Діоксид вуглецю
Окис вуглецю, молекула якої складається з одного атома C і двох атомів O (тобто ступінь окислення вуглецю в ній дорівнює +4), називається діоксид вуглецю (інші назви: вуглекислий газ, ангідрид вугільної кислоти, двоокис вуглецю). Ця речовина прийнято записувати молекулярною формулою CO2. Молярна маса його дорівнює 44,01 г / моль. За зовнішнім виглядом при нормальних умовах вугільний ангідрид є безбарвним газом. При низьких концентраціях він не має запаху, при більш високих концентраціях набуває гострий, кислий запах.
Для цієї хімічної речовини можливі три агрегатних стани, які характеризуються різними значеннями щільності:
- тверде (сухий лід) - при тиску 1 атм. і температурі -78,5 ° С - 1562 кг / мsup3-;
- рідке (вуглекислота) - при тиску 56 атм. і температурі +20 ° С - 770 кг / мsup3-;
- газообразное- при тиску 1 атм. і температурі 0 ° С - 1,977 кг / мsup3-.
Температура плавлення двоокису вуглецю дорівнює -78 ° С, температура кипіння--57 ° С. Речовина розчиняється у воді: при 25 ° С і тиску 100 кПа його розчинність дорівнює 1,45 г / л.
Діоксид вуглецю є природним хімічною сполукою, в молекулі якого атоми кисню з атомом вуглецю пов'язані ковалентним зв'язком. Молекула вуглекислого газу є лінійною і центросімметрічни. Обидві зв'язку між вуглецем і двома кисневими атомами еквівалентні (по суті є подвійними). Молекула симетрична щодо свого центру, тому вона не має ніякого електричного дипольного моменту.
Діоксид вуглецю був одним з перших газоподібних хімічних сполук, які перестали ототожнювати з повітрям. У сімнадцятому столітті фламандський хімік Ван Гельмонт зауважив, що, коли він спалюється вугілля в закритій посудині, маса отриманої золи набагато менше, ніж у звичайного деревного вугілля. Властивості двоокису вуглецю були вивчені більш ретельно в 1750 році шотландським лікарем Джозефом Блеком.
Діоксид вуглецю при стандартному тиску і температурі знаходиться в атмосфері Землі в кількості приблизно 0,04% об'ємних. В рамках вуглецевого циклу, відомого як фотосинтез, двоокис вуглецю поглинається рослинами, водоростями, ціанобактеріями. В результаті утворюється вода і вуглеводи, але відбувається цей процес тільки під дією світла. Вуглекислий газ також утворюється при спалюванні вугілля або вуглеводнів, при ферментації рідин і при видиханні повітря людьми і тваринами. Крім того, викидається з вулканів, гарячих джерел, гейзерів.
В атмосфері Землі діоксид вуглецю відіграє важливу роль (поглинає і випускає випромінювання в тепловому інфрачервоному діапазоні). Також це хімічна сполука є одним з основних джерел зниження рН океану: розчиняючись у воді, воно утворює слабку вугільну кислоту: CO2 + H2O harr- H2CO3, нездатну повністю диссоциировать на іони.
Вуглекислий газ не підтримує горіння і дихання. Запалена скіпа в його атмосфері гасне. Тварини і людина при великій концентрації CO2 задихаються. При 3% -ної концентрації в повітрі частішає дихання, при 10% -ної настає втрата свідомості і швидка смерть, а 20% -ве зміст викликає миттєвий параліч.
Діоксид вуглецю є ангідридом вугільної кислоти, тому для нього характерні властивості кислотного оксиду. У лабораторних умовах його отримують при взаємодії крейди з соляною кислотою в апараті Киппа: CaCO3 + 2HCl - CaCl2 + CO2 + H2O. У промисловості його виробляють термічним розкладанням вапняку або крейди (рідше магнезиту або доломіту): CaCO3 - CaO + CO2. Отримання вуглекислоти є побічним процесом низькотемпературного розділення повітря на азот і кисень. У наш час випускаються спеціальні генератори для отримання вуглекислого газу з повітря. Застосовуються такі генератори для подачі CO2 в теплиці з метою створення сприятливого середовища для рослин.
Діоксид вуглецю має широке застосування в хімічних виробництвах. Його використовують для отримання соди, для синтезу органічних кислот, для виготовлення безалкогольних напоїв. Сухий лід використовується як холодильний агент, наприклад, у виноробстві. Вуглекислотна атмосфера створюється для запобігання гниття харчових продуктів, того ж винограду після його збору і до початку виробництва вина.
Виробництво вуглекислоти або скрапленого вуглекислого газу здійснюється для заповнення їм вуглекислотних вогнегасників, які використовуються для гасіння загорянь. Однак їм не можна гасити людини, так значна частина струменя рідкого CO2 випаровується, при цьому температура різко знижується (що може викликати обмороження) і CO2 перетворюється в сухий лід. Вуглекислотою зазвичай гасять легкозаймисті рідини і електропроводку. Механізм полягає в припиненні надходження доступу кисню повітря до вогнища спалаху.