Диоксид углерода что это такое

УГЛЕРОДА ДИОКСИД (оксид углерода(IV), ангидрид угольной кислоты, углекислый газ) CO₂, хорошо известный пузырящийся ингредиент газированных безалкогольных напитков. Человек знал о целебных свойствах «шипучей воды» из природных источников с незапамятных времен, но только в 19 в. научился получать ее сам. Тогда же было идентифицировано вещество, делающее воду шипучей, – углекислый газ. Впервые для целей карбонизации этот газ был получен в 1887 в ходе реакции между измельченным мрамором и серной кислотой; его выделяли и из природных источников. Позже СО₂ стали получать в промышленных масштабах сжиганием кокса, прокаливанием известняка и брожением спирта. Более четверти века диоксид углерода хранили в стальных баллонах под давлением и использовали почти исключительно для газирования напитков. В 1923 как коммерческий продукт стали производить твердый СО₂ (сухой лед), а примерно в 1940 – жидкий, который разливали в специальные герметичные цистерны под высоким давлением.

Физические свойства.

При обычных температуре и давлении диоксид углерода – бесцветный, обладающий слегка кисловатым вкусом и запахом газ. Он на 50% тяжелее воздуха, поэтому его можно переливать из одной емкости в другую. СО₂ – продукт большинства процессов горения и при достаточно больших количествах может гасить пламя, вытесняя из воздуха кислород. При увеличении концентрации СО₂ в плохо проветриваемом помещении содержание кислорода в воздухе уменьшается настолько, что человек может задохнуться. СО₂ растворяется во многих жидкостях; растворимость зависит от свойств жидкости, температуры и давления паров СО₂. Способность диоксида углерода растворяться в воде и определяет его широкое использование в производстве безалкогольных напитков. СО₂ прекрасно растворяется в органических растворителях, например в спирте, ацетоне и бензоле.

При повышении давления и охлаждении диоксид углерода легко сжижается и находится в жидком состоянии при температурах от +31 до –57° С (в зависимости от давления). Ниже –57° С переходит в твердое состояние (сухой лед). Давление, необходимое для сжижения, зависит от температуры: при +21° С оно составляет 60 атм, а при –18° С всего 20 атм. Жидкий СО₂ хранят в герметичных емкостях под соответствующим давлением. При переходе в атмосферу часть его превращается в газ, а некоторое количество – в «углеродный снег», при этом его температура понижается до –84° С.

Поглощая тепло из окружающей среды, сухой лед переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу, – сублимирует. Для уменьшения сублимационных потерь его хранят и транспортируют в герметичных контейнерах, достаточно прочных, чтобы выдержать увеличение давления при повышении температуры.

Химические свойства.

СО₂ – малоактивное соединение. При растворении в воде образует слабую угольную кислоту, окрашивающую лакмусовую бумажку в красный цвет. Угольная кислота улучшает вкусовые качества газированных напитков и предотвращает рост бактерий. Реагируя со щелочными и щелочноземельными металлами, а также с аммиаком, СО₂ образует карбонаты и бикарбонаты. См. также УГЛЕРОД.

Распространенность в природе и получение.

СО₂ образуется при сжигании углеродсодержащих веществ, спиртовом брожении, гниении растительных и животных остатков; он высвобождается при дыхании животных, его выделяют растения в темноте. На свету, напротив, растения поглощают СО₂ и выделяют кислород, что поддерживает природный баланс кислорода и углекислого газа в воздухе, которым мы дышим. Содержание СО₂ в нем не превышает 0,03% (по объему).

Известно пять основных способов получения СО₂: сжигание углеродсодержащих веществ (кокса, природного газа, жидкого топлива); образование в качестве побочного продукта при синтезе аммиака; прокаливание известняка; брожение; откачка из скважин. В последних двух случаях получается практически чистый диоксид углерода, а при сжигании углеродсодержащих веществ или прокаливании известняка образуется смесь СО₂ с азотом и следами других газов. Эту смесь пропускают через раствор, поглощающий только СО₂. Затем раствор нагревают и получают практически чистый СО₂, который отделяют от оставшихся примесей. От паров воды избавляются вымораживанием и химической сушкой.

