Вуглекислий газ. властивості, отримання, використання
Вуглекислий газ – речовина, яка має безліч назв: оксид вуглецю (IV), діоксид вуглецю або ж двоокис вуглецю. Також його ще називають вугільним ангідридом. Він є абсолютно безбарвним газом, який не має запаху, з кислуватим смаком. Вуглекислий газ важчий від повітря і погано розчиняється у воді. При температурі нижче – 78 градусів Цельсія кристалізується і стає схожим на сніг.
З газоподібного стану ця речовина переходить у тверду, оскільки не може існувати в рідкому стані в умовах атмосферного тиску. Щільність вуглекислого газу в нормальних умовах становить 1,97 кг/м3 – в 1,5 рази вище щільності повітря. Діоксид вуглецю в твердому вигляді називається «сухий лід». У рідкий стан, в якому його можна зберігати тривалий час, він переходить при підвищенні тиску. Розгляньмо детальніше цю речовину та її хімічну будову.
Вуглекислий газ, формула якого CO2, складається з вуглецю і кисню, а виходить він в результаті спалювання або гниття органічних речовин. Оксид вуглецю міститься в повітрі і підземних мінеральних джерелах. Люди і тварини теж виділяють вуглекислий газ при видихі повітря. Рослини без освітлення виділяють його, а під час фотосинтезу інтенсивно поглинають. Завдяки процесу метаболізму клітин усіх живих істот оксид вуглецю є одним з головних складових навколишньої природи.
Цей газ не токсичний, але якщо він накопичується у великій концентрації, може початися задуха (гіперкапнія), а при його нестачі розвивається протилежний стан – гіпокапнія. Діоксид вуглецю пропускає ультрафіолетові промені і відображає інфрачервоні. Він є парниковим газом, який безпосередньо впливає на глобальне потепління. Це відбувається через те, що рівень його вмісту в атмосфері постійно зростає, що і призводить до парникового ефекту.
Діоксид вуглецю отримують промисловим шляхом з димних або пічних газів, або ж шляхом розкладання карбонатів доломіту і вапняку. Суміш цих газів ретельно промивається спеціальним розчином, що складається з карбонату калію. Далі вона переходить в гідрокарбонат і при нагріванні розкладається, в результаті чого вивільняється вуглекислота. Вуглекислота (H2CO3) утворюється з вуглекислого газу, розчиненого у воді, але в сучасних умовах отримують її та іншими, більш прогресивними методами. Після того як вуглекислий газ очищено, його стискають, охолоджують і закачують у балони.
У промисловості ця речовина широко і повсюдно застосовується. Харчовики використовують його як розпушувач (наприклад, для приготування тесту) або як консерванта (Е290). За допомогою вуглекислого газу виробляють різні тонізуючі напої та газировки, які так улюблені не тільки дітьми, а й дорослими. Діоксид вуглецю використовують при виготовленні харчової соди, пива, цукру, шипучих вин.
Вуглекислий газ застосовується і при виробництві ефективних вогнегасників. За допомогою вуглекислого газу створюється активне середовище, необхідне при зварюванні дротом. При високій температурі зварювальної дуги вуглекислий газ розпадається на кисень і чадний газ. Кисень взаємодіє з рідким металом і окисляє його. Вуглекислота в балончиках застосовується в пневматичних рушницях і пістолетах.
Авіамоделісти використовують цю речовину як паливо для своїх моделей. За допомогою вуглекислого газу можна значно підвищити врожайність культур, що вирощуються в оранжереї. Також у промисловості широко використовується сухий лід, в якому продукти харчування зберігаються значно краще. Його застосовують в якості холодильника в холодильниках, морозильних камерах, електричних генераторах та інших теплоенергетичних установках.
§ 22. Властивості метану
Фізичні властивості. Метан — газ, який не має запаху. Він легший від повітря. За охолодження до температури -162 °С (за тиску 101,3 кПа) цей газ перетворюється на рідину.
Оскільки молекули метану неполярні, сполука нерозчинна у воді, але добре розчиняється (у деяких випадках — необмежено) в органічних розчинниках.
