Углекислый газ и углекислота. Углекислый газ — невидимая опасность

Углекислый газ CO 2 (углекислота, двуокись углерода, диоксид углерода, угольный ангидрид) в зависимости от давления и температуры может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии.

В газообразном состоянии диоксид углерода представляет собой бесцветный газ с немного кисловатым вкусом и запахом. В атмосфере Земли содержится около 0,04% углекислого газа. При нормальных условиях его плотность составляет 1,98 г/л - примерно в 1,5 раза больше плотности воздуха.

Диаграмма. Фазовое равновесие углекислоты

Жидкий диоксид углерода (углекислота) представляет собой бесцветную жидкость без запаха. При комнатной температуре она существует только при давлении свыше 5850 кПа. Плотность жидкой углекислоты сильно зависит от температуры. Например, при температуре ниже +11°С жидкая углекислота тяжелее воды, при температуре выше +11°С - легче. В результате испарения 1 кг жидкой углекислоты при нормальных условиях образуется примерно 509 л газа.

При температуре около -56,6°С и давлении около 519 кПа жидкая углекислота превращается в твердое вещество - «сухой лед» .

В промышленности наиболее распространены 3 способа получения углекислого газа:

из отходящих газов химических производств, прежде всего синтетического аммиака и метанола; в отходящем газе содержится примерно 90% углекислого газа;
из дымовых газов промышленных котельных, сжигающих природный газ, уголь и другое топливо; в дымовом газе содержится 12-20% углекислого газа;
из отходящих газов, образующихся при брожении в процессе получения пива, спирта, при расщеплении жиров; отходящий газ представляет собой почти чистый углекислый газ.

Согласно ГОСТ 8050-85 газообразная и жидкая углекислота поставляется трех видов: высшего, первого и второго сортов. Для сварки рекомендуется использовать углекислоту высшего и первого сорта. Применение углекислоты второго сорта для сварки допускается, однако желательно наличие осушителей газа. Допустимое содержание углекислого газа и некоторых примесей в различных марках углекислоты приведено в таблице ниже.

Таблица. Характеристики марок углекислоты

Меры безопасности при работе с углекислым газом:

Углекислота не токсична и не взрывоопасна, однако при ее концентрациях в воздухе свыше 5% (92г/м 3) снижается доля кислорода, что может привести к кислородной недостаточности и удушью. Поэтому следует опасаться ее скапливания в плохо проветриваемых помещениях. Для регистрации концентрации углекислоты в воздухе производственных помещений применяются газоанализаторы - стационарные автоматические или переносные.
При уменьшении давления до атмосферного жидкая углекислота превращается в газ и снег с температурой -78,5°C и может привести к поражению слизистой оболочки глаз и обморожению кожи. Поэтому при отборе проб жидкой углекислоты необходимо пользоваться защитными очками и рукавицами.
Осмотр внутренней емкости ранее эксплуатируемой цистерны для хранения и транспортирования жидкой углекислоты необходимо проводить в шланговом противогазе. Цистерну необходимо отогреть до температуры окружающей среды, а внутреннюю емкость продуть воздухом или провентилировать. Противогаз разрешается не использовать только после того, как объемная доля углекислоты внутри оборудования станет ниже 0,5%.

Применение углекислого газа при сварке

Углекислый газ применяется в качестве активного защитного газа при дуговой сварке (обычно при полуавтоматической сварке) плавящимся электродом (проволокой), в том числе в составе газовой смеси (с кислородом, аргоном).

Снабжение сварочных постов углекислым газом может осуществляться следующими способами:

непосредственно от автономной станции по производству углекислоты;
от стационарного сосуда-накопителя - при значительных объемах потребления углекислого газа и отсутствии у предприятия собственной автономной станции;
от транспортной углекислотной емкости - при меньших объемах потребления углекислого газа;
от баллонов - при незначительных объемах применения углекислого газа или невозможности прокладки трубопроводов к сварочному посту.

Автономная станция по производству углекислоты - отдельный специализированный цех предприятия, производящий диоксид углерода для собственных нужд и поставки другим организациям. Углекислый газ подается к сварочным постам по газопроводам, проложенным в сварочных цехах.

