Двуокись углерода: свойства и значение¶

Двуокись углерода (углекислый газ, CO₂) — неорганическое химическое соединение, состоящее из атомов углерода и кислорода; один из самых распространённых оксидов углерода в природе. При нормальных условиях представляет собой газ без цвета и запаха, слегка кислый на вкус, в 1,5 раза тяжелее воздуха. Является продуктом дыхания живых организмов, горения и промышленных процессов, а также важнейшим компонентом атмосферы, участвующим в парниковом эффекте и фотосинтезе.

¶Свойства

¶Физические свойства

При нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа) CO₂ — бесцветный газ с плотностью 1,977 кг/м³. Хорошо растворяется в воде (около 0,88 объёмных частей газа на 1 объём воды при 20 °C), образуя слабую угольную кислоту H₂CO₃. Критические параметры: температура 31,1 °C, давление 7,38 МПа; при превышении этих значений CO₂ переходит в сверхкритическую жидкость, обладающую свойствами и газа, и растворителя.

Твёрдая форма CO₂, известная как «сухой лёд», возникает при 1 атм при −78,5 °C. Сублимирует, не переходя в жидкую фазу; при давлении выше 5,18 атм жидкий CO₂ существует в узком диапазоне температур.

¶Химические свойства

Углерод в CO₂ находится в степени окисления +4 и не может окисляться дальше, поэтому газ не поддерживает горение. Химически относительно инертен, но вступает в реакции:

• с щелочами и оксидами щелочных металлов — образование карбонатов (реакция лежит в основе «гашения» извести);
• с водой — обратимое образование угольной кислоты;
• с водородом при катализаторах и высокой температуре — синтез метана и метанола (реакция Сабатье);
• с аммиаком — карбаминовая кислота, промежуточное вещество при производстве мочевины.

¶Природные источники и цикл углерода

CO₂ постоянно циркулирует в биосфере. Основные источники поступления в атмосферу:

• дыхание животных, растений и микроорганизмов;
• разложение органических остатков;
• вулканические извержения и выходы из земной коры;
• горение ископаемого топлива и биомассы;
• промышленные процессы (цементное производство, получение извести).

Поглощение CO₂ осуществляют прежде всего зелёные растения в процессе фотосинтеза, а также океаны, растворяя газ в поверхностном слое воды. Содержание CO₂ в атмосфере в доиндустриальную эпоху составляло около 280 ppm; к 2024 году оно превысило 420 ppm, что связано с ростом сжигания ископаемого топлива и вырубкой лесов.

¶Роль в климате

CO₂ — один из основных парниковых газов. Молекула поглощает инфракрасное излучение Земли, препятствуя его уходу в космос, и тем самым удерживает тепло в атмосфере. Рост концентрации CO₂ с начала индустриальной эпохи рассматривается научным сообществом как главный фактор антропогенного глобального потепления. Для ограничения выбросов разрабатываются технологии улавливания и хранения углерода (CCS), а также шире применяется возобновляемая энергетика.

¶Применение

¶Пищевая промышленность

CO₂ используется как пищевая добавка E290 — газированные напитки, консервирование, замораживание продуктов. Сухой лёд применяется для охлаждения и транспортировки скоропортящихся товаров.

¶Химическая промышленность

Из CO₂ получают мочевину, соду (метод Сольвэ), салициловую кислоту, синтетические топлива. Сверхкритический CO₂ служит экологичным растворителем, например, для декофеинизации кофе.

¶Медицина и техника

В медицине CO₂ применяется для инсуффляции при лапароскопических операциях, в дыхательных смесях и как криогенный агент. В пожаротушении — в составе огнетушащих составов. В сельском хозяйстве — для стимуляции роста тепличных культур.

¶Влияние на здоровье

При концентрациях выше 5 % в воздухе CO₂ вызывает головную боль, тахикардию и заторможенность; свыше 10 % — судороги, потерю сознания и смерть от удушья. В замкнутых помещениях накопление CO₂ служит индикатором качества воздуха и вентиляции.

¶Интересные факты

• CO₂ — один из немногих оксидов, способных образовывать жидкие кристаллы при высоких давлениях.
• В 1772 году Дэвид Рамзей впервые получил углекислый газ прокаливанием магнезии; в 1754 году Джозеф Блэк установил, что газ выделяется при обжиге известняка и поглощается известью.
• Сухой лёд впервые был описан в 1835 году французским химиком Жан-Батистом Дюма.

Источники:

• Глинка Н. Л. Общая химия. — М.: Технология, 2004.
• Кузьменко Н. Е., Ерёмина В. В., Морозов В. Н. Химия. — М.: Просвещение, 2010.
• IPCC. Climate Change 2021: The Physical Science Basis.
• CRC Handbook of Chemistry and Physics, 104th ed.