Для чего нужна двуокись углерода
Двуокись углерода
Газообразный
Жидкий
Двуокись углерода (диоксид углерода, СО2) во всех своих состояниях широко используется практически во всех отраслях промышленности и агропромышленного комплекса.
На долю СО2 приходится 10 % всего рынка технических газов, что ставит этот продукт в один ряд с основными продуктами разделения воздуха.
Оксид углерода (углекислый газ, диоксид углерода, двуокись углерода, угольный ангидрид, углекислота) — CO2, бесцветный газ, без запаха, со слегка кисловатымвкусом.
Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,038 %
Физические
Плотность при нормальных условиях 1,97 кг/м³. При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно изтвёрдого 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.
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 длярастений. 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 или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В пищевых целях используется газ, образующийся при спиртовом брожении. После предварительной обработки газ закачивается в баллоны.
Так же углекислый газ получают на установках разделения воздуха, как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона.
В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора, мела или соды с соляной кислотой. Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты.
Для приготовления напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.
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 защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его диссоциация с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.
Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.
Твёрдая углекислота — сухой лёд — используется в ледниках. Жидкая углекислота используется в качестве хладагента и рабочего тела в теплоэнергетических установках (в холодильниках, морозильниках, солнечных электрогенераторах и т. д.).
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.
Углекислый газ в атмосфере
Изменения концентрации атмосферной углекислоты (кривая Килинга). Измерения на обсерватории Мауна-Лоа.
Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40—70°) широт Северного полушария.
Вегетация в тропиках практически не зависит от сезона, сухой пояс пустынь 20—30° (обоих полушарий) дает малый вклад в круговорот углекислоты, а полосысуши, наиболее покрытые растительностью, расположены на Земле асимметрично (в Южном полушарии в средних широтах находится океан).
Поэтому с марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание СО2 в атмосфере падает, а с октября по февраль — повышается. Вклад в зимний прирост дают как окисление древесины (гетеротрофное дыхание растений, гниение, разложение гумуса, лесные пожары), так и сжигание ископаемых топлив (угля, нефти, газа), заметно увеличивающееся в зимний сезон.
Диоксид углерода (углекислый газ): свойства, реакции, применение
Диоксид углерода – это углекислый газ CO₂ (двуокись углерода, углекислота), широко распространен в промышленных, пищевых сферах, при транспортировке замороженных (скоропортящихся) товаров. Рассмотрим: формулы, сферы применения, способы получения, как влияет на организм человека, где купить.
Что такое диоксид углерода
Диоксид углерода также известен, как Е290 (в международной регистрации пищевых добавок). В большой концентрации обладает кисловатым привкусом и запахом, плотность 1,977 г/л. Применяется в качестве регулятора кислотности, антиоксиданта, консерванта. Представляет собой нетоксичный (в допустимых дозах), инертный, негорючий, тяжелый бесцветный газ, также именуемый, как углекислый, двуокись/оксид углерода, угольный ангидрид (СО₂).
Строение молекулы углекислого газа:
Молекула углекислого газа
Физические свойства
Углекислый газ существует в жидком, газообразном и твёрдом состоянии, в виде белого «сухого льда». Особенность – стремительный переход из кристаллизованного состояния в газообразное, минуя стадию жидкости. Цвет и запах ощутим только в условиях высокой концентрации СО₂. Газ двуокись углерода тяжелее воздуха, устойчива к термическому воздействию, поэтому в привычных атмосферных условиях испаряется, а не плавится. Сублимируется при 78°С. В жидкости не растворяется, частично контактирует с ней.
Формула и свойства
Традиционная формула углекислого газа: CO2, масса: 44 г/моль.
Инертную окись относят к оксидным кислотам.
Следовательно, углекислый газ обладает 4 важнейшими свойствами:
Свойства позволяют диоксиду углерода обладать несколькими формами. Например: при традиционном давлении атмосферы элемент существует в форме газа. Охлаждение океанскими глубинами трансформирует СО₂ в жидкое состояние, а заморозка – кристаллизует, формируя лёд. Резкое нагревание стимулирует испарение и восстановление газообразной формы.
Углекислый газ в атмосфере и природе
В окружающей среде газ СО₂ образуется несколькими источниками: природой, человеком, животными:
Важно! В сутки человеческий организм выделяет в атмосферу 0,03% углерода = 1 кг СО2
Формирование газа диоксида углерода в недрах земли и выведение СО2 в атмосферу живыми существами взаимосвязано. Первоначально органические вещества (выделяемые животными, известняки) минерализуются, превращаясь в ископаемые, хранящиеся в недрах земли веками. Затем уголь, нефть, торф используются перерабатывающими станциями и выделяют в атмосферу СО2.
Также люди, животные, растения, поглощая кислород, выводят в воздух газообразный диоксид углерода, растворяющийся в морях и океанах, превращающийся в известняк.
Считается, что избыток углекислого газа – это причина климатических изменений в мире, ведь она провоцирует парниковый эффект. Следовательно, солнечное излучение беспрепятственно попадает на поверхность почвы и задерживается в атмосфере. Возникает тепловой эффект, плавящий ледники, повышающий уровень моря.
Последствия климатических изменений и повышенного количества СО2:
Больше всех пострадает человечество: уменьшится территория для жизнедеятельности, которая станет менее комфортной. Способ спастись – снизить выбросы диоксида углерода, путём минимизации выработки углекислоты на производстве и переходом на экологический транспорт.
Получение углекислоты
Кроме получения газа СО₂ природными способами, его также добывают лабораторно и в промышленности для применения в пищевой, медицинской и др. индустриях.
Лабораторные способы
Лаборатории изготавливают небольшие партии углекислого газа, путём вытеснения воздуха при взаимодействии соли, мрамора, мела с соляной кислотой:
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂+ H₂O + CO₂, NaHCO₃+ HCl → NaCl + H₂O + CO₂
Промышленное производство
Диоксид углерода получают при отделении азота, кислорода, аргона при обжиге промышленных отходов (дыма). Это наивыгодный способ добычи газа углекислоты. Моноэтаноламин адсорбируют, путем подачи в дымовую трубу. Частицы впитывают углекислый газ и подаются в специальные резервуары, где при определённом давлении и температурных показателях высвобождаются (из моноэтаноламина). Так получают диоксид углерода в газообразной форме.
Получение углеродного оксида в жидком состоянии выполняют, путём брожения сырья (при изготовлении алкоголя). Тогда полученные газы обрабатывают углем, перманганатом калия и водородом.
Добыча углерода в сухой форме производится на ликеро-водочных заводах, пивоварнях. Сложный и продолжительный процесс, выполняющийся в несколько этапов:
Полученный высококачественный диоксид углерода направляется на предприятия для дальнейшего применения, в качестве охладителя, в виде белоснежного «сухого льда».
Химические реакции с диоксидом углерода, соединения
Сам по себе углерод не горюч, не активен, но реагирует с другими веществами, позволяя получить новые вещества, используемые практически во всех сферах промышленности.
Благородные газы: ксенон, аргон, гелий и пр. не вступают в реакцию с двуокисью углерода, из-за несовместимого молекулярного строения этих газов.
Применение углерода
Пищевая добавка Е290 (углекислый газ) разрешается для использования в пищевой индустрии, в качестве консерванта, регулятора кислотности, антиоксиданта, газификации напитков (алкогольных и безалкогольных). Также, растворенные частицы углекислоты в воде, оказывают обеззараживающее и антибактериальное действие.
Пищевая промышленность
В хлебобулочном производстве пищевая добавка Е290 является разрыхлителем, придающим изделиям пышность и объём. В виноделии угольная кислота – регулятор брожения.
Углекислый газ в кристаллизованной форме применяют для транспортировки и хранения пищевых продуктов.