При больших объемах потребления углекислого газа и отсутствии у предприятия автономной станции углекислота хранится в стационарных сосудах-накопителях, в которые она поступает из транспортных емкостей (см. рисунок ниже).

Рисунок. Схема снабжения сварочных постов углекислым газом от стационарного сосуда-накопителя

При меньших объемах потребления подача углекислоты по трубопроводам может осуществляться непосредственно от транспортной емкости. Характеристики некоторых стационарных и транспортных емкостей приведены в таблице ниже.

Таблица. Характеристики емкостей для хранения и транспортировки углекислого газа (углекислоты)

Марка	Масса углекислого газа, кг	Назначение	Время хранения углекислого газа, сутки	Марка газификатора
ЦЖУ-3,0-2,0	2 950	Транспортная автомобильная ЗИЛ-130	6-20	ЭГУ-100
НЖУ-4-1,6	4 050	Стационарный накопитель	6-20	ЭГУ-100
ЦЖУ-9,0-1,8	9 000	Транспортная автомобильная МАЗ 5245	6-20	ГУ-400
НЖУ-12,5-1,6	12 800	Стационарный накопитель	6-20	ГУ-400
УДХ-12,5	12 300	Стационарный накопитель		УГМ-200М
ЦЖУ-40-2	39 350	Транспортная железнодорожная	40	ГУ-400
РДХ-25-2	25 500	Стационарный накопитель	Неограниченно, оборудован холодильной установкой	ГУ-400
НЖУ-50Д	50 000	Стационарный накопитель	Неограниченно, оборудован холодильной установкой	ГУ-400

При небольших объемах потребления углекислого газа или невозможности проведения трубопроводов к сварочным постам для снабжения углекислым газом используются баллоны. В стандартный черный баллон емкостью 40 л заливают 25 кг жидкой углекислоты, которая обычно хранится при давлении 5-6 МПа. В результате испарения 25 кг жидкой углекислоты образуется примерно 12 600 л газа. Схема хранения углекислоты в баллоне приведена на рисунке ниже.

Рисунок. Схема хранения углекислого газа (углекислоты) в баллоне

Для отбора газа из баллона он должен оснащаться редуктором, подогревателем газа и осушителем газа. При выходе углекислого газа из баллона в результате его расширения происходит адиабатическое охлаждение газа. При высокой скорости расхода газа (более 18 л/мин) это может привести к замерзанию содержащихся в газе паров воды и закупорке редуктора. В связи с этим между редуктором и вентилем баллона желательно размещать подогреватель газа. При прохождении газа по змеевику он подогревается электрическим нагревательным элементом, включенным в сеть с напряжением 24 или 36В.

Для извлечения влаги из углекислого газа применяется осушитель газа. Он представляет собой корпус, заполненный материалом (обычно силикагелем, медным купоросом или алюмогелем), хорошо впитывающим влагу. Осушители бывают высокого давления, устанавливаемые до редуктора, и низкого давления, устанавливаемые после редуктора.

Углекислый газ бесцветный газ с едва ощутимым запахом не ядовит, тяжелее воздуха. Углекислый газ широко распространен в природе. Растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н 2 CO 3 , придает ей кислый вкус. В воздухе содержится около 0,03% углекислого газа. Плотность в 1,524 раза больше плотности воздуха и равна 0,001976 г/см 3 (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Потенциал ионизации 14,3В. Химическая формула – CO 2 .

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

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

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 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 CaCO 3) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух» . Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.

CaCO 3 + 2HCl = СО 2 + CaCl 2 + H 2 O

Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO 2 через водный раствор извести Ca(OH) 2 на дно осаждается карбонат кальция CaCO 3 . Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных .

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O

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 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 при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Углекислый газ является , 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 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 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 ).

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

Мэ + О = МэО

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 . 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 . Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.

Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы. В стандартный 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 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» .

Содержание статьи

УГЛЕРОДА ДИОКСИД (оксид углерода(IV), ангидрид угольной кислоты, углекислый газ) CO 2 , 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 СО 2 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 СО 2 (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. СО 2 – продукт большинства процессов горения и при достаточно больших количествах может гасить пламя, вытесняя из воздуха кислород. При увеличении концентрации СО 2 в плохо проветриваемом помещении содержание кислорода в воздухе уменьшается настолько, что человек может задохнуться. СО 2 растворяется во многих жидкостях; растворимость зависит от свойств жидкости, температуры и давления паров СО 2 . Способность диоксида углерода растворяться в воде и определяет его широкое использование в производстве безалкогольных напитков. СО 2 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 СО 2 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.

СО 2 – 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, СО 2 образует карбонаты и бикарбонаты.

Распространенность в природе и получение.

СО 2 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 СО 2 и выделяют кислород, что поддерживает природный баланс кислорода и углекислого газа в воздухе, которым мы дышим. Содержание СО 2 в нем не превышает 0,03% (по объему).

Известно пять основных способов получения СО 2: 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 СО 2 с азотом и следами других газов. Эту смесь пропускают через раствор, поглощающий только СО 2 . Затем раствор нагревают и получают практически чистый СО 2 , который отделяют от оставшихся примесей. От паров воды избавляются вымораживанием и химической сушкой.

Очищенный СО 2 сжижают, охлаждая его при высоком давлении, и хранят в больших емкостях. Для получения сухого льда жидкий СО 2 подают в закрытую камеру гидравлического пресса, где понижают давление до атмосферного. При резком снижении давления из СО 2 образуются рыхлый снег и очень холодный газ. Снег прессуют и получают сухой лед. Газообразный СО 2 откачивают, сжижают и возвращают в резервуар для хранения.

ПРИМЕНЕНИЕ

Получение низких температур.

В жидком и твердом виде СО 2 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 СО 2 – карбонизация воды и безалкогольных напитков. Вначале воду и сироп смешивают в нужных пропорциях, а затем под давлением насыщают смесь газообразным СО 2 . Карбонизация пива и вин обычно происходит в результате протекающих в них химических реакций.

Применения, основанные на инертности.

СО 2 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, СО 2 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.

СО 2 – 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 СО 2 . Жидкий СО 2 , 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 СО 2 .

Химические аспекты.

Диоксид углерода применяется в производстве аспирина, свинцовых белил, мочевины, перборатов, химически чистых карбонатов. Угольная кислота, образующаяся при растворении СО 2 в воде, – недорогой реагент для нейтрализации щелочей. В литейном производстве при помощи диоксида углерода отверждают песочные формы благодаря взаимодействию CO 2 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. СО 2 используется также в городских системах умягчения воды с помощью натронной извести.

Создание повышенного давления.

СО 2 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. СО 2 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 СО 2 добавляют к кислороду (для стимуляции дыхания) и при анестезии . В высоких концентрациях его применяют для гуманного умерщвления животных.

Цели:

Расширить представления об истории открытия, свойствах и практическом применении углекислого газа.
Познакомить учащихся с лабораторными способами получения углекислого газа.
Продолжить формирование экспериментальных навыков учащихся.

Используемые приемы: “верные и неверные утверждения”, “зигзаг-1”, кластеры.

Лабораторное оборудование: лабораторный штатив, прибор для получения газов, стакан на 50 мл, кусочки мрамора, соляная кислота (1:2), известковая вода, зажим Мора.

I. Стадия вызова

На стадии вызова используется прием “верные и неверные утверждения”.

Утверждения

II. Стадия осмысления

1. Организация деятельности в рабочих группах, участники которых получают тексты по пяти основным темам “зигзага”:

История открытия углекислого газа
Углекислый газ в природе
Получение углекислого газа
Свойства углекислого газа
Практическое применение углекислого газа

Идет первоначальное знакомство с текстом, первичное чтение.

2. Работа в экспертных группах.

В экспертные группы объединяются “специалисты” по отдельным вопросам. Их задача – внимательное чтение текста, выделение ключевых фраз и новых понятий либо использование кластеров и различных схем для графического изображения содержания текста (работа ведется индивидуально).

3. Отбор материала, его структурирование и дополнение (групповая работа)

4. Подготовка к трансляции текста в рабочих группах

1-я группа экспертов составляет опорный конспект “История открытия углекислого газа”
2-я группа экспертов составляет схему распространения углекислого газа в природе
3-я группа экспертов составляет схему получения углекислого газа и рисунок установки для его получения
4-я группа экспертов составляет классификацию свойств углекислого газа
5-я группа экспертов составляет схему практического применения углекислого газа

5. Подготовка к презентации (плакат)

III. Стадия рефлексии

Возвращение в рабочие группы

Трансляция в группе тем 1–5 последовательно. Сбор установки для получения углекислого газа. Получение углекислого газа и исследование его свойств.
Обсуждение результатов эксперимента.
Презентация отдельных тем.
Возвращение к “верным и неверным утверждениям”. Проверка своих первоначальных предположений. Расстановка новых значков.

Это может выглядеть так:

Утверждения
1. Углекислый газ – это “дикий газ”.
2. В морях и океанах содержится в 60 раз больше углекислого газа, чем в земной атмосфере.
3. Природные источники углекислого газа называются мофетами.
4. В окрестностях Неаполя находится “Собачья пещера”, в которой не могут находиться собаки.
5. В лабораториях углекислый газ получают действием серной кислоты на куски мрамора.
6. Углекислый газ – это газ без цвета и запаха, легче воздуха, хорошо растворим в воде.
7. Твёрдый углекислый газ получил название “сухого льда”.
8. Известковая вода – это раствор гидроксида кальция в воде.

Тексты по пяти основным темам “зигзага”

1. История открытия углекислого газа

Углекислый газ был первым между всеми другими газами противопоставлен воздуху под названием “дикого газа” алхимиком XVI в. Вант Гельмонтом.

Открытием СО 2 было положено начало новой отрасли химии – пневматохимии (химии газов).

Шотландский химик Джозеф Блэк (1728 – 1799 г.г.) в 1754 году установил, что известковый минерал мрамор (карбонат кальция) при нагревании разлагается с выделением газа и образует негашеную известь (оксид кальция):

CaCO 3 CaO + CO 2
карбонат кальция оксид кальция углекислый газ

Выделяющийся газ можно было вновь соединить с оксидом кальция и вновь получить карбонат кальция:

CaO + CO 2 CaCO 3
оксид кальция углекислый газ карбонат кальция

Этот газ был идентичен открытому Ван Гельмонтом “дикому газу”, но Блэк дал ему новое название – “связанный воздух” – так как этот газ можно было связать и вновь получить твердую субстанцию, а также он обладал способностью притягиваться известковой водой (гидроксидом кальция) и вызывать её помутнение:

углекислый газ гидроксид кальция карбонат кальция вода

Несколько лет спустя Кавендиш обнаружил еще два характерных физических свойства углекислого газа – его высокую плотность и значительную растворимость в воде.

2. Углекислый газ в природе

Содержание углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, всего 0,04–0,03% (по объему). CO 2 , сосредоточенный в атмосфере, имеет массу 2200 биллионов тонн.
В 60 раз больше углекислого газа содержится в растворенном виде в морях и океанах.
В течение каждого года из атмосферы извлекается примерно 1/50 часть всего содержащегося в ней CO 2 растительным покровом земного шара в процессе фотосинтеза, превращающего минеральные вещества в органические.
Основная масса углекислого газа в природе образуется в результате различных процессов разложения органических веществ. Углекислый газ выделяется при дыхании растений, животных, микроорганизмов. Непрерывно увеличивается количество углекислого газа, выделяемого различными производствами. Углекислый газ содержится в составе вулканических газов, выделяется он и из земли в вулканических местностях. Несколько столетий функционирует в качестве постоянно действующего генератора CO 2 “Собачья пещера” вблизи города Неаполя в Италии. Она знаменита тем, что собаки в ней не могут находиться, а человек может там пребывать в нормальном состоянии. Дело в том, что в этой пещере углекислый газ выделяется из земли, а так как он в 1,5 раза тяжелее воздуха, то располагается внизу, примерно на высоте роста собаки (0,5 м). В таком воздухе, где углекислого газа 14% , собаки (и другие животные, разумеется) дышать не могут, но стоящий на ногах взрослый человек не ощущает избытка углекислого газа в этой пещере. Такие же пещеры существуют в Йеллоустонском национальном парке (США).
Природные источники углекислого газа называются мофетами. Мофеты характерны для последней, поздней стадии затухания вулканов в которой находится, в частности, знаменитый вулкан Эльбрус. Поэтому там наблюдаются многочисленные выходы пробивающихся сквозь снега и льды горячих источников, насыщенных углекислым газом.
Вне земного шара оксид углерода (IV) обнаружен в атмосферах Марса и Венеры – планетах “земного типа”.

3. Получение углекислого газа

В промышленности углекислый газ получается главным образом как побочный продукт обжига известняка спиртового брожения и др.
В химических лабораториях либо пользуются готовыми баллонами с жидким углекислым газом, либо получают CO 2 в аппаратах Киппа или приборе для получения газов действием соляной кислоты на куски мрамора:

CaCO 3 + 2HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O
карбонат кальция соляная кислота хлорид кальция углекислый газ вода

Пользоваться серной кислотой вместо соляной при этом нельзя, потому что тогда вместо растворимого в воде хлорида кальция получался бы гипс – сульфат кальция (CaSO 4) – соль, малорастворимая в воде. Отлагаясь на кусках мрамора, гипс крайне затрудняет доступ к ним кислоты и тем самым очень замедляет течение реакции.
Для получения углекислого газа:

Закрепите в лапке лабораторного штатива прибор для получения газов
Выньте из пробирки с отростком пробку с воронкой
Поместите в насадку 2–3 кусочка мрамора величиной? горошины
Вставьте пробку с воронкой в пробирку снова. Откройте зажим
Прилейте в воронку (осторожно!) соляную кислоту (1:2) так, чтобы кислота слегка покрывала мрамор
Наполните оксидом углерода (IV) химический стакан и закройте зажим.

4. Свойства углекислого газа

CO 2 – это бесцветный газ, не имеет запаха, тяжелее воздуха в 1,5 раза, с трудом смешивается с ним (по выражению Д.И. Менделеева, “тонет” в воздухе), что можно доказать следующим опытом: над стаканом, в котором закреплена горящая свечка, опрокидывают стакан, наполненный углекислым газом. Свечка мгновенно гаснет.
Оксид углерода (IV) обладает кислотными свойствами и при растворении этого газа в воде образуется угольная кислота. При пропускании CO 2 через подкрашенную лакмусом воду можно наблюдать изменение цвета индикатора с фиолетового на красный.
Хорошая растворимость углекислого газа в воде делает невозможным собирание его методом “вытеснения воды”.
Качественной реакцией на содержание углекислого газа в воздухе является пропускание газа через разбавленный раствор гидроксида кальция (известковую воду). Углекислый газ вызывает образование в этом растворе нерастворимого карбоната кальция, в результате чего раствор становится мутным:

CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O
углекислый газ гидроксид кальция карбонат кальция вода

При добавлении избыточного количества CO2 мутный раствор снова становится прозрачным из-за превращения нерастворимого карбоната в растворимый гидрокарбонат кальция:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3) 2
карбонат кальция вода углекислый газ гидрокарбонат кальция

5. Практическое применение углекислого газа

Прессованный твердый углекислый газ получил название “сухого льда”.
Твердый CO 2 скорее похож на спрессованный плотный снег, по твердости напоминающий мел. Температура “сухого льда” –78 о С. Сухой лед, в отличие от водяного льда, плотный. Он тонет в воде, резко охлаждая её. Горящий бензин можно быстро потушить, бросив в пламя несколько кусочков сухого льда.
Главное применение сухого льда – хранение и перевозка продуктов питания: рыбы, мяса, мороженого и др. Ценность сухого льда заключается не только в его охлаждающем действии, но и в том, что продукты в углекислом газе не плесневеют и не гниют.
Сухим льдом испытывают в лабораториях детали, приборы, механизмы, которые будут служить в условиях пониженных температур. С помощью сухого льда испытывают морозоустойчивость резиновых покрышек автомобилей.
Углекислый газ применяют для газирования фруктовых и минеральных вод, а в медицине – для углекислотных ванн.
Жидкий углекислый газ используют в углекислотных огнетушителях, огнетушительных системах самолетов и кораблей и в пожарных углекислотных машинах. Он особенно эффективен в тех случаях, когда вода непригодна, например, при тушении загоревшихся огнеопасных жидкостей или при наличии в помещении невыключенной электропроводки или уникального оборудования, которое от воды может пострадать.
Во многих случаях CO 2 используют не в готовом виде, а получают в процессе использования, например, хлебопекарных порошков, содержащих смесь бикарбоната натрия с кислым виннокислым калием. При смешивании таких порошков с тестом соли растворяются и возникает реакция с выделением CO 2 . В результате тесто всходит, наполняясь пузырьками углекислого газа, и выпеченный из него продукт получается мягким и вкусным.

Литература

Перемена // Международный журнал о развитии мышления через чтение и письмо. – 2000. – №№ 1, 2.
Современный студент в поле информации и коммуникации: Учебно-методическое пособие. – СПб.: PETROC, 2000.
Загашев И.О., Заир-Бек С.И. Критическое мышление: технология развития. – СПб.: Издательство “Альянс “Дельта”, 2003.

В промышленности, основными способами производства двуокиси углерода CO2 являются ее получение как побочного продукта реакции конвертации метана CH4 в водород H2, реакций сжигания (окисления) углеводородов, реакции разложения известняка CaCO3 на известь CaO и воду H20.

CO2 как побочный продукт парового реформинга CH4 и других углеводородов в водород H2

Водород H2 требуется промышленности, прежде всего, для его использования в процессе производства аммиака NH3 (процесс Хабера, каталитическая реакция водорода и азота); аммиак же нужен для производства минеральных удобрений и азотной кислоты. Водород можно производить разными способами, в том числе и любимым экологами электролизом воды - однако, к сожалению, на данное время все способы производства водорода, кроме реформинга углеводородов, являются в масштабах крупных производств абсолютно экономически неоправданными - если только на производстве нет избытка «бесплатной» электроэнергии. Поэтому, основным способом производства водорода, в процессе которого выделяется и углекислый газ, является паровой реформинг метана: при температуре порядка 700...1100°C и давлении 3...25 бар, в присутствии катализатора, водяной пар H2O реагирует с метаном CH4 с выделением синтез-газа (процесс эндотермический, то есть идет с поглощением тепла):
CH4 + H2O (+ тепло) → CO + 3H2

Аналогичным образом паровому реформингу можно подвергать пропан:
С3H8 + 3H2O (+ тепло) → 2CO + 7H2

А также этанол (этиловый спирт):
C2H5OH + H2O (+ тепло) → 2CO + 4H2

Паровому реформингу можно подвергать даже бензин. В бензине содержится более 100 разных химических соединений, ниже показаны реакции парового реформинга изооктана и толуола:
C8H18 + 8H2O (+ тепло) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ тепло) → 7CO + 11H2

Итак, в процессе парового реформинга того или иного углеводородного топлива получен водород и монооксид углерода CO (угарный газ). На следующем этапе процесса производства водорода, угарный газ в присутствии катализатора подвергается реакции перемещения атома кислорода O из воды в газ = CO окисляется в CO2, а водород H2 выделяется в свободной форме. Реакция экзотермическая, при ней выделяется порядка 40,4 кДж/моль тепла:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ тепло)

В условиях промышлененых предприятий, выделяющийся при паровом реформинге углеводородов диоксид углерода CO2 легко изолировать и собрать. Однако, CO2 в этом случае является нежелательным побочным продуктом, простой свободный выпуск его в атмосферу, хотя и является сейчас превалирующим путем избавления от CO2, нежелателен с экологической точки зрения, и некоторыми предприятиями практикуются более «продвинутые» методы, такие как, например, закачивание CO2 в нефтяные месторождения со снижающимся дебетом или закачивание его в океан.

Получение CO2 при полном сжигании углеводородного топлива

При сжигании, то есть окислении достаточным количеством кислорода углеводородов, таких как метан, пропан, бензин, керосин, дизельное топливо и др., образуются углекислый газ и, обычно, вода. Например, реакция сгорания метана CH4 выглядит так:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

CO2 как побочный продукт получения H2 методом частичного окисления топлива

Порядка 95% промышленно производимого в мире водорода производится вышеописанным способом парового реформинга углеводородного топлива, прежде всего метана CH4, содержащегося в природном газе. Кроме парового реформинга, из углеводородного топлива с довольно высокой эффективностью можно получать водород и способом частичного окисления, когда метан и другие углеводороды реагируют с недостаточным для полного сжигания топлива количеством кислорода (напомним, что в процессе полного сжигания топлива, кратко описанным чуть выше, получается углекислый газ CO2 и вода H20). При подаче же меньшего, чем стехиометрическое, количества кислорода, продуктами реакции преимущественно являются водород H2 и монооксид углерода, он же угарный газ CO; в небольших количествах получаются и углексилый газ CO2, и некоторые другие вещества. Так как обычно, на практике, этот процесс проводят не с очищенным кислородом, а с воздухом, то как на входе, так и на выходе процесса имеется азот, который в реакции не участвует.

Частичное окисление является экзотермическим процессом, то есть в результате реакции выделяется тепло. Частичное окисление, как правило, протекает значительно быстрее, чем паровой реформинг, и требует меньшего по объему реактора. Как видно на примере приведенных ниже реакций, изначально частичное окисление производит меньше водорода на единицу топлива, чем получается в процессе парового реформинга.

Реакция частичного окисления метана CH4:
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ тепло)

Пропана C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ тепло)

Этилового спирта C2H5OH:
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ тепло)

Частичное окисление бензина на примере изооктана и толуола, из более чем ста химических соединений, присутствующих в бензине:
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ тепло)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ тепло)

Для конвертации CO в углекислый газ и получения дополнительного водорода используется уже упомянутая в описании процесса парового реформинга реакция сдвига кислорода вода→газ:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ небольшое количество тепла)

CO2 при ферментации сахара

В производстве алкогольных напитков и хлебобулочных изделий из дрожжевого теста, используется процесс ферментации сахаров - глюкозы, фруктозы, сахарозы и др., с образованием этилового спирта C2H5OH и диоксида углерода CO2. Например, реакция ферментации глюкозы C6H12O6 такова:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2

А ферментации фруктозы C12H22O11 - выглядит вот так:
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2

Оборудование для производства CO2 пр-ва компании Wittemann

В производстве алкогольных напитков, получаемый алкоголь является желательным и даже, можно сказать, необходимым продуктом реакции брожения. Углекислый газ же иногда выпускается в атмосферу, а иногда оставляется в напитке для его газирования. В выпечке хлеба все происходит наоборот: CO2 нужен для образования пузырьков, вызывающих поднятие теста, а этиловый спирт почти полностью испаряется при выпечке.

Многие предприятия, прежде всего спиртозаводы, для которых CO 2 является совсем уж ненужным побочным продуктом, наладили его сбор и продажу. Газ из бродильных чанов через спиртовые ловушки подается в углекислотный цех, где CO2 очищают, сжижают и разливают в баллоны. Собственно, именно спиртовые заводы являются во многих регионах основными поставщиками углекислоты - и для многих из них, продажа углекислоты является отнюдь не последним источником доходов.

Существует целая отрасль производства оборудования для выделения чистого углекислого газа на пивоваренных и спиртовых заводах (Huppmann/GEA Brewery, Wittemann и др.), а также его прямого производства из углеводородного топлива. Поставщики газов, такие как Air Products и Air Liquide, также осуществляют установку станций по выделению CO 2 и его последующей очистке, сжижению у заправке в баллоны.

CO2 при производстве негашеной извести CaO из CaCO3

Процесс производства широко используемой негашеной извести CaO также имеет в качестве побочного продукта реакции двуокись углерода. Реакция разложения известняка CaCO3 эндотермическая, нуждается в температуре порядка +850°C и выглядит так:
CaCO3 → CaO + CO2

Если же известняк (или другой карбонат металла) вступает в реакцию с кислотой, то в качестве одного из продуктов реакции выделяется углекисота H2CO3. Например, соляная кислота HCl реагирует с известняком (карбонатом кальция) CaCO3 следующим образом:
2HCl + CaCO 3 → CaCl 2 + H 2 CO 3

Угольная кислота является очень нестойкой, и при атмосферных условиях быстро разлагается на CO2 и воду H2O.