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 та 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 вулканічній діяльності, а також може бути видобуто з мінеральних водних джерел. Вуглекислий газ знаходиться у невеликим кількості і в атмосфері Землі.

Особливості хімічної будови даного з'єднання дозволяють йому брати участь у безліч хімічних реакцій, основою для яких є діоксид вуглецю.

Формула

У з'єднанні цієї речовини чотирьохвалентний 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-орбіталей атомів вуглецю і двома 2р-орбіталей кисню; р-орбіталі вуглецю, які не беруть участь в гібридизації, пов'язані в з'єднанні з аналогічними орбіталей кисню. У хімічних реакціях вуглекислий газ записується у вигляді: CO 2.

Фізичні властивості

При нормальних умовах діоксид вуглецю являє собою безбарвний газ, який 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. Це речовина трохи розчиняється в воді – в одному літрі води при 20 ?З розчиняється близько 088 л CO 2 . Невелике зниження температури кардинально змінює ситуацію – в тому ж літрі води за 17?Може розчинитися 17 л CO 2 . При сильному охолодженні це 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 06 МПа і при кімнатній температурі.

Хімічні властивості

При взаємодії з сильними окислювачами 4-діоксид вуглецю виявляє окисні властивості. Типова реакція цієї взаємодії: З + З 2 = 2СО. Так, за допомогою вугілля діоксид вуглецю відновлюється до своєї двовалентній модифікації - чадного газу. При нормальних умовах вуглекислий газ інертний. Але деякі активні метали можуть в ньому горіти, витягуючи з з'єднання кисень і вивільняючи газоподібний вуглець. Типова реакція – горіння магнію: 2Mg + CO 2 = 2MgO + C. В процесі реакції утворюється оксид магнію і вільний вуглець. У хімічних сполуках ЗІ 2 часто проявляє властивості типового кислотного оксиду. Наприклад, він реагує з підставами та основними оксидами. Результатом реакції стають солі вугільної кислоти. Наприклад, реакція сполуки оксиду натрію з вуглекислим газом може бути представлена так: Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3 ; 2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O; NaOH + CO 2 = NaHCO 3 .

Вугільна кислота та розчин З 2

Діоксид вуглецю у воді утворює розчин з невеликим ступенем дисоціації. Такий розчин вуглекислого газу називається вугільної кислотою. Вона безбарвна, слабо виражена і має кислуватий смак.
Запис хімічної реакції: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3. Рівновага досить сильно зрушено вліво – лише близько 1% початкової 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 діоксид вуглецю 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 НСТ 3 - . У дуже невеликій кількості утворюються іони З 3 - . Вугільна кислота – двухосновная, тому солі, утворені нею, можуть бути середніми і кислими. Середні солі в російській хімічної традиції називаються карбонатами, а сильні – гидрокарбонатами.

Якісна реакція

Одним з можливих способів виявлення газоподібного діоксиду вуглецю є зміна прозорості вапняного розчину. Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ? + H 2 O. 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 нерозчинну сполуку – карбонат кальцію перетворюється на розчинну речовину – гідрокарбонат кальцію. Реакція протікає по такому шляху: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3 ) 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: CaCO 3 + HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 ?. Також для цієї мети використовують реакції горіння вуглецевмісних речовин, наприклад ацетилену: СН 4 + 2О 2 -> 2H 2 O + CO 2 . Для збору і зберігання отриманого газоподібного речовини використовують апарат Киппа. 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 наведена нижче:
CaCO 3 = CaO + CO 2 ?.

Застосування діоксиду вуглецю

Харчова промисловість після масштабного одержання «сухого льоду» перейшла на принципово новий метод зберігання продуктів. Він незамінний при виробництві газованих напоїв і мінеральної води. Утримання З 2 у напоях надає їм свіжість і помітно збільшує термін зберігання. А карбідізация 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. Згідно міжнародним нормам класифікації хімічних добавок вмісту в продуктах, проходить під кодом Е 290 Порошкоподібний вуглекислий газ – одна з найбільш популярних речовин, що входять до складу пожаротушительних сумішей. Ця речовина зустрічається і в піні вогнегасників. Транспортувати та зберігати вуглекислий газ у металевих балонах. При температурі понад 31?С тиск в балоні може досягти критичного і рідкий ЗІ 2 перейде в надкритичний стан з різким підйомом робочого тиску до 735 МПа. Металевий балон витримує внутрішній тиск до 22 МПа, тому діапазон тиску при температурах понад тридцяти градусів визнається безпечним.