Хімічні властивості. Метан СН4 — сполука, яка за хімічною активністю істотно поступається, наприклад, хлороводню НСl. Причиною цього є дуже мала полярність зв’язків С-Н.
За звичайних умов метан не взаємодіє з водою, металами, оксидами, основами, кислотами, солями. Сполука реагує з киснем і галогенами — фтором, хлором, бромом.
Реакція горіння. Метан, як і більшість органічних сполук, є горючою речовиною. На повітрі він горить блідо-синім полум’ям (мал. 49):
Зверніть увагу: у рівняннях реакцій за участю органічних сполук традиційно записують стрілки, а не знаки рівності.
Мал. 49. Горіння метану: а — в газовому пальнику; б — в побутовій плиті
Виявити продукти реакції горіння метану можна за допомогою досліду, зображеного на малюнку 50. Зміна білого кольору безводного купрум(ІІ) сульфату на блакитний свідчить про утворення під час горіння вуглеводню водяної пари, яка взаємодіє із цією сіллю (продукт реакції — мідний купорос). Помутніння вапняної води спричиняє кальцій карбонат, що осаджується в результаті взаємодії вуглекислого газу з розчином кальцій гідроксиду.
Мал. 50. Виявлення продуктів горіння метану
Якщо повітря (кисню) недостатньо, то під час горіння метану, крім вуглекислого газу, може утворюватися чадний газ або вуглець:
• Перетворіть схеми реакцій на хімічні рівняння.
Про нестачу кисню під час горіння метану може свідчити зміна яскравості полум’я (воно стає жовтим завдяки розжареним дрібним часточкам вуглецю) або поява кіптяви 1 на поверхні предмета (каструлі, чайника), який перебуває в полум’ї.
1 Кіптява, або сажа, — речовина, яка майже повністю складається з атомів Карбону.
Суміші метану з повітрям або киснем є вибухонебезпечними. Достатньо іскри, щоб стався вибух (мал. 51). Тому потрібно бути дуже обережним із природним газом у побуті, використовувати лише справні газові плити і нагрівачі, періодично провітрювати приміщення, де вони розташовані. Не можна залишати без нагляду плиту чи опалювальний пристрій, у яких горить газ. Забороняється ставити поблизу газової плити легкозаймисті предмети.
Мал. 51. Наслідки вибуху метану
Якщо ви відчули запах газу, негайно перекрийте кран на газопроводі й добре провітріть приміщення. У цей час не можна запалювати сірники, вмикати світло та електроприлади, бо іскра може спричинити вибух газоповітряної суміші.
Вибухи сумішей метану з повітрям, незважаючи на запобіжні заходи, іноді трапляються у вугільних шахтах і становлять загрозу життю шахтарів.
Реакції з галогенами. За освітлення (під дією ультрафіолетових променів) 1 або за нагрівання метан взаємодіє із хлором. Це — реакція заміщення. Вона полягає в послідовному заміщенні атомів Гідрогену в молекулі метану на атоми Хлору:
1 Таку умову перебігу хімічного перетворення позначають літерами hv.
Перший атом Гідрогену заміщується на атом Хлору важко (через високу симетричність молекули СН4), а другий, третій і четвертий — легше. Інший запис цих реакцій:
Взаємодію між органічною сполукою і хлором називають реакцією хлорування, а її продукти — хлоропохідними цієї сполуки.
Хлорування метану можна описати такою схемою:
У ній над кожною стрілкою вказано формулу реагенту (зі знаком «плюс»), а під стрілкою — формулу «другорядного» продукту реакції — хлороводню (зі знаком «мінус»). Такий запис послідовних стадій реакції використовують в органічній хімії досить часто.
Здійснити якусь одну стадію взаємодії метану із хлором не вдається; у реакційній суміші завжди наявні кілька хлоропохідних цього вуглеводню.
Метан реагує з бромом так само, як і з хлором, у суміші з фтором вибухає, а з йодом за звичайних умов не взаємодіє. Загальна назва реакцій між метаном і галогенами — реакції галогенування.
