CHEMISTR (Межпредметные связи в курсе школьного предмета химии на предмете углерода и его соединений), страница 2

Ca(OH)₂ + CO₂ ® CaCO_3¯ + H₂O

CaCO₃ + H₂O + CO₂ ® Ca(HC0₃)₂

3. Углекислый газ – вещество очень прочное, тем не менее при температуре красного каления с кальцием дает карбид и оксид кальция.

2CO₂ + 5Ca ® CaC₂ + 4CaO

4. Наиболее активные металлы горят в оксиде углерода (IV).

600°C

2Mg + CO₂ ® 2MgO + C

5. При высоких температурах восстанавливается в CO с железом, цинком, углем.

3CO₂ + 4Fe ® 2Fe₂O₃ + 3C

CO₂ + C ® 2CO

6. С водородом в присутствии никеля при 350-400°C или оксида меди (II) при 200°C восстанавливается в метан.

350-400°C

CO₂ + 4H₂ ® CH₄ + 2H₂O

Ni

7. С аммиаком при 600°C дает карбамид.

CO₂ + NH₃ ® CO(NH₂)₂

8. С сероуглеродом в присутствии меди дает

CO₂ + CS₂ ® 2S + 2CO

9. Реагирует со многими органическими соединениями, карбоксилируя их. Пиррол, подобно фенолу карбоксилируется оксидом углерода (IV), образуя 2-пирролкарбоновую кислоту, а в более жестких условиях температуры 3-пирролкарбоновую кислоту.

2.5 Получение углекислого газа

В химических лабораториях либо пользуются готовыми баллонами с жидким угольным ангидридом, либо получают двуокись углерода в аппаратах Киппа действием соляной кислоты на куски мрамора. Пользоваться серной кислотой вместо соляной при этом нельзя, потому что тогда вместо растворимого в воде хлорида кальция получился бы гипс – соль, малорастворимая в воде. Отлагаясь на куски мрамора, гипс крайне затрудняет доступ к ним кислоты и тем самым очень замедляет течение реакции. От примеси паров хлористого водорода двуокись углерода освобождается в промывной склянке с водой, а от паров воды – в следующей склянке с серной кислотой.

В промышленности двуокись углерода получается главным образом как побочный продукт обжига известняка, спиртового брожения.

2.6 Применение углекислого газа

Г.Кавендиш первый обратил внимание на то, что водный раствор двуокиси углерода имеет хотя и слабый, но приятный кислый вкус. Он продемонстрировал в Королевском обществе стакан “чрезвычайно приятно искрящийся (шипучей) воды, едва ли отличной от сельтерской воды” и получил за это открытие золотую медаль общества. Это было первое практическое применение диоксида углерода, им заинтересовались американские предприниматели (когда Д.Пристли находился уже в эмиграции), после того как один доктор стал прописывать карбонизированную воду с добавкой фруктовых соков своим пациентам. Отсюда и стала развиваться промышленность газированных напитков, которая до сих пор является одним из важнейших потребителей углекислого газа.

Диоксид углерода применяют для газирования фруктовых и минеральных вод, для производства сахара, пива, в медицине для углекислых ванн. Его наполняют спасательные пояса и плоты из маленьких стальных баллонов с жидкой массой диоксида углерода. Жидкий угольный ангидрид применяют:

1) в портативных огнетушителях;

2) в огнетушительных системах самолетов и кораблей, пожарных углекислотных машинах.

Такое широкое применение в огнетушении связано с тем, что в некоторых случаях вода не годится для тушения, например, при тушении загоревшихся огнеопасных жидкостей или при наличии в помещении невыключенной электропроводки, уникального оборудования, которое от воды может пострадать.

