Діоксид вуглецю (вуглекислий газ) - часто зустрічається в природі з`єднання. Воно утворюється при окисленні різних органічних речовин. Найбільш часто зустрічаються процеси утворення цієї сполуки - гниття тварин і рослинних решток, горіння різних видів палива, дихання тварин і рослин. Наприклад, одна людина за добу виділяє в атмосферу близько кілограма вуглекислого газу. Оксид і діоксид вуглецю можуть утворюватися і в неживій природі. Вуглекислий газ виділяється при вулканічної діяльності, а також може бути видобутий з мінеральних водних джерел. Вуглекислий газ знаходиться в невеликим кількості і в атмосфері Землі.
Особливості хімічної будови даного з`єднання дозволяють йому брати участь в безлічі хімічних реакцій, основою для яких є діоксид вуглецю.
Формула
У поєднанні цієї речовини чотиривалентний атом вуглецю утворює лінійну зв`язок з двома молекулами кисню. Зовнішній вигляд такої молекули можна представити так:
Теорія гібридизації пояснює будову молекули діоксиду вуглецю так: дві існуючі сигма-зв`язку утворені між sp -орбіталямі атомів вуглецю і двома 2р -орбіталямі кіслорода- р-орбіталі вуглецю, які не беруть участі в гібридизації, пов`язані в з`єднанні з аналогічними орбиталями кисню. В хімічних реакціях вуглекислий газ записується у вигляді: CO2.
Фізичні властивості
При нормальних умовах діоксид вуглецю є безбарвний газ, що не володіє запахом. Він важчий за повітря, тому вуглекислий газ і може вести себе, як рідина. Наприклад, його можна переливати з однієї ємності в іншу. Ця речовина трохи розчиняється в воді - в одному літрі води при 20 С розчиняється близько 0,88 л CO2. Невелике зниження температури кардинально змінює ситуацію - в тому ж літрі води при 17 С може розчинитися 1,7 л CO2. При сильному охолодженні ця речовина осідає у вигляді сніжинок - утворюється так званий «сухий лід». Така назва походить від того, що при нормальному тиску речовина, минаючи рідку фазу, відразу перетворюється в газ. Рідкий діоксид вуглецю утворюється при тиску трохи вище 0,6 МПа і при кімнатній температурі.
Хімічні властивості
При взаємодії з сильними окислювачами 4-діоксид вуглецю виявляє окисні властивості. Типова реакція цієї взаємодії:
З + СО2 = 2СО.
Так, за допомогою вугілля діоксид вуглецю відновлюється до своєї двухвалентной модифікації - чадного газу.
При нормальних умовах вуглекислий газ інертний. Але деякі активні метали можуть в ньому горіти, витягуючи з сполуки кисень і вивільняючи газоподібний вуглець. Типова реакція - горіння магнію:
2Mg + CO2 = 2MgO + C.
В процесі реакції утворюється оксид магнію і вільний вуглець.
У хімічних сполуках СО2 часто проявляє властивості типового кислотного оксиду. Наприклад, він реагує з підставами і основними оксидами. Результатом реакції стають солі вугільної кислоти.
Наприклад, реакція сполуки оксиду натрію з вуглекислим газом може бути представлена так:
Na2O + CO2 = Na2CO3;
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O;
NaOH + CO2 = NaHCO3.
Вугільна кислота та розчин СО2
Діоксид вуглецю в воді утворює розчин з невеликою ступенем дисоціації. Такий розчин вуглекислого газу називається вугільної кислотою. Вона безбарвна, слабко виражена і має кислуватий смак.
Запис хімічної реакції:
CO2 + H2O harr- H2CO3.
Рівновага досить сильно зрушено вліво - лише близько 1% початкового вуглекислого газу перетворюється у вугільну кислоту. Чим вище температура - тим менше в розчині молекул вугільної кислоти. При кипінні з`єднання вона зникає повністю, і розчин розпадається на вуглекислий газ і воду. Структурна формула вугільної кислоти представлена нижче.
Властивості вугільної кислоти
Вугільна кислота дуже слабка. У розчинах вона розпадається на іони водню Н+ і з`єднання НСО3- . У дуже невеликій кількості утворюються іони СО3-.
Вугільна кислота - двухосновная, тому солі, утворені нею, можуть бути середніми і кислими. Середні солі в російській хімічної традиції називаються карбонатами, а сильні - гідрокарбонатами.
якісна реакція
Одним з можливих способів виявлення газоподібного діоксиду вуглецю є зміна прозорості вапняного розчину.
Ca (OH)2 + CO2 = CaCO3darr- + H2O.
Цей досвід відомий ще з шкільного курсу хімії. На початку реакції утворюється невелика кількість білого осаду, який згодом зникає при пропущенні через воду вуглекислого газу. Зміна прозорості відбувається тому, що в процесі взаємодії нерозчинний з`єднання - карбонат кальцію перетворюється в розчинний речовину - гідрокарбонат кальцію. Реакція протікає по такому шляху:
CaCO3 + H2O + CO2 = Ca (HCO3)2.
Отримання діоксиду вуглецю
Якщо потрібно отримати невелику кількість СО2, можна запустити реакцію соляної кислоти з карбонатом кальцію (мармуром). Хімічна запис цієї взаємодії виглядає так:
CaCO3 + HCl = CaCl2 + H2O + CO2 ^.
Також для цієї мети використовують реакції горіння вуглець речовин, наприклад ацетилену:
СН4 + 2О2 - 2H2O + CO2-.
Для збору і зберігання отриманого газоподібного речовини використовують апарат кіп.
Для потреб промисловості і сільського господарства масштаби отримання діоксиду вуглецю повинні бути великими. Популярним методом такої масштабної реакції є випал вапняку, в результаті якого виходить діоксид вуглецю. Формула реакції приведена нижче:
CaCO3 = CaO + CO2 ^.
Застосування діоксиду вуглецю
Харчова промисловість після масштабного отримання «сухого льоду» перейшла на принципово новий метод зберігання продуктів. Він незамінний при виробництві газованих напоїв і мінеральної води. вміст СО2 в напоях додає їм свіжість і помітно збільшує термін зберігання. А карбідізація мінеральних вод дозволяє уникнути затхлості і неприємного смаку.
У кулінарії часто використовують метод погашення лимонної кислоти оцтом. Виділяється при цьому вуглекислий газ надає пишність і легкість кондитерським виробам.
Дане з`єднання часто використовується в якості харчової добавки, що підвищує термін зберігання харчових продуктах. Відповідно до міжнародних норм класифікації хімічних добавок вмісту в продуктах, проходить під кодом Е 290,
Порошкоподібний вуглекислий газ - одне з найбільш популярних речовин, що входять до складу для пожежогасіння сумішей. Ця речовина зустрічається і в піні вогнегасників.
Транспортувати і зберігати вуглекислий газ найкраще в металевих балонах. При температурі понад 31 С тиск в балоні може досягти критичного і рідкий СО2 перейде в надкритичної стан з різким підйомом робочого тиску до 7,35 МПа. Металевий балон витримує внутрішній тиск до 22 МПа, тому діапазон тиску при температурах понад тридцять градусів визнається безпечним.