Фізіологічна дія метану. Метан за тривалого вдихання спричиняє отруєння, яке іноді призводить до смерті. Для виявлення його витоку з плити, негерметичного або пошкодженого трубопроводу в газову магістраль додають невелику кількість речовин із дуже неприємним запахом (їхня назва — меркаптани). Користуючись газом у побуті, потрібно частіше провітрювати приміщення.
Цікаво знати
Формула найпростішого меркаптану
ВИСНОВКИ
Метан — газ, який не має запаху й не розчиняється у воді.
Метан — горюча речовина. Продуктами його горіння за достатньої кількості кисню (повітря) є вуглекислий газ і водяна пара. Метан взаємодіє з галогенами. Під час реакції метану з хлором відбувається заміщення атомів Гідрогену в молекулі вуглеводню на атоми галогену.
Метан негативно діє на організм людини.
165. Чи можна за допомогою індикатора відрізнити метан: а) від водню; б) від хлороводню? У разі позитивної відповіді вкажіть, як ви здійсните цей експеримент.
166. Розгляньте горіння метану як окисно-відновну реакцію: назвіть елемент-окисник і елемент-відновник, охарактеризуйте процеси окиснення і відновлення.
167. Чим відрізняється реакція заміщення за участю вуглеводню від реакції з такою самою назвою між неорганічними речовинами?
168. Допишіть схему послідовного бромування метану:
169. За сильного нагрівання без доступу повітря метан розкладається на прості речовини. Напишіть рівняння цієї реакції.
170. Під час взаємодії алюміній карбіду (сполука Алюмінію і Карбону) з водою утворюються метан і алюміній гідроксид. Складіть відповідне хімічне рівняння.
171. Чи вистачить 100 л повітря для повного спалювання метану об’ємом 5,6 л? Вважайте, що об’єми відповідають нормальним умовам, а об’ємна частка кисню в повітрі становить 20 %.
172. Обчисліть об’єм хлору (в перерахунку на нормальні умови), який витрачається на повне хлорування 1,5 моль метану.
§ 22. Властивості метану
Фізичні властивості. Метан — газ, який не має запаху. Він легший від повітря. За охолодження до температури -162 °С (за тиску 101,3 кПа) цей газ перетворюється на рідину.
Оскільки молекули метану неполярні, сполука нерозчинна у воді, але добре розчиняється (у деяких випадках — необмежено) в органічних розчинниках.
Хімічні властивості. Метан СН4 — сполука, яка за хімічною активністю істотно поступається, наприклад, хлороводню НСl. Причиною цього є дуже мала полярність зв’язків С-Н.
За звичайних умов метан не взаємодіє з водою, металами, оксидами, основами, кислотами, солями. Сполука реагує з киснем і галогенами — фтором, хлором, бромом.
Реакція горіння. Метан, як і більшість органічних сполук, є горючою речовиною. На повітрі він горить блідо-синім полум’ям (мал. 49):
Зверніть увагу: у рівняннях реакцій за участю органічних сполук традиційно записують стрілки, а не знаки рівності.
Мал. 49. Горіння метану: а — в газовому пальнику; б — в побутовій плиті
Виявити продукти реакції горіння метану можна за допомогою досліду, зображеного на малюнку 50. Зміна білого кольору безводного купрум(ІІ) сульфату на блакитний свідчить про утворення під час горіння вуглеводню водяної пари, яка взаємодіє із цією сіллю (продукт реакції — мідний купорос). Помутніння вапняної води спричиняє кальцій карбонат, що осаджується в результаті взаємодії вуглекислого газу з розчином кальцій гідроксиду.
Мал. 50. Виявлення продуктів горіння метану
Якщо повітря (кисню) недостатньо, то під час горіння метану, крім вуглекислого газу, може утворюватися чадний газ або вуглець:
• Перетворіть схеми реакцій на хімічні рівняння.
Про нестачу кисню під час горіння метану може свідчити зміна яскравості полум’я (воно стає жовтим завдяки розжареним дрібним часточкам вуглецю) або поява кіптяви 1 на поверхні предмета (каструлі, чайника), який перебуває в полум’ї.