Пищевая добавка Е290 в оптимальных количествах не воздействует негативно на организм, поэтому может применяться для изготовления пищевых продуктов.
Химическая промышленность
Химическая отрасль использует СО₂ для регуляции температуры реактора, изготовления синтетических, химических веществ, нейтрализации щёлочи сточных вод и увеличения их проводимости, сушки\очистки полимеров растительного, животного происхождения.
Медицина, косметология
В лечебных целях углекислый газ применяют для стимуляции углублённого дыхания, криоабляции злокачественных опухолей.
В дерматокосметологии диоксид углерода вводят подкожно для расщепления липидов. Попадая в дерму изотонический раствор, вступает в реакцию с углекислотой, распадается на гидрокарбонаты и ионы водорода, приводя к сжиганию жиров. Остатки СО₂ вызывают нехватку кислорода, стимулируя улучшение кровотока и обмена веществ.
Металлургия
Металлургия применяет углекислоту для защиты окружающей среды от вредных выбросов в атмосферу:
Металлургическая отрасль использует лазеры для резки металлов, устройства заправляют жидким углекислым газом. Так, диоксид углерода выступает ещё и топливом для металлургического оборудования.
Лабораторные исследования
Подвижный диоксид углерода (стадия между жидкой и газообразной) применяется для экстрагирования и хроматографического анализа.
Полиграфия
Углекислый газ применяют для регуляции pH переработанного сырья, отбеливания древесины, целлюлозы для качественного изготовления тетрадей и белоснежных листов. А также для улучшения производительности оборудования, нейтрализации талового масла.
Электроника
Диоксид углерода в электронике применяется при испытательных проверках воздействия электронного оборудования на окружающую среду. Также для увеличения проводимости, обработки сточных вод, устранения фототвердеющих частиц из кристаллических пластин, чтобы избежать применения растворителей органического типа.
Охрана окружающей среды
Углекислый газ используется в качестве альтернативы серной кислоты для поддержания pH в сточных водах.
Влияние на человеческий организм
Углекислый газ – это конечный продукт метаболизма, возникающий при глюкозно-жировом расщеплении. Гемоглобин переносит его к лёгким, откуда выводится в воздух. Скопление в организме приводит к расширению капилляр, увеличению кровотока, переизбытку кислорода.
Польза углекислого газа
Именно диоксид углерода возбуждает дыхательную систему, поэтому очередной вдох регулируется количеством углекислоты. При вдохе происходит обмен – поступление кислорода и выделение углекислого газа.
Примечание! Кислород при помощи гемоглобина транспортируется по клеткам, а отходы (в виде газа СО₂) переносятся им же в дыхательную систему для выведения.
Процессы, в которых участвует газ СО₂:
Углекислый газ помогает кислороду высвобождаться и проникать в клетки организма. Недостаток СО₂ влечет затрудненное дыхание, ощущение нехватки кислорода, вялость, плохое самочувствие, сбой работе всего организма.
Организм нуждается в углекислоте наравне с кислородом, но его нехватка или переизбыток влечёт серьёзные проблемы, такие как:
В норме газы О₂ и СО₂ крепятся по разные стороны гемоглобина и двигаются по телу, насыщая нужными веществами и забирая отработанные. Переизбыток СО₂ нарушает способность красных кровяных телец прикреплять кислород, из–за чего питательные вещества перестают насыщать клетки.
Повышенная концентрация газа СО₂ встречается в шахтах и в быту, особенно в осенне–весенний период, когда помещения проветриваются реже.
Считается, что напитки, содержащие в составе углекислый газ, вымывают кальций и нарушают обмен веществ, поэтому противопоказаны людям с заболеваниями желудочно-кишечного тракта (язва, гастрит и пр.)
Тип пищевой добавки
Пищевая добавка Е290 – это консервант, продлевает срок хранения продуктов, используется, как разрыхлитель, антибактериальное средство, регулятор кислотности.
