Ще один цікавий газ – вуглекислий

Нещодавні статті про чадний газ наштовхнули мене на думку продовжити тему оксидів вуглецю - якщо вже сказала «а», то треба говорити і «б». Якщо вже написала про окис вуглецю, то за всіма законами жанру треба розповісти і про двоокис, тобто про вуглекислий газ.

Так що планую на цю тему кілька статей: про вуглекислий газ загалом, про його вплив на організм, а також цікаві досліди щодо отримання та властивостей цієї речовини. Подивимося, що з цього вийде, бо про гомеопатію я теж не збиралася багато писати, а в результаті вийшло аж п'ять статей.

Отже, сьогодні я розповім про те, що таке вуглекислий газ, як його отримують, із чим реагує вуглекислий газ і скільки його міститься в повітрі.

Що це таке

Вуглекислий газ це в нормальних умовах газ, не має кольору і запаху, щільність його більша, ніж у повітря, тому він у півтора рази важчий за повітря.

Має кілька назв:
Всі ці назви і формулу я використовуватиму в подальшому тексті, щоб занадто не мозолити очі постійним словосполученням «вуглекислий газ».

Як видно з формули, молекула вуглекислого газу складається з одного атома вуглецю та двох атомів кисню.

Трохи історії

Вуглекислий газ був вперше описаний нідерландським хіміком Яном (Жаном, Йоганном) Баптистом ван Гельмонтом на початку 17 століття. Гельмонт спалював деревне вугілля та спостерігав виділення газу внаслідок згоряння. Він називав його «лісовим духом» і вважав різновидом повітря.
Також він встановив, що такий самий газ утворюється в результаті спиртового бродіння і при дії різних кислот на поташ і вапняк (карбонати калію та кальцію).

Пізніше, у середині 18 століття, вуглекислий газ вивчав англійський хімік Джозеф Блек. Він прожарював вапняк і діяв на нього кислотами, у результаті отримував вуглекислий газ.

Він встановив, що цей газ легко поглинається лугами і за рахунок цього назвав його «пов'язаним повітрям, що фіксується». Саме завдяки Блеку хіміки дізналися про те, що у твердих тілах може утримуватися газ. Це було зовсім новою та несподіваною ідеєю для того часу.

Властивості

Якщо діоксид вуглецю охолодити приблизно мінус 78 градусів за шкалою Цельсія, то утворюються білі кристали – «сухий лід».

СО2 малорозчинний у воді, але якщо підвищити тиск, то розчинність значно збільшується. Цю властивість використовують при приготуванні газованих напоїв.

При розчиненні у воді вуглекислий газ дає дуже слабку та нестійку у водних розчинах вугільну кислоту Н2СО3. Довгий час навіть вважалося, що її не існує у вільному вигляді за нормальних умов. Тільки нещодавно її вдалося виділити як самостійну речовину, використовуючи низькі температури (про це є замітка у групі «Цікава хімія», посилання під статтею).

Проте солі цієї кислоти дуже стійкі і мають величезне значення в нашому житті.

Нагадую, солі – це речовини, в яких частина молекули кислоти (будь-якої) з'єднується з одним або декількома атомами металу.

Наприклад, якщо від вугільної кислоти береться кислотний залишок СО3 та з'єднується з кальцієм Са, ми отримуємо СаСО3 – карбонат кальцію, крейду, вапняк та ще багато інших назв.

Якщо візьмемо кислотний залишок НСО3 (у формулі вугільної кислоти два атоми водню, ось ми один приберемо, а другий залишимо в кислотному залишку) і з'єднаємо його з натрієм Na, то отримаємо NaНСО3 - всім добре знайому харчову соду.

Таким чином, солі та кислоти – це зовсім різні речовини. Різні як за складом, і за властивостями. Наприклад, та сама вугільна кислота рідка, а крейда, як ви знаєте, тверда. І т.д.

Один із основних законів хімії – властивості залежать від складу. Різний склад – різні властивості. Причому всі властивості. Не якісь там абстрактні «хімічні», а все: колір, агрегатний стан, густина, запах, смак, поведінка в організмі (тобто участь у біохімічних процесах) тощо.

Начебто просто, елементарно, але коли доходить до практики, багато хто про це забуває і починає таку нісенітницю говорити…

Я тому так докладно зупиняюся на формулах, що добре пам'ятаю недавню історію з однією моєю колегою (про моїх колег уже, мабуть, можна видавати цілу книгу).

Вона принесла мені "на рецензію" упаковку від китайської соєвої локшини і почала битися в істериці, що в її, локшини тобто, склад входить сірчана кислота. При близькому розгляді складу у переліку інгредієнтів знайшовся «сірчано-кальційний кальцій». На моє закономірне запитання, де тут сірчана кислота, мені тицьнули пальцем у цей нещасний сульфат кальцію з криком: «Ну він же СЕРНОКИСЛИЙ. ».

Довелося на пальцях і на аркуші паперу пояснювати, що це лише частина кислоти, а не ціла молекула. А коли склад змінився, то й властивості змінилися. Кальцій сірчанокислий та сірчана кислота – зовсім різні речовини. Ніякої кислоти тут і близько немає, небезпеки теж немає, їжте на здоров'я (за умови розумної концентрації, природно).

Коротше, абияк переконала нещасну жінку, яка купила локшину, прочитала етикетку, з жахом викинула локшину, а етикетку принесла на роботу і сунула мені «тихохіміку», щоб довести, що світовий уряд нас цькує і ми скоро помремо.

Повертаємось до властивостей вуглекислого газу.

Напевно, ще зі школи пам'ятають, що він не підтримує дихання і горіння. В принципі, вірно, але є виняток. Магній (а також калій, цезій, алюміній, лантан тощо) може деякий час горіти в атмосфері вуглекислого газу з утворенням оксиду магнію. Саме тому пожежу, де горять такі речовини, неможливо згасити вуглекислотним вогнегасником.

Ще одна з властивостей, яку вивчав Блек, діоксид вуглецю добре реагує з лугами. В одній із наступних статей я покажу кілька дослідів із вуглекислим газом, які можна провести в домашніх умовах.

Згадаю про важливу фізичну властивість – щільність. Молекулярна маса вуглекислого газу дорівнює 44. Це в півтора рази більше за повітря (29). Отже, вуглекислий газ важчий за повітря і буде накопичуватися в низинах, підвалах і т.д. Це потрібно враховувати, якщо раптом доведеться бувати в місцях, де можливе утворення і скупчення двоокису вуглецю.

Застосування

Найголовніше, мабуть, «застосування» вуглекислого газу – використання його рослинами в процесах фотосинтезу.

Інші способи використання людиною коротко перерахую:

• виробництво соди,
• отримання свинцевих білил,
• використання для створення інертного середовища для різних хімічних реакцій,
• одержання азотного добрива – карбаміду (сечовини),
• у харчовій промисловості це консервант Е290,
• у вогнегасниках та системах пожежогасіння,
• виготовлення газованих напоїв,
• як хладогент («сухий лід»).

Діоксид вуглецю в атмосфері

Звідки у атмосфері Землі береться діоксид вуглецю? Його джерелами є дихання тварин і рослин, гниття органіки, її горіння (у тому числі спалювання викопного палива, тобто вугілля, нафти, газу), виділення з вулканічними газами та підземними мінеральними водами, вивітрювання гірських порід.

Що цікаво, близько 56% СО2 надходить в атмосферу в результаті процесів бродіння та мінералізації органічних речовин, а також дихання рослин як наземних, так і водних.

38% двоокису вуглецю в повітрі дають ґрунтові мікроорганізми внаслідок своєї життєдіяльності.

А виділення вуглекислого газу в результаті дихання людей і тварин дає лише 1,6%.

У чистому повітрі поза межами мегаполісів концентрація вуглекислого газу становить близько 0,04%. Це вважається оптимальним змістом для життя людини.

Близько 4 мільярдів років тому атмосфера Землі складалася переважно з діоксиду вуглецю. Однак згодом він поступово розчинявся у воді і вступав у хімічні реакції з породами земної кори з утворенням карбонатів, переважно кальцію та магнію. За рахунок цього вміст двоокису вуглецю в атмосфері знижувався, а коли з'явилися зелені рослини, цей процес почав протікати ще швидше. На момент появи людини вміст СО2 у повітрі стало близько 0,02-0,03% і залишалося цьому рівні на початок промислової революції.

Потім за рахунок інтенсивного спалювання органічного палива та вирубування лісів концентрація двоокису вуглецю зросла до 0,04%. Начебто трохи, зовсім смішні цифри, але в наступних статтях я покажу, що це насправді досить суттєве підвищення.

Близько 50% вуглекислого газу атмосфери поглинається зеленими рослинами у процесі фотосинтезу.Ще близько 30% розчиняється у Світовому океані. Решта ж, на жаль, залишається нам. Цей газ поглинає вихідне від Землі теплове (інфрачервоне) випромінювання, накопичує його, що призводить до парникового ефекту. Звичайно, не тільки СО2 є парниковим газом, їх багато, але він один із основних, і глобальне потепління та зміна клімату – вже не жарт, а реальний факт.

Мабуть, на цьому закінчу сьогоднішню статтю. Сподіваюся, було цікаво.

Всім відпочиваючим – гарної відпустки, ну а, як я, працюючим – осудного начальства

ДітиChemistry тепер є і в соціальних мережах. Приєднуйтесь зараз! Однокласники, В контакті, Facebook, Twitter.