Углекислый газ и кислород реакция

Экологи продолжают борьбу с выбросами углекислого газа, генерируемого деятельностью человека, хоть спор о том, виноват ли CO2 в изменении климата, по-прежнему не решен. Например, в Исландии парниковые газы «упаковывают» под землей: там он обретает твердую форму, вступая в химическую реакцию с вулканическими базальтовыми породами. В Швейцарии создали установку, которая «поедает» углекислый газ, всасывая его из воздуха, чтобы затем выпускать его в нужном месте, к примеру, в теплицах на сельскохозяйственных предприятиях для стимулирования роста овощей.

Ученые из Нидерландов предложили использовать процесс электровосстановления CO2 для производства широкого спектра полезных продуктов буквально из воздуха. Это позволит сократить выбросы углекислого газа в разы. Руководитель исследовательской группы Мин Ма (Ming Ma) поясняет: улавливание и использование углерода принесло бы больше пользы, чем широко распространенное сегодня улавливание и хранение углерода. Последний процесс включает в себя выделение CO2 из промышленных и энергетических источников, транспортировку к месту хранения и долгосрочную изоляцию. Предполагается, что такая стратегия помогает бороться с глобальным потеплением, а также загрязнением окружающей среды.

Однако улавливание и использование углерода имеет гораздо большие перспективы. Оно подразумевает электрохимическое восстановление CO2 до различных веществ (от спиртов до топлива).

По словам ученых, диоксид углерода (CO2) можно превратить в монооксид углерода (CO, он же угарный газ), метан (CH4), этилен (C2H4) и даже жидкие продукты, такие как муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH3OH) и этанол (C2H5OH).

Углеводороды с высокой плотностью энергии можно использовать в качестве топлива, а также в качестве исходного сырья в процессе Фишера-Тропша. Это химическая реакция, которая применяется в промышленности для превращения монооксида углерода (CO) и водорода (H2) в различные жидкие углеводороды, такие как метанол или синтетическое топливо (например, дизельное).

Мин Ма и его коллеги исследовали, что происходит на наноуровне, когда в процессе электровосстановления CO2 участвуют различные металлы. В результате ученые пришли к выводу, что можно производить любой продукт на основе углерода или его комбинаций с другими веществами в любом желаемом соотношении. К примеру, при использовании смеси платины и золота можно в относительно больших количествах получать муравьиную кислоту (HCOOH), которая может найти применение в топливных элементах.

Ученые из Института катализа имени Борескова в Новосибирске также придумали способ переработки атмосферного углекислого газа в синтетическое газовое топливо.

Как сообщает издание Сибирского отделения РАН «Наука в Сибири», идея новосибирских ученых заключается в том, что углекислый газ предлагается брать непосредственно из воздуха, вместо того чтобы поглощать из дыма тепловых электростанций, работающих на углеводородном топливе.

Первый этап такого процесса — электролиз воды, в результате которого выделяются водород и кислород, причем последний возвращается назад в атмосферу. А чтобы собрать газ из воздуха, ученые разработали специальный материал — сорбент — на основе оксида алюминия, пропитанного карбонатом калия. Материал «впитывает» газ подобно губке. При нагревании материал отдает углекислый газ, который взаимодействует с водородом в присутствии катализатора, в результате чего получается метан. Получаемое таким образом топливо, по словам разработчиков, можно использовать для обогрева помещений или заправки транспортных средств.

Американские инженеры тоже предложили получать топливо из углекислого газа. Группа инженеров из MIT под руководством Сяо-Ю Ву (Xiao-Yu), Рональда Крейна (Ronald C. Crane) и Ахмеда Гониема (Ahmed Ghoniem) разработала мембранную методику переработки углекислого газа в моноксид углерода, который можно использовать как топливо и сырье для химической промышленности.

Мембрана не пропускает моноксид углерода и другие газы — только кислород. Пропуская через такую мембрану продукты реакции термического разложения углекислого газа, можно получать кислород и газовую смесь с высокой концентрацией CO. Эту смесь можно использовать как топливо саму по себе или в смеси с водородом; возможно также использование в химической промышленности для получения метана, метанола и других видов топлива. В лаборатории ученые уже опробовали некоторые из перечисленных подходов.

Процесс получения CO из CO2 остается энергозатратным, но авторы разработки предлагают устранить этот недостаток, устанавливая мембраны непосредственно на установках, в которых в больших количествах сжигается углеводородное топливо; тогда энергия, необходимая для реакции, будет поступать непосредственно от реактора. Гонием описывает возможность применения мембраны на электростанциях, которые работают на природном газе. Основной продукт его сжигания — углекислый газ, поэтому ученые предлагают делить природный газ на два потока. Газ первого потока сжигать для получения электроэнергии и направлять образовавшийся CO2 в камеру для разложения на CO и O2, а газ второго потока использовать для связывания кислорода. Такой метод может снизить выбросы углекислого газа в атмосферу.

Все вышеописанные технологии требуют доработки, и ученые ищут наиболее эффективные решения, ведь перспектива превращения углекислого газа в полезные продукты выглядит привлекательнее, чем его захоронение.

Общие химические свойства углекислого газа: CO₂ 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:

Диоксид углерода + вода ↔ угольная кислота

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

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:

Аммиак + диоксид углерода → карбамид + вода

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

Цинк + двуокись углерода → оксид цинка + оксид углерода

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

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.

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

Этилен + кислород = диоксид углерода + оксид водорода + энергия

Этан + кислород = двуокись углерода + вода + энергия

Этанол + кислород = вода + углекислота + энергия

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

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:

диоксид углерода + гидроксид натрия → гидрокарбонат натрия.

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

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:

Гидроксид кальция + двуокись углерода → карбонат кальция + оксид водорода

Диоксид углерода + вода → глюкоза + кислород.

9) Химические свойства углекислоты используются в промышленности при производстве соды, суть этого процесса можно выразить суммарным уравнением:

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:

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

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

Пероксид натрия + углекислота → карбонат натрия + кислород

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

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.

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 CO₂. 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?

Спасибо, что указали на ошибку. Исправили.

Скажите пожалуйста На производстве углекислоты мы заменили на комрессорном агрегате старый охладитель углекислого газа с трубками из нержавейки на новый, с латунными трубками. То есть в начале этих трубок охладителя Углекислый газ будет под давлением 16 бар и температурой 130 градусов, на выходе + 10 градусов, всё это с выделением конденсата. Не будет ли какой-то непредвиденной реакции в зоне взаимодействия уг. газа, латуни и воды? Охладитель работает хорошо, но не разрушаться ли трубки от коррозии?

Необходимо определиться для начала, откуда поступает к вам углекислый газ, какие еще газы поступают вместе с углекислым газом в охладитель. У нас, в энергетическом производстве, на определенном участке пароводяного тракта установлены латунные трубки, в которых происходит нагрев теплоносителя. Мы производим замеры растворенного кислорода в конденсате перед подачей его на подогреватели с трубками из латуни. В нашем случае большая концентрация кислорода в воде, при нагревании последней, приводит к коррозии латунных трубок.

Здравствуйте Вячеслав. Углекислый газ поступает с брожения пивного сусла. Углекислый газ (у.г.) сжимается компрессором и при t 130* подаётся на теплообменник (т.о.). хладоносителем t -4*. На латунных стенках т.о. образуется конденсат который отделяется от у.г. в конденсатоотводчике. Содержание кислорода в конденсате не должно быть большим, если вообще не минимальное. После установки нового т.о. конденсатоотводчик стал забиваться непонятной серой массой похожей на мокрый графит. Компрессор разбирали — проблема не в нём (думали одно из графитовых колец размолотило). Разбирать и осматривать т.о. более трудоёмкий процесс.

Формула – СО₂. Молярная масса – 44 г/моль.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ относится к классу кислотных оксидов, т.е. при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется угольная. Угольная кислота химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие, т.е. реакция взаимодействия углекислого газа с водой носит обратимый характер:

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

Как и для всех кислотных оксидов, для углекислого газа характерны реакции взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:

Углекислый газ не поддерживает горения, в нем горят только активные металлы:

CO₂ + 2Mg = C + 2MgO (t);

CO₂ + 2Ca = C + 2CaO (t).

Углекислый газ вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами, такими как водород и углерод:

CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O (t, kat = Cu₂O);

CO₂ + C = 2CO (t).

При взаимодействии углекислого газа с пероксидами активных металлов образуются карбонаты и выделяется кислород:

Качественной реакцией на углекислый газ является реакция его взаимодействия с известковой водой (молоком), т.е. с гидроксидом кальция, в которой образуется осадок белого цвета – карбонат кальция:

Физические свойства углекислого газа

Углекислый газ – газообразное вещество без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Термически устойчив. При сжатии и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое состояния. Углекислый газ в твердом агрегатном состоянии носит название «сухой лед» и легко возгоняется при комнатной температуре. Углекислый газ плохо растворим в воде, частично реагирует с ней. Плотность – 1,977 г/л.

Получение и применение углекислого газа

Выделяют промышленные и лабораторные способы получения углекислого газа. Так, в промышленности его получают обжигом известняка (1), а в лаборатории – действием сильных кислот на соли угольной кислоты (2):

CaCO₃ = CaO + CO₂ (t) (1);

Углекислый газ используется в пищевой (газирование лимонада), химической (регулировка температур при производстве синтетических волокон), металлургической (защита окружающей среды, например, осаждение бурого газа) и других отраслях промышленности.

Примеры решения задач

Задание	Какой объем углекислого газа выделится при действии 200 г 10%-го раствора азотной кислоты на 90 г карбоната кальция, содержащего 8% примесей, нерастворимых в кислоте?
Решение	Молярные массы азотной кислоты и карбоната кальция, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 63 и 100 г/моль, соответственно.

Запишем уравнение растворения известняка в азотной кислоте:

Содержание чистого (без примесей) карбоната кальция в известняке:

ω(CaCO₃)_cl = 100% — ω_admixture = 100% — 8% = 92% = 0,92.

Тогда, масса чистого карбоната кальция:

Количество вещества карбоната кальция равно:

n(CaCO₃) = 82,8 / 100 = 0,83 моль.

Масса азотной кислоты в растворе будет равна:

m(HNO₃) = 200 × 10 / 100% = 20 г.

Количество вещества азотной кислоты кальция равно:

n(HNO₃) = 20 / 63 = 0,32 моль.

Сравнивая количества веществ, вступивших в реакцию, определяем, что азотная кислота находится в недостатке, следовательно дальнейшие расчеты производим по азотной кислоте. Согласно уравнению реакции n(HNO₃): n(CO₂) = 2:1, следовательно n(CO₂) = 1/2×n(HNO₃) = 0,16 моль. Тогда, объем углекислого газа будет равен:

Ответ Объем углекислого газа — 3,58 г.

Задание	Найдите объем углекислого газа массой 35 г.
Решение	Масса вещества и его объем связаны между собой через количество вещества. Запишем формулы для вычисления количества вещества с помощью его массы и объема:

Приравняет выражения, записанные справа и выразим объем:

Вычислим по выведенной формуле объем углекислого газа. Молярная масса углекислого газа, рассчитанная с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 44 г/моль.

V (CO₂) = 35×22,4 / 44 = 17,82 л.