Класс опасности и токсичности
Углекислый газ – это невзрывоопасное, негорючее, не поддерживающее горение вещество. В газообразной форме в 1,5 раза тяжелее воздуха, поэтому скапливается в шахтах, тоннелях, ямах, внутри подземного оборудования.
При контакте кожного покрова с углекислотой возможно покалывание пораженного участка, краснота, ощущение теплоты, вплоть до обморожения. Медленное согревание холодной водой приводит к прогрессированию болезни внешним источником холода.
Горячая вода может вызвать ожог пораженной области, в связи с частичной\полной потери температурной чувствительности дермы. Немедленно обратитесь к врачу!
Резервуары с газом СО₂ могут взрываться при воздействии высоких температур, ударах и сублимации сжиженной кислоты, разгерметизации баллона.
Хранение и транспортировка углекислого газа
Баллоны высокого давления с углекислым газом хранят в специализированных складских помещениях и огражденных площадках, оснащенных навесом, препятствующим контакту резервуаров с солнечными лучами и осадками. Хранить, не более 1 года со дня изготовления.
Низкотемпературный диоксид углерода с жидким веществом хранят в изотермических цистернах. Срок хранения 6 месяцев с момента изготовления.
Углекислый газ в баллонах
Транспортировка углекислого газа относится ко 2-му классу опасности. Требуется строгое соблюдение правил безопасности: не бросать, не бить! Во избежание повреждения баллона, утечки газа и, как следствие взрыва!
Где купить, сколько стоит диоксида углерода
Приобрести углекислый газ в промышленных целях, можно:
Покупая у завода или дистрибьютора, вы оформите заказ на нужное количество сжиженного углекислого газа. Доставку организует отправитель, соблюдая технику безопасности. Стоимость договорная. Оговаривается непосредственно при формировании заказа, отталкиваясь от формы вещества (жидкая\«сухой лёд») и величины заказа.
Углекислый газ не оказывает негативного воздействия на организм, если употреблять в разумном количестве. Соединяется со многими элементами, помогая создать новые вещества, используемые в быту и промышленности.
Заключение
Углекислый газ имеет много названий: диоксид углерода, углекислота, двуокись углерода др. Газ СО₂ имеет много полезных и опасных свойств, применяется в пищевой и химической промышленности, медицине, металлургии и других сферах.
Углекислый газ не оказывает негативного воздействия на организм, если употреблять в разумном количестве. Вступает в реакции со многими элементами, помогая создать новые вещества, используемые в быту, промышленности. Хоть СО2 считается невзрывоопасным, относитесь к цистернам и баллонам бережно. Сегодня важно сократить производство диоксида, выбрасываемого в воздух (во избежание климатической катастрофы), поэтому ученые активно разрабатывают электромобили. Чем быстрей население перейдёт на экологический транспорт, тем быстрей климат нормализуется, и перестанут таять ледники.
Углекислый газ формируется при соединении двух элементов: углерода и кислорода. Он образуется в процессе сжигания угля или углеводородных соединений, при ферментации жидкостей, а также как продукт дыхания людей и животных. В небольших количествах он содержится и в атмосфере, откуда он ассимилируется растениями, которые в свою очередь производят кислород. Углекислый газ бесцветен и тяжелее воздуха. Он не пригоден для поддержания жизни. Углекислый газ замерзает при температуре −78,5 °C с образованием снега, состоящего из двуокиси углерода. В виде водного раствора он образует угольную кислоту, однако она не обладает достаточной стабильностью для того, чтобы ее можно было легко изолировать.
Основное применение
Химическая отрасль
Углекислый газ используется при производстве синтетических химических веществ и регулировании реакторных температур.
CO2 также служит для нейтрализации щелочных сточных вод. В закритических условиях диоксид углерода используется в процессах очистки или осушки полимеров, волокон животного или растительного происхождения.
