Діоксид вуглецю: формула, властивості та області застосування

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: CO_2.

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- H₂CO_3.

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.