Применение прессованного твердого угольного ангидрида, который мы называем сухим льдом, тоже достаточно широкое. Так его используют для поддержания низкой температуры в вагонах-холодильниках для транспорта скоропортящихся продуктов, а также при производстве мороженого. Почему, возникает вопрос, нельзя использовать обыкновенный лед. А оказывается сухой лед имеет ряд преимуществ:

1. позволяет поддерживать в холодильнике, роль которого у продавцов мороженого играет простой картонный короб, гораздо более низкую температуру до -78,2°C;

2. поглощает при испарении втрое больше теплоты на единицу массы, чем лед при плавлении;

3. не загрязняет холодильника, как обыкновенный лед, жидким продуктом плавления;

4. создает в холодильнике атмосферу из диоксида углерода, дополнительно предохраняющую пищевые продукты от порчи.

Сухой лед применяют также для охлаждения и отвердевания заклепок из алюминиевых сплавов и при надевании бандажей – металлических колец или поясов на части машин.

Углекислый газ применяется также как теплоноситель в графитовых реакторах.

Очень интересное применение оксида углерода IV для изменения погоды: при рассеивании порошка сухого льда с самолета, пролетающего над переохлажденным облаком, создается искусственный снегопад над аэродромами (при расходе всего примерно 100 г льда на 1 км³ облака). При этом начинают падать густые мокрые хлопья снега, а вскоре сквозь сплошную облачность начинает просвечивать небо. Просветы быстро расширяются и сливаются в широкое синее небо. В результате сильного охлаждения замерзают лишь немногие водяные капельки. Остальные остаются в переохлажденном состоянии. Но так как при одной и той же температуре переохлажденная вода имеет большую упругость пара, чем лед, тотчас начинается нарастание ледяных кристаллов за счет капелек жидкой воды, что и приводит к снегопаду.

Во многих случаях угольный ангидрид используют не в готовом виде, а получают в процессе использования. В таких случаях исходные вещества применяют либо раздельно – как серная кислота и дикарбонат натрия в обычных огнетушителях, либо в виде смеси двух сухих порошков (как в некоторых хлебопекарных порошках), например, смесь бикарбоната натрия с кислым виннокислым калием, виннокислым аммонием или хлоридом аммония. Пока такая смесь остается сухой, реакция не происходит. При добавлении воды соли растворяются, диссоциируют, и возникает ионная реакция с выделением диоксида углерода.

Подобные реакции происходят в результате смешивания хлебопекарных порошков с тестом для разрыхления теста химическим путем, без применения биологических средств – дрожжей и заквасок. В результате тесто “всходит”, наполняясь пузырьками диоксида углерода, и выпеченный из него продукт получается мягким и легче переваривается.

Углекислый газ выступает как инертная атмосфера.

Вот такое широкое применение имеет оксид углерода (IV). Здесь показаны лучшие его качества, но не весь углекислый газ бывает полезен человеку и природе.

2.7 Круговорот углекислого газа в природе

В истории зеленого углерода можно различить несколько этапов. До появления водной оболочки Земли углерод главным образом входил в состав земной атмосферы в виде углекислого газа. Об этом свидетельствует анализ газовых включений в силикатных минералах: кислород в них отсутствует, а содержание углекислого газа достигает 96%. С охлаждением земной коры и появлением жидкой воды, насыщенной углекислым газом, начинается процесс выветривания магматических горных пород, сводящийся в основном к вытеснению кремниевой кислоты из силикатов угольной кислотой, как кислотой более сильной. Нерастворимые продукты разрушения горных пород в виде рыхлых масс остаются на листе, а растворимые соли, в том числе дикарбонаты, увлекаются в мировой океан. Таким образом создается необходимое сочетание условий для возникновения растительной живой материи: углекислый газ, жидкая вода и растворенные в ней соли.

В мировом океане зародилась жизнь; это начало нового этапа в геохимической жизни углерода. В результате основного процесса жизнедеятельности растений – фотосинтеза – углерод из атмосферы переходит в состав живой массы биосферы, и состав атмосферы постепенно изменяется, углекислый газ в ней сменяется кислородом. Таким образом возникают необходимые предпосылки к возникновению животной жизни: свободный кислород и накопленные растениями органические вещества.

Рисунок сводит отдельные, рассмотренные выше превращения углекислого газа в природе в единую цельную картину.

Углекислый газ используется в процессе фотосинтеза для образования органических веществ. Именно благодаря этому процессу замыкается круговорот углерода в биосфере. Как и кислород, углерод входит в состав почв, растений, животных, участвует в многообразных механизмах круговорота веществ в природе. Содержание углекислого газа в воздухе, который мы вдыхаем, примерно одинаково в различных районах планеты. Исключение составляют крупные города, в которых содержание этого газа в воздухе бывает выше нормы.

Некоторые колебания содержания углекислого газа в воздухе местности зависят от времени суток, сезона года, биомассы растительности. В то же время исследования показывают, что с начала века среднее содержание диоксида углерода в атмосфере, хотя и медленно, но постоянно увеличивается. Ученые связывают этот процесс главным образом с деятельностью человека.

Как и каждый химический элемент, углерод в земной коре находится в постоянном движении, преобразовании из одной химической формы соединений в другую; эти изменения замыкаются в целую систему взаимно переплетающихся циклов. Исходя из одной определенной формы существования углерода, например из CO₂, и последовательно прослеживая его преобразования мы вновь возвратимся в исходную точку – в CO₂.

В минеральной природе главными генераторами углекислого газа являются вулканы, не только действующие, но и давно потухшие; вулканические местности изобилуют выделяющимися из под земли струями углекислого газа и ключами, постоянно выбрасывающими CO₂ из земных недр в виде раствора, насыщенного углекислым газом (нередко под большим давлением).

В минеральной природе диоксид углерода расходуется процессами выветривания. Это крайне медленные химические реакции; мы непосредственно не можем проследить их течение. Но, встречая на поверхности земли полуразрушенные выветриванием глубинные породы, например гранит в окружении продуктов его разрушения – песка и глины, мы легко можем мысленно воссоздать процесс разрушения, всякий раз необходимым участником агрессии, постигшей изверженную породу, окажется углекислый газ. Таким образом, с точки зрения геохимии углерода, процессы выветривания – это процессы связывания углекислого газа. Именно углекислый газ является главным деятелем процессов выветривания, а так как они идут повсеместно, и охватывают неизмеримо большие массы минеральной материи, диоксид углерода извлекается ими из атмосферы в настолько больших количествах, что по расчетам геологов, углекислого газа, содержащегося в данный момент в атмосфере, хватило бы на процессы выветривания не больше чем на 18000 лет.

Масштабы процессов, пополняющих атмосферу углекислым газом и расходующих его, представляются в современную эпоху существования земного шара таблицей:

Масштабы круговорота угольного ангидрида (в млрд. т в год).

Из таблицы видно, что в природе образование и расходование углекислого газа сбалансированное. Но деятельность человека нарушает баланс. Сопоставление анализов воздуха на протяжении последних 100 лет обнаруживает постепенное накопление диоксида углерода в атмосфере. С этим предположительно связывают некоторое смягчение климата на земном шаре.

Круговорот углерода представляется нам движением по замкнутому кругу, однако в рамках сравнительно ограниченного геологического срока; если же рассматривать историю углерода в целом, начиная с возникновения его первых простейших соединений и кончая зарождением, постепенным усложнением и усовершенствованием органической материи, легко убедиться, что в действительности круговорот углерода не простое повторение пройденного, а движение поступательное, по восходящей линии, развитие от простого к сложному, от низшего к высшему. Это относится и к круговороту всех других элементов, образующих земной шар.

2.8 Гигиенические нормативы предельно допустимой концентрации (ПДК)

Оказывается, у людей появляется привыкание к углекислому газу. Но существует в странах мира ПДК углекислого газа в атмосфере. К сожалению у нас в России ПДК в воздухе рабочей зоны не установлена, в США – 9000 мг/м³. В угольных и озокеритовых шахтах разрешается содержание углекислого газа до 0,5%. По данным Елисеевой, в жилых и общественных зданиях среднесуточная концентрация не должна превышать 0,05% углекислого газа, а кратковременная (разовая) – 0,01%.