Открыть сервис
Главная → Блог → Оксид углерода

Оксид углерода

Оксид углерода (угарный газ, монооксид углерода, химическая формула CO) — это химическое соединение, представляющее собой бесцветный, не имеющий запаха и вкуса газ, который легче воздуха. Относится к классу несолеобразующих оксидов. Является одним из наиболее распространённых и опасных токсичных продуктов неполного сгорания углеродсодержащих веществ (древесины, угля, нефтепродуктов, природного газа). В промышленности используется как важный реагент для синтеза органических соединений, в частности метанола и уксусной кислоты.

История открытия и изучения

Токсическое действие продуктов горения, в первую очередь древесного угля, было известно с древности. Древнегреческий врач Аристотель описывал случаи отравления парами горящего угля. Однако долгое время отравление связывали с нехваткой кислорода или действием углекислого газа (CO₂).

В 1776 году французский химик Жозеф де Лассон (Joseph de Lassone) впервые получил газ, сжигая оксид цинка с углем, но ошибочно принял его за водород. Систематическое изучение соединения началось в конце XVIII века. В 1800 году английский химик Уильям Крукшенк (William Cruickshank) установил, что этот газ состоит из углерода и кислорода в соотношении 1:1, определив его состав как CO.

В XIX веке, с развитием промышленности и использованием светильного газа (который содержал до 15% CO), проблема отравлений угарным газом стала массовой. В 1868 году немецкий физиолог Феликс Гоппе-Зейлер (Felix Hoppe-Seyler) открыл механизм токсического действия CO — его способность связываться с гемоглобином крови, образуя карбоксигемоглобин, что лишает кровь способности переносить кислород. В XX веке, с распространением автомобильного транспорта, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания стали основным источником CO в городах.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Оксид углерода(II) — это газ без цвета, вкуса и запаха. Его плотность при нормальных условиях составляет 1,25 г/л, что несколько меньше плотности воздуха (1,29 г/л). Температура кипения — −191,5 °C, температура плавления — −205 °C. В воде растворим плохо (около 2,3 объёма CO на 100 объёмов воды при 20 °C), но хорошо растворяется в этаноле, ацетоне и некоторых других органических растворителях. Молекула CO обладает высокой прочностью тройной связи (C≡O), что делает её относительно инертной при комнатной температуре.

Химические свойства

Химическая активность CO проявляется в основном при повышенных температурах или в присутствии катализаторов. Основные химические реакции:

  1. Горение. CO является горючим газом. Он сгорает голубоватым пламенем с образованием углекислого газа:

\[ 2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2 \] Реакция сильно экзотермична (выделяется 283 кДж/моль). Эта реакция лежит в основе использования CO как топлива (например, в генераторном газе).

  1. Восстановительные свойства. CO — сильный восстановитель. При высоких температурах он восстанавливает многие металлы из их оксидов (например, железо в доменном процессе):

\[ Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2 \] Эта реакция является ключевой в чёрной металлургии.

  1. Реакции присоединения. CO способен вступать в реакции с хлором (с образованием фосгена COCl₂), с серой (с образованием сероуглерода CS₂), а также с водородом в присутствии катализаторов (синтез метанола, реакция Фишера-Тропша).
  1. Комплексообразование. Важнейшее свойство CO — способность образовывать прочные комплексы с переходными металлами, так называемые карбонилы металлов (например, Ni(CO)₄, Fe(CO)₅, Co₂(CO)₈). Это свойство используется для получения чистых металлов и в катализе.

Способы получения

Промышленные методы

В промышленности CO получают главным образом газификацией твёрдого топлива (угля, торфа) или конверсией природного газа.

  1. Газификация угля. При пропускании воздуха или кислорода через раскалённый уголь образуется генераторный газ (смесь CO и N₂) или водяной газ (смесь CO и H₂):

\[ C + H_2O \rightarrow CO + H_2 \] (реакция водяного газа, эндотермическая).

  1. Конверсия метана (паровой риформинг). Основной способ получения синтез-газа (CO + H₂) из природного газа:

\[ CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2 \] (при 700–1100 °C, в присутствии никелевого катализатора).

  1. Неполное окисление углеводородов. Сжигание углеводородов при недостатке кислорода (например, в двигателях внутреннего сгорания).

Лабораторные методы

В лабораторных условиях CO получают:

  • Действием концентрированной серной кислоты на муравьиную кислоту при нагревании:

\[ HCOOH \rightarrow CO + H_2O \]

  • Разложением щавелевой кислоты под действием серной кислоты.
  • Восстановлением углекислого газа раскалённым углём.

Токсикология и воздействие на организм

Оксид углерода(II) является чрезвычайно токсичным веществом. Относится ко 2-му классу опасности (высокоопасные вещества). Механизм отравления основан на способности CO связываться с гемоглобином крови в 200–300 раз быстрее и прочнее, чем кислород. Образуется стойкое соединение — карбоксигемоглобин (HbCO), которое не способно переносить кислород к тканям. Это приводит к развитию гемической гипоксии (кислородному голоданию).

Симптомы отравления

Симптомы зависят от концентрации CO в воздухе и времени воздействия. Выделяют три степени тяжести отравления:

  • Лёгкая степень (содержание HbCO в крови 10–30%): головная боль (чаще в области висков и лба), головокружение, шум в ушах, тошнота, слабость, учащение пульса. Характерный признак — пульсирующая головная боль.
  • Средняя степень (30–50% HbCO): нарастание слабости, сонливость, нарушение координации движений, спутанность сознания, возможны галлюцинации. Кожа и слизистые оболочки приобретают ярко-розовый или вишнёвый оттенок (из-за цвета карбоксигемоглобина).
  • Тяжёлая степень (50–80% HbCO): потеря сознания, судороги, кома, нарушение дыхания и сердечной деятельности. Смерть наступает от паралича дыхательного центра. При длительном воздействии высоких концентраций смерть может наступить в течение нескольких минут.

Первая помощь и лечение

При подозрении на отравление CO необходимо:

  1. Немедленно вынести пострадавшего на свежий воздух.
  2. Расстегнуть стесняющую одежду, обеспечить проходимость дыхательных путей.
  3. При отсутствии сознания и дыхания — начать сердечно-лёгочную реанимацию.
  4. Вызвать скорую помощь.

Основным методом лечения является оксигенотерапия (ингаляция чистым кислородом). В тяжёлых случаях применяют гипербарическую оксигенацию (лечение кислородом под повышенным давлением в барокамере), которая позволяет вытеснить CO из связи с гемоглобином. Антидотом является ацизол — препарат, ускоряющий выведение CO из организма.

Источники опасности

Основные источники CO в быту и на производстве:

  • Пожары. CO является основной причиной смерти при пожарах (до 80% летальных исходов).
  • Выхлопные газы автомобилей. Особенно опасно вдыхание в закрытых гаражах, тоннелях, при работе двигателя в помещении.
  • Неисправные печи и камины. При плохой тяге или преждевременном закрытии заслонки (когда угли ещё не прогорели) CO поступает в помещение.
  • Газовые колонки и котлы. При неполном сгорании газа из-за недостатка кислорода или засорения дымохода.
  • Курение. В табачном дыме содержится значительное количество CO (до 3–5%).
  • Промышленные выбросы. Металлургические заводы, нефтеперерабатывающие предприятия, химические производства.

Применение в промышленности

Несмотря на высокую токсичность, CO является ценным химическим сырьём. Основные области применения:

  1. Металлургия. Используется как восстановитель при выплавке чугуна и стали в доменных печах (колошниковый газ).
  2. Органический синтез. CO является основным компонентом синтез-газа, из которого получают:
  • Метанол (CH₃OH) — важнейшее сырьё для химической промышленности.
  • Уксусную кислоту (карбонилирование метанола).
  • Формальдегид, фосген (используется в производстве полиуретанов и пестицидов).
  • Синтетическое топливо (процесс Фишера-Тропша).
  1. Производство карбонилов металлов. Используется для получения чистых никеля, железа, кобальта.
  2. Пищевая промышленность. CO используется в качестве упаковочного газа (E938) для продления срока хранения мяса (придаёт мясу ярко-красный цвет, предотвращая окисление миоглобина). В России и странах ЕС применение CO в пищевой промышленности разрешено, но вызывает споры среди потребителей.

Оксид углерода в атмосфере и экология

Естественный фон CO в атмосфере составляет около 0,1–0,2 ppm (частей на миллион). Основные природные источники — лесные пожары, вулканическая деятельность, окисление метана в атмосфере. Антропогенные выбросы (сжигание ископаемого топлива, промышленность, транспорт) значительно превышают природные. В городах концентрация CO может достигать 10–50 ppm и более.

CO является одним из основных загрязнителей воздуха. Он участвует в фотохимических реакциях, способствуя образованию приземного (тропосферного) озона, который является парниковым газом и токсичным загрязнителем. Время жизни CO в атмосфере составляет около 2–3 месяцев, после чего он окисляется до CO₂ под действием гидроксильных радикалов (OH). Таким образом, CO является косвенным парниковым газом, влияющим на концентрацию метана и озона.

Источники

  1. Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. «Общая и неорганическая химия». — М.: Химия, 1994.
  2. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. «Современная неорганическая химия». — М.: Мир, 1969.
  3. Лужников Е. А., Костомарова Л. Г. «Острые отравления». — М.: Медицина, 2000.
  4. Рид Р., Шервуд Т. «Свойства газов и жидкостей». — Л.: Химия, 1971.
  5. «Энциклопедия химических технологий» (Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology). — John Wiley & Sons, 2007.
  6. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ). «Руководство по качеству воздуха». — Женева, 2000.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы