Углекислый газ

Характеристики и физические свойства углекислого газа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углекислый газ (диоксид углерода) при обычных условиях – бесцветный газ, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, благодаря чему его можно переливать, как жидкость, из одного сосуда в другой.

Масса 1 л CO₂при нормальных условиях составляет 1,98 г. Растворимость диоксида углерода в воде невелика: 1 объем воды при 20^oС растворяет 0,88 объема CO₂, а при 0^oС – 1,7 объема.

Под давлением около 0,6 МПа диоксид углерода при комнатной температуре превращается в жидкость. Жидкий диоксид углерода хранят в стальных баллонах. При быстром выливании его из баллона поглощается вследствие испарения так много теплоты, что CO₂ превращается в твердую белую снегообразную массу, которая, не плавясь, сублимируется при -78,5^oС.

Раствор CO₂ в воде имеет кисловатый вкус и обладает слабокислой реакцией, обусловленной присутствием в растворе небольших количеств угольной кислоты H₂CO₃, образующейся в результате обратимой реакции:

CO₂ + H₂O↔H₂CO₃.

Некоторые свойства углекислого газа представлены в таблице ниже:

Температура плавления, ^oС	-56,6 (5,2 атм)
Температура кипения, ^oС	-78,5 (возг.)
Расстояние (С-О), нм	0,1163
Энергия связи (С-О), кДж/моль	531,4

Получение углекислого газа

Углекислый газ в небольших количествах получают действием кислот на карбонаты:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂.

В промышленном масштабе CO₂получают главным образом как побочный продукт в процессе синтеза аммиака:

CH₄ + 2H₂O = CO₂ + 4H₂;

CO + H₂O = CO₂ + H₂.

Кроме этого, большие количества углекислого газа получают при обжиге известняка:

CaCO₃ = CaO + CO₂.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ проявляет кислотные свойства: реагирует сощелочами, гидратом аммиака. Восстанавливается активными металлами, водородом, углеродом.

CO₂ + NaOH_dilute = NaHCO₃;

CO₂ + 2NaOH_conc = Na₂CO₃ + H₂O;

CO₂ + Ba(OH)₂ = BaCO₃ + H₂O;

CO₂ + BaCO₃ + H₂O = Ba(HCO₃)₂;

CO₂ + NH₃×H₂O = NH₄HCO₃;

CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O (t = 200^oC, kat. Cu₂O);

CO₂ + C = 2CO (t > 1000^oC);

CO₂ + 2Mg = C + 2MgO;

2CO₂ + 5Ca = CaC₂ + 4CaO (t = 500^oC);

2CO₂ + 2Na₂O₂ = 2Na₂CO₃ + O₂.

Применение углекислого газа

Углекислый газ применяется при получении соды по аммиачно-хлоридному способу, для синтеза карбамида, для получения солей угольной кислоты, а также для газирования фруктовых и минеральных вод и других напитков.

Твердый диоксид углерода под названием «сухой лед» применяется для охлаждения скоропортящихся продуктов, для производства и сохранения мороженого, а также многих других случаях, когда требуется получение низкой температуры.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Плотность углекислого газа при н.у. составляет 1,964 г/л. Определите его молярную массу и плотность по водороду и по воздуху.

Решение

Найдем молярную массу углекислого газа:

M(CO₂) = r (н.у.) × 22,4 = 1,964× 22,4 = 44 г/моль.

Рассчитаем плотность углекислого газа по водороду:

D_H₂ = M(CO₂) / M(H₂) = 44 / 2 = 22.

Определим плотность углекислого газа по воздуху:

D_air = M(CO₂) / M_air = 44 / 29 = 1,517.

Ответ

Молярная масса углекислого газа равна 44 г/моль; плотности по водороду и воздуху 22 и 1,517 соответственно.

ПРИМЕР 2

Задание

Какой объем и какая масса углекислого газа выделятся при термическом разложении карбоната кальция массой 45,4 г?

Решение

Запишем уравнение термического разложения карбоната кальция:

CaCO₃ = CaO + CO₂↑.

Найдем количество вещества карбоната кальция:

n(CaCO₃) = m(CaCO₃) / M(CaCO₃);

M(CaCO₃) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 40 + 12 + 3×16 = 100 г/моль;

n(CaCO₃) = 45,4 / 100 = 0,454 моль.

Согласно уравнению реакции n(CaCO₃) :n(CO₂) = 1 : 1, следовательно

n(CaCO₃) =n(CO₂) =0,454 моль.

Рассчитаем массу и объем выделившегося углекислого газа:

V(CO₂) = V_m×n(CO₂) = 22,4 ×0,454 = 10,2 л;

m(CO₂) = n(CO₂)× М(CO₂);

М(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12 + 2×16 = 44 г/моль;

m(CO₂) = 0,454 ×44 = 20 г.