Фармацевтика
Углекислый газ используется для создания инертной среды, синтеза химических веществ, сверхкритической флюидной экстракции (SFE), подкисления (pH) сточных вод или продукта при их низкотемпературной транспортировке (−78 °C или −108 °F).
Пищевая отрасль
В пищевой отрасли выделяются следующие основные направления применения CO2
Медицина
При проведении операций на искусственных органах углекислый газ служит для создания атмосферных условий, близких к физиологическим.
В качестве одного из компонентов кислородной или воздушной смеси углекислый газ служит стимулятором глубокого дыхания. Другим его применением является хирургическая дилатация при интраабдоминальных инсуффляциях.
Металлургическая отрасль
Наиболее популярным применением углекислого газа в металлургии является защита окружающей среды
Лабораторные исследования и анализ
Диоксид углерода в сверхкритическом состоянии представляет собой подвижную фазу, используемую как в процессе хроматографического анализа, так и в процессах экстрагирования.
отрасль
После щелочной отбелки древесной массы или целлюлозы диоксид углерода позволяет с высокой точностью регулировать уровень pH в переработанном сырье.
CO2 может использоваться в процессах нейтрализации талового масла и в целях повышения производительности бумагоделательных машин.
Электроника
Диоксид углерода стандартно применяется для обработки сточных вод, а в качестве охладителя он используется при испытании электронных приборов на воздействие окружающей среды.
Помимо этого диоксид углерода позволяет повышать проводимость сверхчистой воды, а в виде снега используется для абразивной очистки деталей или удаления осадков на кристаллических пластинах.
Дополнительно диоксид углерода может использоваться в качестве экологически чистой сверхкритической жидкости для удаления фототвердеющих материалов из кристаллических пластин без применения органических растворителей.
Охрана окружающей среды
Добавление диоксида углерода позволяет поддерживать необходимый уровень pH в жидких стоках. В качестве регулятора рН он является прекрасной альтернативой серной кислоте.
Углерода двуокись
Углерода двуокись
| Диоксид углерода | |
|---|---|
  | |
| Другие названия | углекислый газ, углекислота, сухой лед(твердый) |
| Формула | CO2 |
| Молярная масса | 44.0095(14) г/моль |
| В твердом виде | сухой лед |
| Вид | бесцветный газ |
| Номер CAS | [124-38-9] |
| Свойства | |
| Плотность и фазовое состояние | 1.98 кг/м³, при н.у.; 771 кг/м³, жидкий; 1512 кг/м³, твёрдый |
| Растворимость в воде | 1.45 кг/м³ |
| Удельная теплота плавления | 25.13 кДж/моль |
| Точка плавления | −57 °C (216 K), под давлением |
| Точка кипения | −78 °C (195 K), возгоняется |
| Константа диссоциации кислоты (pKa) | 6.35 and 10.33 |
| Вязкость | 0.07 пз при −78 °C |
| Строение | |
| Форма молекулы | линейная |
| Кристаллическая решётка | кварцевидная |
| Дипольный момент | ноль |
| Техника безопасности | |
| MSDS | External MSDS |
| Главные опасности | удушающее, раздражающее |
| NFPA 704 | |
| R-phrases | R: As, Fb |
| S-phrases | S9, S23, S36 (ж) |
| RTECS number | FF6400000 |
| Страница дополнительных сведений | |
| Структура и свойства | n, εr, и т. д. |
| Спектр | УФ, ИК, ЯМР, Масс-спектроскопия |
| Родственные соединения | |
| Оксиды | CO C3O2 C2O CO3 |
| Если не указано иное, данные даны для материалов при стандартных условиях (25 °C, 100 кПа) Infobox disclaimer and references | |
Диокси́д углеро́да (двуо́кись углеро́да, углеки́слый газ, окси́д углеро́да (IV), диокси́д углеро́да, у́гольный ангидрид, углекислота́) — CO2, бесцветный газ со слегка кисловатым запахом и вкусом.
Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет 0,038 %.
Не следует путать с Диоксин.