Karbondioksid CO 2(karbondioksid, karbondioksid, karbondioksid, karbonsyreanhydrid) avhengig av trykk og temperatur kan være i gassformig, flytende eller fast tilstand.
I gassform er karbondioksid en fargeløs gass med en lett sur smak og lukt. Jordens atmosfære inneholder omtrent 0,04 % karbondioksid. Under normale forhold er dens tetthet 1,98 g/l - omtrent 1,5 ganger tettheten til luft.
Diagram. Faselikevekt av karbondioksid
Flytende karbondioksid (karbondioksid) er en fargeløs, luktfri væske. Ved romtemperatur eksisterer den bare ved trykk over 5850 kPa. Tettheten av flytende karbondioksid er svært avhengig av temperaturen. For eksempel, ved temperaturer under +11°C er flytende karbondioksid tyngre enn vann ved temperaturer over +11°C, det er lettere. Som et resultat av fordampning av 1 kg flytende karbondioksid under normale forhold, dannes det ca. 509 liter gass.
Ved en temperatur på ca -56,6 ° C og et trykk på ca 519 kPa blir flytende karbondioksid til et fast stoff - "tørris".
I industrien er det 3 vanligste måter å produsere karbondioksid på:
- fra avfallsgasser fra kjemisk produksjon, primært syntetisk ammoniakk og metanol; eksosgassen inneholder omtrent 90 % karbondioksid;
- fra røykgasser fra industrielle kjelehus som brenner naturgass, kull og annet brensel; røykgass inneholder 12-20 % karbondioksid;
- fra avfallsgasser dannet under gjæring i prosessen med å produsere øl, alkohol og under nedbryting av fett; eksosgassen er nesten ren karbondioksid.
I henhold til GOST 8050-85 leveres gassformig og flytende karbondioksid i tre typer: premium, første og andre klasse. For sveising anbefales det å bruke karbondioksid av høyeste og første klasse. Bruk av andre klasse karbondioksid for sveising er tillatt, men tilstedeværelsen av gasstørkere er ønskelig. Det tillatte innholdet av karbondioksid og enkelte urenheter i ulike merker av karbondioksid er gitt i tabellen nedenfor.
Bord. Kjennetegn på karbondioksidmerker
Sikkerhetsregler ved arbeid med karbondioksid:
- Karbondioksid er ikke giftig og ikke eksplosivt, men når konsentrasjonen i luften overstiger 5 % (92 g/m3), reduseres andelen oksygen, noe som kan føre til oksygenmangel og kvelning. Derfor bør du være forsiktig med akkumulering i dårlig ventilerte områder. For å registrere konsentrasjonen av karbondioksid i luften i industrielle lokaler, brukes gassanalysatorer - stasjonære automatiske eller bærbare.
- Når trykket synker til atmosfærisk trykk, blir flytende karbondioksid til gass og snø med en temperatur på -78,5°C og kan føre til skade på øynenes slimhinne og frostskader i huden. Derfor, når du tar prøver av flytende karbondioksid, er det nødvendig å bruke vernebriller og hansker.
- Inspeksjon av den innvendige beholderen i en tidligere brukt tank for lagring og transport av flytende karbondioksid skal utføres ved hjelp av en slangegassmaske. Tanken må varmes opp til omgivelsestemperatur, og den interne beholderen må skylles med luft eller ventileres. Gassmasken må ikke brukes før volumandelen av karbondioksid inne i utstyret synker under 0,5 %.
Bruk av karbondioksid ved sveising
Karbondioksid brukes som aktiv dekkgass for buesveising(vanligvis i halvautomatisk sveising) med en forbrukselektrode (tråd), inkludert som en del av en gassblanding (med oksygen, argon).
Sveisestasjoner kan forsynes med karbondioksid på følgende måter:
- direkte fra en autonom produksjonsstasjon for karbondioksid;
- fra et stasjonært lagerbeholder - med betydelige mengder karbondioksidforbruk og bedriften har ikke sin egen autonome stasjon;
- fra transportkarbondioksidtanken - med mindre mengder karbondioksidforbruk;
- fra sylindere - når volumet av karbondioksid som brukes er ubetydelig eller det er umulig å legge rørledninger til sveisestasjonen.
En autonom stasjon for produksjon av karbondioksid er et eget spesialisert verksted for en bedrift som produserer karbondioksid for sine egne behov og for forsyning til andre organisasjoner. Karbondioksid tilføres sveisestasjoner gjennom gassrør som legges i sveiseverksteder.
Ved store mengder karbondioksidforbruk og virksomheten ikke har en selvstendig stasjon, lagres karbondioksid i stasjonære lagerbeholdere som det kommer fra transporttanker (se figur nedenfor).
Tegning. Ordning med å forsyne sveisestasjoner med karbondioksid fra et stasjonært lagerbeholder
For mindre forbruksvolumer kan karbondioksid tilføres gjennom rørledninger direkte fra transporttanken. Egenskapene til enkelte stasjonære og transportbeholdere er vist i tabellen nedenfor.
Bord. Egenskaper for beholdere for lagring og transport av karbondioksid (karbondioksid)
| Merke | Masse karbondioksid, kg | Hensikt | Lagringstid for karbondioksid, dager | Gassifier merke |
| TsZHU-3.0-2.0 | 2 950 | Transportbil ZIL-130 | 6-20 | EGU-100 |
| NZHU-4-1.6 | 4 050 | Stasjonær lagring | 6-20 | EGU-100 |
| TsZHU-9.0-1.8 | 9 000 | Transportbil MAZ 5245 | 6-20 | GU-400 |
| NZHU-12,5-1,6 | 12 800 | Stasjonær lagring | 6-20 | GU-400 |
| UDH-12,5 | 12 300 | Stasjonær lagring | UGM-200M | |
| TsZHU-40-2 | 39 350 | Transport jernbane | 40 | GU-400 |
| RDH-25-2 | 25 500 | Stasjonær lagring | Ubegrenset, utstyrt med kjøleenhet | GU-400 |
| NZHU-50D | 50 000 | Stasjonær lagring | Ubegrenset, utstyrt med kjøleenhet | GU-400 |
Når volumet av karbondioksidforbruket er lite eller det er umulig å legge rørledninger til sveisestasjonene, brukes sylindere for å tilføre karbondioksid. En standard svart sylinder med en kapasitet på 40 liter er fylt med 25 kg flytende karbondioksid, som vanligvis lagres ved et trykk på 5-6 MPa. Som et resultat av fordampningen av 25 kg flytende karbondioksid dannes det ca. 12 600 liter gass. Diagrammet for lagring av karbondioksid i en sylinder er vist i figuren under.
