газировки, для охлаждения продуктов и для создания инертной среды при сварке.

Основное применение углекислого газа

Применение углекислого газа отмечено в таких отраслях, как:

  • для чистки поверхностей сухим льдом.

Фармацевтика

  • для химического синтеза компонентов лекарственных средств;
  • создания инертной атмосферы;
  • нормализация индекса pH отходов производства.

Углекислый газ в фармацевтике

Пищевая отрасль

  • производство газированных напитков;
  • упаковка продуктов питания в инертной атмосфере для продления срока годности;
  • декаффеинизация кофейных зерен;
  • замораживание или охлаждение продуктов.

Углекислый газ в пищевой отрасли

Медицина, анализы и экология

  • Создание защитной атмосферы при полостных операциях.
  • Включение в дыхательные смеси в качестве стимулятора дыхания.
  • В хроматографических анализах.
  • Поддержание уровня pH в жидких отходах производства.

Углекислый газ и экология

Электроника

  • Охлаждение электронных компонентов и устройств при тестировании на температурную стойкость.
  • Абразивная очистка в микроэлектронике (в твердой фазе).
  • Очищающее средство в производстве кремниевых кристаллов.

Химическая отрасль

Широко применяется в химическом синтезе в качестве реагента и в качестве регулятора температур в реакторе. CO2 отлично подходит для обеззараживания жидких отходов с низким индексом pH.

Использование углекислого газа

Применяется также для осушения полимерных веществ, растительных или животных фиброматериалов, в целлюлозном производстве для нормализации уровня pH как компонентов основного процесса, так и его отходов.

Металлургическая отрасль

В металлургии CO2 в основном служит делу экологии, защиты природы от вредных выбросов путем их нейтрализации:

Применение углекислого газа в металлургии

  • В черной металлургии — для нейтрализации плавильных газов и для донного перемешивания расплава.
  • В цветной металлургии при производстве свинца, меди, никеля и цинка — для нейтрализации газов при транспортировке ковша с расплавом или горячих слитков.
  • В качестве восстановительного агента при организации оборота кислотных шахтных вод.

Сварка в углекислой среде

Процесс сварки с применением углекислого газа

Разновидность сварки под флюсом является сварка в углекислой среде. Операции сварочных работ с углекислым газом осуществляется плавящимся электродом и распространен в процессе монтажных работ, устранении дефектов и исправления деталей с тонкими стенками.

Теплопроводность, плотность углекислого газа, свойства CO2

Плотность и другие свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления

В таблице представлены теплофизические свойства углекислого газа CO2 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.
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 CO2 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 10 атм. и температуре 0°С плотность углекислого газа вырастает уже до значения 20,46 кг/м 3 .

Читайте также:  Работа водителем самосвала вакансии вахтой

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);
  • теплопроводность, 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 CO2 при атмосферном давлении

В таблице даны теплофизические свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры (в интервале от -75 до 1500°С) при атмосферном давлении. Даны следующие теплофизические свойства углекислого газа:

  • динамическая вязкость, 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 CO2 в зависимости от температуры и давления

В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO2 в интервале температуры от 220 до 1400 К и при давлении от 1 до 600 атм. Данные выше черты в таблице относятся к жидкому CO2.

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 CO2 в критической области

В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO2 в критической области в интервале температуры от 30 до 50°С и при давлении от 62 до 80 атм.
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 CO2 при высоких температурах

В таблице представлены значения теплопроводности диссоциированного углекислого газа CO2 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!
Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Теплопроводность жидкого углекислого газа CO2

В таблице представлены значения теплопроводности жидкого углекислого газа CO2 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).

Что такое CO2

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 приточной вентиляции. 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.
Читайте также:  Почему стучат гидрокомпенсаторы и зачем они нужны двигателю

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.

Углекислый газ в организме человека

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 гипоксии – 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 исследований, 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 снижается работоспособность, 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 эксперимент в школе 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 окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector