Въглероден диоксид и въглероден диоксид. Въглеродният диоксид - невидима опасност

Въглероден диоксид CO2(въглероден диоксид, въглероден диоксид, въглероден диоксид, въглероден анхидрид) в зависимост от налягането и температурата могат да бъдат в газообразно, течно или твърдо състояние.

В газообразно състояние въглеродният диоксид е безцветен газ с леко кисел вкус и мирис. Атмосферата на Земята съдържа около 0,04% въглероден диоксид. При нормални условия плътността му е 1,98 g/l - приблизително 1,5 пъти плътността на въздуха.

Диаграма. Фазово равновесие на въглеродния диоксид

Течен въглероден диоксид (въглероден диоксид)е безцветна течност без мирис. При стайна температура съществува само при налягане над 5850 kPa. Плътността на течния въглероден диоксид силно зависи от температурата. Например при температури под +11°C течният въглероден диоксид е по-тежък от водата, а при температури над +11°C е по-лек. В резултат на изпаряването на 1 kg течен въглероден диоксид при нормални условия се образуват приблизително 509 литра газ.

При температура от около -56,6 ° C и налягане от около 519 kPa течният въглероден диоксид се превръща в твърдо вещество - "сух лед".

В индустрията има 3 най-често срещани начина за производство на въглероден диоксид:

от отпадъчни газове от химическо производство, предимно синтетичен амоняк и метанол; отработените газове съдържат приблизително 90% въглероден диоксид;
от димни газове на промишлени котелни, изгарящи природен газ, въглища и други горива; димният газ съдържа 12-20% въглероден диоксид;
от отпадъчните газове, образувани по време на ферментацията в процеса на производство на бира, алкохол и при разграждането на мазнините; отработените газове са почти чист въглероден диоксид.

Съгласно GOST 8050-85 газообразният и течният въглероден диоксид се доставя в три вида: премиум, първи и втори клас. За заваряване се препоръчва използването на въглероден диоксид от най-висок и първи клас. Допуска се използването на въглероден диоксид от втора степен за заваряване, но е желателно наличието на газови сушилни. Допустимото съдържание на въглероден диоксид и някои примеси в различни марки въглероден диоксид е показано в таблицата по-долу.

Таблица. Характеристики на марките въглероден диоксид

Предпазни мерки при работа с въглероден диоксид:

Въглеродният диоксид не е токсичен и не е експлозивен, но когато концентрацията му във въздуха надвишава 5% (92 g/m3), делът на кислорода намалява, което може да доведе до недостиг на кислород и задушаване. Ето защо трябва да внимавате за натрупването му в лошо проветриви помещения. За регистриране на концентрацията на въглероден диоксид във въздуха на промишлени помещения се използват газоанализатори - стационарни автоматични или преносими.
Когато налягането спадне до атмосферното, течният въглероден диоксид се превръща в газ и сняг с температура -78,5°C и може да доведе до увреждане на лигавицата на очите и измръзване на кожата. Ето защо, когато се вземат проби от течен въглероден диоксид, е необходимо да се използват защитни очила и ръкавици.
Проверката на вътрешния контейнер на използван преди това резервоар за съхранение и транспортиране на течен въглероден диоксид трябва да се извърши с помощта на газова маска. Резервоарът трябва да се затопли до стайна температура, а вътрешният контейнер трябва да се продуха с въздух или да се вентилира. Противогазът не може да се използва, докато обемната част на въглеродния диоксид в оборудването не падне под 0,5%.

Използване на въглероден диоксид при заваряване

Въглеродният диоксид се използва като активен защитен газ за електродъгово заваряване(обикновено при полуавтоматично заваряване) с консумативен електрод (тел), включително като част от газова смес (с кислород, аргон).

Заваръчните станции могат да бъдат снабдени с въглероден диоксид по следните начини:

директно от автономна станция за производство на въглероден диоксид;
от стационарен съд за съхранение - със значителни обеми потребление на въглероден диоксид и предприятието не разполага със собствена автономна станция;
от транспортния резервоар за въглероден диоксид - с по-малки обеми на потребление на въглероден диоксид;
от бутилки - когато обемът на използвания въглероден диоксид е незначителен или е невъзможно да се положат тръбопроводи до заваръчната станция.

Автономна станция за производство на въглероден диоксид е отделен специализиран цех на предприятие, което произвежда въглероден диоксид за собствени нужди и за доставка на други организации. Въглеродният диоксид се доставя до заваръчните станции чрез газопроводи, положени в заваръчни цехове.

В случай на големи количества потребление на въглероден диоксид и предприятието няма автономна станция, въглеродният диоксид се съхранява в стационарни съдове за съхранение, в които идва от транспортни резервоари (виж фигурата по-долу).

рисуване. Схема за захранване на заваръчни станции с въглероден диоксид от стационарен съд за съхранение

За по-малки обеми на потребление въглеродният диоксид може да се доставя чрез тръбопроводи директно от транспортния резервоар. Характеристиките на някои стационарни и транспортни контейнери са показани в таблицата по-долу.

Таблица. Характеристики на контейнери за съхранение и транспортиране на въглероден диоксид (въглероден диоксид)

Марка	Маса на въглероден диоксид, kg	Предназначение	Време за съхранение на въглероден диоксид, дни	Марка газификатор
ЦЖУ-3.0-2.0	2 950	Транспортен автомобил ЗИЛ-130	6-20	ЕГУ-100
НЖУ-4-1.6	4 050	Стационарен склад	6-20	ЕГУ-100
ЦЖУ-9.0-1.8	9 000	Транспортен автомобил МАЗ 5245	6-20	ГУ-400
НЖУ-12,5-1,6	12 800	Стационарен склад	6-20	ГУ-400
UDH-12.5	12 300	Стационарен склад		УГМ-200М
ЦЖУ-40-2	39 350	Транспортна ж.п	40	ГУ-400
РДХ-25-2	25 500	Стационарен склад	Неограничен, оборудван с хладилен агрегат	ГУ-400
НЖУ-50Д	50 000	Стационарен склад	Неограничен, оборудван с хладилен агрегат	ГУ-400

Когато обемът на потреблението на въглероден диоксид е малък или е невъзможно да се положат тръбопроводи до заваръчните станции, за подаване на въглероден диоксид се използват бутилки. Стандартен черен цилиндър с вместимост 40 литра се пълни с 25 kg течен въглероден диоксид, който обикновено се съхранява при налягане 5-6 MPa. В резултат на изпаряването на 25 kg течен въглероден диоксид се образуват приблизително 12 600 литра газ. Диаграмата за съхранение на въглероден диоксид в цилиндър е показана на фигурата по-долу.

рисуване. Схема за съхранение на въглероден диоксид (въглероден диоксид) в цилиндър

За да извлечете газ от бутилка, тя трябва да бъде оборудвана с редуктор, газов нагревател и газова сушилня. Когато въглеродният диоксид напусне цилиндъра в резултат на неговото разширяване, настъпва адиабатно охлаждане на газа. При висок дебит на газ (повече от 18 l/min) това може да доведе до замръзване на съдържащите се в газа водни пари и блокиране на редуктора. В тази връзка е препоръчително да поставите газов нагревател между редуктора и вентила на бутилката. Когато газът преминава през бобината, той се нагрява от електрически нагревателен елемент, свързан към 24 или 36 V мрежа.

Газова сушилня се използва за извличане на влага от въглероден диоксид. Това е корпус, пълен с материал (обикновено силикагел, меден сулфат или алуминиев гел), който абсорбира добре влагата. Сушилните се предлагат с високо налягане, монтирани преди редуктора, и ниско налягане, монтирани след редуктора.

Въглеродният диоксид е безцветен газ с едва доловима миризма, нетоксичен, по-тежък от въздуха. Въглеродният диоксид е широко разпространен в природата. Разтваря се във вода, образува въглена киселина H 2 CO 3, което му придава кисел вкус. Въздухът съдържа около 0,03% въглероден диоксид. Плътността е 1,524 пъти по-голяма от плътността на въздуха и е равна на 0,001976 g / cm 3 (при нулева температура и налягане 101,3 kPa). Йонизационен потенциал 14.3V. Химична формула - CO 2.

В заваръчното производство се използва терминът "въглероден двуокис"см. . В „Правилата за устройство и безопасна експлоатация на съдове под налягане“ терминът "въглероден двуокис", а в - срок "въглероден двуокис".

Има много начини за производство на въглероден диоксид, основните са разгледани в статията.

Плътността на въглеродния диоксид зависи от налягането, температурата и агрегатното състояние, в което се намира. При атмосферно налягане и температура от -78,5 ° C въглеродният диоксид, заобикаляйки течното състояние, се превръща в бяла снежна маса "сух лед".

Под налягане от 528 kPa и при температура от -56,6 ° C въглеродният диоксид може да бъде във всичките три състояния (така наречената тройна точка).

Въглеродният диоксид е термично стабилен, разпада се на въглероден оксид само при температури над 2000°C.

Въглеродният диоксид е първият газ, описан като дискретно вещество. През седемнадесети век фламандски химик Ян Баптист ван Хелмонт (Ян Баптист ван Хелмонт) забеляза, че след изгаряне на въглища в затворен съд масата на пепелта е много по-малка от масата на изгорените въглища. Той обясни това, като каза, че въглищата се трансформират в невидима маса, която той нарече „газ“.

Свойствата на въглеродния диоксид са изследвани много по-късно през 1750 г. шотландски физик Джоузеф Блек (Джоузеф Блек).

Той открива, че варовикът (калциев карбонат CaCO 3), когато се нагрява или реагира с киселини, освобождава газ, който той нарича „свързан въздух“. Оказа се, че „свързаният въздух“ е по-плътен от въздуха и не поддържа горене.

CaCO3 + 2HCl = CO2 + CaCl2 + H2O

Чрез преминаване на „свързан въздух“, т.е. въглероден диоксид CO 2 чрез воден разтвор на вар Ca(OH) 2 калциев карбонат CaCO 3 се отлага на дъното. Джоузеф Блек използва този експеримент, за да докаже, че въглеродният диоксид се отделя чрез дишането на животните.

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2

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

Течният въглероден диоксид е безцветна течност без мирис, чиято плътност варира значително в зависимост от температурата. Съществува при стайна температура само при налягане над 5,85 MPa. Плътността на течния въглероден диоксид е 0,771 g/cm3 (20°C). При температури под +11°C е по-тежък от водата, а над +11°C е по-лек.

Специфичното тегло на течния въглероден диоксид варира значително в зависимост от температурата, следователно количеството въглероден диоксид се определя и продава по тегло. Разтворимостта на вода в течен въглероден диоксид в температурния диапазон 5,8-22,9°C е не повече от 0,05%.

Течният въглероден диоксид се превръща в газ, когато към него се подава топлина. При нормални условия (20°C и 101,3 kPa) Когато 1 kg течен въглероден диоксид се изпари, се образуват 509 литра въглероден диоксид. Когато газът се изтегли твърде бързо, налягането в цилиндъра намалява и подаването на топлина е недостатъчно, въглеродният диоксид се охлажда, скоростта на изпарението му намалява и когато достигне „тройната точка“, се превръща в сух лед, който запушва дупката в редуктора и по-нататъшното извличане на газ спира. При нагряване сухият лед директно се превръща във въглероден диоксид, заобикаляйки течното състояние. За да се изпари сух лед, е необходимо да се достави значително повече топлина, отколкото да се изпари течният въглероден диоксид - следователно, ако в цилиндъра се е образувал сух лед, той се изпарява бавно.

Течният въглероден диоксид е произведен за първи път през 1823 г. Хъмфри Дейви(Хъмфри Дейви) и Майкъл Фарадей(Майкъл Фарадей).

Твърдият въглероден диоксид "сух лед" прилича на сняг и лед на външен вид. Съдържанието на въглероден диоксид, получен от брикетите със сух лед е високо - 99,93-99,99%. Съдържанието на влага е в диапазона 0,06-0,13%. Сухият лед, намиращ се на открито, се изпарява бързо, така че контейнерите се използват за неговото съхранение и транспортиране. Въглеродният диоксид се произвежда от сух лед в специални изпарители. Твърд въглероден диоксид (сух лед), доставен в съответствие с GOST 12162.

Най-често се използва въглероден диоксид:

за създаване на защитна среда за металите;
в производството на газирани напитки;
Охлаждане, замразяване и съхранение на хранителни продукти;
за пожарогасителни системи;
за почистване на повърхности със сух лед.

Плътността на въглеродния диоксид е доста висока, което позволява да се защити реакционното пространство на дъгата от контакт с въздушни газове и предотвратява азотирането при относително ниска консумация на въглероден диоксид в струята. Въглеродният диоксид по време на процеса на заваряване взаимодейства със заваръчния метал и има окисляващ, а също и карбуризиращ ефект върху метала на заваръчната вана.

Преди това съществуват пречки пред използването на въглероден диоксид като защитна средав шевовете. Порите са причинени от кипене на втвърдяващия се метал на заваръчната вана от отделянето на въглероден оксид (CO) поради недостатъчното му дезоксидиране.

При високи температури въглеродният диоксид се дисоциира, за да образува високоактивен свободен, моноатомен кислород:

Окисляването на заваръчния метал, освободен от въглероден диоксид по време на заваряване, се неутрализира чрез съдържанието на допълнително количество легиращи елементи с висок афинитет към кислорода, най-често силиций и манган (повече от необходимото количество за легиране на заваръчния метал) или потоци, въведени в зоната на заваряване (заваряване).

Както въглеродният диоксид, така и въглеродният оксид са практически неразтворими в твърд и разтопен метал. Свободният актив окислява елементите, присъстващи в заваръчната вана в зависимост от техния кислороден афинитет и концентрация съгласно уравнението:

Me + O = MeO

където Me е метал (манган, алуминий и др.).

В допълнение, самият въглероден диоксид реагира с тези елементи.

В резултат на тези реакции при заваряване във въглероден диоксид се наблюдава значително изгаряне на алуминий, титан и цирконий и по-малко интензивно изгаряне на силиций, манган, хром, ванадий и др.

Окисляването на примесите протича особено енергично при. Това се дължи на факта, че при заваряване с консумативен електрод взаимодействието на разтопения метал с газа се получава, когато в края на електрода и в заваръчната вана остане капка, а при заваряване с неконсумативен електрод, среща се само в басейна. Както е известно, взаимодействието на газ с метал в дъгова междина се осъществява много по-интензивно поради високата температура и по-голямата контактна повърхност на метала с газа.

Поради химическата активност на въглеродния диоксид по отношение на волфрама, заваряването в този газ се извършва само с консумативен електрод.

Въглеродният диоксид е нетоксичен и неексплозивен. При концентрации над 5% (92 g/m3) въглеродният диоксид има вредно въздействие върху човешкото здраве, тъй като е по-тежък от въздуха и може да се натрупа в лошо вентилирани помещения близо до пода. Това намалява обемната част на кислорода във въздуха, което може да причини недостиг на кислород и задушаване. Помещенията, където се извършва заваряване с въглероден диоксид, трябва да бъдат оборудвани с обща захранваща и смукателна вентилация. Максимално допустимата концентрация на въглероден диоксид във въздуха на работната зона е 9,2 g/m 3 (0,5%).

Въглеродният диоксид се доставя от. За получаване на висококачествени шевове се използва газообразен и втечнен въглероден диоксид от най-висок и първи клас.

Въглеродният диоксид се транспортира и съхранява в стоманени цилиндри или резервоари с голям капацитет в течно състояние, последвано от газификация в завода, с централизирано захранване към заваръчните станции чрез рампи. Стандартен с воден капацитет 40 литра се пълни с 25 kg течен въглероден диоксид, който при нормално налягане заема 67,5% от обема на цилиндъра и произвежда 12,5 m 3 въглероден диоксид при изпаряване. Въздухът се натрупва в горната част на цилиндъра заедно с въглеродния диоксид. Водата, която е по-тежка от течния въглероден диоксид, се събира на дъното на цилиндъра.

За да се намали влажността на въглеродния диоксид, се препоръчва цилиндърът да се монтира с клапана надолу и след утаяване за 10...15 минути внимателно отворете клапана и изпуснете влагата от цилиндъра. Преди заваряване е необходимо да се освободи малко количество газ от нормално монтиран цилиндър, за да се отстрани въздухът, уловен в цилиндъра. Част от влагата се задържа във въглероден диоксид под формата на водна пара, което влошава заваряването на шева.

Когато газът се отделя от цилиндъра, поради дроселиращия ефект и поглъщането на топлина по време на изпаряването на течния въглероден диоксид, газът се охлажда значително. При интензивно извличане на газ редукторът може да се запуши със замръзнала влага, съдържаща се във въглероден диоксид, както и сух лед. За да се избегне това, при извличане на въглероден диоксид пред редуктора се монтира газов нагревател. Окончателното отстраняване на влагата след скоростната кутия се извършва със специален десикант, напълнен със стъклена вата и калциев хлорид, силикагел, меден сулфат или други абсорбери на влага

Цилиндърът с въглероден диоксид е боядисан в черно, с надпис „Въглеродна киселина“ с жълти букви..

Съдържанието на статията

ВЪГЛЕРОДЕН ДВУОКИС(въглероден (IV) оксид, въглероден анхидрид, въглероден диоксид) CO 2, добре позната съставка с мехурчета в газираните безалкохолни напитки. За лечебните свойства на „газираната вода” от природни източници човекът знае от незапомнени времена, но едва през 19 век. Научих се да го получавам сам. В същото време беше идентифицирано веществото, което прави водата ефервесцентна - въглероден диоксид. За първи път за целите на карбонизацията този газ е получен през 1887 г. по време на реакцията между натрошен мрамор и сярна киселина; той също е изолиран от естествени източници. По-късно CO 2 започва да се произвежда в индустриален мащаб чрез изгаряне на кокс, калциниране на варовик и ферментация на алкохол. Повече от четвърт век въглеродният диоксид се съхранява в стоманени бутилки под налягане и се използва почти изключително за газиране на напитки. През 1923 г. започва да се произвежда твърд CO 2 (сух лед) като търговски продукт, а около 1940 г. се произвежда течен CO 2, който се излива в специални запечатани резервоари под високо налягане.

Физични свойства.

При нормални температури и налягания въглеродният диоксид е безцветен газ с леко кисел вкус и мирис. Той е 50% по-тежък от въздуха, така че може да се прелива от един съд в друг. CO 2 е продукт на повечето горивни процеси и в достатъчно големи количества може да гаси пламъци чрез изместване на кислорода от въздуха. Когато концентрацията на CO 2 се увеличи в лошо вентилирана стая, съдържанието на кислород във въздуха намалява толкова много, че човек може да се задуши. CO 2 се разтваря в много течности; разтворимостта зависи от свойствата на течността, температурата и налягането на парите на CO 2 . Способността на въглеродния диоксид да се разтваря във вода определя широкото му използване в производството на безалкохолни напитки. CO 2 е силно разтворим в органични разтворители, като алкохол, ацетон и бензен.

С увеличаване на налягането и охлаждане въглеродният диоксид лесно се втечнява и е в течно състояние при температури от +31 до –57 ° C (в зависимост от налягането). Под –57°C преминава в твърдо състояние (сух лед). Налягането, необходимо за втечняване, зависи от температурата: при +21° C е 60 atm, а при –18° C е само 20 atm. Течният CO 2 се съхранява в запечатани контейнери под подходящо налягане. Когато премине в атмосферата, част от него се превръща в газ, а част във „въглероден сняг“, докато температурата му пада до –84 ° C.

Поглъщайки топлината от околната среда, сухият лед преминава в газообразно състояние, заобикаляйки течната фаза - сублимира. За да се намалят загубите от сублимация, той се съхранява и транспортира в запечатани контейнери, които са достатъчно здрави, за да издържат на повишаването на налягането при повишаване на температурата.

Химични свойства.

CO 2 е нискоактивно съединение. При разтваряне във вода образува слаба въглена киселина, която оцветява лакмусовата хартия в червено. Въглената киселина подобрява вкуса на газираните напитки и предотвратява развитието на бактерии. Реагирайки с алкални и алкалоземни метали, както и с амоняк, CO 2 образува карбонати и бикарбонати.

Разпространение в природата и производството.

CO 2 се образува при изгаряне на въглеродсъдържащи вещества, алкохолна ферментация и гниене на растителни и животински остатъци; освобождава се при дишане на животните и се отделя от растенията на тъмно. При светлина, напротив, растенията абсорбират CO 2 и отделят кислород, което поддържа естествения баланс на кислород и въглероден диоксид във въздуха, който дишаме. Съдържанието на CO 2 в него не надвишава 0,03% (по обем).

Има пет основни начина за производство на CO 2: изгаряне на въглеродсъдържащи вещества (кокс, природен газ, течно гориво); образуване като страничен продукт по време на синтеза на амоняк; калциниране на варовик; ферментация; изпомпване от кладенци. В последните два случая се получава почти чист въглероден диоксид, а при изгаряне на въглеродсъдържащи вещества или калциниране на варовик се образува смес от CO 2 с азот и следи от други газове. Тази смес преминава през разтвор, който абсорбира само CO 2 . След това разтворът се нагрява и се получава почти чист CO 2, който се отделя от останалите примеси. Водната пара се отстранява чрез замразяване и химическо сушене.

Пречистеният CO 2 се втечнява чрез охлаждане при високо налягане и се съхранява в големи контейнери. За производството на сух лед течният CO 2 се подава в затворена камера на хидравлична преса, където налягането се намалява до атмосферно. При рязко понижаване на налягането от CO2 се образува рохкав сняг и много студен газ. Снегът се компресира и се получава сух лед. Газът CO 2 се изпомпва, втечнява и връща в резервоара за съхранение.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Получаване на ниски температури.

В течна и твърда форма CO 2 се използва главно като хладилен агент. Сухият лед е компактен материал, лесен за обработка и ви позволява да създавате различни температурни условия. При същата маса той е повече от два пъти по-студен от обикновения лед, заемайки половината от обема. Сухият лед се използва при съхранение на храни. Използва се за охлаждане на шампанско, безалкохолни напитки и сладолед. Намира широко приложение при „студено смилане” на термочувствителни материали (месни продукти, смоли, полимери, багрила, инсектициди, бои, подправки); при преобръщане (почистване от грапавини) щамповани гумени и пластмасови изделия; при нискотемпературно изпитване на самолети и електронни устройства в специални камери; за “студено смесване” на полуготови мъфини и сладки, за да останат хомогенни при печене; за бързо охлаждане на контейнери с транспортирани продукти чрез обдухване със струя натрошен сух лед; при закаляване на легирани и неръждаеми стомани, алуминий и др. с цел подобряване на физическите им свойства; за плътно прилягане на машинните части при монтажа им; за охлаждане на фрези при обработка на детайли от високоякостна стомана.

Карбонизация.

Основното приложение на CO 2 газа е газирането на вода и безалкохолни напитки. Първо, водата и сиропът се смесват в необходимите пропорции и след това сместа се насища с CO 2 газ под налягане. Карбонизацията в бирите и вината обикновено се получава в резултат на протичащи в тях химични реакции.

Приложения, базирани на инерция.

CO 2 се използва като антиоксидант при дългосрочно съхранение на много хранителни продукти: сирене, месо, мляко на прах, ядки, разтворим чай, кафе, какао и др. Като средство за потискане на горенето CO 2 се използва при съхранение и транспортиране на запалими материали, като ракетно гориво, масла, бензин, бои, лакове и разтворители. Използва се като защитна среда при електрическо заваряване на въглеродни стомани, за да се получи равномерна, здрава заварка, докато заваръчната работа е по-евтина, отколкото при използване на инертни газове.

CO 2 е едно от най-ефективните средства за гасене на пожари, които възникват при запалване на запалими течности и електрически повреди. Произвеждат се различни пожарогасители с въглероден диоксид: от преносими с капацитет не повече от 2 кг до стационарни автоматични захранващи устройства с общ капацитет на цилиндъра до 45 кг или газови резервоари с ниско налягане с капацитет до 60 тона CO 2. Течният CO 2, който е под налягане в такива пожарогасители, когато се освободи, образува смес от сняг и студен газ; последният има по-висока плътност от въздуха и го измества от зоната на горене. Ефектът се засилва и от охлаждащия ефект на снега, който, изпарявайки се, се превръща в газообразен CO2.

Химически аспекти.

Въглеродният диоксид се използва при производството на аспирин, оловно бяло, урея, перборати и химически чисти карбонати. Въглеродната киселина, образувана при разтваряне на CO 2 във вода, е евтин реагент за неутрализиране на алкали. В леярните въглеродният диоксид се използва за втвърдяване на пясъчни форми чрез взаимодействие на CO 2 с натриев силикат, смесен с пясък. Това ви позволява да получите по-висококачествени отливки. Огнеупорните тухли, използвани за облицоване на пещи за топене на стомана, стъкло и алуминий, стават по-издръжливи след обработка с въглероден диоксид. CO 2 се използва и в градски системи за омекотяване на вода, използващи натриева вар.

Създаване на повишено налягане.

CO 2 се използва за изпитване под налягане и изпитване за течове на различни контейнери, както и за калибриране на манометри, клапани и запалителни свещи. Използва се за пълнене на преносими контейнери за надуване на спасителни колани и надуваеми лодки. Смес от въглероден диоксид и азотен оксид отдавна се използва за херметизиране на аерозолни кутии. CO 2 се инжектира под налягане в запечатани контейнери с етер (в устройства за бързо стартиране на двигателя), разтворители, бои, инсектициди за последващо пръскане на тези вещества.

Приложение в медицината.

CO 2 се добавя в малки количества към кислорода (за стимулиране на дишането) и по време на анестезия. Във високи концентрации се използва за хуманно умъртвяване на животни.

Цели:

Разширете разбирането си за историята на откриването, свойствата и практическите приложения на въглеродния диоксид.
Запознайте учениците с лабораторните методи за получаване на въглероден диоксид.
Продължаване на изграждането на експериментални умения на учениците.

Използвани техники:“верни и неверни твърдения”, “зигзаг-1”, клъстери.

Лабораторно оборудване:лабораторен стенд, устройство за получаване на газове, чаша 50 ml, парчета мрамор, солна киселина (1:2), варна вода, скоба на Мор.

I. Етап на повикване

На етапа на предизвикателството се използва техниката „верни и неверни твърдения“.

Изявления

II. Етап на зачеване

1. Организация на дейности в работни групи, участниците в които получават текстове по петте основни теми на „зигзага“:

История на откриването на въглеродния диоксид
Въглероден диоксид в природата
Произвеждане на въглероден диоксид
Свойства на въглеродния диоксид
Практическо приложение на въглеродния диоксид

Има първоначално запознаване с текста, първоначално четене.

2. Работа в експертни групи.

Експертните групи обединяват „експерти“ по конкретни въпроси. Тяхната задача е да прочетат внимателно текста, да подчертаят ключови фрази и нови понятия или да използват клъстери и различни схеми за графично изобразяване на съдържанието на текста (работата се извършва индивидуално).

3. Подбор на материал, неговото структуриране и допълване (работа в група)

4. Подготовка за излъчване на текст в работни групи

1-ва групаексперти съставят справочно резюме „Историята на откриването на въглеродния диоксид“
2-ра групаексперти съставят диаграма на разпределението на въглеродния диоксид в природата
3-та групаексперти съставят схема за производство на въглероден диоксид и чертеж на инсталацията за неговото производство
4-та групаексперти съставят класификация на свойствата на въглеродния диоксид
5-та групаексперти съставят схема за практическо използване на въглеродния диоксид

5. Подготовка за презентацията (постер)

III. Етап на размисъл

Върнете се към работните групи

Излъчване в група от теми 1–5 последователно. Сглобяване на инсталация за производство на въглероден диоксид. Получаване на въглероден диоксид и изследване на неговите свойства.
Обсъждане на експерименталните резултати.
Представяне на отделни теми.
Върнете се към „верни и неверни твърдения“. Тестване на вашите първоначални предположения. Подреждане на нови икони.

Може да изглежда така:

Изявления
1. Въглеродният диоксид е „див газ“.
2. Моретата и океаните съдържат 60 пъти повече въглероден диоксид от земната атмосфера.
3. Естествените източници на въглероден диоксид се наричат мофети.
4. В околностите на Неапол има “Кучешка пещера”, в която кучетата не се допускат.
5. В лабораториите въглеродният диоксид се произвежда чрез действието на сярна киселина върху парчета мрамор.
6. Въглеродният диоксид е газ без цвят и мирис, по-лек от въздуха, силно разтворим във вода.
7. Твърдият въглероден диоксид се нарича "сух лед".
8. Варовата вода е разтвор на калциев хидроксид във вода.

Текстове по петте основни теми на „зигзага“

1. История на откриването на въглеродния диоксид

Въглеродният диоксид е първият сред всички други газове, който се противопоставя на въздуха под името „див газ“ от алхимика от 16 век. Ван'т Хелмонт.

Откриването на CO 2 бележи началото на нов клон на химията - пневматохимията (химия на газовете).

Шотландският химик Джоузеф Блек (1728 - 1799) през 1754 г. установява, че варовитият минерален мрамор (калциев карбонат) се разлага при нагряване, отделяйки газ и образувайки негасена вар (калциев оксид):

CaCO 3 CaO + CO 2
калциев карбонат калциев оксид въглероден диоксид

Освободеният газ може да се рекомбинира с калциев оксид, за да образува отново калциев карбонат:

CaO + CO 2 CaCO 3
калциев оксид въглероден диоксид калциев карбонат

Този газ беше идентичен с „дивия газ“, открит от Ван Хелмонт, но Блек му даде ново име – „свързан въздух“ – тъй като този газ можеше да бъде свързан и отново да стане твърдо вещество, а освен това имаше способността да бъде привличан към варовита вода (калциев хидроксид) и да я накара да стане мътна:

въглероден диоксид калциев хидроксид калциев карбонат вода

Няколко години по-късно Кавендиш открива още две характерни физични свойства на въглеродния диоксид - неговата висока плътност и значителна разтворимост във вода.

2. Въглероден диоксид в природата

Съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата е сравнително малко, само 0,04–0,03% (по обем). CO2, концентриран в атмосферата, има маса от 2200 милиарда тона.
60 пъти повече въглероден диоксид се намира разтворен в моретата и океаните.
През всяка година приблизително 1/50 от общия CO 2, съдържащ се в него, се отстранява от атмосферата от растителната покривка на земното кълбо чрез процеса на фотосинтеза, който превръща минералните вещества в органични вещества.
По-голямата част от въглеродния диоксид в природата се образува в резултат на различни процеси на разлагане на органични вещества. Въглеродният диоксид се отделя по време на дишането на растения, животни и микроорганизми. Количеството въглероден диоксид, отделено от различни индустрии, непрекъснато нараства. Въглеродният диоксид се съдържа във вулканичните газове и също се отделя от земята във вулканичните зони. „Кучешката пещера“ работи като постоянен генератор на CO 2 от няколко века близо до град Неапол в Италия. Известен е с това, че в него не могат да бъдат кучета, но човек може да остане там в нормално състояние. Факт е, че в тази пещера въглеродният диоксид се отделя от земята и тъй като е 1,5 пъти по-тежък от въздуха, той се намира отдолу, приблизително на височината на куче (0,5 м). В такъв въздух, където въглеродният диоксид е 14%, кучетата (и други животни, разбира се) не могат да дишат, но възрастен, стоящ на крака, не усеща излишния въглероден диоксид в тази пещера. Същите пещери съществуват в Национален парк Йелоустоун (САЩ).
Естествените източници на въглероден диоксид се наричат мофети. Мофетите са характерни за последния, късен етап на вулканично затихване, в който по-специално се намира известният вулкан Елбрус. Поради това има многобройни извори на горещи извори, наситени с въглероден диоксид, пробиващ снега и леда.
Извън земното кълбо въглеродният окис (IV) се намира в атмосферите на Марс и Венера, „земни“ планети.

3. Произвеждане на въглероден диоксид

В промишлеността въглеродният диоксид се получава главно като страничен продукт от изгаряне на варовик, алкохолна ферментация и др.
В химическите лаборатории те или използват готови цилиндри с течен въглероден диоксид, или получават CO 2 в апарат на Kipp или устройство за производство на газове чрез действието на солна киселина върху парчета мрамор:

CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2 + H2O
калциев карбонат солна киселина калциев хлорид въглероден диоксид вода

Невъзможно е да използвате сярна киселина вместо солна киселина, защото тогава вместо калциев хлорид, който е разтворим във вода, ще получите гипс - калциев сулфат (CaSO 4) - сол, която е слабо разтворима във вода. Когато се отложи върху парчета мрамор, гипсът прави изключително трудно за киселината да достигне до тях и по този начин силно забавя реакцията.
За производство на въглероден диоксид:

Прикрепете устройство за получаване на газове към крака на лабораторна стойка
Отстранете запушалката с фуния от епруветката с приставката
Поставете 2-3 парчета мрамор в дюзата с размер ? грах
Поставете отново запушалката на фунията в епруветката. Отворете скобата
Изсипете солна киселина (1:2) във фунията (внимателно!), така че киселината леко да покрие мрамора
Напълнете чашата с въглероден (IV) монооксид и затворете скобата.

4. Свойства на въглеродния диоксид

CO 2 е безцветен газ, без мирис, 1,5 пъти по-тежък от въздуха, трудно се смесва с него (по думите на Д. И. Менделеев „потъва“ във въздуха), което може да се докаже чрез следния експеримент: над чаша, в в която е фиксирана горяща свещ, преобърнете чаша, пълна с въглероден диоксид. Свещта угасва моментално.
Въглеродният окис (IV) е кисел и когато този газ се разтвори във вода, се образува въглеродна киселина. Когато CO 2 преминава през оцветена с лакмус вода, можете да наблюдавате промяна в цвета на индикатора от лилаво към червено.
Добрата разтворимост на въглеродния диоксид във вода прави невъзможно събирането му чрез метода на „изместване на водата“.
Качествена реакция на съдържанието на въглероден диоксид във въздуха е преминаването на газа през разреден разтвор на калциев хидроксид (варовита вода). Въглеродният диоксид причинява образуването на неразтворим калциев карбонат в този разтвор, което води до помътняване на разтвора:

CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O
въглероден диоксид калциев хидроксид калциев карбонат вода

Когато се добави излишък от CO2, мътният разтвор става отново бистър поради превръщането на неразтворим карбонат в разтворим калциев бикарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3) 2
калциев карбонат вода въглероден диоксид калциев бикарбонат

5. Практически приложения на въглеродния диоксид

Пресованият твърд въглероден диоксид се нарича "сух лед".
Твърдият CO 2 е по-скоро като компресиран плътен сняг, с твърдост, напомняща на тебешир. Температурата на „сухия лед” е –78 o C. Сухият лед, за разлика от водния, е плътен. Той потъва във водата, охлаждайки я рязко. Горящият бензин може бързо да се потуши, като се хвърлят няколко парчета сух лед в пламъка.
Основната употреба на сухия лед е съхранението и транспортирането на храна: риба, месо, сладолед и др. Стойността на сухия лед се крие не само в неговия охлаждащ ефект, но и във факта, че храната във въглероден диоксид не плесенясва или гниене.
Сухият лед се използва в лаборатории за тестване на части, инструменти и механизми, които ще работят при ниски температури. Сухият лед се използва за тестване на устойчивостта на замръзване на гумени автомобилни гуми.
Въглеродният диоксид се използва за газиране на плодови и минерални води, а в медицината – за въглеродни вани.
Течният въглероден диоксид се използва в пожарогасители с въглероден диоксид, пожарогасителни системи в самолети и кораби и в пожарни машини с въглероден диоксид. Особено ефективен е в случаите, когато водата е неподходяща, например при гасене на пожари от запалими течности или когато в помещението има електрическа инсталация или уникално оборудване, което може да се повреди от водата.
В много случаи CO 2 не се използва в завършен вид, а се получава при използването на например бакпулвери, съдържащи смес от натриев бикарбонат и калиев тартарат. Когато такива прахове се смесят с тестото, солите се разтварят и настъпва реакция, освобождаваща CO 2 . В резултат на това тестото се надига, пълни с мехурчета въглероден диоксид, а изпеченият от него продукт се оказва мек и вкусен.

Литература

Промяна // Международно списание за развитието на мисленето чрез четене и писане. – 2000. – № 1, 2.
Съвременен студент в областта на информацията и комуникацията: Учебно-методическо ръководство. – Санкт Петербург: ПЕТРОК, 2000.
Загашев И.О., Заир-Бек С.И.Критично мислене: технология за развитие. – Санкт Петербург: Издателство Алианс Делта, 2003.

В промишлеността основните методи за производство на въглероден диоксид CO2 са неговото производство като страничен продукт от реакцията на превръщане на метан CH4 във водород H2, реакции на изгаряне (окисление) на въглеводороди, реакция на разлагане на варовик CaCO3 във вар CaO и вода H20.

CO2 като страничен продукт от парното преобразуване на CH4 и други въглеводороди във водород H2

Водородът H2 се изисква от промишлеността, предимно за използването му в процеса на производство на амоняк NH3 (процес на Хабер, каталитична реакция на водород и азот); Амонякът е необходим за производството на минерални торове и азотна киселина. Водородът може да се произвежда по различни начини, включително електролизата на водата, която е обичана от еколозите - но, за съжаление, в момента всички методи за производство на водород, с изключение на реформирането на въглеводороди, са абсолютно икономически неоправдани в мащаба на големи мащаби. производство - освен ако няма излишък на "безплатни" материали в производството.електричество. Следователно основният метод за производство на водород, при който се отделя и въглероден диоксид, е парният реформинг на метан: при температура около 700...1100°C и налягане 3...25 bar, в присъствието на катализатор, водната пара H2O реагира с метан CH4 с освобождаване на синтезен газ (процесът е ендотермичен, т.е. протича с абсорбцията на топлина):
CH4 + H2O (+ топлина) → CO + 3H2

Пропанът може да бъде реформиран с пара по подобен начин:
С3H8 + 3H2O (+ топлина) → 2CO + 7H2

А също и етанол (етилов алкохол):
C2H5OH + H2O (+ топлина) → 2CO + 4H2

Дори бензинът може да бъде реформиран с пара. Бензинът съдържа повече от 100 различни химични съединения, реакциите на парно реформиране на изооктан и толуен са показани по-долу:
C8H18 + 8H2O (+ топлина) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ топлина) → 7CO + 11H2

И така, в процеса на парно реформиране на едно или друго въглеводородно гориво се получават водород и въглероден оксид CO (въглероден оксид). В следващата стъпка от процеса на производство на водород въглеродният окис, в присъствието на катализатор, претърпява реакцията на преместване на кислороден атом O от вода към газ = CO се окислява до CO2 и водородът H2 се освобождава в свободна форма. Реакцията е екзотермична, отделяйки около 40,4 kJ/mol топлина:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ топлина)

В промишлени условия въглеродният диоксид CO2, отделен по време на парното реформиране на въглеводороди, може лесно да бъде изолиран и събран. Въпреки това CO2 в този случай е нежелан страничен продукт, който просто се освобождава свободно в атмосферата, въпреки че сега преобладаващият начин за премахване на CO2 е нежелан от гледна точка на околната среда и някои предприятия практикуват по-„напреднали“ методи , като например изпомпване на CO2 в намаляващи нефтени полета или инжектиране в океана.

Производство на CO2 от пълно изгаряне на въглеводородни горива

При изгаряне, тоест окисляване с достатъчно количество кислород, се образуват въглеводороди като метан, пропан, бензин, керосин, дизелово гориво и др., въглероден диоксид и обикновено вода. Например, реакцията на изгаряне на метан CH4 изглежда така:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

CO2 като страничен продукт от производството на H2 чрез частично окисление на гориво

Около 95% от промишлено произведения в света водород се произвежда чрез гореописания метод на парно преобразуване на въглеводородни горива, основно CH4 метан, съдържащ се в природния газ. В допълнение към парното реформиране, водородът може да бъде произведен от въглеводородно гориво с доста висока ефективност чрез метода на частично окисление, когато метанът и другите въглеводороди реагират с количество кислород, което е недостатъчно за пълно изгаряне на горивото (не забравяйте, че в процеса на пълно изгаряне изгаряне на гориво, описано накратко малко по-горе, се получава въглероден диоксид CO2 газ и H20 вода). Когато се подава по-малко от стехиометрично количество кислород, реакционните продукти са предимно водород H2 и въглероден оксид, известен също като въглероден оксид CO; въглероден диоксид CO2 и някои други вещества се произвеждат в малки количества. Тъй като обикновено на практика този процес се извършва не с пречистен кислород, а с въздух, то и на входа, и на изхода на процеса има азот, който не участва в реакцията.

Частичното окисление е екзотермичен процес, което означава, че реакцията произвежда топлина. Частичното окисляване обикновено протича много по-бързо от реформирането с пара и изисква по-малък обем на реактора. Както може да се види от реакциите по-долу, частичното окисление първоначално произвежда по-малко водород на единица гориво, отколкото се получава от процеса на парно реформиране.

Реакция на частично окисление на метан CH4:
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ топлина)

Пропан C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ топлина)

Етилов алкохол C2H5OH:
C 2 H 5 OH + ½ O 2 → 2CO + 3H 2 (+ топлина)

Частично окисление на бензин, използвайки примера на изооктан и толуен, от повече от сто химически съединения, присъстващи в бензина:
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ топлина)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ топлина)

За превръщането на CO във въглероден диоксид и производството на допълнителен водород се използва реакцията на преместване на кислорода вода→газ, вече спомената в описанието на процеса на парно реформиране:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ малко количество топлина)

CO2 от ферментация на захар

При производството на алкохолни напитки и хлебни изделия от тесто с мая се използва процесът на ферментация на захари - глюкоза, фруктоза, захароза и др., С образуването на етилов алкохол C2H5OH и въглероден диоксид CO2. Например реакцията на ферментация на глюкоза C6H12O6 е:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2

А ферментацията на фруктоза C12H22O11 изглежда така:
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2

Оборудване за производство на CO2 на Wittemann

При производството на алкохолни напитки полученият алкохол е желан и дори, може да се каже, необходим продукт от реакцията на ферментация. Въглеродният диоксид понякога се отделя в атмосферата, а понякога се оставя в напитката, за да я карбонизира. При печенето на хляб се случва обратното: CO2 е необходим за образуването на мехурчета, които карат тестото да втаса, а етиловият алкохол се изпарява почти напълно по време на печенето.

Много предприятия, предимно дестилерии, за които CO 2 е напълно ненужен страничен продукт, са установили неговото събиране и продажба. Газът от ферментационните резервоари се подава през алкохолни уловители към цеха за въглероден диоксид, където CO2 се пречиства, втечнява и бутилира. Всъщност именно дестилериите са основните доставчици на въглероден диоксид в много региони - и за много от тях продажбата на въглероден диоксид съвсем не е последният източник на доходи.

Съществува цяла индустрия в производството на оборудване за отделяне на чист въглероден диоксид в пивоварни и фабрики за алкохол (Huppmann/GEA Brewery, Wittemann и др.), както и директното му производство от въглеводородни горива. Доставчици на газ като Air Products и Air Liquide също инсталират станции за отделяне на CO2, след което го пречистват и втечняват, преди да го напълнят в бутилки.

CO2 при производството на негасена вар CaO от CaCO3

Процесът за производство на широко използваната негасена вар, CaO, също има въглероден диоксид като страничен продукт от реакцията. Реакцията на разлагане на варовика CaCO3 е ендотермична, изисква температура около +850°C и изглежда така:
CaCO3 → CaO + CO2

Ако варовик (или друг метален карбонат) реагира с киселина, въглеродният диоксид H2CO3 се освобождава като един от реакционните продукти. Например солната киселина HCl реагира с варовик (калциев карбонат) CaCO3, както следва:
2HCl + CaCO 3 → CaCl 2 + H 2 CO 3

Въглеродната киселина е много нестабилна и при атмосферни условия бързо се разлага на CO2 и вода H2O.