Углекислота жидкая (СО2, двуокись углерода, диоксид углерода). Углекислый газ и активная реакция воды

О том, зачем и как надо управлять содержанием углекислого газа в аквариуме.
Известно, что углекислый газ жизненно необходим растениям. Ассимилированный в ходе процесса фотосинтеза СО2 является основным строительным материалом для синтеза органических молекул. И аквариумные растения тут не исключение. При дефиците углекислого газа им будет просто не из чего строить свои ткани, что сильно замедлит или совсем прекратит их рост. С другой стороны, при избытке углекислоты в воде аквариума рыбы начинают задыхаться даже тогда, когда содержание в ней кислорода велико (Эффект Рута). Следовательно аквариумист, если только он хочет любоваться живыми, а не пластмассовыми растениями и рыбами, должен уметь поддерживать концентрацию углекислого газа в воде в оптимальном диапазоне.

С достаточной точностью аквариумист-любитель может определить содержание углекислоты в воде аквариума расчетным путем, если он знает величину показателя рН и карбонатную жесткость воды, о чём и будет рассказано в настоящей статье. Но сначала надо дать ответ на такой вопрос: а надо ли вообще аквариумисту что-то измерять и затем что-то рассчитывать? Так ли уж необходимо "проверять алгеброй гармонию"? Ведь всё в природе способно к саморегуляции. Аквариум – это тоже по сути своей маленький "кусочек" природы и он не представляет собой исключения из этого правила. В аквариуме нормальных (классических)* пропорций с достаточным, но не большим количеством рыб, нужные параметры воды обычно устанавливаются сами собой. Чтобы в дальнейшем они не отклонялись от нормы, надо не перекармливать рыбу, регулярно и не реже, чем раз в две недели подменивать примерно четверть или треть объёма воды. И этого действительно будет достаточно. Рыбы в ходе своей жизнедеятельности выделяют достаточное количество углекислоты, нитратов и фосфатов для того, чтобы растения не бедствовали. В свою очередь растения обеспечивают рыб достаточным количеством кислорода. Начиная с последней четверти XIX века (со времён Н.Ф. Золотницкого) и на протяжении большей части века XX так поступали почти все аквариумисты. Всё у них было хорошо, а что такое аквариумные тесты многие из них вообще не знали…

Современная же аквариумистика без использования средств определения параметров аквариумной воды просто немыслима. Что же изменилось?

Технические возможности! С помощью специального оборудования мы стали обманывать природу. В маленькой стеклянной коробочке, которую по сути представляет собой типичный комнатный аквариум (а даже солидный для комнатного водоёма объем в 200-300 л сравнительно с природным водоемом очень мал) появилась возможность содержать такое количество живых организмов, которое никак не соизмеримо с естественными ресурсами в ней имеющимися. К примеру, в совершенно неподвижной и ничем не перемешиваемой воде аквариума у самой его поверхности на глубине 0.5-1 мм количество кислорода может быть вдвое большим, чем на глубине всего только нескольких сантиметров. Переход кислорода из воздуха в воду сам по себе происходит очень медленно. По вычислениям некоторых исследователей, молекула кислорода в силу одной лишь диффузии за сутки может углубиться не более чем на 2 см! Поэтому без технических средств, перемешивающих или аэрирующих воду, аквариумисту просто невозможно заселить аквариум "лишними" рыбами. Современное аквариумное оборудование позволяет посадить в аквариум и некоторое время успешно содержать в нем немыслимое по прежнем временам количество рыб, а яркие лампы очень плотно засадить аквариум растениями и даже покрыть его дно густым слоем ричии!

Это фрагмент дна аквариума. Оно плотно засажено почвопокровными растениями: глоссостигмой (Glossostigma elatinoides), яванским мхом (Vesicularia dubyana) и риччией (Riccia fluitans). Последняя обычно плавает у поверхности, но можно добиться того, чтобы она росла на дне. Для этого аквариум нужно ярко освещать и подавать в воду углекислый газ.
Креветка Амано тоже не случайно попала в кадр, надо же кому аккуратно и бережно выбирать остатки корма из гущи рогулек
Но нельзя забывать, что обманутая природа с того самого мига, как мы сверхплотно заселили аквариум живыми организмами ни за что больше уже не отвечает! Устойчивая жизнеспособность такой системы теперь отнюдь не гарантирована. За тот экологический беспредел, который аквариумист устроил в своём аквариуме, в ответе будет он и только он. Даже незначительная его ошибка приведет к экологической катастрофе. А чтобы не ошибаться надо знать как и почему изменяются хотя бы основные параметры воды. Своевременно их контролируя можно оперативно вмешиваться в работу перенаселенной и потому нестабильной системы, снабжая её недостающими ресурсами и удаляя избыточные отходы, которые аквариумный "биоценоз" сам не способен утилизировать. Одним из таких необходимых для аквариума с живыми растениями ресурсом является углекислый газ.

