Все про углекислый газ. Углекислый газ — невидимая опасность

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

Углекислый газ бесцветный газ с едва ощутимым запахом не ядовит, тяжелее воздуха. Углекислый газ широко распространен в природе. Растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н 2 CO 3 , придает ей кислый вкус. В воздухе содержится около 0,03% углекислого газа. Плотность в 1,524 раза больше плотности воздуха и равна 0,001976 г/см 3 (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Потенциал ионизации 14,3В. Химическая формула – CO 2 .

В сварочном производстве используется термин «углекислый газ» см. . В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» принят термин «углекислота» , а в - термин «двуокись углерода» .

Существует множество способов получения углекислого газа, основные из которых рассмотрены в статье .

Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре -78,5°С углекислый газ, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед» .

Под давлением 528 кПа и при температуре -56,6°С углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).

Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и только при температуре выше 2000°С.

Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество . В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont ) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».

Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black) .

Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO 3) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух» . Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.

CaCO 3 + 2HCl = СО 2 + CaCl 2 + H 2 O

Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO 2 через водный раствор извести Ca(OH) 2 на дно осаждается карбонат кальция CaCO 3 . Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных .

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O

Жидкая двуокись углерода бесцветная жидкость без запаха, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Она существует при комнатной температуре лишь при давлении более 5,85 МПа. Плотность жидкой углекислоты 0,771 г/см 3 (20°С). При температуре ниже +11°С она тяжелее воды, а выше +11°С - легче.

Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой , поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8-22,9°С не более 0,05%.

Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты. При нормальных условиях (20°С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа . При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении «тройной точки» она превращается в сухой лед, который забивает отверстие в понижающем редукторе, и дальнейший отбор газа прекращается. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения жидкой двуокиси углерода - поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.

Впервые жидкую двуокись углерода получили в 1823 г. Гемфри Дэви (Humphry Davy) и Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Твердая двуокись углерода «сухой лед», по внешнему виду напоминает снег и лед. Содержание углекислого газа, получаемого из брикета сухого льда, высокое - 99,93-99,99%. Содержание влаги в пределах 0,06-0,13%. Сухой лед, находясь на открытом воздухе, интенсивно испаряется, поэтому для его хранения и транспортировки используют контейнеры. Получение углекислого газа из сухого льда производится в специальных испарителях. Твердая двуокись углерода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162.

Двуокись углерода чаще всего применяют :

• для создания защитной среды при металлов;
• в производстве газированных напитков;
• охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
• для систем пожаротушения;
• для чистки поверхностей сухим льдом.

Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Углекислый газ является , в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие .

Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлись в швах. Поры вызывались кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделения оксиси углерода (СО) вследствие недостаточной его раскисленности.

При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:

Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (сварка ).

Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:

Мэ + О = МэО

где Мэ - металл (марганец, алюминий или др.).

Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами.

В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное - кремния, марганца, хрома, ванадия и др.

Особенно энергично окисление примесей происходит при . Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке неплавящимся электродом - только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом.

Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом.

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м 3) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как она тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м 3 (0,5%).

Углекислый газ поставляется по . Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.

Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы. В стандартный с водяной емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты, которая при нормальном давлении занимает 67,5% объема баллона и дает при испарении 12,5 м 3 углекислого газа. В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.

Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10...15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке шва.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги

Баллон с двуокисью углерода окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА» .

(IV), диоксид углерода или же двуокись углерода. Также его еще называют угольным ангидридом. Он является совершенно бесцветным газом, который не имеет запаха, с кисловатым вкусом. Углекислый газ тяжелее воздуха и плохо растворяется в воде. При температуре ниже - 78 градусов Цельсия кристаллизуется и становится похожим на снег.

Из газообразного состояния это вещество переходит в твердое, поскольку не может существовать в жидком состоянии в условиях атмосферного давления. Плотность углекислого газа в нормальных условиях составляет 1,97 кг/м3 - в 1,5 раза выше Диоксид углерода в твердом виде называется «сухой лед». В жидкое состояние, в котором его можно хранить длительное время, он переходит при повышении давления. Рассмотрим подробнее данное вещество и его химическое строение.

