Углекислый газ в промышленности, его получение и применение

По систематической международной номенклатуре (IUPAC) вещество с формулой СО2 получило название – Оксид углерода(IV). Тривиальные (общепринятые названия) – двуокись или диоксид углерода, угольный ангидрид (солеобразующий оксид, обладающий кислотными свойствами).

Формула углекислого газа

СО₂

Молекула углекислого газа образована двумя атомами кислорода и атомом углерода. Структурная формула – О=С=О. Валентность углерода равна 4. Степень окисления – (+4). Тип связи – ковалентная полярная.

Получение углекислого газа

Природные источники углекислого газа

Углекислый газ образуется при медленном окислении в процессах дыхания, брожения, гниения органических веществ. Выделяется при разложении природных карбонатов, сгорании топлива, образовании дымовых газов. Содержится в воздухе, минеральных источниках.

В сутки организм человека выделяет 1 кг СО₂. В воздухе содержится 0,03% углекислого газа.

Лабораторные способы получения

В лаборатории газ можно получить взаимодействием соляной кислоты с мелом, мрамором, содой. Собирается газ методом вытеснения воздуха.

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂+ H₂O + CO₂,

NaHCO₃+ HCl → NaCl + H₂O + CO₂.

Промышленные способы получения

1. Обжиг известняка: CaCO₃ → CaO + CO₂.
2. Как побочный продут разделения воздуха при получении кислорода, азота, аргона.

Свойства углекислого газа

Физические свойства

Вещество нетоксичное, негорючее.

Вещество в твердом агрегатном состоянии называется «сухим льдом».

Высокую концентрацию диоксида углерода можно определить органолептически – во рту, на языке появляется кисловатый привкус. Повышенное содержание опасно для организма – вызывает удушье.

Химические свойства

1. Качественная реакция: при взаимодействии углекислого газа с известковым молочком (гидроксидом кальция) образуется карбонат кальция – осадок белого цвета.

CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O.

1. CO₂, как кислотный оксид, реагирует с водой с образованием угольной кислоты. Эта кислота – соединение нестойкое, легко распадается на углекислый газ и воду. Тип реакции – реакция соединения, обратимая.

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃.

1. При нагревании распадается на оксид углерода(II) и воду: 2CO2 = 2CO + O2.

2. Взаимодействует с основными оксидами, с образованием солей:

CaO + CO₂ = CaCO₃; Al₂O₃ + 3CO₂ = Al₂(CO₃)₃.

Тип реакции – реакция соединения.

1. Взаимодействует со щелочами, с образованием кислых и средних солей:

CO₂ + NaOH = NaHCO₃;

CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O.

Средняя соль образуется при избытке щелочи. Кислая соль образуется при отношении количеств вещества оксида и щелочи – 1:1.

1. При температуре реагирует с активными металлами:

CO₂ + 2Mg = C + 2MgO

Углекислый газ в основном проявляет восстановительные свойства, но при взаимодействии с активными металлами является окислителем.

1. Вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами:

CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O (условия протекания реакции – высокая температура, катализатор Cu₂O).

Применение углекислого газа

В пищевой промышленности:

• используется при производстве минеральной воды и газированных напитков;
• как пищевая добавка (Е290), повышает сроки хранения продуктов;
• в качестве разрыхлителя придает легкость и пышность кондитерским изделиям;
• как хладогент;
• для удаления из кофе кофеина.

В авиамоделировании используется как источник энергии для двигателей; применяется в пневматическом оружии; как заправка для углекислотных огнетушителей. Используется в качестве защитной среды при сварке.

Находит углекислый газ применение и в медицине – используется для криоабляции новообразований, служит стимулятором глубокого дыхания.

В химической промышленности газ используется в синтезе химических веществ, производстве солей угольной кислоты, процессах осушки и очистки полимеров, волокон растительного и животного происхождения. Применяется для очистки сточных вод, повышает проводимость сверхчистой воды.

Примеры решения задач

Задача 1

Найти массовую долю углерода в углекислом газе.

Решение

М(СО₂) = 12+2х16 = 44 г/моль. Аr(С) = 12 г/моль. W(С) = 12/44 = 0,27 или 27%

Ответ: массовая доля углерода в углекислом газе равна 27%.

Задача 2

Вычислить объем углекислого газа, выделившегося при взаимодействии соляной кислоты с мрамором массой 100 г.

Решение

300 г — х л

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂+ H₂O + CO₂

х(СО₂) = 300х22,4/100 = 67, 2 (л).

Ответ: Объем углекислого газа равен 67, 2 л.

Углекислый газ, имея универсальные свойства, используется в промышленности, медицине, сельском хозяйстве. Сегодня CO2 – это удобрение в сельском хозяйстве, медицинский инструмент, регулятор температуры и источник новой энергии.

Получение в промышленности

Получение диоксида углерода в промышленности методологически разнообразно. Он находится в дымовых отходах, выпускаемых в атмосферу ТЭЦ и электростанциями, получается при брожении спирта и выступает как продукт реакции с природными карбонатами.

Индустрия получения двуокиси углерода широка. Газ можно абсорбировать несколькими способами из одного источника. Во всех случаях это поэтапный процесс очистки от примесей (для достижения требований ГОСТа) и достижения нужной консистенции, агрегатного состояния.

Получение газообразной двуокиси углерода

Газообразный CO2 извлекают из промышленных (нефтяных) дымов путем адсорбции моноэтаноламина (коммерчески выгодно) и карбонатом калия (редко). Принцип сбора частиц углерода одинаков для обоих веществ. Они направляются по трубопроводу к отходам и собирают в себя углекислый газ. После сбора, насыщенные углекислотой газы направляются на очистку.

В специальных емкостях происходит реакция в при повышенной температуре или заниженном давлении. В процессе высвобождается чистая углекислота и продукты распада (аммиак и другие).

Установка добычи углекислоты

Схематически процесс выглядит так:

1. Отходящий дым смешивается с адсорбентами (газообразным карбонатом калия или моноэтаноламином);
2. Накопившие в себе двуокись углерода газы поступают в специальный газгольдер для очистки;
3. В реакции с высокой температурой или низким давлением происходит отделение углекислого газа от адсорбента.

В лаборатории извлечь много CO2 не получается. Но это возможно в реакции с гидрокарбонатами и кислотами. В отдельности CO2 можно выделить на промышленных станках для получения кислорода, аргона или азота. Углекислый газ здесь выступает как побочный продукт. Хранится он в специальных баллонах, поставляемых потребителю.

Получение жидкой углекислоты

Добыча жидкой углекислоты поэтапно связана с получением ее из газа. Из летучего газообразного состояния, при обработке водородом, раствором перманганата калия и углем, образуется жидкая двуокись.

Сжижение происходит из-за низкого давления, сопровождающего реакцию. После многоступенчатой очистки, жидкий диоксид углерода попадает в компрессор. Там он сжимается и подается для сушки в 2 адсорбера, поочередно перенимающие работу для восстановления. Параллельно сжатая жидкость очищается от запахов и переводится в конденсатор, а оттуда – на хранение.

Этот метод сжижения применяется для газов спиртового брожения. Он актуален для пропана, бутана и т.д. Его используют на крупных пивоварнях, а получаемая очищенная углекислота имеет высокие показатели качества.

Получение твердого диоксида углерода

Твердый диоксид образуют из жидкого путем обработки низкой температурой (-56°). В промышленных условиях только 20% переходят в твердое состояние, а остальные – испаряются.

Сухой лед

Порядок извлечения углекислотных кристаллов (сухого льда):

1. Из емкости брожения газ переходит в емкость для промывки;
2. В газгольдере после мытья он сжимается и сжижается;
3. Многократно сжимаясь и нагреваясь, газообразный углерод охлаждается в специальных холодильниках;
4. Жидкость очищается активированным углем;
5. Поступает в холодильник, где охлаждается и дополнительно очищается от примесей;
6. Охлажденный CO2 направляется на испарение и пресс, где комплектуется сухой лед.

Применение в промышленности

Применение углекислого газа в различных областях промышленности связано с химическими и физическими свойствами вещества. Он не горит, не опасен в минимальных концентрациях для человека и животных и является основным компонентом для жизнедеятельности растений.

Химическая промышленность:

• Участвует в синтезе искусственных химикатов;
• Регулирует температуру в реакциях;
• Нейтрализует щелочи;
• Очищает ткани животных и растений;
• Может восстанавливаться до метана.

Металлургия:

• Осаждение отходящего дыма;
• Регулирует направления течения воды при отводе шахт;
• Некоторые лазеры используют CO2 в качестве источника энергии (неон).

Производство бумаги:

• Регулирует водородный показатель в древесной массе или целлюлозе;
• Усиливает в мощности производственные машины.

Особую роль в промышленной и смежных индустриях играет сухой лед. Он применяется как:

• Источник охлаждения в морозильных камерах при перевозках;
• Охлаждение при затвердевании сплавов;
• Очистка сухим льдом оборудования (криобластинг).

Рыба, замороженная сухим льдом.

Применение в других сферах деятельности

Человек также использует углекислоту в других областях деятельности и в быту. Доступность диоксида обуславливает его широкую распространенность, а свойства – востребованность даже среди обывателей.

Схема применения углекислоты

Где еще применяется углекислота:

• При сварке. Защищает металл от нагрева и окисления, обтекая электрическую дугу.
• В сельском хозяйстве. Углекислый газ в купе с солнечным светом – идеальный способ удобрить любые культуры. Распыление газа в парнике или теплице увеличивает урожайность в 2-3 раза;
• В медицине служит для создания атмосферы, близкой к реальной, при проведении искусственных операций на органах. Он применяется как стимулятор для восстановления дыхания пациента и при введении его в наркоз;
• Фармацевтика. Создает идеальную среду для синтеза химии и низкотемпературной транспортировки вод;
• Приборы и оборудование. Охлаждает оборудование и агрегаты без разбора на модули, выступает как абразивный элемент прочистки;
• Защита окружающей среды. Регулирует показатель водорода в стоках;
• Пищевая промышленность. Используется как консервант и разрыхлитель теста. Добавляется в напитки, делая их газированными;
• Для создания давления в пневматическом оружии.

Применение углекислого газа особенно востребовано в системах пожаротушения. Он заполняется в углекислотные газовые огнетушители и при возгорании позволяет изолировать очаг пожара от источника кислорода. Горение не может долго продолжаться без подпитки воздухом, а газификация углекислотой не даст ему проникнуть к огню.

Получаемый в малом количестве от спиртового брожения используется как способ газировки напитков. Он также уберегает муку, сухофрукты, арахис от насекомых, не влияя на качество и скорость их порчи.

Углекислый газ – первоклассная среда для разведения цветов, подкормки овощей и подводных растений. Он ускоряет фотосинтез и улучшает обменные процессы в растительных клетках. Главное – имеет доступную цену даже для обывателей.

Диоксид углерода может применяться и в криодеструкции, в качестве заморозки. Он сжигает холодом поверхность бородавок и родинок, заставляя их отваливаться, но не оставлять шрамов от скальпеля и швов.

Заключение

Углекислый газ – простое и распространенное по всей планете вещество, играющее практическую функцию в ключевых отраслях деятельности. Без него не обходится промышленность, медицина, пищевая отрасль и даже простой человеческий быт.

С недавних пор CO2 применяется как основа для производства источника топлива (метанола). Популярность набирает способ использования в качестве возобновляемого геотермального источника энергии, способного увеличить производство электроэнергии и сократить выбросы газа в атмосферу.

+1-1

Срочно нужна помощь по химии. Необходимо записать уравнение реакции взаимодействия серы с диоксидом углерода согласно схеме S + CO2 = ? Возможно ли вообще взаимодействие между этими веществами? Ответ обоснуйте. Укажите основные физические и химические свойства серы.

1 ответ+1-1

Сера – неметалл (относится к халькогенам). Представляет собой вещество желтого цвета. Существует в двух аллотропных модификациях (ромбическая -сера, моноклинная -сера) и в аморфной форме (пластическая сера). В кристаллическом состоянии построена из неплоских циклических молекул состава . Плохо растворяется в этаноле, хорошо — в сероуглероде и жидком аммиаке (красный раствор). Сера не реагирует с жидкой водой, иодом, диоксидом углерода (S + CO2 = ?). Окисляется концентрированными серной и азотной кислотами, подвергается дисмутации в растворах щелочей и гидрата аммиака. Реагирует с металлами, водородом, кислородом, галогенами.

В промышленных масштабах серу получают из природных месторождений самородной серы.

Пожалуйста, зарегистрируйтесь или войдите, чтобы добавить ответ.

Используемые источники:

• https://studwork.org/spravochnik/himiya/himicheskie-soedineniya/uglekislyy-gaz
• https://uglekislygaz.ru/dioksid-ugleroda/co2-v-promyshlennosti/
• http://ru.solverbook.com/question/s-co2-uravnenie-reakcii/