Tegning. Opplegg for lagring av karbondioksid (karbondioksid) i en sylinder
For å trekke ut gass fra en sylinder, må den være utstyrt med en reduksjonsgir, en gassvarmer og en gasstørker. Når karbondioksid forlater sylinderen som følge av dens ekspansjon, oppstår adiabatisk avkjøling av gassen. Ved høye gassstrømningshastigheter (mer enn 18 l/min) kan dette føre til frysing av vanndampen i gassen og blokkering av reduksjonsrøret. I denne forbindelse er det tilrådelig å plassere en gassvarmer mellom reduksjonsventilen og sylinderventilen. Når gassen passerer gjennom spolen, varmes den opp av et elektrisk varmeelement koblet til et 24 eller 36 V nettverk.
En gasstørker brukes til å trekke ut fuktighet fra karbondioksid. Det er et hus fylt med et materiale (vanligvis silikagel, kobbersulfat eller aluminiumsgel) som absorberer fuktighet godt. Tørkere kommer i høyt trykk, installert før reduksjonsrøret, og lavt trykk, installert etter reduksjonsrøret.
Karbondioksid er en fargeløs gass med en knapt merkbar lukt, ikke-giftig, tyngre enn luft. Karbondioksid er vidt distribuert i naturen. Den løses opp i vann og danner karbonsyre H 2 CO 3, noe som gir den en sur smak. Luften inneholder omtrent 0,03 % karbondioksid. Tettheten er 1,524 ganger større enn luftens tetthet og er lik 0,001976 g/cm 3 (ved null temperatur og trykk 101,3 kPa). Ioniseringspotensial 14,3V. Kjemisk formel – CO 2 .
I sveiseproduksjon brukes begrepet "karbondioksid" cm. I «Regler for utforming og sikker drift av trykkbeholdere» er begrepet "karbondioksid", og på sikt "karbondioksid".
Det er mange måter å produsere karbondioksid på, de viktigste er omtalt i artikkelen.
Tettheten av karbondioksid avhenger av trykk, temperatur og aggregeringstilstanden den finnes i. Ved atmosfærisk trykk og en temperatur på -78,5°C blir karbondioksid, som omgår den flytende tilstanden, til en hvit snølignende masse "tørris".
Under et trykk på 528 kPa og ved en temperatur på -56,6 ° C, kan karbondioksid være i alle tre tilstander (det såkalte trippelpunktet).
Karbondioksid er termisk stabilt, og dissosieres til karbonmonoksid kun ved temperaturer over 2000 °C.
Karbondioksid er første gass som beskrives som et diskret stoff. På det syttende århundre, en flamsk kjemiker Jan Baptist van Helmont (Jan Baptist van Helmont) la merke til at etter brenning av kull i et lukket kar, var askemassen mye mindre enn massen til det brente kullet. Han forklarte dette ved å si at kull ble forvandlet til en usynlig masse, som han kalte «gass».
Egenskapene til karbondioksid ble studert mye senere i 1750. Skotsk fysiker Joseph Black (Joseph Black).
Han oppdaget at kalkstein (kalsiumkarbonat CaCO 3), når den varmes opp eller reageres med syrer, frigjør en gass, som han kalte "bundet luft". Det viste seg at "bundet luft" er tettere enn luft og ikke støtter forbrenning.
CaCO 3 + 2HCl = CO 2 + CaCl 2 + H 2 O
Ved å sende «bundet luft» d.v.s. karbondioksid CO 2 gjennom en vandig løsning av kalk Ca(OH) 2 kalsiumkarbonat CaCO 3 avsettes til bunnen. Joseph Black brukte dette eksperimentet for å bevise at karbondioksid frigjøres gjennom dyrs respirasjon.
CaO + H 2 O = Ca(OH) 2
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O
Flytende karbondioksid er en fargeløs, luktfri væske hvis tetthet varierer mye med temperaturen. Den eksisterer ved romtemperatur bare ved trykk over 5,85 MPa. Tettheten av flytende karbondioksid er 0,771 g/cm 3 (20°C). Ved temperaturer under +11°C er den tyngre enn vann, og over +11°C er den lettere.
Egenvekten til flytende karbondioksid varierer betydelig med temperaturen Derfor bestemmes mengden karbondioksid og selges etter vekt. Løseligheten til vann i flytende karbondioksid i temperaturområdet 5,8-22,9°C er ikke mer enn 0,05%.
Flytende karbondioksid blir til gass når varme tilføres den. Under normale forhold (20°C og 101,3 kPa) Når 1 kg flytende karbondioksid fordamper, dannes det 509 liter karbondioksid. Når gassen trekkes ut for raskt, synker trykket i sylinderen og varmetilførselen er utilstrekkelig, karbondioksidet avkjøles, fordampningshastigheten avtar og når det når "trippelpunktet" blir det til tørris, som tetter hullet i reduksjonsgiret, og ytterligere gassuttak stopper. Når den varmes opp, blir tørris direkte til karbondioksid, og omgår den flytende tilstanden. For å fordampe tørris er det nødvendig å tilføre betydelig mer varme enn å fordampe flytende karbondioksid - derfor, hvis det har dannet seg tørris i sylinderen, fordamper den sakte.
Flytende karbondioksid ble først produsert i 1823. Humphry Davy(Humphry Davy) og Michael Faraday(Michael Faraday).
Fast karbondioksid «tørris» ligner snø og is i utseende. Karbondioksidinnholdet oppnådd fra tørrisbriketter er høyt - 99,93-99,99%. Fuktighetsinnholdet er i området 0,06-0,13 %. Tørris, som er i friluft, fordamper raskt, så beholdere brukes til lagring og transport. Karbondioksid produseres fra tørris i spesielle fordampere. Fast karbondioksid (tørris), levert i samsvar med GOST 12162.
Karbondioksid brukes oftest:
- å skape et beskyttende miljø for metaller;
- i produksjon av kullsyreholdige drikker;
- kjøling, frysing og lagring av matvarer;
- for brannslokkingssystemer;
- for rengjøring av overflater med tørris.
Tettheten av karbondioksid er ganske høy, noe som gjør at lysbuereaksjonsrommet kan beskyttes mot kontakt med luftgasser og forhindrer nitrering ved relativt lavt karbondioksidforbruk i strålen. Karbondioksid er, under sveiseprosessen, det interagerer med sveisemetallet og har en oksiderende og også karburerende effekt på metallet i sveisebassenget.
Tidligere hindringer for bruk av karbondioksid som beskyttelsesmedium var i sømmene. Porene ble forårsaket av koking av det størknende metallet i sveisebassenget fra frigjøring av karbonmonoksid (CO) på grunn av dets utilstrekkelige deoksidering.
Ved høye temperaturer dissosieres karbondioksid for å danne svært aktivt fritt, monoatomisk oksygen:
Oksidasjon av sveisemetallet som frigjøres for karbondioksid under sveising nøytraliseres av innholdet av en ekstra mengde legeringselementer med høy affinitet for oksygen, oftest silisium og mangan (i overkant av mengden som kreves for legering av sveisemetallet) eller flukser introdusert i sveisesonen (sveising).
Både karbondioksid og karbonmonoksid er praktisk talt uløselige i fast og smeltet metall. Den frie aktive oksiderer elementene som er tilstede i sveisebassenget avhengig av deres oksygenaffinitet og konsentrasjon i henhold til ligningen:
Me + O = MeO
hvor Me er et metall (mangan, aluminium, etc.).
I tillegg reagerer karbondioksid selv med disse elementene.
Som et resultat av disse reaksjonene, ved sveising i karbondioksid, observeres betydelig utbrenning av aluminium, titan og zirkonium, og mindre intens utbrenning av silisium, mangan, krom, vanadium, etc.
Oksydasjonen av urenheter skjer spesielt kraftig ved . Dette skyldes det faktum at ved sveising med en forbrukselektrode, oppstår samspillet mellom det smeltede metallet med gassen når en dråpe forblir på enden av elektroden og i sveisebassenget, og ved sveising med en ikke-forbrukbar elektrode, det forekommer kun i bassenget. Som kjent skjer samspillet mellom gass og metall i et buespalte mye mer intenst på grunn av den høye temperaturen og større kontaktflate av metallet med gassen.
På grunn av den kjemiske aktiviteten til karbondioksid i forhold til wolfram, utføres sveising i denne gassen kun med en forbrukbar elektrode.
Karbondioksid er ikke-giftig og ikke-eksplosiv. Ved konsentrasjoner på mer enn 5 % (92 g/m3) har karbondioksid en skadelig effekt på menneskers helse, siden det er tyngre enn luft og kan samle seg i dårlig ventilerte områder nær gulvet. Dette reduserer volumfraksjonen av oksygen i luften, noe som kan forårsake oksygenmangel og kvelning. Lokaler hvor sveising utføres med karbondioksid skal være utstyrt med generell til- og avtrekksventilasjon. Maksimal tillatt konsentrasjon av karbondioksid i luften i arbeidsområdet er 9,2 g/m 3 (0,5 %).
Karbondioksid er levert av . For å oppnå sømmer av høy kvalitet brukes gassformig og flytende karbondioksid av høyeste og første klasse.
Karbondioksid transporteres og lagres i stålsylindere eller tanker med stor kapasitet i flytende tilstand, etterfulgt av gassifisering ved anlegget, med sentralisert tilførsel til sveisestasjoner gjennom ramper. En standard med en vannkapasitet på 40 liter er fylt med 25 kg flytende karbondioksid, som ved normalt trykk opptar 67,5 % av sylinderens volum og produserer 12,5 m 3 karbondioksid ved fordampning. Luft samler seg i den øvre delen av sylinderen sammen med karbondioksidgass. Vann, som er tyngre enn flytende karbondioksid, samler seg i bunnen av sylinderen.
For å redusere fuktigheten til karbondioksid, anbefales det å installere sylinderen med ventilen nede og, etter å ha satt seg i 10...15 minutter, åpne ventilen forsiktig og slipp ut fuktighet fra sylinderen. Før sveising er det nødvendig å frigjøre en liten mengde gass fra en normalt installert sylinder for å fjerne eventuell luft som er fanget i sylinderen. Noe av fuktigheten holdes tilbake i karbondioksid i form av vanndamp, noe som forverrer sveisingen av sømmen.
Når gass frigjøres fra sylinderen, på grunn av strupeeffekten og varmeabsorpsjonen under fordampning av flytende karbondioksid, avkjøles gassen betydelig. Ved intensiv gassutvinning kan reduksjonsrøret bli tilstoppet med frossen fuktighet inneholdt i karbondioksid, samt tørris. For å unngå dette, ved utvinning av karbondioksid, er det installert en gassvarmer foran reduksjonsrøret. Den endelige fjerningen av fuktighet etter girkassen utføres med et spesielt tørkemiddel fylt med glassull og kalsiumklorid, silikagel, kobbersulfat eller andre fuktighetsabsorbere
Karbondioksidsylinderen er malt svart, med ordene "CARBON ACID" skrevet med gule bokstaver..
Innholdet i artikkelen
KARBONDIOKSID(karbon(IV)monoksid, karbonsyreanhydrid, karbondioksid) CO 2 , en velkjent boblende ingrediens i kullsyreholdige brus. Mennesket har kjent til de helbredende egenskapene til "brusende vann" fra naturlige kilder siden uminnelige tider, men først på 1800-tallet. Jeg lærte å få det selv. Samtidig ble stoffet som får vann til å bruse identifisert – karbondioksid. For første gang for karboniseringsformål ble denne gassen oppnådd i 1887 under reaksjonen mellom knust marmor og svovelsyre; den ble også isolert fra naturlige kilder. Senere begynte man å produsere CO 2 i industriell skala ved å brenne koks, kalsinere kalkstein og fermentere alkohol. I mer enn et kvart århundre ble karbondioksid lagret i stålsylindere under trykk og nesten utelukkende brukt til å karbonisere drikker. I 1923 begynte man å produsere fast CO 2 (tørris) som et kommersielt produkt, og rundt 1940 ble det produsert flytende CO 2 som ble helt over i spesielle forseglede tanker under høyt trykk.
Fysiske egenskaper.
Ved normale temperaturer og trykk er karbondioksid en fargeløs gass med en lett sur smak og lukt. Den er 50 % tyngre enn luft, så den kan helles fra en beholder til en annen. CO 2 er et produkt fra de fleste forbrenningsprosesser og kan i tilstrekkelig store mengder slukke flammer ved å fortrenge oksygen fra luften. Når konsentrasjonen av CO 2 øker i et dårlig ventilert rom, synker oksygeninnholdet i luften så mye at en person kan kveles. CO 2 løses opp i mange væsker; løselighet avhenger av væskens egenskaper, temperatur og CO 2 damptrykk. Karbondioksids evne til å løse seg opp i vann bestemmer den utbredte bruken i produksjonen av brus. CO 2 er svært løselig i organiske løsemidler, som alkohol, aceton og benzen.
Med økende trykk og kjøling blir karbondioksid lett flytende og er i flytende tilstand ved temperaturer fra +31 til –57 ° C (avhengig av trykk). Under –57°C blir den til fast tilstand (tørris). Trykket som kreves for flytendegjøring avhenger av temperaturen: ved +21 ° C er det 60 atm, og ved –18 ° C er det bare 20 atm. Flytende CO 2 lagres i lukkede beholdere under passende trykk. Når den passerer inn i atmosfæren, blir en del av den til gass, og noe til "karbonsnø", mens temperaturen synker til -84 ° C.
Absorberer varme fra miljøet, tørris går over i en gassform, og omgår væskefasen - sublimerer. For å redusere sublimeringstap lagres og transporteres den i forseglede beholdere som er sterke nok til å tåle trykkøkningen når temperaturen stiger.
Kjemiske egenskaper.
CO 2 er en lavaktiv forbindelse. Når den er oppløst i vann, danner den svak karbonsyre, som blir rødt lakmuspapir. Karbonsyre forbedrer smaken av kullsyreholdige drikker og forhindrer vekst av bakterier. Ved å reagere med alkali- og jordalkalimetaller, samt med ammoniakk, danner CO 2 karbonater og bikarbonater.
Utbredelse i natur og produksjon.
CO 2 dannes ved forbrenning av karbonholdige stoffer, alkoholgjæring og råtnende planterester og dyr; det frigjøres når dyr puster, og det frigjøres av planter i mørket. I lyset, tvert imot, absorberer planter CO 2 og frigjør oksygen, som opprettholder den naturlige balansen mellom oksygen og karbondioksid i luften vi puster inn. CO 2 -innholdet i den overstiger ikke 0,03 % (volum).
Det er fem hovedmåter å produsere CO 2 på: forbrenning av karbonholdige stoffer (koks, naturgass, flytende brensel); dannelse som et biprodukt under ammoniakksyntese; kalsinering av kalkstein; gjæring; pumping fra brønner. I de to siste tilfellene får man nesten ren karbondioksid, og ved brenning av karbonholdige stoffer eller kalsinering av kalkstein dannes en blanding av CO 2 med nitrogen og spor av andre gasser. Denne blandingen føres gjennom en løsning som kun absorberer CO 2 . Deretter varmes løsningen opp og man får nesten ren CO 2 som skilles fra de gjenværende urenhetene. Vanndamp fjernes ved frysing og kjemisk tørking.
Den rensede CO 2 gjøres flytende ved å avkjøle den ved høyt trykk og lagres i store beholdere. For å produsere tørris føres flytende CO 2 inn i et lukket kammer i en hydraulisk presse, hvor trykket reduseres til atmosfærisk trykk. Ved kraftig trykknedgang dannes løs snø og veldig kald gass fra CO 2. Snøen komprimeres og tørris oppnås. CO 2 -gass pumpes ut, gjøres flytende og returneres til lagertanken.
APPLIKASJON
Mottar lave temperaturer.
I flytende og fast form brukes CO 2 hovedsakelig som kjølemiddel. Tørris er et kompakt materiale, lett å håndtere og lar deg lage forskjellige temperaturforhold. Med samme masse er den mer enn dobbelt så kald som vanlig is, og opptar halve volumet. Tørris brukes i matlagring. Den brukes til å avkjøle champagne, brus og is. Det er mye brukt i "kaldmaling" av varmefølsomme materialer (kjøttprodukter, harpiks, polymerer, fargestoffer, insektmidler, maling, krydder); ved tumling (rengjøring fra grader) stemplet gummi- og plastprodukter; under lavtemperaturtesting av fly og elektroniske enheter i spesielle kamre; for "kald blanding" av halvferdige muffins og kaker slik at de forblir homogene under steking; for rask avkjøling av beholdere med transporterte produkter ved å blåse dem med en strøm av knust tørris; ved herding av legert og rustfritt stål, aluminium o.l. for å forbedre deres fysiske egenskaper; for tett montering av maskindeler under monteringen; for kjøling av kuttere ved bearbeiding av høyfaste stålarbeidsstykker.
Karbonisering.
Hovedanvendelsen av CO 2 -gass er kullsyredannelse av vann og brus. Først blandes vann og sirup i de nødvendige proporsjonene, og deretter mettes blandingen med CO 2 -gass under trykk. Karbonering i øl og vin oppstår vanligvis som et resultat av kjemiske reaksjoner som oppstår i dem.
Applikasjoner basert på treghet.
CO 2 brukes som antioksidant ved langtidslagring av mange matvarer: ost, kjøtt, melkepulver, nøtter, instant-te, kaffe, kakao, etc. Som et forbrenningsdempende middel brukes CO 2 til lagring og transport av brennbare materialer, som rakettdrivstoff, oljer, bensin, maling, lakk og løsemidler. Det brukes som beskyttelsesmedium ved elektrisk sveising av karbonstål for å oppnå en jevn, sterk sveis, mens sveisearbeid er billigere enn ved bruk av inerte gasser.
CO 2 er et av de mest effektive virkemidlene for å slukke branner som oppstår når brennbare væsker antennes og elektriske havarier. Ulike brannslukningsapparater for karbondioksid produseres: fra bærbare med en kapasitet på ikke mer enn 2 kg til stasjonære automatiske forsyningsenheter med en total sylinderkapasitet på opptil 45 kg eller lavtrykksgasstanker med en kapasitet på opptil 60 tonn. CO 2. Flytende CO 2, som er under trykk i slike brannslukningsapparater, danner når den slippes ut, en blanding av snø og kald gass; sistnevnte har høyere tetthet enn luft og fortrenger den fra forbrenningssonen. Effekten forsterkes også av den avkjølende effekten av snø, som fordamper og blir til gassformig CO 2.
Kjemiske aspekter.
Karbondioksid brukes i produksjonen av aspirin, hvitt bly, urea, perborater og kjemisk rene karbonater. Karbonsyre, dannet når CO 2 løses i vann, er et billig reagens for å nøytralisere alkalier. I støperier brukes karbondioksid til å herde sandsopp ved å reagere CO 2 med natriumsilikat blandet med sand. Dette lar deg få støpegods av høyere kvalitet. Ildfaste murstein som brukes til å fore ovner for smelting av stål, glass og aluminium blir mer holdbare etter behandling med karbondioksid. CO 2 brukes også i urbane vannmykningssystemer som bruker sodakalk.
Oppretting av økt trykk.
CO 2 brukes til trykktesting og lekkasjetesting av ulike beholdere, samt til kalibrering av trykkmålere, ventiler og tennplugger. Den brukes til å fylle bærbare beholdere for oppblåsing av livbelter og oppblåsbare båter. En blanding av karbondioksid og lystgass har lenge vært brukt til å sette aerosolbokser under trykk. CO 2 injiseres under trykk i forseglede beholdere med eter (i enheter for rask motorstart), løsemidler, maling, insektmidler for påfølgende sprøyting av disse stoffene.
Søknad i medisin.
CO 2 tilsettes i små mengder til oksygen (for å stimulere pusten) og under anestesi. I høye konsentrasjoner brukes det til humant avliving av dyr.
Mål:
- Utvid din forståelse av historien til oppdagelser, egenskaper og praktiske anvendelser av karbondioksid.
- Introdusere studentene til laboratoriemetoder for å produsere karbondioksid.
- Fortsett å utvikle elevenes eksperimentelle ferdigheter.
Teknikker som brukes:"sanne og usanne utsagn", "sikksakk-1", klynger.
Laboratorieutstyr: laboratoriestativ, innretning for oppsamling av gasser, 50 ml beger, marmorbiter, saltsyre (1:2), kalkvann, Mohr-klemme.
I. Ringestadiet
På utfordringsstadiet brukes teknikken "sanne og falske utsagn".
Uttalelser |
||
II. Befruktningsstadiet
1. Organisering av aktiviteter i arbeidsgrupper, hvor deltakerne mottar tekster om de fem hovedemnene i "sikksakk":
- Historien om oppdagelsen av karbondioksid
- Karbondioksid i naturen
- Produserer karbondioksid
- Egenskaper til karbondioksid
- Praktiske anvendelser av karbondioksid
Det er en innledende bekjentskap med teksten, innledende lesing.
2. Arbeid i ekspertgrupper.
Ekspertgrupper samler «eksperter» på spesifikke spørsmål. Deres oppgave er å lese teksten nøye, fremheve nøkkelfraser og nye konsepter, eller bruke klynger og ulike skjemaer for å grafisk avbilde tekstens innhold (arbeidet utføres individuelt).
3. Valg av materiale, dets strukturering og tillegg (gruppearbeid)
4. Forberedelse til kringkasting av tekst i arbeidsgrupper
- 1. gruppe eksperter utarbeider et referansesammendrag "Historien om oppdagelsen av karbondioksid"
- 2. gruppe eksperter lager et diagram over fordelingen av karbondioksid i naturen
- 3. gruppe eksperter utarbeider en ordning for produksjon av karbondioksid og en tegning av installasjonen for produksjonen
- 4. gruppe eksperter utarbeider en klassifisering av egenskapene til karbondioksid
- 5. gruppe eksperter utarbeider en ordning for praktisk bruk av karbondioksid
5. Forberedelse til presentasjonen (plakat)
III. Refleksjonsstadiet
Gå tilbake til arbeidsgrupper
- Sendes i en gruppe med emner 1–5 sekvensielt. Sette sammen et anlegg for produksjon av karbondioksid. Å skaffe karbondioksid og studere dets egenskaper.
- Diskusjon av forsøksresultatene.
- Presentasjon av enkeltemner.
- Gå tilbake til «sanne og usanne utsagn». Tester dine første antakelser. Arrangement av nye ikoner.
Det kan se slik ut:
Uttalelser |
||
| 1. Karbondioksid er en "villgass". | ||
| 2. Havet og havene inneholder 60 ganger mer karbondioksid enn jordens atmosfære. | ||
| 3. Naturlige kilder til karbondioksid kalles mofets. | ||
| 4. I nærheten av Napoli er det en "Dog Cave" hvor hunder ikke er tillatt. | ||
| 5. I laboratorier produseres karbondioksid ved påvirkning av svovelsyre på marmorbiter. | ||
| 6. Karbondioksid er en fargeløs og luktfri gass, lettere enn luft, svært løselig i vann. | ||
| 7. Fast karbondioksid kalles "tørris". | ||
| 8. Kalkvann er en løsning av kalsiumhydroksid i vann. |
Tekster om de fem hovedemnene i "sikksakk"
1. Historien om oppdagelsen av karbondioksid
Karbondioksid var den første av alle andre gasser som var motstandere av luft under navnet "villgass" av alkymisten på 1500-tallet. Van't Helmont.
Oppdagelsen av CO 2 markerte begynnelsen på en ny gren av kjemi - pneumatokjemi (kjemi av gasser).
Den skotske kjemikeren Joseph Black (1728 - 1799) i 1754 fastslo at det kalkholdige mineralmarmoren (kalsiumkarbonat) brytes ned ved oppvarming, frigjør gass og danner brent kalk (kalsiumoksid):
CaCO 3 CaO + CO 2
kalsiumkarbonat kalsiumoksid karbondioksid
Den frigjorte gassen kan rekombinert med kalsiumoksid for å danne kalsiumkarbonat igjen:
CaO + CO 2 CaCO 3
kalsiumoksid karbondioksid kalsiumkarbonat
Denne gassen var identisk med "villgassen" oppdaget av Van Helmont, men Black ga den et nytt navn - "bundet luft" - siden denne gassen kunne bindes og igjen bli et fast stoff, og den hadde også evnen til å bli tiltrukket å kalke vann (kalsiumhydroksid) og få det til å bli grumsete:
karbondioksid kalsiumhydroksid kalsiumkarbonatvann
Noen år senere oppdaget Cavendish to mer karakteristiske fysiske egenskaper ved karbondioksid - dens høye tetthet og betydelige løselighet i vann.
2. Karbondioksid i naturen
Karbondioksidinnholdet i atmosfæren er relativt lite, bare 0,04–0,03 % (volum). CO 2 konsentrert i atmosfæren har en masse på 2200 milliarder tonn.
60 ganger mer karbondioksid finnes oppløst i hav og hav.
I løpet av hvert år fjernes omtrent 1/50 av den totale CO 2 den inneholder fra atmosfæren av jordklodens plantedekke gjennom prosessen med fotosyntese, som omdanner mineralske stoffer til organisk materiale.
Hovedtyngden av karbondioksid i naturen dannes som et resultat av ulike prosesser for nedbrytning av organiske stoffer. Karbondioksid frigjøres under respirasjon av planter, dyr og mikroorganismer. Mengden karbondioksid som frigjøres av ulike industrier øker stadig. Karbondioksid finnes i vulkanske gasser, og det frigjøres også fra bakken i vulkanske områder. "Dog Cave" har fungert som en permanent CO 2 -generator i flere århundrer nær byen Napoli i Italia. Det er kjent for det faktum at hunder ikke kan være i det, men en person kan forbli der i normal tilstand. Faktum er at i denne hulen frigjøres karbondioksid fra bakken, og siden det er 1,5 ganger tyngre enn luft, ligger det under, omtrent på høyde med en hund (0,5 m). I slik luft, hvor karbondioksid er 14 %, kan ikke hunder (og andre dyr, selvfølgelig) puste, men en voksen som står på beina kjenner ikke det overflødige karbondioksidet i denne hulen. De samme hulene finnes i Yellowstone nasjonalpark (USA).
Naturlige kilder til karbondioksid kalles mofets. Mofets er karakteristiske for det siste, sene stadiet av vulkansk demping, der spesielt den berømte Elbrus-vulkanen ligger. Derfor er det mange utløp av varme kilder mettet med karbondioksid som bryter gjennom snøen og isen.
Utenfor kloden finnes karbonmonoksid (IV) i atmosfæren til Mars og Venus, "jordiske" planeter.
3. Produserer karbondioksid
I industrien oppnås karbondioksid hovedsakelig som et biprodukt av forbrenning av kalkstein, alkoholisk gjæring, etc.
I kjemiske laboratorier bruker de enten ferdige sylindere med flytende karbondioksid, eller får CO 2 i Kipp-apparat eller en enhet for å produsere gasser ved påvirkning av saltsyre på biter av marmor:
CaCO 3 + 2 HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O
kalsiumkarbonat saltsyre kalsiumklorid karbondioksid vann
Det er umulig å bruke svovelsyre i stedet for saltsyre, for da ville du i stedet for kalsiumklorid, som er løselig i vann, fått gips – kalsiumsulfat (CaSO 4) – et salt som er lett løselig i vann. Når den avsettes på marmorbiter, gjør gips det ekstremt vanskelig for syre å nå dem og bremser dermed reaksjonen kraftig.
For å produsere karbondioksid:
- Fest enheten for å skaffe gasser til benet på laboratoriestativet
- Fjern proppen med en trakt fra reagensrøret med vedhenget
- Legg 2-3 stykker marmor i munnstykket, på størrelse med ? erter
- Sett traktstopperen inn i reagensrøret igjen. Åpne klemmen
- Hell saltsyre (1:2) i trakten (forsiktig!) slik at syren lett dekker marmoren
- Fyll begerglasset med karbon(IV)monoksid og lukk klemmen.
4. Egenskaper til karbondioksid
CO 2 er en fargeløs gass, luktfri, 1,5 ganger tyngre enn luft, vanskelig å blande med den (med D.I. Mendeleevs ord, "synker" i luften), noe som kan bevises ved følgende eksperiment: over et glass, i der et brennende stearinlys er festet, velt et glass fylt med karbondioksid. Stearinlyset slukkes umiddelbart.
Karbonmonoksid (IV) er surt og når denne gassen løses opp i vann dannes det kullsyre. Når CO 2 føres gjennom lakmusfarget vann, kan du observere en endring i fargen på indikatoren fra lilla til rød.
Den gode løseligheten av karbondioksid i vann gjør det umulig å samle det ved bruk av "vannfortrengningsmetoden".
En kvalitativ reaksjon på karbondioksidinnholdet i luften er å føre gassen gjennom en fortynnet løsning av kalsiumhydroksid (kalkvann). Karbondioksid forårsaker dannelse av uløselig kalsiumkarbonat i denne løsningen, noe som gjør at løsningen blir uklar:
CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O
karbondioksid kalsiumhydroksid kalsiumkarbonatvann
Når overflødig CO2 tilsettes, blir den uklare løsningen klar igjen på grunn av omdannelsen av uløselig karbonat til løselig kalsiumbikarbonat:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3) 2
kalsiumkarbonat vann karbondioksid kalsiumbikarbonat
5. Praktiske anvendelser av karbondioksid
Det pressede faste karbondioksidet kalles "tørris".
Solid CO 2 er mer som komprimert tett snø, med en hardhet som minner om kritt. Temperaturen på "tørris" er –78 o C. Tørris er, i motsetning til vannis, tett. Han synker i vannet og avkjøler det kraftig. Brennende bensin kan raskt slukkes ved å kaste noen stykker tørris inn i flammen.
Hovedbruken av tørris er lagring og transport av mat: fisk, kjøtt, is osv. Verdien av tørris ligger ikke bare i dens kjølende effekt, men også i at mat i karbondioksid ikke mugner eller råtne.
Tørris brukes i laboratorier for å teste deler, instrumenter og mekanismer som vil tjene ved lave temperaturer. Tørris brukes til å teste frostbestandigheten til bildekk i gummi.
Karbondioksid brukes til å karbonisere frukt og mineralvann, og i medisin – til karbondioksidbad.
Flytende karbondioksid brukes i karbondioksid brannslukningsapparater, brannslokkingssystemer i fly og skip, og i karbondioksid brannbiler. Det er spesielt effektivt i tilfeller der vann er uegnet, for eksempel ved slokking av branner av brennbare væsker eller når det er elektriske ledninger eller unikt utstyr i rommet som kan bli skadet av vann.
I mange tilfeller brukes ikke CO 2 i ferdig form, men oppnås ved bruk av for eksempel bakepulver som inneholder en blanding av natriumbikarbonat og kaliumtartrat. Når slike pulvere blandes med deig, løses saltene opp og det oppstår en reaksjon som frigjør CO 2 . Som et resultat hever deigen seg, fylles med bobler av karbondioksid, og produktet bakt fra det viser seg mykt og velsmakende.
Litteratur
- Endring // Internasjonalt tidsskrift om utvikling av tenkning gjennom lesing og skriving. – 2000. – Nr. 1, 2.
- Moderne student innen informasjon og kommunikasjon: Pedagogisk og metodisk manual. – St. Petersburg: PETROC, 2000.
- Zagashev I.O., Zair-Bek S.I. Kritisk tenkning: utviklingsteknologi. – St. Petersburg: Alliance Delta Publishing House, 2003.
I industrien er hovedmetodene for å produsere karbondioksid CO2 produksjonen som et biprodukt av reaksjonen med å omdanne metan CH4 til hydrogen H2, forbrenningsreaksjoner (oksidasjon) av hydrokarboner, reaksjonen av nedbrytning av kalkstein CaCO3 til kalk CaO og vann H20.
CO2 som et biprodukt av dampreforming av CH4 og andre hydrokarboner til hydrogen H2
Hydrogen H2 er nødvendig av industrien, først og fremst for bruk i prosessen med å produsere ammoniakk NH3 (Haber-prosess, katalytisk reaksjon av hydrogen og nitrogen); Ammoniakk er nødvendig for produksjon av mineralgjødsel og salpetersyre. Hydrogen kan produseres på forskjellige måter, inkludert elektrolyse av vann, som er elsket av økologer - men dessverre, på dette tidspunktet, er alle metoder for å produsere hydrogen, bortsett fra reformering av hydrokarboner, absolutt økonomisk uberettiget i storskalaskalaen. produksjon - med mindre det er et overskudd av "gratis" materialer i produksjonen. Derfor er hovedmetoden for å produsere hydrogen, hvor karbondioksid også frigjøres, dampreformering av metan: ved en temperatur på ca. 700...1100°C og et trykk på 3...25 bar, i nærvær av en katalysator, vanndamp H2O reagerer med metan CH4 med frigjøring av syntesegass (prosessen er endoterm, det vil si at den skjer med absorpsjon av varme):
CH4 + H2O (+ varme) → CO + 3H2
Propan kan dampreformeres på lignende måte:
С3H8 + 3H2O (+ varme) → 2CO + 7H2
Og også etanol (etylalkohol):
C2H5OH + H2O (+ varme) → 2CO + 4H2
Selv bensin kan dampreformeres. Bensin inneholder mer enn 100 forskjellige kjemiske forbindelser, dampreformeringsreaksjonene av isooktan og toluen er vist nedenfor:
C8H18 + 8H2O (+ varme) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ varme) → 7CO + 11H2
Så, i prosessen med dampreforming av et eller annet hydrokarbonbrensel, oppnås hydrogen og karbonmonoksid CO (karbonmonoksid). I neste trinn av hydrogenproduksjonsprosessen gjennomgår karbonmonoksid, i nærvær av en katalysator, reaksjonen med å flytte et oksygenatom O fra vann til gass = CO oksideres til CO2, og hydrogen H2 frigjøres i fri form. Reaksjonen er eksoterm, og frigjør omtrent 40,4 kJ/mol varme:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ varme)
I industrielle omgivelser kan karbondioksid CO2 frigjort under dampreformering av hydrokarboner enkelt isoleres og samles opp. Imidlertid er CO2 i dette tilfellet et uønsket biprodukt, som ganske enkelt slipper det fritt ut i atmosfæren, selv om nå den rådende måten å kvitte seg med CO2 på er uønsket fra et miljøsynspunkt, og noen bedrifter praktiserer mer "avanserte" metoder , som for eksempel å pumpe CO2 inn i fallende oljefelt eller injiseres i havet.
Produksjon av CO2 fra fullstendig forbrenning av hydrokarbondrivstoff
Ved forbrenning, det vil si oksidert med tilstrekkelig mengde oksygen, dannes hydrokarboner som metan, propan, bensin, parafin, diesel, etc., karbondioksid og vanligvis vann. For eksempel ser forbrenningsreaksjonen av CH4-metan slik ut:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
CO2 som et biprodukt av H2-produksjon ved delvis oksidasjon av drivstoff
Omtrent 95 % av verdens industrielt produserte hydrogen produseres ved den ovenfor beskrevne metoden for dampreformering av hydrokarbondrivstoff, primært CH4-metan inneholdt i naturgass. I tillegg til dampreforming, kan hydrogen produseres fra hydrokarbondrivstoff med ganske høy effektivitet ved metoden for delvis oksidasjon, når metan og andre hydrokarboner reagerer med en mengde oksygen som er utilstrekkelig for fullstendig forbrenning av drivstoffet (husk at i prosessen med fullstendig forbrenning av drivstoff, kort beskrevet rett ovenfor, karbondioksid oppnås CO2-gass og H20-vann). Når en mindre enn støkiometrisk mengde oksygen tilføres, er reaksjonsproduktene hovedsakelig hydrogen H2 og karbonmonoksid, også kjent som karbonmonoksid CO; karbondioksid CO2 og noen andre stoffer produseres i små mengder. Siden vanligvis, i praksis, denne prosessen ikke utføres med renset oksygen, men med luft, er det nitrogen både ved inngangen og utgangen av prosessen, som ikke deltar i reaksjonen.
Delvis oksidasjon er en eksoterm prosess, noe som betyr at reaksjonen produserer varme. Delvis oksidasjon går vanligvis mye raskere enn dampreformering og krever et mindre reaktorvolum. Som det fremgår av reaksjonene nedenfor, produserer delvis oksidasjon i utgangspunktet mindre hydrogen per enhet drivstoff enn det som produseres ved dampreformeringsprosessen.
Reaksjon av delvis oksidasjon av metan CH4:
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ varme)
Propan C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ varme)
Etylalkohol C2H5OH:
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ varme)
Delvis oksidasjon av bensin ved å bruke eksemplet med isooktan og toluen, fra mer enn hundre kjemiske forbindelser som finnes i bensin:
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ varme)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ varme)
For å omdanne CO til karbondioksid og produsere ytterligere hydrogen, brukes oksygenskiftreaksjonen vann→gass, allerede nevnt i beskrivelsen av dampreformeringsprosessen:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ liten mengde varme)
CO2 fra sukkergjæring
Ved produksjon av alkoholholdige drikker og bakevarer fra gjærdeig brukes prosessen med gjæring av sukker - glukose, fruktose, sukrose, etc., med dannelse av etylalkohol C2H5OH og karbondioksid CO2. For eksempel er fermenteringsreaksjonen til glukose C6H12O6:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2
Og fermenteringen av fruktose C12H22O11 ser slik ut:
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2
Utstyr for produksjon av CO2 produsert av Wittemann
Ved produksjon av alkoholholdige drikker er den resulterende alkoholen et ønskelig og til og med, kan man si, nødvendig produkt av gjæringsreaksjonen. Noen ganger slippes karbondioksid ut i atmosfæren, og noen ganger blir det igjen i drikken for å karbonisere den. Ved brødbaking skjer det motsatte: CO2 må til for å danne bobler som får deigen til å heve, og etylalkohol fordamper nesten helt under steking.
Mange virksomheter, først og fremst destillerier, hvor CO 2 er et helt unødvendig biprodukt, har etablert innsamling og salg. Gass fra gjæringstankene tilføres gjennom spritfeller til karbondioksidbutikken, hvor CO2 renses, flytendegjøres og tappes på flaske. Egentlig er det destillerier som er hovedleverandørene av karbondioksid i mange regioner – og for mange av dem er salg av karbondioksid på ingen måte den siste inntektskilden.
Det er en hel industri innen produksjon av utstyr for separering av ren karbondioksid i bryggerier og alkoholfabrikker (Huppmann/GEA Brewery, Wittemann, etc.), samt direkte produksjon fra hydrokarbonbrensel. Gassleverandører som Air Products og Air Liquide installerer også stasjoner for å separere CO2 og deretter rense den og gjøre den flytende før den fylles på sylindere.
CO2 i produksjon av brent kalk CaO fra CaCO3
Prosessen for å produsere den mye brukte brennekalken, CaO, har også karbondioksid som et biprodukt av reaksjonen. Nedbrytningsreaksjonen av kalkstein CaCO3 er endoterm, krever en temperatur på ca +850°C og ser slik ut:
CaCO3 → CaO + CO2
Hvis kalkstein (eller et annet metallkarbonat) reagerer med en syre, frigjøres karbondioksid H2CO3 som et av reaksjonsproduktene. For eksempel reagerer saltsyre HCl med kalkstein (kalsiumkarbonat) CaCO3 som følger:
2HCl + CaCO 3 → CaCl 2 + H 2 CO 3
Karbonsyre er svært ustabil, og under atmosfæriske forhold brytes den raskt ned til CO2 og vann H2O.