Вуглекислий газ (IV) — безколірний газ, без запаху, володіє злегка кислим смаком. Формується при з'єднанні двох елементів: вуглецю і кисню. Він утворюється в процесі спалювання вугілля або вуглеводневих сполук, при ферментації рідин, а також як продукт дихання людей і тварин. У невеликих кількостях він міститься і в атмосфері, звідки асимілюється рослинами, які, в свою чергу, виробляють кисень.
Вуглекислий газ безбарвний і важчий за повітря. Замерзає при температурі -78,5 °C з утворенням снігу, що складається з двоокису вуглецю. У вигляді водного розчину він утворює вугільну кислоту, проте вона не володіє достатньою стабільністю для того, щоб її можна було легко ізолювати.
Вуглекислий газ – це «ковдра» Землі. Він легко пропускає ультрафіолетові промені, які обігрівають нашу планету, і відбиває інфрачервоні промені, що випромінюються з її поверхні в космічний простір. І якщо раптом вуглекислий газ зникне з атмосфери, то це в першу чергу позначиться на кліматі. На Землі стане набагато прохолодніше, дощі будуть випадати дуже рідко.
Правда, така катастрофа нам поки що не загрожує. Скоріше навіть, навпаки. Спалювання органічних речовин: нафти, вугілля, природного газу, деревини – поступово збільшує вміст вуглекислого газу в атмосфері.
Вуглекислий газ нетоксичний і невибухонебезпечний.
Вуглекислий газ: історія відкриття
Вуглекислий газ був першим між усіма іншими газами, який був протиставленим повітрю під назвою "дикого газу" алхіміком XVI ст. Вант Гельмонтом.
Відкриттям СО2 було покладено початок новій галузі хімії – пневматохімії (хімії газів).
Шотландський хімік Джозеф Блек (1728 - 1799 р.р.) в 1754 році встановив, що вапняний мінерал мармур (карбонат кальцію) при нагріванні розкладається з виділенням газу і утворює негашене вапно (оксид кальцію).
Виділений газ можна було знову з'єднати з оксидом кальцію і знову отримати карбонат кальцію.
Цей газ був ідентичний до відкритого Ван Гельмонтом "дикого газу", але Блек дав йому нову назву – "зв'язане повітря" – так як його можна було зв'язати і знову отримати тверду субстанцію, а також він мав здатність притягуватися вапняною водою (гідроксидом кальцію) і викликати її помутніння.
Кілька років потому Кавендіш виявив ще два характерні фізичні властивості вуглекислого газу – його високу густину і значну розчинність у воді.
Вуглекислий газ в природі
Вуглекислий газ в атмосфері Землі, станом на 2011 рік, представлений у кількості 392 ppm або 0,0392 %. Роль вуглекислого газу в життєдіяльності біосфери полягає насамперед у підтримці процесу фотосинтезу, який здійснюється рослинами. Будучи парниковим газом, вуглекислий газ в повітрі впливає на теплообмін планети з навколишнім простором і таким чином бере участь у формуванні клімату планети.
У зв'язку з активним використанням людством викопних енергоносіїв в якості палива, відбувається швидке збільшення концентрації цього газу в атмосфері. Вперше антропогенний вплив на концентрацію вуглекислого газу відзначили в середині XIX століття. Починаючи з цього часу, темп її зростання збільшувався і наприкінці 2000-х відбувався зі швидкістю 2,20 ± 0,01 ppm/год або 1,7% за рік. Відповідно до окремих досліджень, сучасний рівень CO2 в атмосфері є максимальним за останні 800 тис років і, можливо, за останні 20 млн років.
Вуглекислий газ: одержання
У промисловості вуглекислий газ отримують з пічних газів, з продуктів розкладання природних карбонатів (вапняк, доломіт). Суміш газів промивають розчином карбонату калію, який поглинає вуглекислий газ, переходячи в гідрокарбонат. Розчин гідрокарбонату при нагріванні розкладається, вивільняючи вуглекислоту. При промисловому виробництві газ закачується у балони.
У лабораторних умовах невеликі кількості отримують взаємодією карбонатів і гідрокарбонатів з кислотами, наприклад мармуру з соляною кислотою.
Вуглекислий газ: застосування
Хімічна галузь
Вуглекислий газ використовується при виробництві синтетичних хімічних речовин та регулюванні реакторних температур. Він також служить для нейтралізації лужних стічних вод. У закритих умовах вуглекислий газ використовується в процесах очищення або осушування полімерів, волокон тваринного або рослинного походження.
Фармацевтика
Вуглекислий газ використовується для створення інертного середовища синтезу хімічних речовин, надкритичної флюїдної екстракції (SFE), підкислення (pH) стічних вод або продукту при їх низькотемпературному транспортуванні (-78 °C).
Харчова галузь
У харчовій галузі виділяються такі основні напрямки застосування вуглекислого газу:
- Насичення вуглекислотою шипучих напоїв, у тому числі безалкогольних напоїв, мінеральної води та пива.
- Упаковка харчових продуктів – інертні і бактерицидні властивості вуглекислого газу успішно використовуються в азотних сумішах (упаковка в модифікованій атмосфері) для збільшення терміну зберігання багатьох продуктів харчування.
- Процеси охолодження або заморожування (у вигляді кріогенної рідини) і контроль температури при розподілі харчових продуктів (у вигляді сухого льоду).
- Видалення кофеїну з кави з використанням вуглекислого газу в надкритичному стані.
Медицина
При проведенні операцій на штучних органах вуглекислий газ служить для створення атмосферних умов, близьких до фізіологічних.
Як один з компонентів кисневої або повітряної суміші вуглекислий газ служить стимулятором глибокого дихання.
Металургійна галузь
Найбільш популярним застосуванням вуглекислого газу в металургії є захист навколишнього середовища:
- CO2 застосовується для осадження бурого диму в процесах завалки брухту і закачування вуглецю, для скорочення об’єму поглинання азоту в процесі відкриття електродугових печей, а також для донного перемішування.
- Галузь переробки кольорових металів використовує вуглекислий газ для осадження диму в процесі ковшового транспортування Штейна (виробництво Cu/Ni) або злитків (виробництво Zn/Pb).
- Невелика кількість рідкого вуглекислого газу може використовуватися при рециркуляції води в процесі відведення кислотних шахтних вод.
- Лазери, що використовують вуглекислий газ, добре відомі ще й як споживачі деяких спеціальних марок діоксиду вуглецю.
Лабораторні дослідження і аналіз
Вуглекислий газ в надкритичному стані є рухливою фазою, що використовується як в процесі хроматографічного аналізу, так і в процесах екстрагування.
Целюлозно-паперова галузь
Після лужного відбілювання деревної маси або целюлози вуглекислий газ дозволяє з високою точністю регулювати рівень pH в переробленій сировині.
CO2 може використовуватися в процесах нейтралізації талової оливи і з метою підвищення продуктивності папероробних машин.
Електроніка
Вуглекислий газ стандартно застосовується для обробки стічних вод, а в якості охолоджуючого середовища він використовується при випробуванні електронних приладів на вплив навколишнього середовища.
Крім цього вуглекислий газ дозволяє підвищувати провідність надчистої води, а у вигляді снігу використовується для абразивного очищення деталей або видалення осадів на кристалічних пластинах.
Додатково вуглекислий газ може використовуватися в якості екологічно чистої надкритичної рідини для видалення матеріалів, які тверднуть під дією світла, з кристалічних пластин без застосування органічних розчинників.
Охорона навколишнього середовища
Додавання вуглекислого газу дозволяє підтримувати необхідний рівень pH у рідких стоках. Як регулятор рН він є прекрасною альтернативою сірчаній кислоті.
Дихання і вуглекислий газ
Вуглекислий газ (СО2), вуглекислота та її сполуки відіграють дуже важливу роль у життєдіяльності організму. Вуглекислота бере участь у розподілі іонів натрію в тканинах, регулюючи тим самим збудливість нервових клітин, впливає на проникність клітинних мембран, активність багатьох ферментів, інтенсивність продукування гормонів і ступінь їх фізіологічної ефективності, процес зв'язування білками іонів кальцію і заліза.
Існує пряма залежність між концентрацією вуглекислоти в крові та інтенсивністю функціонування травних залоз (слинних, підшлункової, печінки), а також залоз слизової шлунка, що утворюють соляну кислоту.
Від вмісту в крові вуглекислоти залежить надходження в тканини кисню. Нарешті, вуглекислота відіграє важливу роль в сталості кислотно-лужної рівноваги, у біосинтезі білка і карбоксилювання амінокислот.
Цей перелік можна продовжувати, але навіть викладеного цілком достатньо, щоб не вважати вуглекислоту простим "шлаком", який необхідно якомога швидше вивести з організму. Нижче буде описано шкоду надмірного виведення вуглекислого газу (продукту розщеплення вуглекислоти) з організму. Присутність вуглекислоти – це обов'язкова умова існування людини, і склалася вона історично, коли виникло життя на Землі. Відповідно до сучасних поглядів, це сталося кілька мільярдів років тому. Атмосфера нашої планети була тоді перенасичена вуглекислим газом (понад 90%), і він став природним будівельним матеріалом живих клітин. Поступово це привело до зміни складу повітря, але внутрішні умови роботи клітин як і раніше визначалися високим вмістом вуглекислоти. Перші тварини, що з'явилися на Землі і харчувалися рослинами, все ще перебували в атмосфері з високим вмістом вуглекислого газу. Тому їх клітини, а пізніше і створені на базі древньої генетичної пам'яті клітини сучасних тварин і людини, потребують вуглекислого середовища всередині себе (6-8% вуглекислоти і 1-2 % кисню) і в крові (7-7,5 % вуглекислого газу ).
Рослини утилізували майже весь вуглекислий газ повітря, і основна його частина у вигляді вуглецевих сполук разом із загибеллю рослин потрапила в землю, перетворившись на корисні копалини (вугілля, нафта, торф). В даний час в атмосфері міститься близько 0,03 % вуглекислого газу і приблизно 21% кисню. Але для нормальної життєдіяльності в крові має бути 7-7,5 % вуглекислого газу, а в альвеолярному повітрі – 6,5 %. Ззовні його отримати не можна, так як в атмосфері майже не міститься вуглекислого газу. Тварини і людина отримують його при повному розщепленні їжі, так як білки, жири, вуглеводи побудовані на вуглецевій основі, при спалюванні за допомогою кисню в тканинах утворюється вуглекислий газ.
Зараз у людей часто спостерігається явище гіпервентиляції. Найчастіше, оскільки вуглекислий газ життєво необхідний, при його надмірній втраті в тій чи іншій мірі включаються захисні механізми, які намагаються зупинити його видалення з організму. До них відносяться:
- спазм судин, бронхів і спазм гладкої мускулатури всіх органів;
- звуження кровоносних судин;
- збільшення секреції слизу в бронхах, носових ходах, розвиток аденоїдів, поліпів;
- ущільнення мембран внаслідок відкладення холестерину, що сприяє розвитку склерозу тканин;
- підвищення функції щитовидної залози.
Всі ці моменти разом з ускладненням надходження кисню в клітини при зниженні вмісту вуглекислого газу в крові (ефект Веріго-Бора) ведуть до кисневого голодування, уповільнення венозного кровотоку (з подальшим стійким розширенням вен).
Читайте також:
