Еще один интересный газ – углекислый

Наталья Химия и здоровье 18.06.2019

Всем привет!

Недавние статьи об угарном газе натолкнули меня на мысль продолжить тему оксидов углерода – раз уж сказала «а», то нужно говорить и «б». Раз уж написала об окиси углерода, то по всем законам жанра надо рассказать и о двуокиси, то есть об углекислом газе.

Так что планирую на эту тему несколько статей: об углекислом газе в целом, о его влиянии на организм, а также интересные опыты по получению и свойствам этого вещества. Посмотрим, что из этого выйдет, а то ведь про гомеопатию я тоже не собиралась много писать, а в итоге получилось аж пять статей.

Итак, сегодня я расскажу о том, что такое углекислый газ, как его получают, с чем реагирует углекислый газ и сколько его содержится в воздухе.

Что это такое

Углекислый газ это в нормальных условиях газ, не имеет цвета и запаха, плотность его больше, чем у воздуха, поэтому он в полтора раза тяжелее воздуха.

Имеет несколько названий:
Все эти названия и формулу я буду использовать в дальнейшем тексте, чтобы уж слишком не мозолить глаза постоянным словосочетанием «углекислый газ».

Как видно из формулы, молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода.

Немного истории

Углекислый газ был впервые описан голландским химиком Яном (Жаном, Иоганном) Баптистом ван Гельмонтом в начале 17 века. Гельмонт сжигал древесный уголь и наблюдал выделение газа в результате сгорания. Называл он его «лесным духом» и считал разновидностью воздуха.
Также он установил, что такой же газ образуется в результате спиртового брожения и при действии различных кислот на поташ и известняк (карбонаты калия и кальция).

Позже, в середине 18 века, углекислый газ изучал английский химик Джозеф Блэк. Он прокаливал известняк и действовал на него кислотами, в результате чего получал углекислый газ.

Он установил, что этот газ легко поглощается щелочами и за счет этого назвал его «фиксируемым (связанным) воздухом». Именно благодаря Блэку химики узнали о том, что в твердых телах может «содержаться» газ. Это было совершенно новой и неожиданной идеей для того времени.

Свойства

Если диоксид углерода охладить приблизительно до минус 78 градусов по шкале Цельсия, то образуются белые кристаллы – «сухой лёд».

СО2 малорастворим в воде, но если повысить давление, то растворимость значительно увеличивается. Это свойство используют при приготовлении газированных напитков.

При растворении в воде углекислый газ дает очень слабую и неустойчивую в водных растворах угольную кислоту Н2СО3. Долгое время даже считалось, что ее не существует в свободном виде при нормальных условиях. Только недавно ее удалось выделить как самостоятельное вещество, используя низкие температуры (об этом есть заметка в группе «Занимательная химия», ссылки под статьей).

Зато соли этой кислоты очень устойчивы и имеют огромное значение в нашей жизни.

Напоминаю, соли – это вещества, в которых часть молекулы кислоты (любой) соединяется с одним или несколькими атомами металла.

Например, если от угольной кислоты берется кислотный остаток СО3 и соединяется с кальцием Са, мы получаем СаСО3 – карбонат кальция, мел, известняк и еще много других названий.

Если возьмем кислотный остаток НСО3 (в формуле угольной кислоты ведь два атома водорода, вот мы один уберем, а второй оставим в кислотном остатке) и соединим его с натрием Na, то получим NaНСО3 — всем хорошо знакомую пищевую соду.

Таким образом, соли и кислоты – это совершенно разные вещества. Разные как по составу, так и по свойствам. Например, та же угольная кислота жидкая, а мел, как вы знаете, твердый. И т.д.

Один из основных законов химии – свойства зависят от состава. Разный состав – разные свойства. Причем, все свойства. Не какие-то там абстрактные «химические», а все: цвет, агрегатное состояние, плотность, запах, вкус, поведение в организме (то есть участие в биохимических процессах) и т.д.

Вроде бы просто, элементарно, но когда доходит до практики, многие про это забывают и начинают такую чушь говорить…

Я потому так подробно останавливаюсь на формулах, что хорошо помню недавнюю историю с одной моей коллегой (про моих коллег уже, наверное, целую книгу можно издавать).

Она принесла мне «на рецензию» упаковку от китайской соевой лапши и начала биться в истерике, что в её, лапши то есть, состав входит серная кислота. При близком рассмотрении состава в перечне ингредиентов нашелся «кальций сернокислый». На мой закономерный вопрос, где тут серная кислота, мне ткнули пальцем в этот несчастный сульфат кальция с воплем: «Ну он же СЕРНОКИСЛЫЙ!!!».

Пришлось на пальцах и на листке бумаге объяснять, что это – только часть кислоты, а не целая молекула. А раз состав изменился, то и свойства изменились. Кальций сернокислый и серная кислота – совершенно разные вещества. Никакой кислоты здесь и в помине нет, опасности тоже нет, ешьте на здоровье (при условии разумной концентрации, естественно).

Короче, кое-как убедила несчастную женщину, которая купила лапшу, прочитала этикетку, в ужасе выбросила лапшу, а этикетку принесла на работу и сунула мне «тыжехимику», чтобы доказать, что мировое правительство нас травит и мы все скоро умрем.

Возвращаемся к свойствам углекислого газа.

Наверное, все еще из школы помнят, что он не поддерживает дыхание и горение. В принципе, верно, но есть исключение. Магний (а также калий, цезий, алюминий, лантан и т. п.), может некоторое время гореть в атмосфере углекислого газа с образованием оксида магния. Именно поэтому пожар, где горят такие вещества, невозможно потушить углекислотным огнетушителем.

Еще одно из свойств, которое как раз изучал Блэк, диоксид углерода хорошо реагирует с щелочами. В одной из следующих статей я покажу несколько опытов с углекислым газом, которые можно провести в домашних условиях.

Упомяну о важном физическом свойстве – плотности. Молекулярная масса углекислого газа равна 44. Это в полтора раза больше воздуха (29). Следовательно, углекислый газ тяжелее воздуха и будет скапливаться в низинах, подвалах и т.д. Это нужно учитывать, если вдруг доведется бывать в местах, где возможно образование и скопление двуокиси углерода.

Применение

Самое основное, пожалуй, «применение» углекислого газа – это использование его растениями в процессах фотосинтеза.

Остальные способы использования человеком кратко перечислю:

производство соды,
получение свинцовых белил,
использование для создания инертной среды для разных химических реакций,
получение азотного удобрения – карбамида (мочевины),
в пищевой промышленности это консервант Е290,
в огнетушителях и системах пожаротушения,
изготовление газированных напитков,
как хладогент («сухой лед»).

Сухой лед

Диоксид углерода в атмосфере

Откуда в атмосфере Земли берется диоксид углерода? Его источниками является дыхание животных и растений, гниение органики, ее горение (в том числе и сжигание ископаемого топлива, то есть угля, нефти, газа), выделение с вулканическими газами и подземными минеральными водами, выветривание горных пород.

Что интересно, около 56% СО2 поступает в атмосферу в результате процессов брожения и минерализации органических веществ, а также дыхания растений, как наземных, так и водных.

38% двуокиси углерода в воздухе дают почвенные микроорганизмы в результате своей жизнедеятельности.

А выделение углекислого газа в результате дыхания людей и животных дает всего лишь 1,6%.

В чистом воздухе за пределами мегаполисов концентрация углекислого газа составляет около 0,04%. Это считается оптимальным содержанием для нормальной жизни человека.

Около 4 миллиардов лет назад атмосфера Земли состояла в основном из диоксида углерода. Однако со временем он постепенно растворялся в воде и вступал в химические реакции с породами земной коры с образованием карбонатов, в основном, кальция и магния. За счет этого содержание двуокиси углерода в атмосфере снижалось, а когда появились зеленые растения, этот процесс стал протекать еще быстрее. К моменту появления человека содержание СО2 в воздухе стало порядка 0,02-0,03% и оставалось на этом уровне до начала промышленной революции.

Потом за счет интенсивного сжигания органического топлива и вырубания лесов концентрация двуокиси углерода повысилась до 0,04%. Вроде бы немного, совсем уж смешные цифры, но в следующих статьях я покажу, что это на самом деле довольно существенное повышение.

Около 50% углекислого газа атмосферы поглощается зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Еще около 30% растворяется в Мировом океане. Остальное же, увы, остается нам. Этот газ поглощает исходящее от Земли тепловое (инфракрасное) излучение, накапливает его, что приводит к парниковому эффекту. Конечно, не только СО2 является парниковым газом, их много, но он один из основных, и глобальное потепление и изменение климата – уже не шутка, а реальный факт.