Углекислый газ, формула которого CO2, состоит из углерода и кислорода, а получается он в результате сжигания или гниения органических веществ. Оксид углерода содержится в воздухе и подземных минеральных источниках. Люди и животные тоже выделяют углекислый газ при выдыхании воздуха. Растения без освещения выделяют его, а во время фотосинтеза интенсивно поглощают. Благодаря процессу метаболизма клеток всех живых существ оксид углерода является одним из главных составляющих окружающей природы.

Этот газ не токсичен, но если он скапливается в большой концентрации, может начаться удушье (гиперкапния), а при его недостатке развивается противоположное состояние - гипокапния. Диоксид углерода пропускает и отражает инфракрасные. Он является который непосредственно влияет на глобальное потепление. Это происходит из-за того, что уровень его содержания в атмосфере постоянно растет, что и приводит к парниковому эффекту.

Диоксид углерода получают промышленным путем из дымных или печных газов, или же путем разложения карбонатов доломита и известняка. Смесь этих газов тщательно промывается специальным раствором, состоящим из карбоната калия. Далее она переходит в гидрокарбонат и при нагревании разлагается, в результате чего высвобождается углекислота. Углекислота (H2CO3) образуется из углекислого газа, растворенного в воде, но в современных условиях получают ее и другими, более прогрессивными методами. После того как углекислый газ очищен, его сжимают, охлаждают и закачивают в баллоны.

В промышленности это вещество широко и повсеместно применяется. Пищевики используют его как разрыхлитель (например, для приготовления теста) или в качестве консерванта (Е290). С помощью углекислого газа производят различные тонизирующие напитки и газировки, которые так любимы не только детьми, но и взрослыми. Диоксид углерода используют при изготовлении пищевой соды, пива, сахара, шипучих вин.

Углекислый газ применяется и при производстве эффективных огнетушителей. С помощью углекислого газа создается активная среда, необходимая при При высокой температуре сварочной дуги углекислый газ распадается на кислород и угарный газ. Кислород взаимодействует с жидким металлом и окисляет его. Углекислота в баллончиках применяется в пневматических ружьях и пистолетах.

Авиамоделисты используют это вещество в качестве топлива для своих моделей. С помощью углекислого газа можно значительно повысить урожайность культур, выращиваемых в оранжерее. Также в промышленности широко используется в котором продукты питания сохраняются значительно лучше. Его применяют в качестве хладагента в холодильниках, морозильных камерах, электрических генераторах и других теплоэнергетических установках.

Углекислый газ, или диоксид углерода, или CO 2 — одно из самых распространенных на Земле газообразных веществ. Он окружает нас в течение всей нашей жизни. Углекислый газ не имеет цвета, вкуса и запаха и никак не ощущается человеком.

Он является важным участником обмена веществ живых организмов. Газ сам по себе не ядовит, но не поддерживает дыхание, поэтому превышение его концентрации ведет к ухудшению снабжения тканей организма кислородом и к удушью. Углекислый газ широко применяется в быту и в промышленности.

Что такое диоксид углерода

При атмосферном давлении и комнатной температуре диоксид углерода находится в газообразном состоянии. Это наиболее часто встречающаяся его форма, в ней он участвует в процессах дыхания, фотосинтеза и обмена веществ живых организмов.

При охлаждении до -78 °С он, минуя жидкую фазу, кристаллизуется и образует так называемый «сухой лед», широко применяемый как безопасный хладагент в пищевой и химической промышленности и в уличной торговле и рефрижераторных перевозках.

При особых условиях — давлении в десятки атмосфер — углекислота переходит в жидкое агрегатное состояние. Это происходит на морском дне, на глубине свыше 600 м.

Свойства углекислого газа

В 17 веке Жан-Батист Ван Гельмонт из Фландрии открыл углекислый газ и определил его формулу. Подробное исследование и описание было сделано столетие спустя шотландцем Джозефом Блэком. Он исследовал свойства углекислого газа и провел серию опытов, в которых доказал, что он выделяется при дыхании животных.

В состав молекулы вещества входит один атом углерода и два атома кислорода. Химическая формула углекислого газа записывается как CO 2

В нормальных условиях не обладает вкусом, цветом и запахом. Только вдыхая большое его количество, человек ощущает кислый привкус. Его дает угольная кислота, образующаяся в малых дозах при растворении углекислого газа в слюне. Эта особенность применяется для приготовления газированных напитков. Пузырьки в шампанском, просекко, пиве и лимонаде — это и есть углекислый газ, образовавшийся в результате естественных процессов брожения или добавленный в напиток искусственно.

Плотность углекислого газа больше плотности воздуха, поэтому при отсутствии вентиляции он скапливается внизу. Он не поддерживает окислительные процессы, такие, как дыхание и горение.

Поэтому углекислоту применяют в огнетушителях. Это свойство углекислого газа иллюстрируют с помощью фокуса — горящую свечу опускают в «пустой» стакан, где она и гаснет. В действительности стакан заполнен CO 2 .

Углекислый газ в природе естественные источники

К таким источникам относятся окислительные процессы разной интенсивности:

• Дыхание живых организмов. Из школьного курса химии и ботаники все помнят, что в ходе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Но не все помнят, что это происходит только днем, при достаточном уровне освещения. В темное время суток растения наоборот, поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Так что попытка улучшить качество воздуха в комнате, превращая ее в заросли фикусов и герани может сыграть злую шутку.
• Извержения и другая вулканическая активность. CO 2 выбрасывается из глубин мантии Земли вместе с вулканическими газами. В долинах рядом с источниками извержений газа настолько много, что, скапливаясь в низинах, он вызывает удушье животных и даже людей. Известны несколько случаев в Африке, когда задыхались целые деревни.
• Горение и гниение органики. Горение и гниение — это одна и та же реакция окисления, но протекающая с разной скоростью. Богатые углеродом разлагающиеся органические остатки растений и животных, лесные пожары и тлеющие торфяники — все это источники диоксида углерода.
• Самым же большим природным хранилищем CO 2 являются воды мирового океана, в которых он растворен.

За миллионы лет эволюции основанной на углеродных соединениях жизни на Земле в различных источниках накопились многие миллиарды тонн углекислого газа. Его одномоментный выброс в атмосферу приведет к гибели всего живого на планете из-за невозможности дыхания. Хорошо, что вероятность такого одномоментного выброса стремится к нулю.

И скусственные источники углекислого газа

Углекислый газ попадает в атмосферу и в результате человеческой жизнедеятельности. Самыми активными источниками в наше время считаются:

• Индустриальные выбросы, происходящие в ходе сгорания топлива на электростанциях и в технологических установках
• Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания транспортных средств: автомобилей, поездов, самолетов и судов.
• Сельскохозяйственные отходы — гниение навоза в больших животноводческих комплексах

Кроме прямых выбросов, существует и косвенное воздействие человека на содержание CO 2 в атмосфере. Это массовая вырубка лесов в тропической и субтропической зоне, прежде всего в бассейне Амазонки.

Несмотря на то, что в атмосфере Земли содержится менее процента диоксида углерода, он оказывает все возрастающее действие на климат и природные явления. Углекислый газ участвует в создании так называемого парникового эффекта путем поглощения теплового излучения планеты и удерживания этого тепла в атмосфере. Это ведет к постепенному, но весьма угрожающему повышению среднегодовой температуры планеты, таянию горных ледников и полярных ледяных шапок, росту уровня мирового океана, затоплению прибрежных регионов и ухудшению климата в далеких от моря странах.

Знаменательно, что на фоне общего потепления на планете происходит значительное перераспределение воздушных масс и морских течений, и в отдельных регионах среднегодовая температура не повышается, а понижается. Это дает козыри в руки критикам теории глобального потепления, обвиняющим ее сторонников в подтасовке фактов и манипуляции общественным мнением в угоду определенным политическим центрам влияния и финансово-экономическим интересам

Человечество пытается взять под контроль содержание углекислого газа в воздухе, были подписаны Киотский и Парижский протоколы, накладывающие на национальные экономики определенные обязательства. Кроме того, многие ведущие автопроизводители автомобилей объявили о сворачивании к 2020-25 годам выпуска моделей с двигателями внутреннего сгорания и переходе на гибриды и электромобили. Однако некоторые ведущие экономики мира, такие, как Китай и США, не торопятся выполнять старые и брать на себя новые обязательства, мотивируя это угрозой уровню жизни в своих странах.

Углекислый газ и мы: чем опасен CO 2

Углекислый газ — один из продуктов обмена веществ в организме человека. Он играет большую роль в управлении дыханием и снабжением кровью органов. Рост содержания CO 2 в крови вызывает расширение сосудов, способных таким образом транспортировать больше кислорода к тканям и органам. Аналогично и система дыхания понуждается к большей активности, если концентрация углекислоты в организме растет. Это свойство используют в аппаратах искусственной вентиляции легких, чтобы подстегнуть собственные органы дыхания пациента к большей активности.

Кроме упомянутой пользы, превышение концентрации СO 2 может принести организму и вред. Повышенное содержание во вдыхаемом воздухе приводит к тошноте, головной боли, удушью и даже к потере сознания. Организм протестует против углекислого газа и подает человеку сигналы. При дальнейшем увеличении концентрации развивается кислородное голодание, или гипоксия. Co 2 мешает кислороду присоединяться к молекулам гемоглобина, которые и осуществляют перемещение связанных газов по кровеносной системе. Кислородное голодание ведет к снижению работоспособности, ослаблению реакции и способностей к анализу ситуации и принятию решений, апатии и может привести к смерти.

Такие концентрации углекислого газа, к сожалению, достижимы не только в тесных шахтах, но и в плохо проветриваемых школьных классах, концертных залах, офисных помещениях и транспортных средствах — везде, где в замкнутом пространстве без достаточного воздухообмена с окружающей средой скапливается большое количество людей.

Основное применение

CO 2 широко применяется в промышленности и в быту – в огнетушителях и для изготовления газировки, для охлаждения продуктов и для создания инертной среды при сварке.

Применение углекислого газа отмечено в таких отраслях, как:

• для чистки поверхностей сухим льдом.

Фармацевтика

• для химического синтеза компонентов лекарственных средств;
• создания инертной атмосферы;
• нормализация индекса pH отходов производства.

Пищевая отрасль

• производство газированных напитков;
• упаковка продуктов питания в инертной атмосфере для продления срока годности;
• декаффеинизация кофейных зерен;
• замораживание или охлаждение продуктов.

Медицина, анализы и экология

• Создание защитной атмосферы при полостных операциях.
• Включение в дыхательные смеси в качестве стимулятора дыхания.
• В хроматографических анализах.
• Поддержание уровня pH в жидких отходах производства.

Электроника

• Охлаждение электронных компонентов и устройств при тестировании на температурную стойкость.
• Абразивная очистка в микроэлектронике (в твердой фазе).
• Очищающее средство в производстве кремниевых кристаллов.

Химическая отрасль

Широко применяется в химическом синтезе в качестве реагента и в качестве регулятора температур в реакторе. CO 2 отлично подходит для обеззараживания жидких отходов с низким индексом pH.

Применяется также для осушения полимерных веществ, растительных или животных фиброматериалов, в целлюлозном производстве для нормализации уровня pH как компонентов основного процесса, так и его отходов.

Металлургическая отрасль

В металлургии CO 2 в основном служит делу экологии, защиты природы от вредных выбросов путем их нейтрализации:

• В черной металлургии — для нейтрализации плавильных газов и для донного перемешивания расплава.
• В цветной металлургии при производстве свинца, меди, никеля и цинка — для нейтрализации газов при транспортировке ковша с расплавом или горячих слитков.
• В качестве восстановительного агента при организации оборота кислотных шахтных вод.

Сварка в углекислой среде

Разновидность сварки под флюсом является сварка в углекислой среде. Операции сварочных работ с углекислым газом осуществляется плавящимся электродом и распространен в процессе монтажных работ, устранении дефектов и исправления деталей с тонкими стенками.

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