Co2 это кислота

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.

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.

Читайте также:  Две кошечки мультфильм

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.

Плотность при нормальных условиях 1,98 г/л. При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

Углекислый газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи и лучи видимой части спектра, которые поступают на Землю от Солнца и обогревают её. В то же время он поглощает испускаемые Землёй инфракрасные лучи и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Читайте также:  Как нарисовать кошку на лице ребенка фото

Химические

По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным оксидам. При растворении в воде образует угольную кислоту. Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов. Вступает в реакции электрофильного замещения (например, с фенолом — реакция Кольбе) и нуклеофильного присоединения (например, с магнийорганическими соединениями).

Биологические

Диоксид углерода играет одну из главных ролей в живой природе, участвуя во многих процессах метаболизма живой клетки. Диоксид углерода получается в результате множества окислительных реакций у животных, и выделяется в атмосферу с дыханием. Углекислый газ атмосферы — основной источник углерода для растений. Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения — только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, а без освещения они тоже его выделяют.

Диоксид углерода не токсичен, но не поддерживает дыхание. Большая концентрация в воздухе вызывает удушье (см. Гиперкапния). Недостаток углекислого газа тоже опасен (см. Гипокапния)

Углекислый газ в организмах животных имеет и физиологическое значение, например, участвует в регуляции сосудистого тонуса (см. Артериолы).

Получение

В промышленности получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании разлагается, высвобождая углекислоту. При промышленном производстве закачивается в баллоны.

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора с соляной кислотой.

Применение

В пищевой промышленности диоксид углерода используется как консервант и обозначается на упаковке под кодом Е290, а также в качестве разрыхлителя теста.

Жидкая углекислота (жидкая пищевая углекислота) — сжиженный углекислый газ, хранящийся под высоким давлением (

65-70 Атм). Бесцветная жидкость. При выпуске жидкой углекислоты из баллона в атмосферу часть её испаряется, а другая часть образует хлопья сухого льда.

Баллоны с жидкой углекислотой широко применяются в качестве огнетушителей и для производства газированной воды и лимонада. Углекислый газ используется в качестве активной среды при сварке проволокой так как при температуре дуги углекислота разлагается на угарный газ СО и кислород который в свою очередь и входит в заимодействие с жидким металом окисляя его. Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

Твёрдая углекислота — сухой лёд — используется в качестве хладагента в ледниках и морозильных установках.

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях — анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO2 в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта.

Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем. Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф.

Угольная кислота

Систематическое название Угольная кислота
Химическая формула H2CO3
Внешний вид бесцветный раствор
Свойства
Молярная масса 62,03 г/моль
Температура плавления ?
Температура кипения ?
Температура возгонки ?
Температура разложения ?
Температура стеклования ?
Плотность 1,668 г/см³
Константа диссоциации pKa реальные: 1) 3,60;
2) 10,33
кажущаяся [1] : 6,37
Растворимость в воде 0,21 [1] г/100 мл
Термодинамические свойства
Стандартная энтальпия образования −700 кДж/моль
Стандартная молярная энтропия +187 Дж/(К·моль)
Стандартная энергия образования Гиббса −623 кДж/моль
Классификация
Регистрационный номер CAS 463-79-6
Код SMILES C(=O)(O)O
Безопасность
NFPA 704
Где это не указано, данные приведены при стандартных условиях (25 °C, 100 кПа).

У́гольная кислота́ — слабая двухосновная кислота с химической формулой H2CO3, образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде [1] , в том числе и углекислого газа из воздуха. В водных растворах неустойчива. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли (карбонаты и гидрокарбонаты), сложные эфиры, амиды и др.

Содержание

Физические свойства [ править | править код ]

Угольная кислота существует в водных растворах в равновесии с диоксидом углерода, причём равновесие сильно сдвинуто в сторону разложения кислоты.

Молекула угольной кислоты имеет плоское строение. Центральный углеродный атом имеет sp²-гибридизацию. В гидрокарбонат- и карбонат-анионах происходит делокализация π-связи. Длина связи C—O в карбонат-ионе составляет 130 пм.

Безводная угольная кислота представляет собой бесцветные кристаллы, устойчивые при низких температурах, сублимирующиеся при температуре –30 °C, а при дальнейшем нагревании полностью разлагающиеся. Поведение чистой угольной кислоты в газовой фазе исследовано в 2011 г. австрийскими химиками [2] .

