Углеродный газ. Основные химические свойства углекислого газа
Углекислый газ, или диоксид углерода, или CO 2 — одно из самых распространенных на Земле газообразных веществ. Он окружает нас в течение всей нашей жизни. Углекислый газ не имеет цвета, вкуса и запаха и никак не ощущается человеком.
Он является важным участником обмена веществ живых организмов. Газ сам по себе не ядовит, но не поддерживает дыхание, поэтому превышение его концентрации ведет к ухудшению снабжения тканей организма кислородом и к удушью. Углекислый газ широко применяется в быту и в промышленности.
Что такое диоксид углерода
При атмосферном давлении и комнатной температуре диоксид углерода находится в газообразном состоянии. Это наиболее часто встречающаяся его форма, в ней он участвует в процессах дыхания, фотосинтеза и обмена веществ живых организмов.
При охлаждении до -78 °С он, минуя жидкую фазу, кристаллизуется и образует так называемый «сухой лед», широко применяемый как безопасный хладагент в пищевой и химической промышленности и в уличной торговле и рефрижераторных перевозках.
При особых условиях — давлении в десятки атмосфер — углекислота переходит в жидкое агрегатное состояние. Это происходит на морском дне, на глубине свыше 600 м.
Свойства углекислого газа
В 17 веке Жан-Батист Ван Гельмонт из Фландрии открыл углекислый газ и определил его формулу. Подробное исследование и описание было сделано столетие спустя шотландцем Джозефом Блэком. Он исследовал свойства углекислого газа и провел серию опытов, в которых доказал, что он выделяется при дыхании животных.
В состав молекулы вещества входит один атом углерода и два атома кислорода. Химическая формула углекислого газа записывается как CO 2
В нормальных условиях не обладает вкусом, цветом и запахом. Только вдыхая большое его количество, человек ощущает кислый привкус. Его дает угольная кислота, образующаяся в малых дозах при растворении углекислого газа в слюне. Эта особенность применяется для приготовления газированных напитков. Пузырьки в шампанском, просекко, пиве и лимонаде — это и есть углекислый газ, образовавшийся в результате естественных процессов брожения или добавленный в напиток искусственно.
Плотность углекислого газа больше плотности воздуха, поэтому при отсутствии вентиляции он скапливается внизу. Он не поддерживает окислительные процессы, такие, как дыхание и горение.
Поэтому углекислоту применяют в огнетушителях. Это свойство углекислого газа иллюстрируют с помощью фокуса — горящую свечу опускают в «пустой» стакан, где она и гаснет. В действительности стакан заполнен CO 2 .
Углекислый газ в природе естественные источники
К таким источникам относятся окислительные процессы разной интенсивности:
- Дыхание живых организмов. Из школьного курса химии и ботаники все помнят, что в ходе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Но не все помнят, что это происходит только днем, при достаточном уровне освещения. В темное время суток растения наоборот, поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Так что попытка улучшить качество воздуха в комнате, превращая ее в заросли фикусов и герани может сыграть злую шутку.
- Извержения и другая вулканическая активность. CO 2 выбрасывается из глубин мантии Земли вместе с вулканическими газами. В долинах рядом с источниками извержений газа настолько много, что, скапливаясь в низинах, он вызывает удушье животных и даже людей. Известны несколько случаев в Африке, когда задыхались целые деревни.
- Горение и гниение органики. Горение и гниение — это одна и та же реакция окисления, но протекающая с разной скоростью. Богатые углеродом разлагающиеся органические остатки растений и животных, лесные пожары и тлеющие торфяники — все это источники диоксида углерода.
- Самым же большим природным хранилищем CO 2 являются воды мирового океана, в которых он растворен.
За миллионы лет эволюции основанной на углеродных соединениях жизни на Земле в различных источниках накопились многие миллиарды тонн углекислого газа. Его одномоментный выброс в атмосферу приведет к гибели всего живого на планете из-за невозможности дыхания. Хорошо, что вероятность такого одномоментного выброса стремится к нулю.
И скусственные источники углекислого газа
Углекислый газ попадает в атмосферу и в результате человеческой жизнедеятельности. Самыми активными источниками в наше время считаются:
- Индустриальные выбросы, происходящие в ходе сгорания топлива на электростанциях и в технологических установках
- Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания транспортных средств: автомобилей, поездов, самолетов и судов.
- Сельскохозяйственные отходы — гниение навоза в больших животноводческих комплексах
Кроме прямых выбросов, существует и косвенное воздействие человека на содержание CO 2 в атмосфере. Это массовая вырубка лесов в тропической и субтропической зоне, прежде всего в бассейне Амазонки.
Несмотря на то, что в атмосфере Земли содержится менее процента диоксида углерода, он оказывает все возрастающее действие на климат и природные явления. Углекислый газ участвует в создании так называемого парникового эффекта путем поглощения теплового излучения планеты и удерживания этого тепла в атмосфере. Это ведет к постепенному, но весьма угрожающему повышению среднегодовой температуры планеты, таянию горных ледников и полярных ледяных шапок, росту уровня мирового океана, затоплению прибрежных регионов и ухудшению климата в далеких от моря странах.
Знаменательно, что на фоне общего потепления на планете происходит значительное перераспределение воздушных масс и морских течений, и в отдельных регионах среднегодовая температура не повышается, а понижается. Это дает козыри в руки критикам теории глобального потепления, обвиняющим ее сторонников в подтасовке фактов и манипуляции общественным мнением в угоду определенным политическим центрам влияния и финансово-экономическим интересам
Человечество пытается взять под контроль содержание углекислого газа в воздухе, были подписаны Киотский и Парижский протоколы, накладывающие на национальные экономики определенные обязательства. Кроме того, многие ведущие автопроизводители автомобилей объявили о сворачивании к 2020-25 годам выпуска моделей с двигателями внутреннего сгорания и переходе на гибриды и электромобили. Однако некоторые ведущие экономики мира, такие, как Китай и США, не торопятся выполнять старые и брать на себя новые обязательства, мотивируя это угрозой уровню жизни в своих странах.
Углекислый газ и мы: чем опасен CO 2
Углекислый газ — один из продуктов обмена веществ в организме человека. Он играет большую роль в управлении дыханием и снабжением кровью органов. Рост содержания CO 2 в крови вызывает расширение сосудов, способных таким образом транспортировать больше кислорода к тканям и органам. Аналогично и система дыхания понуждается к большей активности, если концентрация углекислоты в организме растет. Это свойство используют в аппаратах искусственной вентиляции легких, чтобы подстегнуть собственные органы дыхания пациента к большей активности.
Кроме упомянутой пользы, превышение концентрации СO 2 может принести организму и вред. Повышенное содержание во вдыхаемом воздухе приводит к тошноте, головной боли, удушью и даже к потере сознания. Организм протестует против углекислого газа и подает человеку сигналы. При дальнейшем увеличении концентрации развивается кислородное голодание, или гипоксия. Co 2 мешает кислороду присоединяться к молекулам гемоглобина, которые и осуществляют перемещение связанных газов по кровеносной системе. Кислородное голодание ведет к снижению работоспособности, ослаблению реакции и способностей к анализу ситуации и принятию решений, апатии и может привести к смерти.
Такие концентрации углекислого газа, к сожалению, достижимы не только в тесных шахтах, но и в плохо проветриваемых школьных классах, концертных залах, офисных помещениях и транспортных средствах — везде, где в замкнутом пространстве без достаточного воздухообмена с окружающей средой скапливается большое количество людей.
Основное применение
CO 2 широко применяется в промышленности и в быту – в огнетушителях и для изготовления газировки, для охлаждения продуктов и для создания инертной среды при сварке.
Применение углекислого газа отмечено в таких отраслях, как:
- для чистки поверхностей сухим льдом.
Фармацевтика
- для химического синтеза компонентов лекарственных средств;
- создания инертной атмосферы;
- нормализация индекса pH отходов производства.
Пищевая отрасль
- производство газированных напитков;
- упаковка продуктов питания в инертной атмосфере для продления срока годности;
- декаффеинизация кофейных зерен;
- замораживание или охлаждение продуктов.
Медицина, анализы и экология
- Создание защитной атмосферы при полостных операциях.
- Включение в дыхательные смеси в качестве стимулятора дыхания.
- В хроматографических анализах.
- Поддержание уровня pH в жидких отходах производства.
Электроника
- Охлаждение электронных компонентов и устройств при тестировании на температурную стойкость.
- Абразивная очистка в микроэлектронике (в твердой фазе).
- Очищающее средство в производстве кремниевых кристаллов.
Химическая отрасль
Широко применяется в химическом синтезе в качестве реагента и в качестве регулятора температур в реакторе. CO 2 отлично подходит для обеззараживания жидких отходов с низким индексом pH.
Применяется также для осушения полимерных веществ, растительных или животных фиброматериалов, в целлюлозном производстве для нормализации уровня pH как компонентов основного процесса, так и его отходов.
Металлургическая отрасль
В металлургии CO 2 в основном служит делу экологии, защиты природы от вредных выбросов путем их нейтрализации:
- В черной металлургии — для нейтрализации плавильных газов и для донного перемешивания расплава.
- В цветной металлургии при производстве свинца, меди, никеля и цинка — для нейтрализации газов при транспортировке ковша с расплавом или горячих слитков.
- В качестве восстановительного агента при организации оборота кислотных шахтных вод.
Сварка в углекислой среде
Разновидность сварки под флюсом является сварка в углекислой среде. Операции сварочных работ с углекислым газом осуществляется плавящимся электродом и распространен в процессе монтажных работ, устранении дефектов и исправления деталей с тонкими стенками.
Прежде чем рассматривать химические свойства углекислого газа, выясним некоторые характеристики данного соединения.
Общие сведения
Является важнейшим компонентом газированной воды. Именно он придает напиткам свежесть, игристость. Данное соединение является кислотным, солеобразующим оксидом. углекислого газа составляет 44 г/моль. Этот газ тяжелее воздуха, поэтому скапливается в нижней части помещения. Данное соединение плохо растворяется в воде.
Химические свойства
Рассмотрим химические свойства углекислого газа кратко. При взаимодействии с водой происходит образование слабой угольной кислоты. Она практически сразу после образования диссоциирует на катионы водорода и анионы карбоната или гидрокарбоната. Полученное соединение вступает во взаимодействие с активными металлами, оксидами, а также со щелочами.
Каковы основные химические свойства углекислого газа? Уравнения реакций подтверждают кислотный характер данного соединения. (4) способен образовывать карбонаты с основными оксидами.
Физические свойства
При нормальных условиях данное соединение находится в газообразном состоянии. При повышении давления можно перевести его до жидкого состояния. Этот газ не имеет цвета, лишен запаха, обладает незначительным кислым вкусом. Сжиженная углекислота является бесцветной, прозрачной, легкоподвижной кислотой, аналогичной по своим внешним параметрам эфиру либо спирту.
Относительная молекулярная масса углекислого газа составляет 44 г/моль. Это практически в 1,5 раза больше, чем у воздуха.
В случае понижения температуры до -78,5 градусов по Цельсию происходит образование Он по своей твердости аналогичен мелу. При испарении данного вещества образуется газообразный оксид углерода (4).
Качественная реакция
Рассматривая химические свойства углекислого газа, необходимо выделить его качественную реакцию. При взаимодействии данного химического вещества с известковой водой происходит образование мутного осадка карбоната кальция.
Кавендишу удалось обнаружить такие характерные физические свойства оксида углерода (4), как растворимость в воде, а также высокий удельный вес.
Лавуазье был проведен в ходе которого он пытался из оксида винца выделить чистый металл.
Выявленные в результате подобных исследований химические свойства углекислого газа стали подтверждением восстановительных свойств данного соединения. Лавуазье при прокаливании окиси свинца с оксидом углерода (4) сумел получить металл. Для того чтобы удостовериться в том, что второе вещество является оксидом углерода (4), он пропустил через газ известковую воду.
Все химические свойства углекислого газа подтверждают кислотный характер данного соединения. В земной атмосфере данное соединение содержится в достаточном количестве. При систематическом росте в земной атмосфере данного соединения возможно серьезное изменение климата (глобальное потепление).
Именно диоксид углерода играет важную роль в живой природе, ведь данное химическое вещество принимает активное участие в метаболизме живых клеток. Именно это химическое соединение является результатом разнообразных окислительных процессов, связанных с дыханием живых организмов.
Углекислый газ, содержащийся в земной атмосфере, является основным источником углерода для живых растений. В процессе фотосинтеза (на свету) происходит процесс фотосинтеза, который сопровождается образованием глюкозы, выделением в атмосферу кислорода.
Диоксид углерода не обладает токсичными свойствами, он не поддерживает дыхания. При повышенной концентрации данного вещества в атмосфере у человека возникает задержка дыхания, появляются сильные головные боли. В живых организмах углекислый газ имеет важное физиологическое значение, к примеру, он необходим для регуляции сосудистого тонуса.
Особенности получения
В промышленных масштабах углекислоту можно выделять из дымового газа. Кроме того, СО2 является побочным продуктом разложения доломита, известняка. Современные установки для производства углекислого газа предполагают использование водного раствора этанамина, адсорбирующего газ, содержащийся в дымовом газе.
В лаборатории диоксид углерода выделяют при взаимодействии карбонатов или гидрокарбонатов с кислотами.
Применение углекислого газа
Данный кислотный оксид применяется в промышленности в качестве разрыхлителя или консерванта. На упаковке продукции данное соединение указывается в виде Е290. В жидком виде углекислоту используют в огнетушителях для тушения пожаров. Оксид углерода (4) используют для получения газированной воды и лимонадных напитков.
Многим аквариумистам известны рекомендации по использованию для размножения рыб воды, более мягкой и кислой, по сравнению с аквариумной. Удобно пользоваться для этой цели дистиллированной водой, мягкой и слабокислой, смешивая ее с водой из аквариума. Но оказывается, что при этом жесткость исходной воды уменьшается пропорционально разведению, а рН практически не изменяется. Свойство сохранять значение показателя рН независимо от степени разведения, называется буферностью. В этой статье мы познакомимся с основными компонентами буферных систем аквариумной воды: кислотностью воды - рН , содержанием углекислого газа - СО 2 , карбонатной «жесткостью» - dКН (эта величина показывает содержание в воде гидрокарбонат-ионов НСО 3 - ; в рыбохозяйственной гидрохимии этот параметр называют щелочностью), общей жесткостью – dGН (для упрощения принимается, что ее составляют только ионы кальция – Са ++ ). Обсудим их влияние на химический состав природной и аквариумной воды, собственно буферные свойства, а также механизм воздействия рассматриваемых параметров на организм рыб. Большинство химических реакций, рассматриваемых ниже, являются обратимыми, поэтому вначале важно познакомиться с химическими свойствами обратимых реакций; это удобно сделать на примере воды и показателя рН.
- 6. СО 2 и физиология дыхания аквариумных рыб
- 7. Мини-практикум
- 8. Использованная литература
1. О ХИМИЧЕСКИХ РАВНОВЕСИЯХ, ЕДИНИЦАХ ИЗМЕРЕНИЯ И pН
Вода является хотя и слабым, но все же электролитом, т. е. способна к диссоциации, описываемой уравнением
Н 2 О ↔Н + +ОН -
Этот процесс обратим, т.е.
Н + +ОН - ↔Н 2 О
C химической точки зрения ион водорода Н + всегда является кислотой. Ионы, способные связывать, нейтрализовывать кислоту (Н + ), являются основаниями. В нашем примере это – гидроксил-ионы (ОН - ), но в аквариумной практике, как будет показано ниже, доминирующим основанием является гидрокрабонат-ион НСО 3 - , ион карбонатной «жесткости». Обе реакции протекают с вполне измеримыми скоростями, определяемыми концентрацией: скорости химических реакций пропорциональны произведению концентраций реагирующих веществ. Так для обратной реакции диссоциации воды Н + +ОН - >Н 2 О ее скорость выразится следующим образом:
V обр = К обр [Н + ]
К
– коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции
.
-квадратные скобки обозначают молярную концентрацию вещества
, т.е. количество молей вещества в 1 литре раствора. Моль можно определить как вес в граммах (или объем в литрах - для газов) 6 10 23 частиц (молекул, ионов) вещества - число Авогадро. Число, показывающее вес 6 10 23 частиц в граммах равно числу, показывающему вес одной молекулы в дальтонах.
Так, например, выражение обозначает молярную концентрацию водного раствора … воды. Молекулярный вес воды составляет 18 дальтон (два атома водорода по 1д, плюс атом кислорода 16д), соответственно 1 моль (1М) Н 2 О – 18 грамм. Тогда 1 литр (1000 грамм) воды содержит 1000:18=55,56 молей воды, т.е. =55,56М=const .
Поскольку диссоциация – процесс обратимый (Н 2 О- Н + +ОН - ), то при условии равенства скоростей прямой и обратной реакции (V пр =V обр ), наступает состояние химического равновесия, при котором продукты реакции и реагирующие вещества находятся в постоянных и определенных соотношениях: К пр = K обр . Если константы объединить в одной части уравнения, а реагенты в другой, то получим
К пр /К обр = / = К
где К также является постоянной величиной и называется константой равновесия .
Последнее уравнение является математическим выражением т.н. закона действия масс: в состоянии химического равновесия отношение произведений равновесных концентраций реагентов является постоянной величиной. Константа равновесия показывает, при каких пропорциях реагентов наступает химическое равновесие. Зная значение К , можно предсказать направление и глубину протекания химической реакции. Если К>1 , реакция протекает в прямом направлении, если К<1 – в обратном. Используя константу равновесия, с химическими уравнениями можно обращаться как с алгебраическими и производить соответствующие вычисления. Точность их не очень высока, но они относительно просты и наглядны, что позволяет глубже понять смысл рассматриваемых процессов. Численное значение константы равновесия индивидуально и постоянно для каждой обратимой химической реакции. Оно определяется экспериментально, и эти значения приводятся в химических справочниках.
В нашем примере К = / = 1,8 10 -16 . Поскольку =55,56 =const , то ее можно объединить с К в левой части уравнения. Тогда:
К==(1,8 10 -16) (55,56)=1 10 -14 = const. = К w
Преобразованное в такую форму уравнение диссоциации воды называется ионным произведением воды и обозначается К w . Значение К w остается постоянным при любых значениях концентраций Н + и ОН - , т.е. с увеличением концентрации ионов водорода Н + , уменьшается концентрация ионов гидроксила – ОH - и наоборот. Так, например, если = 10 -6 , то = K w / = (10 -14)/(10 -6)=10 -8 . Но К w = (10 -6) . (10 -8) =10 -14 = const . Из ионного произведения воды следует, что в состоянии равновесия = = √К w = √1 10 -14 = 10 -7 М .
Однозначность связи между концентрацией ионов водорода и гидроксила в водном растворе позволяет для характеристики кислотности или щелoчности среды пользоваться одной из этих величин. Принято пользоваться величинoй концентрации ионов водорода Н + . Поскольку величинами порядка 10 -7 оперировавть неудобно, в 1909 году шведский химик К.Серензен предложил использовать для этой цели отрицательный логарифм концентрации водородных ионов Н + и обозначил его рН , от лат. potentia hydrogeni – сила водорода: рН = -lg . Тогда выражение =10 - 7 можно записать коротко как pH=7 . Т.к. предложенный параметр не имеет единиц измерения, он называется показателем (рН ). Удобство предложения Серензона вроде бы очевидно, но он подвергался критике современников за непривычную обратную зависимость между концентрацией ионов водорода Н + и значением показателя рН : с увеличением концентрации Н + , т.е. с увеличением кислотности раствора, значение показателя рН уменьшается. Из ионного произведения воды следует, что показатель рН может принимать значения от 0 до 14 с точкой нейтральности рН=7 . Органы вкуса человека начинают различать кислый вкус со значения показателя рН=3,5 и ниже.
Для аквариумистики актуален диапазон рН 4,5-9,5 (ниже будет рассматриваться только он) и традиционно принята следующая шкала с непостоянной ценой деления:
- рН<6 -кислая
- рН 6,0-6,5 – слабокислая
- рН 6,5-6,8 – очень слабокислая
- рН 6,8-7,2 –нейтральная
рН 7,2-7,5 – очень слабощелочная
рН 7,5-8,0 - слабощелочная
рН>8 – щелочная
На практике в большинстве случаев гораздо информативнее оказывается более грубая шкала с постоянной ценой деления:
- рН=5±0,5 – кислая
- рН=6±0,5 – слабокислая
- рН=7±0,5 – нейтральная
- рН=8±0,5 – слабощелочная
- рН>8,5 – щелочная
Среды с рН<4,5 и рН>9,5 являются биологически агрессивными, и их следует считать непригодными для жизни обитателей аквариума. Поскольку показатель рН является логарифмической величиной, то изменение рН на 1 единицу означает изменение концентрации ионов водорода в 10 раз, на 2 – в 100 раз и т.д.. Изменение концентрации Н + вдвое приводит к изменению значения показателя рН лишь на 0,3 единицы.
Многие аквариумные рыбы без особого вреда для здоровья переносят и 100-кратные (т.е. на 2 единицы рН ) изменения кислотности воды. Разводчики харациновых и других т.н. мягководных рыб, перекидывают производителей из общего аквариума (часто со слабощелочной водой) в нерестовик (со слабокислой) и обратно без промежуточной адаптации. Практика также показывает, что большинство обитателей биотопов с кислой водой в неволе лучше чувствует себя в воде с рН 7,0-8,0 . С. Спотт считает рН 7,1-7,8 оптимальным для пресноводного аквариума.
Дистиллированная вода имеет рН 5,5–6,0 , а не ожидаемое рН=7 . Чтобы разобраться с этим парадоксом, необходимо познакомиться с «благородным семейством»: СО 2 и его производными.
2. СО2 СО ТОВАРИЩИ, pН, И СНОВА ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Согласно закону Генри содержание газа воздушной смеси в воде пропорционально его доле в воздухе (парциальному давлению) и коэффициенту абсорбции. Воздух содержит до 0,04% СО 2 , что соответствует его концентрации до 0,4 мл/л. Коэффициент абсорбции СО 2 водой=12,7. Тогда 1 литр воды может растворить 0,6 – 0,7 мл СО 2 (мл, а не мг!). Для сравнения, его биологический антипод – кислород, при 20%-ном содержании в атмосфере и коэффициенте абсорбции 0,05 обладает растворимостью 7 мл/л. Сравнение коэффициентов абсорбции показывает, что при прочих равных растворимость СО 2 значительно превышает растворимость кислорода. Попробуем разобраться, за что же такая несправедливость.
В отличие от кислорода и азота, углекислый газ - СО 2 , является не простым веществом, а химическим соединением – оксидом. Как и другие оксиды, он взаимодействует с водой с образованием гидратов оксидов и, как и у других неметаллов, его гидроксидом является кислота (угольная):
СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3 .
В итоге большей относительной растворимостью углекислый газ обязан химическому связыванию его водой, чего не происходит ни с кислородом, ни с азотом. Рассмотрим внимательнее кислотные свойства угольной кислоты, применив закон действия масс и приняв во внимание, что = const :
СО 2 +Н 2 О=Н + +НСО 3 -
; К 1 = [Н + ]/ = 4 10 -7
НСО 3 - =Н + +СО 3 --
; К 2 = / = 5,6 10 -11
здесь К 1 и К 2 – константы диссоциации угольной кислоты по 1 и 2-ой ступени.
Ионы НСО 3 - называются гидрокарбонатами (в старой литературе бикарбонатами), а ионы СО 3 -- - карбонатами. Порядок величин К 1 и К 2 говорит о том, что угольная кислота является весьма слабой кислотой (К 1 <1 и К 2 <1 ), а сравнение величин К 1 и К 2 – о том, что в ее растворе доминируют гидрокарбонат-ионы (К 1 >К 2 ).
Из уравнения К 1 можно рассчитать концентрацию ионов водорода Н + :
= K 1 /
Если выразить концентрацию Н + через рН , как это в свое время сделали Хендерсон и Хассельбальх для теории буферных растворов, то получим:
рН = рК 1 – lg/
или удобнее
рН = рК 1 + lg/
где, по аналогии с рН , рК 1 = -lgК 1 =-lg4 10 -7 = 6,4 = const . Тогда pH=6,4 + lg/ . Последнее уравнение известно как уравнение Хендерсона – Хассельбальха. Из уравнения Хендерсона – Хассельбальха следуют по крайней мере два важных вывода. Во-первых, для анализа величины показателя рН необходимо и достаточно знания концентраций компонентов только СО 2 -системы. Во-вторых, значение показателя рН определяется отношением концентраций / , а не наоборот.
Поскольку содержание неизвестно, для вычисления концентрации Н + в дистиллированной воде можно воспользоваться принятой в аналитической химии формулой = √K 1 . Тогда рН = -lg√K 1 . Чтобы оценить интересующую нас величину показателя рН , вернемся к единицам измерения. Из закона Генри известно, что концентрация СО 2 в дистиллированной воде составляет 0,6мл/л. Выражение означает молярную концентрацию (см. выше) углекислого газа. 1М СО 2 весит 44 грамма, и при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Тогда для решения задачи необходимо определить, какую долю от 1М, т.е. от 22,4 литров, составляют 0,6 мл. Если концентрация СО 2 выражена не в объемных, а в весовых единицах, т.е. в мг/л, то искомую долю необходимо считать от молярного веса СО 2 – от 44 грамм. Тогда искомая величина составит:
= x 10 -3 /22,4 = y 10 -3 /44
где х – объемная (мл/л), у – весовая (мг/л) концентрация СО 2 . Простейшие вычисления дают приблизительную величину 3 10 -5 М СО 2 , или 0,03mM. Тогда
рН = -lg√K 1 = -lg√(4 10 -7)(3 10 -5) = -lg√12 10 -12 = -lg(3,5 10 -6) = 5,5
что вполне согласуется с измеряемыми значениями.
Из уравнения Хендерсона-Хассельбальха видно, как величина показателя рН зависит от отношения [НСO 3 - ]/[СО 2 ] . Приблизительно можно считать, что если концентрация одного компонента превышает концентрацию другого в 100 раз, то последней можно пренебречь. Тогда при [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1/100 рН = 4,5 , что можно считать нижним пределом для СО 2 -системы. Меньшие значения показателя рН обусловлены присутствием не угольной, а других минеральных кислот, например серной, соляной. При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1/10 , рН = 5,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1 , или [НСО 3 - ] = [СО 2 ] , рН = 6,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 10 , рН = 7,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] =100 , рН = 8,5 . Считается, что при рН>8,3 (точка эквивалентности фенолфталеина) свободная углекислота в воде практически отсутствует.
3. ПРИРОДНАЯ ВОДА И УГЛЕКИСЛОТНОЕ РАВНОВЕСИЕ
В природе атмосферная влага, насыщаясь СО 2 воздуха и выпадая с осадками, фильтруется через геологическую кору выветривания. Принято считать, что там она, взаимодействуя с минеральной частью коры выветривания, обогащается т.н. типоморфными ионами: Ca ++ , Mg ++ , Na + , SO 4 -- , Сl - и формирует свой химический состав.
Однако работами В.И. Вернадского и Б.Б. Полынова показано, что химический состав поверхностных и грунтовых вод регионов с влажным и умеренно влажным климатом формирует в первую очередь почва. Влияние же коры выветривания связано с ее геологическим возрастом, т.е. со степенью выщелоченности. Разлагающиеся растительные остатки поставляют в воду СО 2 , НСО 3 - и зольные элементы в пропорции, соответствующей их содержанию в живом растительном веществе: Cа>Na>Mg . Любопытно, что практически во всем мире питьевая вода, используемая и в аквриумистике, в качестве доминирующего аниона содержит гидрокарбонат-ион НСО 3 - , а из катионов – Ca ++ , Na + , Mg ++ , нередко с некоторой долей Fe . А поверхностные воды влажных тропиков вообще удивительно однообразны по химическому составу, отличаясь лишь степенью разведения. Жесткость таких вод крайне редко достигает значений (8 ° dGH ), удерживаясь обычно на уровне до 4 °dGН . Ввиду того, что в таких водах = , они имеют слабокислую реакцию и значение показателя рН 6,0-6,5 . Обилие листового опада и активно идущее его разрушение при большом количестве осадков могут приводить к весьма высокому содержанию в таких водах СО 2 и гумусовых веществ (фульвокислот) при почти полном отсутствии зольных элементов. Таковы т.н. «черные воды» Амазонии, в которых значение показателя рН может опускаться до 4,5 и дополнительно удерживаться т.н. гуматным буфером.
В засушливых и бедных растительностью регионах на формирование ионного состава поверхностных вод заметное влияние оказывает геологический возраст горных пород, слагающих кору выветривания и их химический состав. В них рН и пропорции типоморфных ионов будут отличаться от приведенных выше. В результате формируются воды с заметным содержанием SО 4 - и Сl - , а из катионов могут преобладать Nа + с заметной долей Mg ++ . Возрастает и общее содержание солей – минерализация. В зависимости от содержания гидрокарбонатов, значение показателя рН таких вод колеблется в среднем от рН 7±0,5 до рН 8±0,5 , а жесткость всегда выше 10 °dGH . В стабильно щелочных водах, при рН>9 , основными катионами всегда будут Mg ++ и Na + с заметным содержанием калия, поскольку Са ++ осаждается в форме известняка. В этом плане особенно интересны воды Великой Африканской рифтовой долины, которая характеризуется т.н. содовым засолением. При этом даже воды таких гигантов, как озера Виктория, Малави и Танганьика отличаются повышенной минерализацией и таким высоким содержанием гидрокарбонатов, что карбонатная «жесткость» в их водах превышает жесткость общую: dKH>dGH.
СО 2 + Н 2 О↔Н + +НСО 3 - ↔2Н + + СО 3 --
В тех регионах, где кора выветривания молодая и содержит известняк (СаСО 3 ), углекислотное равновесие выражается уравнением
СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Cа ++ + 2НСО 3 -
Применив к этому уравнению закон действия масс (см. выше) и приняв во внимание, что =const и =const (твердая фаза), получаем:
2 / = К СО2
где К СО2 – константа углекислотного равновесия.
Если концентрации действующих веществ выражены в миллимолях (mM,10 -3 М), то К СО2 = 34,3. Из уравнения К СО2 видна неустойчивость гидрокарбонатов: в отсутствие СО 2 , т.е. при =0 , уравнение не имеет смысла. При отсутствии углекислого газа гидрокарбонаты разлагаются до СО 2 и подщелачивают воду: НСО 3 - →ОН - +СО 2 . Содержание свободной СО 2 (для «неживой» воды весьма незначительное), которое обеспечивает устойчивость данной концентрации гидрокарбонатов при неизменном рН , называется равновесной углекислотой - р . Она связана как с содержанием углекислого газа в воздухе так и с dКН воды: с ростом dКН увеличивается и количество [СО 2 ] р . Содержание СО 2 в природных водах как правило близко к равновесной и именно эта их особенность, а не значения dKH , dGН и рН чаще всего отличает состояние природных вод от аквариумной воды. Решив уравнение К СО2 относительно СО 2 , можно определить концентрацию равновесной углекислоты:
р = 2 /К СО2
Поскольку в пресноводной аквариумистике понятия общей жесткости, карбонатной «жесткости» и кислотности являются культовыми, то интересно, что уравнения:
К 1 = /
и
К СО2 = 2 /
объединяют их в одну систему. Разделив К СО2 на К 1 , получим обобщенное уравнение:
К СО2 /К 1 =/
Напомним, что и рН объединяет обратнопропорциональная зависимость. Тогда последнее уравнение показывает, что параметры: dGH , dKH и рН связаны прямопропорционально. Это значит, что в состоянии, близком к газовому равновесию, увеличение концентрации одного компонента приведет к увеличению концентрации остальных. Данное свойство хорошо заметно при сравнении химического состава природных вод разных регионов: более жесткие воды отличаются более высокими значениями рН и dКН .
Для рыб оптимальное содержание СО 2 составляет 1–5мг/л. Концентрации более 15мг/л опасны для здоровья многих видов аквариумных рыб (см. ниже).
Таким образом, с точки зрения углекислотного равновесия, содержание СО 2 в природных водах всегда близко к р .
4. ОБ АКВАРИУМНОЙ ВОДЕ И ПРОИЗВЕДЕНИИ РАСТВОРИМОСТИ
Аквариумная вода не бывает равновесной по содержанию СО 2 в принципе. Измерение содержания углекислоты с помощью СО 2 -теста позволяет определить общее содержание углекислого газа – общ , значение которого, как правило, превышает концентрацию равновесной углекислоты – общ > р . Это превышение называется неравновесной углекислотой – нер . Тогда
нер = общ – р
Обе формы углекислоты – и равновесная и неравновесная, являются не измеряемыми, а только расчетными параметрами. Именно неравновесный углекислый газ обеспечивает активный фотосинтез водных растений и с другой стороны, может создавать проблемы при содержании отдельных видов рыб. В хорошо сбалансированном аквариуме естественные суточные колебания содержания углекислого газа не приводят к падению его концентрации ниже р и не превышают возможностей буфера аквариумной воды. Как будет показано в следующей главе, амплитуда этих колебаний не должна превышать ±0,5 р . Но при увеличении содержания углекислого газа на более, чем 0,5 р , динамика заявленных компонентов СО 2 -системы – dGH , dKH и рН , будет сильно отличаться от природной: общая жесткость (dGH ) в такой ситуации возрастает на фоне падения значений рН и dКН . Именно такая ситуация в корне может отличать аквариумную воду от природной. Происходит повышение dGH в результате растворения известняка грунта. В такой воде могут затрудняться жизненно важные процессы газообмена в организме рыб, в частности – выведение СО 2 , а формирующиеся ответные патологические процессы часто приводят к ошибкам при оценке ситуации (см ниже). В морских рифовых аквариумах такая вода может растворять свежеосажденный СаСО 3 скелета жестких кораллов, в том числе на месте травмы, что может приводить к отслоению тела полипа от скелета и гибели животного при благополучии аквариума по другим параметрам.
При обилии водных растений, на свету возможна ситуация, когда общ <р . В этом случае растения будут влачить жалкое существование, а вода будет склонна к отложению СаСО 3 , особенно на зрелых листьях. Поэтому в аквариумах для выращивания водных растений рекомендуется поддерживать нер < 3 – 5 мг/л . Последнее неравенство также характерно для морских вод коралловых рифов. В океанологии данная ситуация описывается т.н. индексом насыщенности вод карбонатом кальция. В такой обстановке фотосинтез симбионтных зооксантелл в телах коралловых полипов еще больше усиливает приведенное неравенство, что в итоге приводит к отложению СаСО 3 и росту скелета полипа. К сожалению, в морской аквариумистике этот параметр применения пока не нашел. Ввиду такого важного значения растворимости известняка СаСО 3 , познакомимся с химией этого процесса подробнее.
Как известно, осаждение из раствора кристаллов любого вещества начинается при его т.н. насыщенных концентрациях, когда вода больше не способна вмещать в себе это вещество. Водный раствор над осадком (твердой фазой) всегда будет насыщен ионами вещества, независимо от его растворимости и будет находиться в состоянии химического равновесия с твердой фазой. Для известняка это выразится уравнением: СаСО 3(тв.) =Са ++ +СО 3 -- (р-р) . Применив закон действия масс, получим: (р-р) / (тв.) =К . Поскольку (тв.) =const (твердая фаза), то тогда (р-р) =К . Т.к. последнее уравнение характеризует способность вещества растворяться, то такое произведение насыщенных концентраций ионов трудно растворимых веществ назвали произведением растворимости - ПР (ср. с ионным произведением воды К w ).
ПР СаСО3 = = 5 10 -9 . Как и ионное произведение воды, ПР СаСО3 остается постоянным, независимо от изменения концентраций ионов кальция и карбонатов. Тогда при наличии в аквариумном грунте известняка, в воде всегда будут присутствовать карбонат-ионы в количестве, определяемом ПР СаСО3 и общей жесткостью:
= ПР СаСО3 /
В присутствии в воде неравновесного углекислого газа происходит реакция:
СО 3 -- +СО 2 +Н 2 О=2НСО 3 -
которая понижает насыщающую концентрацию карбонат-ионов [СО 3 -- ] . В результате в соответствии с произведением растворимости, в воду будут поступать компенсаторные количества СО 3 -- из СаСО 3 , т.е. известняк начнет растворяться. Поскольку СО 2 +Н 2 О=Н + +НСО 3 - , смысл приведенного выше уравнения можно сформулировать точнее: СО 3 -- +Н + =НСО 3 - . Последнее уравнение говорит о том, что карбонаты, находящиеся в воде в соответствии с ПР СаСО3 , нейтрализуют кислоту (Н + ), образующуюся при растворении СО 2 , в результате чего рН воды сохраняется неизменным. Таким образом, мы постепенно пришли к тому, с чего начинали разговор:
5. КАРБОНАТНАЯ БУФЕРНАЯ СИСТЕМА
Растворы называют буферными, если они обладают двумя свойствами:
А: Значение показателя рН растворов не зависит от их концентрации, или от степени их разведения.
Б: При добавлении кислоты (Н + ), или щелочи (ОН - ), величина их показателя рН мало изменяется, пока концентрация одного из компонентов буферного раствора не изменится более, чем наполовину.
Указанными свойствами обладают растворы, состоящие из слабой кислоты и ее соли. В аквариумной практике такой кислотой является углекислота, а ее доминирующей солью – гидрокарбонат кальция – Са(НСО 3) 2 . С другой стороны, повышение содержания СО 2 выше равновесного эквивалентно добавлению в воду кислоты - Н + , а понижение его концентрации ниже равновесного – равносильно добавлению щелочи - ОН - (разложение гидрокарбонатов - см. выше). Количество кислоты или щелочи, которое необходимо внести в буферный раствор (аквариумную воду), чтобы значение показателя рН изменилось на 1 единицу, называется буферной емкостью. Отсюда следует, что рН аквариумной воды начинает изменяться раньше, чем исчерпывается ее буферная емкость, но по исчерпании буферной емкости, рН изменяется уже эквивалентно количеству внесенной кислоты, или щелочи. В основе работы буферной системы лежит т.н. принцип Ле Шателье: химическое равновесие всегда смещается в сторону, противоположную приложенному воздействию. Рассмотрим свойства А и Б буферных систем.
А. Независимость рН буферных растворов от их концентрации выводится из уравнения Хендерсона-Хассельбальха: рН = рК 1 +lg/ . Тогда при разных концентрациях НСО 3 - и СО 2 их отношение / может быть неизменным. Так, например, / = 20/8 = 10/4 = 5/2 = 2,5/1 = 0,5/0,2 = 2,5 , - т.е. разные воды, отличающиеся значением карбонатной «жесткости» dКН и содержанием СО 2 , но содержащие их в одинаковой пропорции, будут иметь одинаковое значение показателя рН (см.также гл.2). Уверенно отличаться такие воды будут по своей буферной емкости: чем выше концентрация компонентов буферной системы, тем больше ее буферная емкость и наоборот.
Аквариумисты сталкиваются с данным свойством буферных систем обычно в периоды весеннего и осеннего паводка, если станции водозабора снабжаются поверхностной, а не артезианской водой. В такие периоды буферная емкость воды может уменьшаться настолько, что некоторые виды рыб не выдерживают традиционной плотной посадки. Тогда начинают появляться истории о загадочных болезнях, выкосивших например, скалярий, или меченосцев и против которых бессильны все лекарства.
Б . Можно говорить о трех буферных системах аквариумной воды, каждая из которых устойчива в своем диапазоне рН :
1 . рН<8,3 СО 2 /НСО 3 - гидрокарбонатный буфер
2. рН=8,3 НСО 3 - гидрокарбонатный буфер
3. рН>8,3 НСО 3 - /СО 3 -- карбонатный буфер.
Рассмотрим свойсво Б в двух вариантах: вар. Б1 - при возрастании содержания СО 2 и вар. Б2 – при уменьшении его содержания.
Б1 . Концентрация СО 2 увеличивается (плотная посадка, очень старая вода, перекорм).
Кислотные свойства СО 2 проявляются в образовании ионов водорода Н + при взаимодействии его с водой: СО 2 +Н 2 О→Н + +НСО 3 - . Тогда увеличение концентрации СО 2 равносильно увеличению концентрации ионов водорода Н + . Согласно принципа Ле Шателье это приведет к нейтрализации Н + . В этом случае буферные системы работают следующим образом.
Карбонатный буфер 3 : при наличии карбонатного грунта ионы водорода будут поглощаться присутствующими в воде карбонатами: Н + +СО 3 -- →НСО 3 - . Следствием этой реакции будет растворение СаСО 3 грунта (см. выше).
Гидрокарбонатный буфер 1 – 2 : по реакции Н + +НСО 3 - →CO 2 +Н 2 О . Стабильность рН будет достигнута за счет уменьшения карбонатной «жесткости» dКН , а удаление образующегося СО 2 – либо за счет фотосинтеза, либо за счет диффузии его в воздух (при надлежащей аэрации).
Если источник избытка СО 2 не будет устранен, то при уменьшении значения dКН вдвое от исходного, рН воды начнет понижаться при сопутствующем падении буферной емкости и увеличении общей жесткости. Когда величина показателя рН уменьшится на 1 единицу, емкость буферной системы будет исчерпана. При значении рН=6,5 содержание оставшихся гидрокарбонатов = , а при рН<6 гидрокарбонаты будут присутствовать лишь в виде следа.
В итоге стабильность рН будет оплачена ценой понижения dКН , увеличения dGH и расходования буферной емкости воды. Такая вода уже будет сильно отличаться от природной (см. выше) и не всякая рыба сможет в ней выжить. В аквариумной практике принято считать нижней границей нормы количество гидрокарбонатов, соответствующее 4°dКН . Можно добавить, что для ряда видов аквариумных рыб (живородки, скалярии, атерины и др.) понижение карбонатной «жесткости» ниже 2°dКН может закончится трагично. Но в то же время, многие мелкие харациновые, расборы, радужницы такую воду переносят.
Б2 . Противоположные процессы – подщелачивание воды вследствие уменьшения содержания СО 2 в аквариуме ниже равновесного - возможны либо при активном фотосинтезе растений, либо при искусственном внесении в воду гидрокарбонатов в виде пищевой соды – NаНСО 3 . Тогда, согласно принципу Ле Шателье, это приведет к следующему противодействию со стороны буферных систем аквариумной воды.
Гидрокарбонатный буфер 1 : стабильность рН будет удерживаться за счет диссоциации гидрокарбонатов: НСО 3 - →Н + +СО 3 -- . Тогда вслед за понижением содержания
СО 2 , будет пропорционально понижаться и количество гидрокарбонатов, а значение отношения [НСО 3 - ]/ сохраняться постоянным (см. свойство А, уравнение Хендерсона-Хассельбальха). При падении содержания углекислоты менее 0,5 р , значение показателя рН начнет увеличиваться и может возрасти до рН=8,3 . По достижении этого значения, гидрокарбонатный буфер 1 свои возможности исчерпывает, поскольку в такой воде СО 2 практически отсутствует.
Гидрокарбонатный буфер 2 удерживает значение рН=8,3 . Эта цифра следует из формулы [Н + ]=√К 1 К 2 , где К 1 и К 2 – 1 и 2-ая константы диссоциации угольной кислоты (см. выше). Тогда:
рН = -lg√К 1 К 2 = -lg√(4 10 -7)(5,6 10 -11) = 8,3
Т.е. значение рН растворов любых гидрокарбонатов постоянно, не превышает рН=8,3 и является следствием самой химической природы этих веществ.
В отсутствие СО 2 гидрокарбонаты разлагаются по уравнению:
НСО 3 - →СО 2 +ОН - , подщелачивая воду и выделяя СО 2 , который потребляют растения. Но, тот же гидрокарбонат нейтрализует ОН - по схеме: НСО 3 - →СО 3 -- +Н + ; и Н + +ОН - →Н 2 О . Поэтому значение показателя рН будет сохраняться стабильным, что отражает суммарное уравнение:
2НСО 3 - →СО 3 -- +СО 2 +Н 2 О
Стабильность рН достигается опять же за счет уменьшения количества гидрокарбонатов, т.е. за счет понижения буферной емкости воды. Однако аквариумный тест dКН это уменьшение не чувствует в силу особенностей самого метода анализа.
Поскольку гидрокарбонат-ион обладает способностью к диссоциации как по кислотному, так и по основному типу, т.е: НСО 3 - →Н + +СО 3 -- и НСО 3 - →ОН - +СО 2 , то карбонатная «жесткость» dКН (содержание гидрокарбонатов), также является буферной системой.
Искусственное внесение в воду гидрокарбонатов (обычно в виде пищевой соды) иногда практикуется при содержании цихлид из Великих Африканских озер и в морской аквариумистике. При этом реализуются две стратегии: увеличение буферной емкости аквариумной воды и повышение значения показателя рН до 8,3.
Если количество СО 2 в аквариумной воде будет уменьшаться и далее, то при падении его содержания вдвое, по сравнению с равновесным, рН воды начнет возрастать. По превышении показателем рН значения рН=8,3 , углекислый газ из воды исчезает, и неорганический углерод представлен только гидрокарбонатами и карбонатами.
Карбонатный буфер 3 . По превышении карбонатами концентрации, соответствующей произведению растворимости =ПР СаСО3 / , в воде начнут образовываться кристаллы СаСО 3 . Поскольку основным и единственным потребителем СО 2 в пресноводном аквариуме являются водные растения, то рассматриваемые процессы происходят преимущественно на поверхности зеленого листа. При возрастании рН>8,3 поверхность зрелых листьев начнет покрываться известковой коркой, которая является замечательным субстратом для роста водорослей. Связывая карбонаты СО 3 -- , образующийся СаСО 3 также поддерживает стабильность рН . Однако в отсутствие ионов Са ++ (в очень мягкой воде), при активном фотосинтезе рост концентрации карбонатов будет повышать значение показателя рН вследствие гидролиза карбонатов: СО 3 -- +Н 2 О→ОН - +НСО 3 - .
При увеличении значения показателя рН на 1 единицу, по сравнению с исходным, буферная емкость воды будет исчерпана, и при продолжающемся падении содержания СО 2 , значение показателя рН может быстро повыситься до рискованного рН>8,5 . В итоге падение содержания СО 2 в аквариумной воде приведет к росту значения показателя рН при некотором уменьшении общей жесткости. В такой воде (также сильно неравновесной, как и в варианте Б1 ) весьма дискомфортно будут себя чувствовать многие мягководные рыбы.
Таким образом карбонатная буферная система воды объединяет в себе традиционные аквариумные гидрохимические параметры: жесткость общую и карбонатную, рН , а также содержание СО 2 . В ряду dGH – pH - dKH – CO 2 самым консервативным параметром является dGH , а самым изменчивым – СО 2 . По степени изменения dGH , pH и особенно dKH по сравнению с отстоянной, проаэрированной водопроводной водой можно судить о степени напряженности процессов дыхания и фотосинтеза в аквариуме. Исчерпание буферной емкости аквариумной воды как в ту, так и в другую сторону, настолько изменяет ее способность поглощать СО 2 , что именно это свойство зачастую превращает ее в сильно неравновесную по содержанию СО 2 и кардинально отличает от природной. Изменение способности аквариумной воды поглощать выдыхаемый рыбами СО 2 , может превышать физиологические возможности организма рыб по его выведению. Поскольку это отражается на здоровье рыбного населения аквариума, то следует познакомиться с особенностями физиологического действия СО 2 на организм рыб.
© Александр Яночкин, 2005 г.
© Аква Лого, 2005 г.
Углекислый газ бесцветный газ с едва ощутимым запахом не ядовит, тяжелее воздуха. Углекислый газ широко распространен в природе. Растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н 2 CO 3 , придает ей кислый вкус. В воздухе содержится около 0,03% углекислого газа. Плотность в 1,524 раза больше плотности воздуха и равна 0,001976 г/см 3 (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Потенциал ионизации 14,3В. Химическая формула – CO 2 .
В сварочном производстве используется термин «углекислый газ» см. . В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» принят термин «углекислота» , а в - термин «двуокись углерода» .
Существует множество способов получения углекислого газа, основные из которых рассмотрены в статье .
Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре -78,5°С углекислый газ, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед» .
Под давлением 528 кПа и при температуре -56,6°С углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).
Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и только при температуре выше 2000°С.
Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество . В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont ) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».
Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black) .
Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO 3) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух» . Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.
CaCO 3 + 2HCl = СО 2 + CaCl 2 + H 2 O
Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO 2 через водный раствор извести Ca(OH) 2 на дно осаждается карбонат кальция CaCO 3 . Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных .
CaO + H 2 O = Ca(OH) 2
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O
Жидкая двуокись углерода бесцветная жидкость без запаха, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Она существует при комнатной температуре лишь при давлении более 5,85 МПа. Плотность жидкой углекислоты 0,771 г/см 3 (20°С). При температуре ниже +11°С она тяжелее воды, а выше +11°С - легче.
Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой , поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8-22,9°С не более 0,05%.
Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты. При нормальных условиях (20°С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа . При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении «тройной точки» она превращается в сухой лед, который забивает отверстие в понижающем редукторе, и дальнейший отбор газа прекращается. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения жидкой двуокиси углерода - поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.
Впервые жидкую двуокись углерода получили в 1823 г. Гемфри Дэви (Humphry Davy) и Майкл Фарадей (Michael Faraday).
Твердая двуокись углерода «сухой лед», по внешнему виду напоминает снег и лед. Содержание углекислого газа, получаемого из брикета сухого льда, высокое - 99,93-99,99%. Содержание влаги в пределах 0,06-0,13%. Сухой лед, находясь на открытом воздухе, интенсивно испаряется, поэтому для его хранения и транспортировки используют контейнеры. Получение углекислого газа из сухого льда производится в специальных испарителях. Твердая двуокись углерода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162.
Двуокись углерода чаще всего применяют :
- для создания защитной среды при металлов;
- в производстве газированных напитков;
- охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
- для систем пожаротушения;
- для чистки поверхностей сухим льдом.
Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Углекислый газ является , в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие .
Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлись в швах. Поры вызывались кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделения оксиси углерода (СО) вследствие недостаточной его раскисленности.
При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:
Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (сварка ).
Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:
Мэ + О = МэО
где Мэ - металл (марганец, алюминий или др.).
Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами.
В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное - кремния, марганца, хрома, ванадия и др.
Особенно энергично окисление примесей происходит при . Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке неплавящимся электродом - только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом.
Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом.
Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м 3) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как она тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м 3 (0,5%).
Углекислый газ поставляется по . Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.
Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы. В стандартный с водяной емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты, которая при нормальном давлении занимает 67,5% объема баллона и дает при испарении 12,5 м 3 углекислого газа. В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.
Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10...15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке шва.
При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги
Баллон с двуокисью углерода окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА» .
Без цвета и запаха. Важнейший регулятор кровообращения и дыхания.
Не токсичен. Без него не было бы сдобных булочек и приятно колких газированных напитков.
Из этой статьи вы узнаете, что такое углекислый газ и как он влияет на организм человека.
Большинство из нас плохо помнят школьный курс физики и химии, но знают: газы невидимы и, как правило, неосязаемы, а потому коварны. Поэтому, прежде чем ответить на вопрос, вреден ли углекислый газ для организма, давайте вспомним, что он собой представляет.
Одеяло Земли
— двуокись углерода. Он же — углекислый газ, оксид углерода (IV) или угольный ангидрид. В нормальных условиях это бесцветный не имеющий запаха газ с кисловатым вкусом.
В условиях атмосферного давления двуокись углерода имеет два агрегатных состояния: газообразное (углекислый газ тяжелее воздуха, плохо растворяется в воде) и твёрдое (при -78 ºС превращается в сухой лёд).
Углекислый газ — один из главных составляющих окружающей среды. Он содержится в воздухе и подземных минеральных водах, выделяется при дыхании человека и животных, участвует в фотосинтезе растений.
Двуокись углерода активно влияет на климат. Она регулирует теплообмен планеты: пропускает ультрафиолет и блокирует инфракрасное излучение. В связи с этим углекислый газ порой называют одеялом Земли.
O2 — энергия. CO2 — искра
Двуокись углерода сопровождает человека на протяжении всей жизни. Будучи естественным регулятором дыхания и кровообращения, углекислый газ является неотъемлемым компонентом обмена веществ.
Делая вдох, человек наполняет лёгкие кислородом.
При этом в альвеолах (специальных «пузырьках» лёгких) происходит двусторонний обмен: кислород переходит в кровь, а углекислый газ выделяется из неё.
Человек выдыхает. CO2 — один из конечных продуктов метаболизма.
Говоря образно, кислород — это энергия, а углекислый газ — искра, разжигающая её.
Вдыхая около 30 литров кислорода в час, человек выделяет 20-25 литров углекислого газа.
Углекислый газ не менее важен для организма, чем кислород. Он является физиологическим стимулятором дыхания: влияет на кору головного мозга и стимулирует дыхательный центр. Сигналом для очередного вдоха служит не недостаток кислорода, а избыток углекислого газа. Ведь обмен веществ в клетках и тканях непрерывен, и нужно постоянно удалять его конечные продукты.
Кроме того, углекислый газ на секрецию гормонов, активность ферментов и скорость биохимических процессов.
Равновесие газообмена
Углекислый газ не токсичен, не взрывоопасен и абсолютно безвреден для людей. Однако для нормальной жизнедеятельности крайне важен баланс двуокиси углерода и кислорода. Недостаток и избыток углекислого газа в организме приводит к гипокапнии и гиперкапнии соответственно.
Гипокапния — недостаток СО2 в крови. Возникает в результате глубокого учащённого дыхания, когда в организм поступает больше кислорода, чем нужно. Например, во время слишком интенсивных физических нагрузок. Последствия могут быть различными: от лёгкого головокружения до потери сознания.
Гиперкапния — избыток СО2 в крови. Человек (вместе с кислородом, азотом, водяными парами и инертными газами) 0,04% углекислого газа, а выдыхает 4,4%. Если находиться в небольшом помещении с плохой вентиляцией, концентрация двуокиси углерода может превысить норму. Как следствие, может возникнуть головная боль, тошнота, сонливость. Но чаще всего гиперкапния сопутствует экстремальным ситуациям: неисправность дыхательного аппарата, задержка дыхания под водой и другим.
Таким образом, вопреки мнению большинства людей, углекислый газ в количествах, предусмотренных природой, необходим для жизни и здоровья человека. Кроме того, он нашёл широкое промышленное применение и приносит людям немало практической пользы.
Игристые пузырьки на службе поваров
СО2 используется во многих сферах. Но, пожалуй, наиболее востребован углекислый газ в пищевой промышленности и кулинарии.
Углекислый газ образуется в дрожжевом тесте под влиянием брожения. Именно его пузырьки разрыхляют тесто, делая его воздушным и увеличивая его объём.
С помощью углекислого газа делают различные освежающие напитки: квас, минеральную воду и другие любимые детьми и взрослыми газировки.
Эти напитки пользуются популярностью у миллионов потребителей во всём мире во многом из-за игристых пузырьков, которые так забавно лопаются в бокале и так приятно «колют» в носу.
Может ли углекислый газ, содержащийся в газированных напитках, способствовать гиперкапнии или нанести любой другой вред здоровому организму? Конечно, нет!
Во-первых, углекислый газ, который используется при приготовлении газированных напитков, специально подготовлен для применения в пищевой промышленности. В тех количествах, в которых он содержится в газировках, он абсолютно безвреден для организма здоровых людей.
Во-вторых, большая часть углекислого газа улетучивается сразу после откупоривания бутылки. Оставшиеся пузырьки «испаряются» в процессе питья, оставляя после себя лишь характерное шипение. В итоге в организм попадает ничтожно малое количество углекислого газа.
«Тогда почему врачи порой запрещают пить газированные напитки?» — спросите вы. По мнению кандидата медицинских наук, врача-гастроэнтеролога Алёны Александровны Тяжевой, это связано с тем, что существует ряд заболеваний желудочно-кишечного тракта, при которых предписывается специальная строгая диета. В список противопоказаний попадают не только напитки, содержащие газ, но и многие продукты питания.
Здоровый же человек без проблем может включить в свой рацион умеренное количество газированных напитков и время от времени позволять себе стаканчик той же колы.
Вывод
Углекислый газ необходим для поддержания жизни как планеты, так и отдельно взятого организма. СО2 влияет на климат, являясь своеобразным одеялом. Без него невозможен метаболизм: с углекислым газом из организма выходят продукты обмена. А ещё это незаменимый компонент любимых всеми газированных напитков. Именно углекислый газ создаёт игривые пузырьки, щекочущие в носу. При этом для здорового человека он абсолютно безопасен.