Очищенный СО₂ сжижают, охлаждая его при высоком давлении, и хранят в больших емкостях. Для получения сухого льда жидкий СО₂ подают в закрытую камеру гидравлического пресса, где понижают давление до атмосферного. При резком снижении давления из СО₂ образуются рыхлый снег и очень холодный газ. Снег прессуют и получают сухой лед. Газообразный СО₂ откачивают, сжижают и возвращают в резервуар для хранения.

ПРИМЕНЕНИЕ

Получение низких температур.

В жидком и твердом виде СО₂ применяется в основном как хладагент. Сухой лед – компактный материал, удобный в обращении и позволяющий создавать разные температурные режимы. При той же массе он превосходит обычный лед по хладоемкости более чем в два раза, занимая вдвое меньший объем. Сухой лед используется при хранении пищевых продуктов. Им охлаждают шампанское, безалкогольные напитки и мороженое. Он широко применяется при «холодном измельчении» термочувствительных материалов (мясных продуктов, смол, полимеров, красителей, инсектицидов, красок, приправ); при галтовке (очистке от заусенцев) штампованных изделий из резины и пластика; при низкотемпературных испытаниях летательных аппаратов и электронных устройств в специальных камерах; для «холодного смешивания» полуфабрикатов кексов и тортов, чтобы при выпечке они сохраняли однородность; для быстрого охлаждения контейнеров с транспортируемыми продуктами обдуванием их струей измельченного сухого льда; при закалке легированных и нержавеющих сталей, алюминия и т.д. с целью улучшения их физических свойств; для плотной посадки деталей машин при их сборке; для охлаждения резцов при обработке высокопрочных стальных заготовок.

Карбонизация.

Основное применение газообразного СО₂ – карбонизация воды и безалкогольных напитков. Вначале воду и сироп смешивают в нужных пропорциях, а затем под давлением насыщают смесь газообразным СО₂. Карбонизация пива и вин обычно происходит в результате протекающих в них химических реакций.

Применения, основанные на инертности.

СО₂ применяется как антиоксидант при долговременном хранении многих пищевых продуктов: сыра, мяса, сухого молока, орехов, растворимых чая, кофе, какао и т.д. Как вещество, подавляющее горение, СО₂ используют при хранении и транспортировке горючих материалов, например ракетного топлива, масел, бензина, красок, лаков, растворителей. Он используется как защитная среда при электросварке углеродистых сталей с целью получения однородного прочного шва, при этом сварочные работы оказываются дешевле, чем при использовании инертных газов.

СО₂ – одно из наиболее эффективных средств тушения пожаров, возникающих при воспламенении горючих жидкостей и электрических пробоях. Выпускают разные углекислотные огнетушители: от портативных емкостью не более 2 кг до стационарных установок автоматической подачи с общей емкостью баллонов до 45 кг или газовых резервуаров низкого давления емкостью до 60 т СО₂. Жидкий СО₂, находящийся в таких огнетушителях под давлением, при выпуске образует смесь из снега и холодного газа; последний обладает большей плотностью, чем воздух, и вытесняет его из зоны горения. Эффект усиливается еще и охлаждающим действием снега, который, испаряясь, переходит в газообразный СО₂.

Химические аспекты.

Диоксид углерода применяется в производстве аспирина, свинцовых белил, мочевины, перборатов, химически чистых карбонатов. Угольная кислота, образующаяся при растворении СО₂ в воде, – недорогой реагент для нейтрализации щелочей. В литейном производстве при помощи диоксида углерода отверждают песочные формы благодаря взаимодействию CO₂ с силикатом натрия, смешанным с песком. Это позволяет получать более качественные отливки. Огнеупорный кирпич, которым выложены печи для выплавки стали, стекла и алюминия, после обработки диоксидом углерода становится более прочным. СО₂ используется также в городских системах умягчения воды с помощью натронной извести.

Создание повышенного давления.

СО₂ применяют для опрессовки и проверки на течь различных емкостей, а также для калибровки манометров, клапанов, свечей зажигания. Им наполняют портативные контейнеры для накачивания спасательных поясов и надувных лодок. Смесь диоксида углерода и закиси азота долгое время применяли для создания давления в аэрозольных баллончиках. СО₂ нагнетают под давлением в герметичные емкости с эфиром (в устройствах для быстрого запуска двигателей), растворителями, красками, инсектицидами для последующего распыления этих веществ.

Применение в медицине.

В небольших количествах СО₂ добавляют к кислороду (для стимуляции дыхания) и при анестезии. В высоких концентрациях его применяют для гуманного умерщвления животных.

Диоксид углерода – химическое соединение, которое образуется при взаимодействии кислорода и углерода, данное вещество также называется углекислым газом, двуокисью углерода или угольным ангидридом.

Свойства диоксида углерода, получение

Как известно, углекислый газ содержится в атмосфере Земли, это соединение выделяется в воздух как результат процесса дыхания животных и человека. Растения поглощают двуокись углерода в процессе фотосинтеза, то есть в светлое время суток, а ночью также выделяют его. Кроме того, диоксид углерода содержится в минералах, и определенное его количество должно непременно присутствовать в клетках организма человека и животных, так как он, к примеру, поддерживает и регулирует тонус сосудов.

По своим физическим свойствам диоксид углерода представляет собой бесцветный газ, не наделенный запахом, но имеющий слегка кисловатый вкус. При сильном охлаждении он способен кристаллизоваться, превращаясь в так называемый «сухой лед», которому человечество нашло немало способов применения.

Химические свойства диоксида углерода следующие:

• он прекрасно растворяется в воде, образуя при этом угольную кислоту;
• при взаимодействии со щелочами углекислый газ образует карбонаты и гидрокарбонаты;
• вступает в реакции нуклеофильного присоединения и электрофильного замещения;
• не поддерживает горения, в нем могут гореть лишь некоторые активные металлы (например, магний).

В природе углекислый газ существует как результат окислительных реакций в живых организмах и в минералах. В промышленных масштабах диоксид углерода получают одним из нескольких способов:

• Углекислый газ синтезируется как побочный продукт химических процессов (например, при разложении природных карбонов) или производства алкогольных напитков;
• Диоксид углерода получают с помощью абсорбирования дымовых газов карбонатом калия или моноэтаноламином;
• Существуют специальные установки по разделению воздуха в качестве побочного продукта во время производства кислорода, азота и аргона;
• Небольшое количество диоксида углерода можно получить в лабораторных условиях как результат взаимодействия карбонатов или гидрокарбонатов с кислотами;
• Для получения углекислого газа для приготовления напитков зачастую используется реакция соды и лимонной кислоты – именно так появились первые газированные напитки, первенство приготовления которых принадлежит аптекарям.

Как применяется диоксид углерода

К настоящему времени диоксид углерода активно используется во многих сферах и отраслях промышленности:

• Пищевая индустрия применяет углекислый газ в качестве консерванта или разрыхлителя, маркируемого как Е290. Эту добавку можно встретить в хлебобулочной продукции, безалкогольных и алкогольных напитках – именно благодаря угольному ангидриду существуют газировки и лимонады, пиво и шампанское. Кроме того, диоксид углерода используют в качестве защитного газа во время транспортировки и хранения некоторых пищевых продуктов;
• В системах пожаротушения и огнетушителях содержится жидкая углекислота;
• В процессе сварки проволокой в роли защитной среды выступает углекислый газ, правда, высокие температуры провоцируют диссоциацию соединения с выделением кислорода;
• Пневматическое оружие снабжается баллончиками с углекислотой, а авиамоделирование в качестве источника энергии для двигателей также применяет именно диоксид углерода;
• «Сухой лед» – кристаллическое состояние углекислого газа – используется для заморозки и хранения пищевых продуктов питания, в медицине для избавления от дефектов кожи (например, бородавок) и излишней пигментации, в качестве хладагента в лабораторных условиях и розничной торговле.

