Углекислота: свойства и применение¶

Углекислота (диоксид углерода, углекислый газ, CO₂) — химическое соединение углерода и кислорода, при нормальных условиях представляющее собой бесцветный газ без запаха, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха. Молекула CO₂ линейна и состоит из одного атома углерода, связанного с двумя атомами кислорода. В быту и промышленности «углекислотой» часто называют не только сам газ, но и его водный раствор, а также сжиженный и твёрдый диоксид углерода — так называемый сухой лёд.

¶Физические и химические свойства

При атмосферном давлении углекислый газ не имеет жидкой фазы: при охлаждении он переходит сразу в твёрдое состояние (сублимация). Твёрдый CO₂ сублимируется при температуре около −78,5 °C, минуя жидкое состояние. Жидкая углекислота существует только при повышенном давлении — свыше примерно 0,52 МПа.

Диоксид углерода хорошо растворяется в воде: при 20 °C в одном объёме воды растворяется около одного объёма газа. При растворении образуется слабая угольная кислота (H₂CO₃), которая диссоциирует с образованием ионов водорода и гидрокарбоната, что придаёт раствору слабокислую реакцию. Именно это свойство лежит в основе газирования напитков.

CO₂ химически относительно инертен: он не горит и не поддерживает горение, поэтому применяется в огнетушителях. При высоких температурах в присутствии углерода восстанавливается до оксида углерода (CO). Взаимодействует с щелочами, образуя карбонаты и гидрокарбонаты.

¶Нахождение в природе

Углекислый газ — естественный компонент атмосферы Земли. Его объёмная доля в атмосфере составляет около 0,04 % (примерно 420 ppm по состоянию на 2020-е годы). В природе CO₂ выделяется при дыхании живых организмов, при разложении органических веществ, при извержениях вулканов и лесных пожарах. Значительные запасы углерода сосредоточены в карбонатных породах — известняке, меле, доломите.

Растворённый в воде диоксид углерода участвует в круговороте углерода и играет ключевую роль в поддержании кислотно-щелочного баланса океана. В связанном виде углекислота входит в состав гидрокарбонатов, определяющих буферные свойства природных вод.

¶Получение

Основные промышленные способы получения углекислоты:

• Сжигание углеродсодержащего топлива — природного газа, угля, нефтепродуктов; образующийся газ улавливают и очищают.
• Побочный продукт производств — при получении извести, цемента, при спиртовом и пивном брожении.
• Разложение карбонатов — например, термическое разложение известняка (CaCO₃ → CaO + CO₂).
• Добыча из природных источников — из подземных резервуаров и минеральных вод.

В лабораторных условиях CO₂ получают действием кислот на карбонаты, чаще всего — соляной кислоты на мрамор.

¶Применение

Углекислота широко используется в различных отраслях:

Твёрдый диоксид углерода (сухой лёд) применяется для охлаждения и заморозки пищевых продуктов, в научных исследованиях и для создания сценических эффектов.

¶Значение для климата

Диоксид углерода относится к парниковым газам: он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение, влияя на тепловой баланс планеты. Рост концентрации CO₂ в атмосфере, связанный прежде всего со сжиганием ископаемого топлива, рассматривается как один из основных факторов современного изменения климата. В России мониторинг концентрации парниковых газов ведётся сетью станций, в том числе на фоновых станциях в Арктике и Сибири.

¶Воздействие на человека

В обычных концентрациях углекислый газ безвреден. При повышении содержания во вдыхаемом воздухе до 3–5 % появляются головная боль, учащённое дыхание, слабость; при концентрации свыше 10 % возможно удушье из-за недостатка кислорода. В замкнутых помещениях накопление CO₂ служит индикатором качества воздуха, что учитывается при проектировании вентиляции.

Жидкая углекислота при быстром расширении образует снегоподобную массу; при попадании на кожу возможно обморожение. Поэтому при работе с сухим льдом и сжиженным газом применяют средства индивидуальной защиты.

¶Транспортировка и хранение

Углекислоту хранят и перевозят в сжиженном виде в стальных баллонах под давлением, а также в изотермических цистернах. Баллоны окрашивают в чёрный цвет с надписью «Углекислота». При хранении необходимо учитывать высокое давление и температурное расширение, поэтому ёмкости оборудуют предохранительными клапанами.

¶Источники

• Химическая энциклопедия
• Большая российская энциклопедия
• Учебные курсы по неорганической химии
• Материалы по промышленной газопереработке