Снимок сделан на семинаре, проведенном Такаси Амано в Москве в 2003 г. Это вид аквариума сзади. Искусственный задний фон здесь не предусмотрен. Его создадут растения, чрезвычайно плотно высаженные вдоль задней стенки. Для того, чтобы они могли вырасти не "задушив" друг друга использовано сразу несколько хитростей, основанных на аквариумных высоких технологиях. Это специальный многослойный не закисающий грунт, богатый доступными для растений минеральными веществами, очень яркий источник света со специально подобранным спектром, и конечно же устройство, обогащающее воду CO2 (все произведено фирмой ADA)

Часть системы, обогащающей воду аквариума углекислотой крупным планом. Снаружи крепится устройство, позволяющее визуально контролировать подачу пузырьков газа в аквариум. Внутри расположен диффузор. Для наглядности, устроители семинара пустили газ очень сильно и от диффузора поднимается целый столб пузырьков. Столько углекислого газа аквариумным растениям не надо. В режиме нормальной работы, когда газа подается гораздо меньше, пузырьков почти не должно быть видно, так как углекислый газ быстро растворяется в воде. Таким образом, буйная растительность в "природном" аквариуме Такаси Амано не растет сама собой – для этого требуется специальное оборудование. Так что не такой уж этот аквариум "природный", он скорее техногенный!

В атмосфере земли СО2 очень немного – всего 0.03%. В сухом атмосферном воздухе при стандартном барометрическом давлении (760 мм. рт. ст.) его парциальное давление составляет всего 0.2 мм. рт. ст. (0.03% от 760). Но и этого очень незначительного количества вполне достаточно, чтобы он значимым для аквариумиста образом обозначил своё присутствие. К примеру, дистиллированная или хорошо обессоленная вода, постояв в открытой таре достаточное время для того чтобы успеть прийти в равновесие с атмосферным воздухом**, станет слегка кислой. Это произойдет потому, что в ней растворится углекислый газ.

При указанном выше парциальном давлении углекислого газа его концентрация в воде может достичь 0.6 мг в л, что приведет к падению рН до значений близких к 5.6. Почему? Дело в том, что некоторые молекулы углекислого газа (не более 0.6%) взаимодействуют с молекулами воды с образованием угольной кислоты:
CO2+H2O H2CO3
Угольная кислота диссоциирует на ион водорода и гидрокарбонатный ион: H2CO3 H+ + HCO3-
Этого оказывается достаточно для подкисления дистиллированной воды. Напомним, что показатель рН (активная реакция воды) как раз и отражает содержание ионов водорода в воде. Это отрицательный логарифм их концентрации.

В природе точно также подкисляются капли дождя. Поэтому даже в экологически чистых регионах, в которых в дождевой воде нет серной и азотной кислот, она все равно слегка кислая. Проходя затем через почву, где содержание углекислого газа во много раз выше, чем в атмосфере, вода еще больше насыщается углекислотой.

Взаимодействуя затем с породами, содержащими известняк, такая вода переводит карбонаты в хорошо растворимые гидрокарбонаты:

CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2

Эта реакция обратима. Она может быть смещена в право или влево в зависимости от концентрации углекислого газа. Если содержание СО2 достаточно продолжительное время остается стабильным, то в такой воде устанавливается углекислотно-известковое равновесие: новых гидрокарбонатных ионов не образуется. Если тем или иным способом убрать СО2 из равновесной системы, то она сдвинется влево, и из раствора, содержащего гидрокарбонаты выпадет в виде осадка практически нерастворимый карбонат кальция. Так происходит, например, при кипячении воды (это известный способ снижения карбонатной жесткости, то есть концентрации в воде Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2). Этот же процесс наблюдается и при простом отстаивании артезианской воды, которая под землёй находилась при повышенном давлении и там в ней растворилось много углекислоты. Оказавшись на поверхности, где парциальное давление СО2 мало, эта вода отдает лишний углекислый газ в атмосферу до тех пор пока не придет с ней в равновесие. При этом в ней появляется беловатая муть, состоящая из частичек известняка. Точно по такому же принципу образуются сталактиты и сталагмиты: сочащаяся из подземных пластов вода освобождается от лишней углекислоты и одновременно от карбонатов кальция и магния. И по сути эта же реакция происходит на листьях многих аквариумных растений, когда они активно фотосинтезируют на ярком свету, а углекислый газ в замкнутом пространстве аквариума заканчивается. Вот тут их листья начинают "седеть", так как они покрываются корочкой карбоната кальция.Но раз из воды извлекается вся свободная углекислота, то и рН при этом неумолимо растёт. Обычно растения могут поднять рН аквариумной воды до 8.3-8.5. При таком показателе активной реакции воды в ней почти совсем нет молекул углекислого газа и растения (те виды, что умеют это делать, а умеют многие) занимаются добычей углекислоты из бикарбонатов.

Ca(HCO3)2 –> CO2 (поглощается растением) + CaCO3 + H2O

Как правило, они не могут поднять рН еще выше, так как его дальнейший рост сильно ухудшает функциональное состояние самих растений: фотосинтез, а следовательно изъятие СО2 из системы замедляется, и находящийся в воздухе углекислый газ, растворяясь в воде, стабилизирует рН. Аквариумные растения, таким образом, могут буквально душить друг друга. Выигрывают те виды, что лучше извлекают углекислоту из гидрокарбонатов, а страдают не умеющие это делать, к примеру, роталы и апоногетоны мадагаскарской группы. Именно такие растения считаются у аквариумистов самыми нежными.

Водные растения в этом аквариуме не в лучшем состоянии. Долгое время он существовал в условиях острого дефицита углекислого газа, затем была организована его подача. Результаты очевидны. Свежая зелень макушек говорит сама за себя. Особенно сильно эффект подачи углекислоты заметен на роталах (Rotala macrandra). Они почти погибли, о чем свидетельствуют почти полностью лишенные листьев нижние участки стеблей, но ожили и дали красивые красноватые листья, очень быстро выросшие уже во время подачи газа

Те растения, что могут расщеплять гидрокарбонаты более живучи. К таковым относят рдесты, валлиснерию, эхинодорусы. Однако густые заросли элодеи способны и их задушить. Элодея может еще эффективнее извлекать связанную в гидрокарбонатах углекислоту:
Ca(HCO3)2 –> 2CO2(поглощается растением) + Ca(OH)2
Если карбонатная жесткость воды достаточно велика, то этот процесс может привести к опасному не только для других растений, но и для подавляющего большинства аквариумных рыб росту значения рН аквариумной воды до 10. В аквариумной воде с высокими значениями рН невозможно выращивание целого ряда растений, да и очень многим видам аквариумных рыб щелочная вода определенно не нравится.

Можно ли исправить положение усилив аэрацию аквариума в расчете на то, что благодаря высокой растворимости углекислого газа вода аквариума обогатится СО2? Действительно, при нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С в одном литре воды могло бы растворится 1.7 г углекислоты. Но это произошло бы только в том случае, если бы газовая фаза с которой соприкасалась эта вода целиком состояла бы из СО2. А, при контакте с атмосферным воздухом, в котором содержится всего 0.03% СО2 в 1 л воды может перейти из этого воздуха только 0.6 мг – это и есть равновесная концентрация, соответствующая парциальному давлению углекислого газа в атмосфере на уровне моря. Если содержание углекислоты в аквариумной воде ниже, то аэрация действительно его поднимет до концентрации 0.6 мг/л и не более! Но обычно содержание углекислого газа в воде аквариума все же выше указанной величины и аэрация приведет лишь к потере СО2.

Проблему можно решить искусственно подавая в аквариум углекислый газ, тем более, что это отнюдь не сложно. В этом деле можно обойтись даже без фирменного оборудования, а просто воспользоваться процессами спиртового брожения в сахарном растворе с дрожжами и некоторыми другими крайне нехитрыми устройствами, о которых мы вскоре расскажем.

Тут, однако, надо отдавать себе отчет в том, что этим мы обманываем природу ещё раз. Бездумное насыщение воды аквариума углекислым газом ни к чему хорошему не приведет. Так можно быстро уморить рыб, а затем и растения. Процесс подачи углекислоты должен находиться под строгим контролем. Установлено, что для рыб концентрация СО2 в воде аквариума не должна превышать 30 мг/л. А в целом ряде случаев эта величина должна быть хотя бы ещё на треть меньше. Вспомним, что и сильные колебания величины рН для рыб также вредны, а дополнительная подача углекислого газа быстро закисляет воду.

Как оценить содержание СО2 и добиться того, чтобы при насыщении воды этим газом значения рН колебались незначительно и оставались в приемлемом для рыб диапазоне? Тут нам будет не обойтись без формул и математических расчетов: гидрохимия аквариумной воды, увы, тема довольно "сухая".

Взаимосвязь между концентрациями в воде пресноводного аквариума углекислого газа, ионов водорода и гидрокарбонатных ионов отражает уравнение Хендерсона-Хассельбаха, которое применительно к нашему случаю будет иметь вид:
/ = K1
где К1 – кажущаяся константа диссоциации угольной кислоты по первой ступени, учитывающая равновесие ионов со всем количеством углекислого газа в воде – общей аналитически определяемой углекислотой (то есть, как просто растворенными молекулами СО2, так и гидратированными молекулами в форме угольной кислоты - Н2СО3). Для температуры 25°С эта константа равна 4.5*10-7. Квадратные скобки обозначают молярные концентрации.

Преобразование формулы даёт:

Величины рН и можно определить с помощью стандартных аквариумных тестов. Следует отметить, что KH-тест определяет именно содержание гидрокарбонатных ионов в воде (а не ионов кальция) и подходит для наших целей. Единственное неудобство его использования связано с необходимостью пересчитывать градусы в М, что, впрочем, вовсе не сложно. Для этого достаточно величину карбонатной жесткости, полученную после выполнения процедуры тестирования в градусах, разделить на 2.804. Концентрацию ионов водорода, выраженную в рН также надо перевести в М, для этого надо 10 возвести в степень равную величине рН с отрицательным знаком:

Для перевода рассчитанной по формуле (2) величины из М в мг/л СО2 надо умножить её на 44000.

С помощью уравнения Хендерсона-Хассельбаха можно рассчитать концентрацию общей аналитически определяемой углекислоты в аквариуме в том случае, если для стабилизации рН аквариумист не использовал специальных реактивов и содержание гуминовых и прочих органических кислот в его аквариуме умеренное (с достаточной для любителя степенью точности об этом можно судить по цвету аквариумной воды: если она не похожа на "чёрные воды" Амазонии, бесцветна или окрашена только чуть-чуть - значит их там немного).

Те, кто на короткой ноге с компьютером, в частности с электронными таблицами Exel, могут на основе приведенной выше формулы и величины К1 составить подробные таблицы, отражающие содержание углекислоты в зависимости от карбонатной жесткости и рН. Мы же приведем тут сокращенный, но, надеемся, полезный для аквариумистов-любителей вариант такой таблицы, позволяющий тут же автоматически рассчитать содержание углекислого газа в воде:
Минимальные значения рН воды в аквариуме для заданной карбонатной жесткости, при которых содержание углекислоты еще не опасно для рыб (красные цифры в столбцах), и максимально допустимые величины рН при которых у растений, не умеющих добывать углекислоту из гидрокарбонатов ещё достаточно эффективно идёт фотосинтез. Для 25°С.

Если вы решили подавать углекислый газ в аквариум, то отрегулируйте его подачу так, чтобы величины рН для соответствующей карбонатной жесткости попадали в интервал между красными и зелеными цифрами. В ходе светового дня активная реакция воды будет изменяться (обычно рН повышается) и это обстоятельство надо учесть при настройке оборудования. Пытайтесь настроиться на середину интервала, тогда величина рН скорее всего не выскочит за его границы. Если подача СО2 регулируется рН-контроллером, перекрывающим подачу газа при снижении рН до заранее заданного уровня, то этот уровень не должен быть ниже минимально допустимого для рыб. Использование рН-контроллера наиболее эффективно и безопасно, но сам он стоит относительно дорого.

На переднем плане этой фотографии еще одна ротала (Rotala wallichii). Слева - маяка речная (Mayaca fluviatilis). Она тоже любительница свободного углекислого газа в воде. При подходящем освещении и содержании углекислоты в аквариуме порядка 15-20 мг/л эти водные растения покрывается пузырьками кислорода, настолько эффективно идет фотосинтез

Кроме того, подкормить растения СО2 можно с помощью специальных таблеток, помещаемых в аквариум в особом устройстве. Они постепенно отдают в воду углекислоту. С этой же целью можно в начале светового дня подливать в аквариум слабоминерализованную газированную воду (естественно без пищевых добавок!). Приведенные в этой статье таблица и калькулятор помогут оценить насколько эти меры эффективны.

В таблице также указаны величины рН, которые при заданной карбонатной жесткости приобретает хорошо аэрируемая вода в комнатном аквариуме, в том случае если он умеренно заселен рыбами и если окисляемость воды в нём не высока. Иными словами, если подача углекислоты в аквариум вдруг прекратится, то можно ожидать, что рН воды в течение нескольких часов возрастет примерно до этих величин. Цифры в последней строке этой таблицы – это рН воды заданной карбонатной жесткости находящейся в равновесии с атмосферой. Видно, что они еще выше. В природных водоемах, в порогах чистых рек, где вода бурлит и отдает в атмосферу весь лишний (неравновесный) углекислый газ, такие значения рН действительно имеют место. В помещениях же и парциальное давление углекислоты в воздухе выше, чем на открытом воздухе, и процессы, идущие в грунте и фильтре аквариума приводят к образованию углекислого газа и ионов водорода. Всё это обеспечивает большее, чем в естественных условиях содержание углекислоты в воде аквариумов и вода в них при той же карбонатной жесткости оказывается более кислой.

Теперь обратим внимание на такой факт. Угольная кислота, которая образуется при растворении атмосферного углекислого газа в воде снижает рН дистиллированной воды до 5.6, а вода с карбонатной жесткостью, к примеру, равной 5 kH, находясь в равновесии с атмосферными газами, имеет активную реакцию 8.4. Легко прослеживается такая закономерность: чем выше карбонатная жесткость воды, тем она более щелочная. Вообще-то это правило известно многим, но не все аквариумисты отдают себе отчёт в том, что речь идет именно о карбонатной жесткости. Действительно, если иметь дело только с природными пресными водами, в которых карбонатная жесткость, как правило, вносит весьма значительный вклад в общую, об этом можно и не задумываться, но вот в искусственно приготовленной воде все может быть по-другому. Например, добавление хлористого кальция поднимет жесткость воды, но не рН. То, что природные воды обычно имеют слабощелочную активную реакцию связано именно с наличием в них гидрокарбонатных ионов. Вместе с растворенной в воде углекислотой, они образуют углекислотно-гидрокарбонатную буферную систему, которая тем сильнее стабилизирует рН воды в области щелочных значений, чем выше концентрация гидрокарбонатов (карбонатная жесткость). Чтобы понять почему так происходит и выбрать оптимальные для аквариума значения карбонатной жесткости надо снова обратиться к формуле Хендерсона-Хассельбаха.

В.Ковалёв,

*Классические пропорции аквариума таковы: ширина равна или не более чем на четверть меньше высоты. Высота не превышает 50 см. Длинна же, в принципе, не ограничена. В качестве примера можно привести аквариум длинной 1 м, шириной 40 см и высотой 50 см. Биологическое равновесие в таком комнатном водоёме установится относительно легко.

**Под равновесием с атмосферным воздухом мы понимаем такое состояние воды, когда концентрации (напряжения) растворенных в ней газов соответствуют парциальным давлениям этих газов в атмосфере. Если давление какого-либо газа уменьшится, то молекулы этого газа начнут покидать воду, до тех пор пока снова не будет достигнута равновесная концентрация. И наоборот, если парциальное давление газа над водой увеличится, то большее количество этого газа растворится в воде

Вещество с химическое формулой СО2 и молекулярной массой 44,011 г/моль, которое может существовать в четырёх фазовых состояниях - газообразном, жидком, твёрдом и сверхкритическом.

Газообразное состояние СО2 носит общеупотребительное название «углекислый газ». При атмосферном давлении это бесцветный газ без цвета и запаха, при температуре +20 ?С плотностью 1,839 кг/м? (в 1,52 раза тяжелее воздуха), хорошо растворяется в воде (0,88 объёма в 1 объёме воды), частично взаимодействуя в ней с образованием угольной кислоты. Входит в состав атмосферы в среднем 0,035% по объёму. При резком охлаждении за счёт расширения (детандирование) СО2 способен десублимироваться - переходить сразу в твёрдое состояние, минуя жидкую фазу.

Газообразный диоксид углерода ранее нередко хранили в стационарных газгольдерах. В настоящее время такой способ хранения не применяется; углекислый газ в необходимом количестве получают непосредственно на месте - путём испарения жидкой углекислоты в газификаторе. Далее газ можно легко перекачать по любому газопроводу под давлением 2-6 атмосфер.

Жидкое состояние СО2 носит техническое название «жидкая углекислота » или просто «углекислота». Это бесцветная жидкость без запаха, средней плотностью 771 кг/м3, которая существует только под давлением 3 482…519 кПа при температуре 0…-56,5 град.С («низкотемпературная углекислота»), либо под давлением 3 482…7 383 кПа при температуре 0…+31,0 град.С («углекислота высокого давления»). Углекислоту высокого давления получают чаще всего путём сжатия углекислого газа до давления конденсации, при одновременном охлаждении водой. Низкотемпературную углекислоту, являющейся основной формой диоксида углерода для промышленного потребления, чаще всего получают по циклу высокого давления путём трехступенчатого охлаждения и дросселирования в специальных установках.

При небольшом и среднем потреблении углекислоты (высокого давления),т для её хранения и транспортировки используют разнообразные стальные баллоны (от баллончиков для бытовых сифонов до ёмкостей вместимостью 55 л). Самым распространенным является 40 л баллон с рабочим давление 15 000 кПа, вмещающим 24 кг углекислоты. За стальными баллонами не требуется дополнительный уход, углекислота сохраняется без потерь в течение длительного времени. Баллоны с углекислотой высокого давления окрашивают в чёрный цвет.

При значительном потреблении, для хранения и транспортировки низкотемпературной жидкой углекислоты используют изотермические цистерны самой разнообразной вместимости, оснащённые служебными холодильными установками. Существуют накопительные (стационарные) вертикальные и горизонтальные цистерны вместимостью от 3 до 250 т, транспортируемые цистерны вместимостью от 3 до 18 т. Цистерны вертикального исполнения требуют строительства фундамента и используются преимущественно в условиях ограниченного пространства для размещения. Применение горизонтальных цистерн позволяет снизить затраты на фундаменты, особенно при наличии общей рамы с углекислотной станцией. Цистерны состоят из внутреннего сварного сосуда, изготовленного из низкотемпературной стали и имеющего пенополиуретановую или вакуумную теплоизоляцию; наружного кожуха из пластика, оцинкованной или нержавеющей стали; трубопроводов, арматуры и приборов контроля. Внутренняя и наружная поверхности сварного сосуда подвергаются специальной обработке, благодаря чему снижена до вероятность поверхностной коррозии металла. В дорогих импортных моделях наружный герметичный кожух выполнен из алюминия. Использование цистерн обеспечивает заправку и слив жидкой углекислоты; хранение и транспортировку без потерь продукта; визуальный контроль массы и рабочего давления при заправке, в процессе хранения и выдачи. Все типы цистерн оснащены многоуровневой системой безопасности. Предохранительные клапаны позволяют производить проверку и ремонт без остановки и опорожнения цистерны.

При мгновенном снижении давления до атмосферного, происходящем при впрыске в специальную расширительную камеру (дросселировании), жидкий диоксид углерода мгновенно превращается в газ и тончайшую снегообразную массу, которую прессуют и получают диоксид углерода в твёрдом состоянии, который носит общеупотребительное название «сухой лёд». При атмосферном давлении это белая стекловидная масса плотностью 1 562 кг/м?, с температурой -78,5 ?С, которая на открытом воздухе сублимируется - постепенно испаряется, минуя жидкое состояние. Сухой лёд может быть также получен непосредственно на установках высокого давления, применяемых для получения низкотемпературной углекислоты, из газовых смесей, содержащих СО2 в количестве не менее 75-80%. Объёмная холодопроизводительность сухого льда почти в 3 раза больше, чем у водяного льда, и составляет 573,6 кДж/кг.

Твёрдый диоксид углерода обычно выпускают в брикетах размером 200?100?20-70 мм, в гранулах диаметром 3, 6, 10, 12 и 16 мм, редко в виде тончайшего порошка («сухой снег»). Брикеты, гранулы и снег хранят не более 1-2 суток в стационарных заглублённых хранилищах шахтного типа, разбитых на небольшие отсеки; перевозят в специальных изотермических контейнерах с предохранительным клапаном. Используются контейнеры разных производителей вместимостью от 40 до 300 кг и более. Потери на сублимацию составляют, в зависимости от температуры окружающего воздуха 4-6% и более в сутки.

При давлении свыше 7,39 кПа и температуре более 31,6 град.С диоксид углерода находится в так называемом сверхкритическом состоянии, при котором его плотность как у жидкости, а вязкость и поверхностное натяжение как у газа. Эта необычная физическая субстанция (флюид) является отличным неполярным растворителем. Сверхкритический CO2 способен полностью или выборочно экстрагировать любые неполярные составляющие с молекулярной массой менее 2 000 дальтон: терпеновые соединения, воски, пигменты, высокомолекулярные насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, алкалоиды, жирорастворимые витамины и фитостерины. Нерастворимыми веществами для сверхкритического CO2 являются целлюлоза, крахмал, органические и неорганические полимеры с высоким молекулярным весом, сахара, гликозидные вещества, протеины, металлы и соли многих металлов. Обладая подобными свойствами, сверхкритический диоксид углерода всё шире применяется в процессах экстракции, фракционирования и импрегнации органических и неорганических веществ. Он является также перспективным рабочим телом для современных тепловых машин.

• Удельный вес . Удельный вес углекислоты зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится.
• Критическая температура углекислоты +31 град. Удельный вес углекислого газа при 0 град и давлении 760 мм рт.ст. равен 1, 9769 кг/м3.
• Молекулярный вес углекислого газа 44,0. Относительный вес углекислого газа по сравнению с воздухом составляет 1,529.
• Жидкая углекислота при температурах выше 0 град. значительно легче воды, и ее можно хранить только под давлением.
• Удельный вес твердой углекислоты зависит от метода ее получения. Жидкая углекислота при замораживании превращается в сухой лед, представляющий прозрачное, стеклообразное твердое тело. В этом случае твердая углекислота имеет наибольшую плотность (при нормальном давлении в сосуде, охлаждаемом до минус 79 град., плотность равна 1,56). Промышленная твердая углекислота имеет белый цвет, по твердости близка к мелу,
• ее удельный вес колеблется в зависимости от способа получения в пределах 1,3 - 1,6.

• Уравнение состояния. Связь между объемом, температурой и давлением углекислого газа выражается уравнением
• V= R T/p - A, где
• V - объем, м3/кг;
• R - газовая постоянная 848/44 = 19,273;
• Т - температура, К град.;
• р давление, кг/м2;
• А - дополнительный член, характеризующий отклонение от уравнения состояния для идеального газа. Он выражается зависимостью А =(0, 0825 + (1,225)10-7 р)/(Т/100)10/3.

• Тройная точка углекислоты. Тройная точка характеризуется давлением 5,28 ата (кг/см2) и температурой минус 56,6 град.
• Углекислота может находиться во всех трех состояниях (твердом, жидком и газообразном) только в тройной точке. При давлениях ниже 5,28 ата (кг/см2) (или при температуре ниже минус 56,6 град.) углекислота может находиться только в твердом и газообразном состояниях.
• В парожидкостной области, т.е. выше тройной точки, справедливы следующие соотношения
• i" x + i"" у = i,
• x + у = 1, где,
• x и у - доля вещества в жидком и парообразном виде;
• i" - энтальпия жидкости;
• i"" - энтальпия пара;
• i - энтальпия смеси.
• По этим величинам легко определить величины x и у. Соответственно для области ниже тройной точки будут действительны следующие уравнения:
• i"" у + i"" z = i,
• у + z = 1, где,
• i"" - энтальпия твердой углекислоты;
• z - доля вещества в твердом состоянии.
• В тройной точке для трех фаз имеются также только два уравнения
• i" x + i"" у + i""" z = i,
• x + у + z = 1.
• Зная значения i," i"," i""" для тройной точки и используя приведенные уравнения можно определить энтальпию смеси для любой точки.

• Теплоемкость. Теплоемкость углекислого газа при температуре 20 град. и 1 ата составляет
• Ср = 0,202 и Сv = 0,156 ккал/кг*град. Показатель адиабаты k =1,30.
• Теплоемкость жидкой углекислоты в диапазоне температур от -50 до +20 град. характеризуется следующими значениями, ккал/кг*град. :
• Град.С -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20
• Ср, 0,47 0,49 0,515 0,514 0,517 0,6 0,64 0,68

• Точка плавления. Плавление твердой углекислоты происходит при температурах и давлениях, соответствующих тройной точке (t = -56,6 град. и р = 5,28 ата) или находящихся выше ее.
• Ниже тройной точки твердая углекислота сублимирует. Температура сублимации является функцией давления: при нормальном давлении она равна -78,5 град., в вакууме она может быть -100 град. и ниже.

• Энтальпия. Энтальпию пара углекислоты в широком диапазоне температур и давлений определяют по уравнению Планка и Куприянова.
• i = 169,34 + (0,1955 + 0,000115t)t - 8,3724 p(1 + 0,007424p)/0,01T(10/3), где
• I - ккал/кг, р - кг/см2, Т - град.К, t - град.С.
• Энтальпию жидкой углекислоты в любой точке можно легко определить путем вычитания из энтальпии насыщенного пара величины скрытой теплоты парообразования. Точно так же, вычитая скрытую теплоту сублимации, можно определить энтальпию твердой углекислоты.

• Теплопроводность . Теплопроводность углекислого газа при 0 град. составляет 0,012 ккал/м*час*град.С, а при температуре -78 град. она понижается до 0,008 ккал/м*час*град.С.
• Данные о теплопроводности углекислоты в 10 4 ст. ккал/м*час*град.С при плюсовых температурах приведены в таблице.
• Давление, кг/см2 10 град. 20 град. 30 град. 40 град.
• Газообразная углекислота
• 1 130 136 142 148
• 20 - 147 152 157
• 40 - 173 174 175
• 60 - - 228 213
• 80 - - - 325
• Жидкая углекислота
• 50 848 - - -
• 60 870 753 - -
• 70 888 776 - -
• 80 906 795 670
  Теплопроводность твердой углекислоты может быть вычислена по формуле:
  236,5/Т1,216 ст., ккал/м*час*град.С.

• Коэффициент теплового расширения. Объемный коэффициент расширения а твердой углекислоты рассчитывают в зависимости от изменения удельного веса и температуры. Линейный коэффициент расширения определяют по выражению b = a/3. В диапазоне температур от -56 до -80 град. коэффициенты имеют следующие значения: а *10*5ст. = 185,5-117,0, b* 10* 5 cт. = 61,8-39,0.

• Вязкость. Вязкость углекислоты 10 *6ст. в зависимости от давления и температуры (кг*сек/м2)
• Давление, ата -15 град. 0 град. 20 град. 40 град.
• 5 1,38 1,42 1,49 1,60
• 30 12,04 1,63 1,61 1,72
• 75 13,13 12,01 8,32 2,30

• Диэлектрическая постоянная. Диэлектрическая постоянная жидкой углекислоты при 50 - 125 ати, находится в пределах 1,6016 - 1,6425.
• Диэлектрическая постоянная углекислого газа при 15 град. и давлении 9,4 - 39 ати 1,009 - 1,060.

• Влагосодержание углекислого газа. Содержание водяных паров во влажном углекислом газе определяют с помощью уравнения,
• Х = 18/44 * p’/p - p’ = 0,41 p’/p - p’ кг/кг, где
• p’ - парциальное давление водяных паров при 100%-м насыщении;
• р - общее давление паро-газовой смеси.

• Растворимость углекислоты в воде. Растворимость газов измеряется объемами газа, приведенными к нормальным условиям (0 град, С и 760 мм рт. ст.) на объем растворителя.
• Растворимость углекислоты в воде при умеренных температурах и давлениях до 4 - 5 ати подчиняется закону Генри, который выражается уравнением
• Р = Н Х, где
• Р - парциальное давление газа над жидкостью;
• Х - количество газа в молях;
• Н - коэффициент Генри.

• Жидкая углекислота как растворитель. Растворимость смазочного масла в жидкой углекислоте при температуре -20град. до +25 град. составляет 0,388 г в100 СО2,
• и увеличивается до 0,718 г в 100 г СО2 при температуре +25 град. С.
• Растворимость воды в жидкой углекислоте в диапазоне температур от -5,8 до +22,9 град. составляет не более 0,05% по весу.

Техника безопасности

По степени воздействия на организм человека газообразный диоксид углерода относится к 4-му классу опасности по ГОСТу 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности». Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны не установлена, при оценке этой концентрации следует ориентироваться на нормативы для угольных и озокеритовых шахт, установленные в пределах 0,5%.

При применении сухого льда, при использовании сосудов с жидкой низкотемпературной углекислотой должно обеспечиваться соблюдение мер безопасности, предупреждающих обморожение рук и других участков тела работника.

Вы уже знаете, что при выдохе из легких выходит углекислый газ. А вот что вам известно об этом веществе? Наверное, немного. Сегодня я отвечу на все вопросы, касающиеся углекислого газа.

Определение

Это вещество в нормальных условиях является бесцветным газом. Во многих источниках его могут называть по-разному: и оксидом углерода (IV), и угольным ангидридом, и двуокисью углерода, и диоксидом углерода.

Свойства

Углекислый газ (формула СО 2) является бесцветным газом, имеющим кислые запах и вкус, растворимым в воде веществом. Если его как следует охладить, то образуется снегообразная масса, называемая сухим льдом (фотография ниже), которая сублимирует при температуре -78 о С.

Является одним из продуктов гниения или горения любого органического вещества. Растворяется в воде только при температуре 15 о С и только в том случае, если отношение вода:углекислый газ равно 1:1. Плотность углекислого газа может быть разной, но в стандартных условиях она равняется 1,976 кг/м 3 . Это если он находится в газообразном виде, а в других состояниях (жидком/газообразном) значения плотности тоже будут другими. Данное вещество является кислотным оксидом, его добавление в воду приводит к получению угольной кислоты. Если соединить углекислый газ с любой щелочью, то в результате последующей реакции образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот оксид не может поддерживать горение, кроме некоторых исключений. Это активные металлы, и при реакции такого вида они забирают у него кислород.

Получение

Углекислый и еще некоторые газы в больших количествах выделяются, когда производят алкоголь или разлагаются природные карбонаты. Затем полученные газы проходят промывание растворенным карбонатом калия. Далее следует поглощение ими углекислого газа, продуктом данной реакции является гидрокарбонат, при нагревании раствора которого получают искомый оксид.

Но сейчас его с успехом заменяет растворенный водой этаноламин, который абсорбирует содержащийся в дымовом газе оксид углерода и отдает его при нагревании. Также этот газ является побочным продуктом тех реакций, при которых получают чистые азот, кислород и аргон. В лаборатории немного углекислоты получается, когда карбонаты и гидрокарбонаты взаимодействуют с кислотами. Еще она образуется, когда реагируют пищевая сода и лимонный сок или тот же гидрокарбонат натрия и уксус (фото).

Применение

Пищевая промышленность не может обойтись без использования углекислоты, где она известна в качестве консерванта и разрыхлителя, имеющего код E290. Ее в виде жидкости содержит любой огнетушитель.

Также оксид четырехвалентного углерода, который выделяется в процессе брожения, служит хорошей подкормкой аквариумным растениям. Он содержится и во всем известной газировке, которую многие довольно часто покупают в продуктовом магазине. Сварка проволокой происходит в углекислой среде, но если температура данного процесса очень высока, то он сопровождается диссоциацией углекислоты, при которой выделяется кислород, окисляющий металл. Тогда сварка не обходится без раскислителей (марганца или кремния). Углекислым газом накачивают велосипедные колеса, он присутствует и в баллончиках пневматического оружия (такая его разновидность называется газобаллонной). Также данный оксид в твердом состоянии, называемый сухим льдом, нужен как хладагент в торговле, научных исследованиях и при починке некоторой техники.

Вот до чего полезен для человека углекислый газ. И не только в промышленности, он играет и важную биологическую роль: без него не может происходить газообмен, регуляция сосудистого тонуса, фотосинтез и многие другие природные процессы. Но его переизбыток или недостача в воздухе некоторое время могут негативно влиять на физическое состояние всех живых организмов.

Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?

Углекислый газ и его физические свойства

Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.

Рис. 1. Молекула углекислого газа.

Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.

Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».

Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.

Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.

Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.

Чтобы вычислить массовые доли элементов в углекислом газе необходимо следовать формулерасчета массовых долей каждого химического элемента в веществе.

n – число атомов или молекул.
Ar – относительная атомная масса химического элемента.
Mr – относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27 % Так как в формулу углекислого газа входит два атома кислорода, то n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73 %

Ответ: w(C) = 0,27 или 27 %; w(O) = 0,73 или 73 %

Химические и биологические свойства углекислого газа

Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO₃=2CO+O₃.

Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:

СaO+Co₃=CaCO₃.

Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.

Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Двуокись углерода (двуокись углерода, карбоновый ангидрид, диоксид углерода) - окись углерода (IV).

Формула представляет собой CO2. Молярная масса - 44 г / моль.

Химические свойства двуокиси углерода

Углекислый газ относится к классу оксидов кислот, то есть при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется углем. Карбоновая кислота химически нестабильна и во время образования она немедленно разлагается на ее компоненты, то есть реакция взаимодействия двуокиси углерода с водой обратима:

CO2 + H2O ↔ CO2 × H2O (раствор) ↔ H2CO3.

При нагревании углекислый газ разлагается на монооксид углерода и кислород:

2CO2 = 2CO + O2.

Как и все кислотные оксиды, двуокись углерода характеризуется реакциями взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:

CaO + CO2 = CaCO3;

Al2O3 + 3CO2 = Al2 (CO3) 3;

CO2 + NaOH (разбавленный) = NaHCO3;

CO2 + 2NaOH (конц) = Na2CO3 + H2O.

Углекислый газ не поддерживает горение, в нем горят только активные металлы:

CO2 + 2Mg = C + 2MgO (t ^ {\ circ});

CO2 + 2Ca = C + 2CaO (t ^ {\ circ}).

Двуокись углерода реагирует с простыми веществами, такими как водород и углерод:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O (t ^ {\ circ}, kat = Cu2O);

CO2 + C = 2CO (t ^ {\ circ}).

Когда диоксид углерода взаимодействует с перекисями активных металлов, образуются карбонаты и выделяется кислород:

2CO2 + 2Na2O2 = 2Na2CO3 + O2.

Качественная реакция на углекислый газ представляет собой реакцию его взаимодействия с известковой водой (молоком), то есть с гидроксидом кальция, в котором образуется белый осадок - карбонат кальция:

CO2 + Ca (OH) 2 = CaCO3 ↓ + H2O.

Физические свойства двуокиси углерода

Двуокись углерода представляет собой газообразное вещество без цвета или запаха. Тяжелее воздуха. Термостойкость. При сжатии и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое состояние. Двуокись углерода в твердом состоянии агрегации называется «сухой лед» и легко сублимируется при комнатной температуре. Двуокись углерода плохо растворяется в воде, частично реагирует с ней. Плотность - 1,977 г / л.

Производство и использование диоксида углерода

Выделяют промышленные и лабораторные методы производства двуокиси углерода. Так, в промышленности он получается путем сжигания известняка (1) и в лаборатории под действием сильных кислот на карбонатных солях (2):

CaCO3 = CaO + CO2 (t ^ {\ circ}) (1);

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O (2).

Углекислый газ используется в пищевых продуктах (карбонизация лимонада), химическая (контроль температуры при производстве синтетических волокон), металлургический (защита окружающей среды, например, осаждение коричневого газа) и другие отрасли.

Примеры решения проблем