Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

7.6: Діоксид вуглецю

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    17987

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Вуглекислий газ (СО 2) є найбільш стійким оксидом вуглецю і утворюється в результаті спалювання вуглецю або вуглецесодержащих сполук в повітрі або надлишку кисню, (7.6.1). Для промислового застосування його зазвичай готують з розкладання карбонату кальцію (вапняку), (7.6.2), а не відділення від продуктів згоряння.

    \[ \text{C + O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\]

    \[ \text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO + CO}_2\]

    Фазова хімія вуглекислого газу

    Вуглекислий газ не існує у вигляді рідини при нормальному атмосферному тиску, але твердий CO 2 (також відомий як сухий лід) підноситься при -78,5° C (рис.\(\PageIndex{1}\)). Сухий лід (рис.\(\PageIndex{2}\)) зазвичай використовується як холодоагент для збереження харчових продуктів або біологічних зразків.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Діаграма стану для вуглекислого газу.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Фотографія твердої брили сухого льоду.
    Примітка

    При поміщенні сухого льоду в воду (особливо нагріту) сублімація прискорюється, і створюється малопотопає щільна хмара туману (димоподібний). Це використовується в туманних автоматах, в театрах, концертах, будинках з привидами та нічних клубах для драматичних ефектів (рис.\(\PageIndex{3}\)). Туман від сухого льоду ширяє над землею на відміну від інших машин штучного туману (які використовують часткове згоряння нафти), де туман піднімається, як дим.

    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Сухий лід генерується дим, який використовується під час світового туру Iron Maiden «Десь назад у часі». Правове регулювання: Пиротек.

    Надкритичний вуглекислий газ

    Як зазначалося вище, вуглекислий газ зазвичай поводиться як газ у повітрі при стандартній температурі і тиску (STP = 25° C і 1 атм) або як тверда речовина при заморожуванні. Однак, якщо температура і тиск збільшені від STP до критичної точки або вище критичної точки (рис.\(\PageIndex{1}\)), вуглекислий газ приймає властивості посередині між газом і рідиною (T c = 31,1° C і P c = 72,9 атм).

    Надкритичний СО 2 став важливим промисловим розчинником завдяки своїй ролі в хімічній екстракції на додаток до низької токсичності та впливу на навколишнє середовище. У зв'язку з цим він розглядається як перспективний зелений розчинник. Одне з найбільших застосувань - це без кофеїну кави та чаю, не залишаючи залишків і дозволяючи кофеїну відокремлювати та використовувати в інших продуктах напоїв.

    Структура і склеювання

    Вуглекислий газ є лінійною молекулою за рахунок π-локалізації. Склеювання в СО 2 включає 2 σ-зв'язку і 2 набори 3 центральних π-зв'язків (рис.\(\PageIndex{4}\)). Довжина зв'язку C-O 1,2 Å слід порівнювати зі значенням, що спостерігається для органічних карбонілів (наприклад, кетонів, ефірів, альдегідів) 1.2 — 1.3 Å.

    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Діаграма молекулярної орбіти вуглекислого газу.

    Розчинення і реакція з водою

    Хоча СО 2 не має дипольного моменту, він дуже полярний (діелектрична проникність = 1,60 при 0° C, 50 атм) і, отже, розчиняється в полярних розчинниках, таких як вода, до концентрації 18% (0,04 М). Більша його частина (+99%) присутня у вигляді сольватированного СО 2 (рис.\(\PageIndex{5}\)), і лише близько 0,2% реагує з утворенням вугільної кислоти (7.6.1), з подальшими рівновагами, що призводять до утворення бікарбонату (HCO 3 -) і карбонату (CO 3 2-).

    \[ \text{H}_2\text{O + CO}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{CO}_3\]

    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Типова водна сольватія вуглекислого газу.

    Загальна реакція передбачає ряд рівноваг. Перша рівновага - утворення вугільної кислоти, (7.6.4). Швидкість реакції, (7.6.5), знаходиться на величині 1 секунди (тобто повільної), і як наслідок, коли вуглекислий газ переноситься в організмі, присутній фермент для прискорення реакції.

    \[ \text{CO}_{\text{2(solv)}} \text{ + H}_2\text{O} \xrightleftharpoons[\text{k}_{\text{H}_2\text{CO}_3}]{\text{k}_{\text{CO}_2}} \text{H}_2\text{CO}_3\]

    \[ \text{K = } \dfrac{\text{k}_{\text{H}_2\text{CO}_3}}{\text{k}_{\text{CO}_2}} \text{ = } \dfrac{25}{0.04} \text{ = 600}\]

    2-е рівновага є наслідком першої іонізації вугільної кислоти з утворенням бікарбонату (HCO 3 -), (7.6.6). На відміну від першої реакції, (7.6.4), ця реакція дуже швидка з K eq = 1.6 x 10 -4 @ 25° C.

    \[ \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- \text{ + H}^+ \]

    3-е рівновага передбачає утворення карбонатного іона (7.6.7), і має K eq = 4,84 х 10 -11. Карбонат (CO 3 2-) - це делокалізований ліганд, який може виступати в якості моно- або бідентатної або мостової групи.

    \[ \text{HCO}_3^- \rightleftharpoons \text{CO}_3^{2-} \text{ + H}^+ \]

    Освіта вугільної кислоти є причиною того, що навіть при відсутності забруднюючих речовин (таких як SO 2) природна дощова вода є слабокислою через розчиненого СО 2. Рівновага, пов'язана з вугільною кислотою, також відповідає за буферизацію рН в крові.

    хімія реакції

    Фотосинтез у рослин знижує СО 2 до органічної речовини, але подібні реакції ще не розвинені в неживих системах.

    Гриньяри легко реагують з вуглекислим газом, утворюючи карбоксилат, який дає пов'язану карбонову кислоту при гідролізі, (7.6.8). Подібні реакції відбуваються і з іншими металоорганічними сполуками. Крім того, СО 2 реагує з солями лужних металів фенолів (фенолатів) з отриманням гідроксикарбоксилату.

    \[ \text{RMgX + CO}_2 \rightarrow \text{RCO}_2\text{MgX} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{RCO}_2\text{H + HOMgX}\]

    Відомий ряд комплексів СО 2 з перехідними металами, в яких координація може відбуватися через центральний вуглець (рис.\(\PageIndex{6}\) А) або зв'язок C = O (рис.\(\PageIndex{6}\) b). Як варіант, СО 2 може перемикати два металеві центри.

    Малюнок\(\PageIndex{6}\): Моди склеювання СО 2 з перехідними металами.

    Глобальне потепління і вуглекислий газ

    Глобальне потепління - це процес спостережуваного підвищення середньої температури приповерхневого повітря Землі і океанів з середини 20-го століття. Глобальна температура поверхні збільшилася на 0,74° C (1.33° F) між початком і кінцем 20-го століття (рис.\(\PageIndex{7}\)). Загальноприйнято вважати, що більшість цього підвищення температури відбулося з середини 20-го століття і було викликано збільшенням концентрації парникових газів внаслідок спалювання викопного палива (генерація додаткового CO 2) та вирубки лісів (втрата механізм споживання СО 2) див\(\PageIndex{7}\). Рис. Незважаючи на те, що природні явища (включаючи сонячну радіацію та вулкани) спричинили більшу частину потепління з доіндустріальних часів, масштаби змін, спричинених глобальною індустріалізацією, є більш значною.

    Рисунок\(\PageIndex{7}\): Співвідношення середньої температури Землі з вуглекислим газом і світовим населенням.

    Атмосфера Землі виконує дві функції. По-перше, озон (O 3) у верхній атмосфері екранує шкідливий УФ від досягнення поверхні Землі. По-друге, оскільки сонячне випромінювання проникає в атмосферу, частина тепла потім зберігається як наслідок СО 2 в атмосфері. Саме цей процес модулює температуру поверхні і забезпечує стабільне середовище для життя. Невдача або зміна будь-якого з цих процесів може мати різкий вплив на життєздатність планети.

    Розглянемо відносне положення Венери, Землі і Марса до Сонця (рис.\(\PageIndex{8}\)). Чим ближче планета до сонця, тим більше УФ-випромінювання і тим більше нагрівання планети; однак температура також сильно модулюється атмосферою. Венера має атмосферу, що містить 95% CO 2 і має температуру поверхні приблизно 450° C. навпаки, в той час як атмосфера Марса також 95% CO 2, вона лише на 1% настільки ж щільна, як у Землі, і, таким чином, температура поверхні коливається від 40° C протягом дня (через радіаційне нагрівання) до -80 °C вночі (через відсутність збереженого тепла через тонку атмосферу). Їх слід порівнювати з земною атмосферою, яка становить 0,038% CO 2, що дозволяє зберегти правильну кількість тепла для підтримки життя. Очевидно, що будь-яка суттєва зміна вмісту CO 2 в атмосфері змінить глобальні температури планети.

    Малюнок\(\PageIndex{8}\): Відносні розміри і положення планет від Сонця.

    Бібліографія

    • Н. Стерн, Огляд Стерна: Економіка зміни клімату, Казначейство HM, Лондон.
    • Гупта та Дж.-Дж. Shim, Розчинність у надкритичному діоксиді вуглецю, CRC Press (2006).
    • Захоплення та зберігання вуглекислого газу: Спеціальний звіт Міжурядової групи з питань зміни клімату, Cambridge University Press (2005).