Как влияет диоксид углерода на организм человека

Как пищевая добавка углекислый газ признан «условно безопасным» и разрешен к использованию практически во всех странах мира, в том числе и в России. Тем не менее, по утверждению специалистов, чрезмерное употребление, например в составе газированных напитков, диоксида углерода, вред которого заключается в способности увеличивать всасываемость кишечника, может привести к следующим неприятным последствиям:

• быстрое опьянение в результате употребления газированных алкогольных напитков;
• вздутие живота и отрыжка;
• существуют данные, что сильногазированные напитки способны вымывать кальций из костей.

Медики настоятельно рекомендуют отказаться от употребления газированных напитков людям, страдающим заболеваниями желудочно-кишечного тракта.

Несмотря на то, что углекислый газ нетоксичен, повышение его концентрации во вдыхаемом воздухе может быть опасным. При незначительном увеличении уровня углекислого газа человек ощущает слабость и сонливость, если же наблюдаются такие симптомы как удушье, головокружение, расстройства слуха или даже потеря сознания – концентрация двуокиси углерода в воздухе чрезмерна. Вред диоксида углерода в этом случае будет заключаться в гиперкапнии (состоянии, когда концентрация углекислого газа в крови резко возрастает), что может привести даже к смерти от удушья.

В сварочном производстве используется термин «углекислый газ» см. ГОСТ 2601. В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» принят термин «углекислота», а в ГОСТ 8050 — термин «двуокись углерода».

Существует множество способов получения углекислого газа, основные из которых рассмотрены в статье Способы получения углекислого газа.

Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре -78,5°С углекислый газ, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед».

Под давлением 528 кПа и при температуре -56,6°С углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).

Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и кислород только при температуре выше 2000°С.

Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество. В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».

Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black).

Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO₃) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух». Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.

Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO₂ через водный раствор извести Ca(OH)₂ на дно осаждается карбонат кальция CaCO₃. Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных.

Жидкая двуокись углерода бесцветная жидкость без запаха, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Она существует при комнатной температуре лишь при давлении более 5,85 МПа. Плотность жидкой углекислоты 0,771 г/см 3 (20°С). При температуре ниже +11°С она тяжелее воды, а выше +11°С — легче.

Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой, поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8-22,9°С не более 0,05%.

Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты. При нормальных условиях (20°С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа. При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении «тройной точки» она превращается в сухой лед, который забивает отверстие в понижающем редукторе, и дальнейший отбор газа прекращается. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения жидкой двуокиси углерода — поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.

Впервые жидкую двуокись углерода получили в 1823 г. Гемфри Дэви (Humphry Davy) и Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Твердая двуокись углерода «сухой лед», по внешнему виду напоминает снег и лед. Содержание углекислого газа, получаемого из брикета сухого льда, высокое — 99,93-99,99%. Содержание влаги в пределах 0,06-0,13%. Сухой лед, находясь на открытом воздухе, интенсивно испаряется, поэтому для его хранения и транспортировки используют контейнеры. Получение углекислого газа из сухого льда производится в специальных испарителях. Твердая двуокись углерода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162.

Двуокись углерода чаще всего применяют:

• для создания защитной среды при сварке металлов;
• в производстве газированных напитков;
• охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
• для систем пожаротушения;
• для чистки поверхностей сухим льдом.

Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование металла шва при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Углекислый газ является активным газом, в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие.

Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлись поры в швах. Поры вызывались кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделения оксиси углерода (СО) вследствие недостаточной его раскисленности.

При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:

Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным кислородом нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (сварка порошковой проволокой).

Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный кислород окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:

где Мэ — металл (марганец, алюминий или др.).

Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами.

В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное — кремния, марганца, хрома, ванадия и др.

Особенно энергично окисление примесей происходит при полуавтоматической сварке. Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке неплавящимся электродом — только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом.

Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом.

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м 3 ) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как она тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м 3 (0,5%).

Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050. Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.

Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по ГОСТ 949 или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы. В стандартный баллон с водяной емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты, которая при нормальном давлении занимает 67,5% объема баллона и дает при испарении 12,5 м 3 углекислого газа. В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.

Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10. 15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке качество шва.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги

Баллон с двуокисью углерода окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА».