Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 53. Карбон(ІV) оксид

Фізичні властивості та будова речовини

Карбон(ІV) оксид, або вуглекислий газ, — безбарвний газ, трохи кислуватий на смак, погано розчинний у воді.

Він близько в 1,5 раза важчий за повітря, тому його можна переливати з однієї посудини в іншу як невидиму рідину (мал. 53.1).

Мал. 53.1. Добування вуглекислого газу в апараті Кіппа

За звичайного тиску карбон(ІV) оксид не існує в рідкому стані: з твердого стану він безпосередньо переходить у газоподібний (сублімує) за -78 °С. Тому твердий карбон(ІV) оксид часто називають «сухим льодом». Його використовують для створення низької температури, наприклад у лотках із продажу морозива. Розсіюванням порошку «сухого льоду» над хмарами спричиняють штучні опади.

За підвищеного тиску (59 атм) і кімнатної температури карбон(ІV) оксид скраплюється і перетворюється на безбарвну рухливу рідину. У цьому стані його зберігають.

Рідкий вуглекислий газ є добрим розчинником і використовується в промисловості для виділення кофеїну із зерен кави.

Такі фізичні властивості карбон(ІV) оксиду свідчать, що у твердому стані для нього характерні молекулярні кристалічні ґратки. Це зумовлено будовою молекули вуглекислого газу. Між атомами Карбону й Оксигену утворюються подвійні зв’язки, спрямовані в просторі під кутом 180°:

Зв’язок між атомами Карбону й Оксигену ковалентний полярний, але завдяки розташуванню атомів у просторі молекула СО2 є неполярною. Саме тому міжмолекулярне притягання між молекулами карбон(ІV) оксиду дуже слабке, що зумовлює погану розчинність у воді, низькі температури кипіння й плавлення.

Методи добування карбон(IV) оксиду

У природі вуглекислий газ утворюється в процесі дихання живих організмів, згоряння на повітрі вугілля або органічних речовин, під час виверження вулканів. Але в повітрі вміст вуглекислого газу дуже низький, тому його зручніше добувати, а не виділяти з повітря.

• У лабораторії чистий вуглекислий газ добувають дією хлоридної кислоти на кальцій карбонат — крейду, мармур, вапняк (мал. 53.1):

СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + СО2↑ + Н2О

• Для промислових потреб карбон(ІV) оксид виділяють із грубного газу або добувають розкладанням вапняку за температури близько 1200 °С:

СаСО3 = СаО + СО2

Вуглекислий газ, який використовують у харчовій промисловості, добувають із продуктів спиртового бродіння глюкози:

C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2

Хімічні властивості карбон(ІV) оксиду

Вуглекислий газ — кислотний оксид, якому відповідає нестійка карбонатна кислота, що утворюється під час його розчинення У воді:

CO2 + H2O Н2СО3

Завдяки цьому процесу вуглекислий газ розчиняється у воді більшою мірою, ніж інші неполярні газуваті речовини, приміром азот чи кисень.

Як кислотний оксид вуглекислий газ добре взаємодіє з лугами:

2NaOH + СО2 = Na2CO3 + Н2О

На цій властивості ґрунтується метод виявлення вуглекислого газу в газових сумішах, зокрема в повітрі. Під час пропускання газової суміші, що містить вуглекислий газ, крізь вапняну воду (насичений розчин кальцій гідроксиду) відбувається її помутніння внаслідок утворення нерозчинного у воді кальцій карбонату:

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3↓ + Н2О

Як кислотний оксид, вуглекислий газ також взаємодіє з основними оксидами:

ВаО + СО2 = ВаСО3

Незважаючи на те що в карбон(ІV) оксиді Карбон перебуває в найвищому ступені окиснення, він майже не виявляє окисних властивостей і може бути відновлений лише за підвищеної температури дією сильних відновників. Так, взаємодіючи з розпеченим вугіллям, він перетворюється на чадний газ CO. Запалена на повітрі магнієва стрічка певний час продовжує горіти і в атмосфері вуглекислого газу полум’ям, що сильно коптить:

2Mg + СО2 = 2MgO + С

Саме тому палаючі активні метали не можна гасити вуглекислотними вогнегасниками.

Пероксиди металів мають здатність поглинати вуглекислий газ, виділяючи кисень:

2Na2О2 + 2СО2 = 2Na2CO3 + Ο2

На цьому ґрунтується використання пероксидів для регенерації повітря на космічних кораблях і підводних човнах.

Застосування й фізіологічні властивості карбон(ІV) оксиду

Вуглекислий газ не підтримує дихання. Накопичуючись у підвалах і погребах, вугільних шахтах і карстових печерах, овочесховищах і силосних ямах, він становить небезпеку для життя. У повітрі, яке видихує людина, міститься близько 4 % вуглекислого газу, тому закриті приміщення, де перебуває багато людей (наприклад, класні кімнати), необхідно регулярно провітрювати. У повітрі, що містить 3 % вуглекислого газу, гасне запалена свіча, а якщо його частка більша 4 %, у людини виникає головний біль, частішає пульс, збільшується кров’яний тиск.

Вуглекислий газ не підтримує горіння, тому його застосовують для гасіння пожеж. Вуглекислотні вогнегасники використовують, коли пожежу не можна гасити водою, приміром палаючий гас, бензин чи інші нафтопродукти.

Вуглекислий газ використовують у виробництві соди й сечовини. У харчовій промисловості його використовують як консервант (харчова добавка Е290), а також для приготування газованих напоїв.

Біологічна роль карбон(ІV) оксиду

Багато карбон(IV) оксиду розчинено у Світовому океані. Його засвоює зелений планктон під час фотосинтезу:

6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2

Водорості поглинають левову частку вуглекислого газу і постачають кисень у повітря. Розчинений у воді вуглекислий газ водяні тварини перетворюють на кальцій карбонат і використовують для побудови захисних панцирів.

У повітрі вуглекислого газу набагато менше — соті частки відсотка. Найважливішими споживачами вуглекислого газу з повітря є зелені рослини, які використовують його для фотосинтезу.

Вуглекислий газ в атмосфері пропускає ультрафіолетове й видиме випромінювання Сонця, що потрапляє на Землю і зігріває планету. Разом із цим він поглинає інфрачервоне (теплове) випромінювання від поверхні Землі, що заважає її охолодженню. Це явище називають парниковим ефектом, а вуглекислий газ — парниковим газом, що більш детально ми розглянемо в наступному параграфі.

Ключова ідея

Вуглекислий газ хоча й небезпечний, але вкрай необхідний для життя.

Запитання та завдання

318. Схарактеризуйте фізичні й хімічні властивості вуглекислого газу, його застосування, біологічне значення та методи добування (лабораторний і промисловий).

319. На чому ґрунтується використання вуглекислого газу під час гасіння пожеж, для приготування газованих напоїв?

320. Натрій згоряє в атмосфері вуглекислого газу з утворенням яскравого полум'я. Запишіть рівняння реакції.

321. Якщо на шматок мармуру подіяти сульфатною кислотою замість хлоридної, виділення вуглекислого газу швидко припиняється. Чим це можна пояснити?

322. Обчисліть масу вугілля, що треба спалити в закритому приміщенні об'ємом 120 м3, щоб уміст вуглекислого газу в повітрі досяг 10 % за об'ємом (н. у.).

323. За годину людина видихає 42,5 г вуглекислого газу. Впродовж якого часу можна перебувати в закритій кімнаті площею 20 м2 із висотою стелі 3 м без загрози для здоров'я?


buymeacoffee