Читайте также:  Круглосуточная ветеринарная клиника иркутск

Химические свойства [ править | править код ]

Равновесие в водных растворах и кислотность [ править | править код ]

Угольная кислота существует в водных растворах в состоянии равновесия с гидратом диоксида углерода:

C O 2 ⋅ H 2 O ( p ) ⇄ H 2 C O 3 ( p ) <displaystyle <mathsf <2>cdot H_<2>O_<(p)>
ightleftarrows H_<2>CO_<3(p)>>>> , константа равновесия при 25 °C K p = [ H 2 C O 3 ] [ C O 2 ⋅ H 2 O ] = 1 , 70 ⋅ 10 − 3 <displaystyle K_

=<frac <mathsf <[H_<2>CO_<3>]>><mathsf <[CO_<2>cdot H_<2>O]>>>=1,70cdot 10^<-3>>

Скорость прямой реакции 0,039 с −1 , обратной — 23 с −1 .

В свою очередь растворённый гидрат диоксида углерода находится в равновесии с газообразным диоксидом углерода:

C O 2 ⋅ H 2 O ( p ) ⇄ C O 2 ↑ + H 2 O <displaystyle <mathsf <2>cdot H_<2>O_<(p)>
ightleftarrows CO_<2>uparrow + H_<2>O>>>

Данное равновесие при повышении температуры сдвигается вправо, а при повышении давления — влево (подробнее см. Абсорбция газов).

Угольная кислота подвергается обратимому гидролизу, создавая при этом кислую среду:

H 2 C O 3 + H 2 O ⇄ H C O 3 − + H 3 O + <displaystyle <mathsf <2>CO_<3>+ H_<2>O
ightleftarrows HCO_<3>^<->+ H_<3>O^<+>>>> , константа кислотности при 25 °C K a 1 = [ H C O 3 − ] ⋅ [ H 3 O + ] [ H 2 C O 3 ] = 2 , 5 ⋅ 10 − 4 <displaystyle K_=<frac <mathsf <[HCO_<3>^<->]cdot [H_<3>O^<+>]>><mathsf <[H_<2>CO_<3>]>>>=2,5cdot 10^<-4>>

Однако, для практических расчётов чаще используют кажущуюся константу кислотности, учитывающую равновесие угольной кислоты с гидратом диоксида углерода:

K a ′ = [ H C O 3 − ] ⋅ [ H 3 O + ] [ C O 2 ⋅ H 2 O ] = 4 , 27 ⋅ 10 − 7 <displaystyle K_’=<frac <mathsf <[HCO_<3>^<->]cdot [H_<3>O^<+>]>><mathsf <[CO_<2>cdot H_<2>O]>>>=4,27cdot 10^<-7>>

Гидрокарбонат-ион подвергается дальнейшему гидролизу по реакции

H C O 3 − + H 2 O ⇄ C O 3 2 − + H 3 O + <displaystyle <mathsf <3>^<->+ H_<2>O
ightleftarrows CO_<3>^<2->+ H_<3>O^<+>>>> , константа кислотности при 25 °C K a 2 = [ C O 3 2 − ] ⋅ [ H 3 O + ] [ H C O 3 − ] = 4 , 68 ⋅ 10 − 11 <displaystyle K_=<frac <mathsf <[CO_<3>^<2->]cdot [H_<3>O^<+>]>><mathsf <[HCO_<3>^<->]>>>=4,68cdot 10^<-11>>

Таким образом, в растворах, содержащих угольную кислоту, создается сложная равновесная система, которую можно изобразить в общем виде следующим образом:

C O 2 ⇄ H 2 O C O 2 ⋅ H 2 O ⇄ H 2 C O 3 ⇄ − H + H C O 3 − ⇄ − H + C O 3 2 − ( ∗ ) <displaystyle <mathsf <2><stackrel <2>O><
ightleftarrows >>CO_<2>cdot H_<2>O
ightleftarrows H_<2>CO_<3><stackrel <-H^<+>><
ightleftarrows >>HCO_<3>^<-><stackrel <-H^<+>><
ightleftarrows >>CO_<3>^<2->(*)>>>

Значение водородного показателя pH в такой системе, соответствующего насыщенному раствору диоксида углерода в воде при 25 °C и давлении 760 мм рт. ст., можно рассчитать по формуле:

p H ≈ − 1 2 lg ⁡ ( K a ′ ⋅ L ) = 3 , 9 <displaystyle <mathsf >approx -<frac <1><2>>lg(K_’cdot L)=3,9> , где L = 0,034 моль/л — растворимость CO2 в воде при указанных условиях.

Разложение [ править | править код ]

При повышении температуры раствора и/или понижении парциального давления диоксида углерода равновесие смещается в сторону разложения угольной кислоты на воду и диоксид углерода. При кипении раствора угольная кислота разлагается полностью:

H 2 C O 3 ⟶ H 2 O + C O 2 ↑ <displaystyle <mathsf <2>CO_<3>longrightarrow H_<2>O+CO_<2>uparrow >>>

Взаимодействие с основаниями и солями [ править | править код ]

Угольная кислота вступает в реакции нейтрализации с растворами оснований, образуя средние и кислые соли — карбонаты и гидрокарбонаты соответственно:

H 2 C O 3 + 2 N a O H <displaystyle <mathsf <2>CO_<3>+2NaOH>>> (конц.) ⟶ N a 2 C O 3 + 2 H 2 O <displaystyle <mathsf <longrightarrow Na_<2>CO_<3>+2H_<2>O>>> H 2 C O 3 + N a O H <displaystyle <mathsf <2>CO_<3>+NaOH>>> (разб.) ⟶ N a H C O 3 + H 2 O <displaystyle <mathsf <longrightarrow NaHCO_<3>+H_<2>O>>> H 2 C O 3 + C a ( O H ) 2 ⟶ C a C O 3 ↓ + 2 H 2 O <displaystyle <mathsf <2>CO_<3>+ Ca(OH)_<2>longrightarrow CaCO_<3>downarrow + 2H_<2>O>>> H 2 C O 3 + N H 3 ⋅ H 2 O ⟶ N H 4 H C O 3 + H 2 O <displaystyle <mathsf <2>CO_<3>+ NH_<3>cdot H_<2>Olongrightarrow NH_<4>HCO_<3>+H_<2>O>>>

При взаимодействии угольной кислоты с карбонатами образуются гидрокарбонаты:

H 2 C O 3 + N a 2 C O 3 ⟶ 2 N a H C O 3 <displaystyle <mathsf <2>CO_<3>+Na_<2>CO_<3>longrightarrow 2NaHCO_<3>>>> H 2 C O 3 + C a C O 3 ⟶ C a ( H C O 3 ) 2 <displaystyle <mathsf <2>CO_<3>+ CaCO_<3>longrightarrow Ca(HCO_<3>)_<2>>>>

Получение [ править | править код ]

Угольная кислота образуется при растворении в воде диоксида углерода:

C O 2 + H 2 O ⇄ C O 2 ⋅ H 2 O ⇄ H 2 C O 3 <displaystyle <mathsf <2>+H_<2>O
ightleftarrows CO_<2>cdot H_<2>O
ightleftarrows H_<2>CO_<3>>>>

Содержание угольной кислоты в растворе увеличивается при понижении температуры раствора и увеличении давления углекислого газа.

Также угольная кислота образуется при взаимодействии её солей (карбонатов и гидрокарбонатов) с более сильной кислотой. При этом бо́льшая часть образовавшейся угольной кислоты, как правило, разлагается на воду и диоксид углерода:

N a 2 C O 3 + 2 H C l ⟶ 2 N a C l + H 2 C O 3 <displaystyle <mathsf <2>CO_<3>+2HCllongrightarrow 2NaCl+H_<2>CO_<3>>>> H 2 C O 3 → H 2 O + C O 2 ↑ <displaystyle <mathsf <2>CO_<3>
ightarrow H_<2>O+CO_<2>uparrow >>>

Применение [ править | править код ]

Угольная кислота всегда присутствует в водных растворах углекислого газа (см. Газированная вода).

В биохимии используется свойство равновесной системы изменять давление газа пропорционально изменению содержания ионов оксония (кислотности) при постоянной температуре. Это позволяет регистрировать в реальном времени ход ферментативных реакций, протекающих с изменением pH раствора. Также применяется для производства хладагента, солнечных генераторов и морозильников.

Органические производные [ править | править код ]

Угольную кислоту формально можно рассматривать как карбоновую кислоту с гидроксильной группой вместо углеводородного остатка. В этом качестве она может образовывать все производные, характерные для карбоновых кислот [3] .

Некоторые представители подобных соединений перечислены в таблице.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *