Диоксид углерода

Биологическая роль

Углекислый газ является конечным продуктом в организмах, которые получают энергию при расщеплении сахаров, жиров и аминокислот с помощью кислорода в процессе метаболизма. Этот процесс известен как клеточное дыхание. К ним относятся все растения, животные, многие грибы и некоторые бактерии. У высших животных углекислый газ перемещается в крови из тканей организма в легкие, где он выдыхается. Растения получают углекислый газ из атмосферы для использования в процессе фотосинтеза.

Сухой лед

Сухой лед, или твердый диоксид углерода, - это твердое состояние газа CO₂ при температуре ниже -109,3 °F (-78,5°C). Сухой лед не встречается в природе на Земле, а производится человеком. Он бесцветен. Люди используют сухой лед, чтобы сделать вещи холодными, а напитки - шипучими, убить сусликов и заморозить бородавки. Пары сухого льда вызывают удушье и, в конечном итоге, смерть. При использовании сухого льда рекомендуется соблюдать осторожность и обращаться за профессиональной помощью.

При обычном давлении он не превращается из твердого тела в жидкость, а переходит непосредственно из твердого тела в газ. Это называется сублимацией. Он превращается непосредственно из твердого тела в газ при любой температуре, кроме экстремально низкой. Сухой лед сублимируется при нормальной температуре воздуха. При контакте сухого льда с обычным воздухом выделяется углекислый газ, который не имеет цвета. Диоксид углерода может быть сжижен при давлении выше 5,1 атмосферы.

Углекислый газ, выделяющийся из сухого льда, настолько холоден, что при смешивании с воздухом он охлаждает водяной пар в воздухе до состояния тумана, который выглядит как густой белый дым. Его часто используют в театре для создания видимости тумана или дыма.

Сухой лед при помещении в воду

Изоляция и производство

Химики могут получать углекислый газ из охлажденного воздуха. Они называют это дистилляцией воздуха. Этот метод неэффективен, поскольку для получения небольшого количества CO2 необходимо охладить большое количество воздуха. Химики также могут использовать несколько различных химических реакций для выделения диоксида углерода. Диоксид углерода образуется в реакциях между большинством кислот и большинством карбонатов металлов. Например, в результате реакции между соляной кислотой и карбонатом кальция (известняком или мелом) образуется диоксид углерода:

2   H C l + C a C O ⟶3 C a C l + 2H C2 O {\displaystyle3 \mathrm {2\ HCl+CaCO_{3}\longrightarrow CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}}} }

Карбоновая кислота (HCO₂₃) затем разлагается на воду и CO₂. Такие реакции вызывают вспенивание или образование пузырьков, или и то, и другое. В промышленности такие реакции многократно используются для нейтрализации отработанных кислотных потоков.

Известь (CaO), химическое вещество, имеющее широкое применение, можно получить, нагревая известняк до температуры около 850 °C. В результате этой реакции также образуется CO: ₂

C a C O ⟶3 C a O + C O {\displaystyle2 \mathrm {CaCO_{3}\longrightarrow CaO+CO_{2}} }

Углекислый газ образуется также при сгорании всех углеродсодержащих видов топлива, таких как метан (природный газ), нефтяные дистилляты (бензин, дизельное топливо, керосин, пропан), уголь или древесина. В большинстве случаев также выделяется вода. В качестве примера можно привести химическую реакцию между метаном и кислородом:

C H + 4O2 ⟶2 C O + 2H2 O 2{\displaystyle \mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\longrightarrow CO_{2}+2\ H_{2}O} }

Двуокись углерода производится на сталелитейных заводах. Железо восстанавливается из его оксидов с помощью кокса в доменной печи с получением чугуна и двуокиси углерода:

F e O 2+3 C3 O ⟶2 F e + C3 O {\displaystyle2 \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\ CO\longrightarrow 2\ Fe+3\ CO_{2}}} }

Дрожжи метаболизируют сахар для получения углекислого газа и этанола, также известного как спирт, при производстве вин, пива и других спиртных напитков, а также при производстве биоэтанола:

C H6 O12 ⟶62 C O +2 C2 H 2O 5H {\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow 2\ CO_{2}+2\ C_{2}H_{5}OH} }

Все аэробные организмы производят CO
₂ при окислении углеводов, жирных кислот и белков в митохондриях клеток. Большое количество реакций, участвующих в этом процессе, чрезвычайно сложны и не поддаются простому описанию. (Они включают клеточное дыхание, анаэробное дыхание и фотосинтез). Фотоавтотрофы (т.е. растения, цианобактерии) используют другую реакцию: Растения поглощают CO
₂ из воздуха и, вместе с водой, вступают в реакцию, образуя углеводы:

n C O +2 n H O2 ⟶ ( C H O 2) n + n O {\displaystyle2 \mathrm {nCO_{2}+nH_{2}O\longrightarrow (CH_{2}O)n+nO_{2}}} }

Диоксид углерода растворим в воде, в которой он самопроизвольно превращается в CO₂ и H
₂CO
₃ (карбоновая кислота). Относительные концентрации CO
₂, H
₂CO
₃и депротонированных форм HCO⁻
₃ (бикарбонат) и CO²⁻
₃ (карбонат) зависят от кислотности (pH). В нейтральной или слабощелочной воде (pH > 6,5) преобладает бикарбонатная форма (>50%), которая становится наиболее распространенной (>95%) при pH морской воды, в то время как в очень щелочной воде (pH > 10,4) преобладающей (>50%) формой является карбонатная. Бикарбонатная и карбонатная формы очень растворимы. Так, океаническая вода, уравновешенная воздухом (слабощелочная с типичным pH = 8,2-8,5), содержит около 120 мг бикарбоната на литр.

Промышленное производство

Промышленный углекислый газ образуется в основном в результате шести процессов:

• Улавливая природные источники углекислого газа, где он образуется в результате воздействия подкисленной воды на известняк или доломит.
• В качестве побочного продукта на заводах по производству водорода, где метан преобразуется в CO₂;
• От сжигания ископаемого топлива или древесины;
• Как побочный продукт ферментации сахара при варке пива, виски и других алкогольных напитков;
• В результате термического разложения известняка, CaCO
  ₃при производстве извести (оксид кальция, CaO);

Химическая реакция

Углекислый газ можно получить с помощью простой химической реакции:

C + O ⟶2 C O {\displaystyle2 \mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}} }

углерод + кислород → углекислый газ