1 Кіптява, або сажа, — речовина, яка майже повністю складається з атомів Карбону.
Суміші метану з повітрям або киснем є вибухонебезпечними. Достатньо іскри, щоб стався вибух (мал. 51). Тому потрібно бути дуже обережним із природним газом у побуті, використовувати лише справні газові плити і нагрівачі, періодично провітрювати приміщення, де вони розташовані. Не можна залишати без нагляду плиту чи опалювальний пристрій, у яких горить газ. Забороняється ставити поблизу газової плити легкозаймисті предмети.
Мал. 51. Наслідки вибуху метану
Якщо ви відчули запах газу, негайно перекрийте кран на газопроводі й добре провітріть приміщення. У цей час не можна запалювати сірники, вмикати світло та електроприлади, бо іскра може спричинити вибух газоповітряної суміші.
Вибухи сумішей метану з повітрям, незважаючи на запобіжні заходи, іноді трапляються у вугільних шахтах і становлять загрозу життю шахтарів.
Реакції з галогенами. За освітлення (під дією ультрафіолетових променів) 1 або за нагрівання метан взаємодіє із хлором. Це — реакція заміщення. Вона полягає в послідовному заміщенні атомів Гідрогену в молекулі метану на атоми Хлору:
1 Таку умову перебігу хімічного перетворення позначають літерами hv.
Перший атом Гідрогену заміщується на атом Хлору важко (через високу симетричність молекули СН4), а другий, третій і четвертий — легше. Інший запис цих реакцій:
Взаємодію між органічною сполукою і хлором називають реакцією хлорування, а її продукти — хлоропохідними цієї сполуки.
Хлорування метану можна описати такою схемою:
У ній над кожною стрілкою вказано формулу реагенту (зі знаком «плюс»), а під стрілкою — формулу «другорядного» продукту реакції — хлороводню (зі знаком «мінус»). Такий запис послідовних стадій реакції використовують в органічній хімії досить часто.
Здійснити якусь одну стадію взаємодії метану із хлором не вдається; у реакційній суміші завжди наявні кілька хлоропохідних цього вуглеводню.
Метан реагує з бромом так само, як і з хлором, у суміші з фтором вибухає, а з йодом за звичайних умов не взаємодіє. Загальна назва реакцій між метаном і галогенами — реакції галогенування.
Фізіологічна дія метану. Метан за тривалого вдихання спричиняє отруєння, яке іноді призводить до смерті. Для виявлення його витоку з плити, негерметичного або пошкодженого трубопроводу в газову магістраль додають невелику кількість речовин із дуже неприємним запахом (їхня назва — меркаптани). Користуючись газом у побуті, потрібно частіше провітрювати приміщення.
Цікаво знати
Формула найпростішого меркаптану
ВИСНОВКИ
Метан — газ, який не має запаху й не розчиняється у воді.
Метан — горюча речовина. Продуктами його горіння за достатньої кількості кисню (повітря) є вуглекислий газ і водяна пара. Метан взаємодіє з галогенами. Під час реакції метану з хлором відбувається заміщення атомів Гідрогену в молекулі вуглеводню на атоми галогену.
Метан негативно діє на організм людини.
165. Чи можна за допомогою індикатора відрізнити метан: а) від водню; б) від хлороводню? У разі позитивної відповіді вкажіть, як ви здійсните цей експеримент.
166. Розгляньте горіння метану як окисно-відновну реакцію: назвіть елемент-окисник і елемент-відновник, охарактеризуйте процеси окиснення і відновлення.
167. Чим відрізняється реакція заміщення за участю вуглеводню від реакції з такою самою назвою між неорганічними речовинами?
168. Допишіть схему послідовного бромування метану:
169. За сильного нагрівання без доступу повітря метан розкладається на прості речовини. Напишіть рівняння цієї реакції.
170. Під час взаємодії алюміній карбіду (сполука Алюмінію і Карбону) з водою утворюються метан і алюміній гідроксид. Складіть відповідне хімічне рівняння.
171. Чи вистачить 100 л повітря для повного спалювання метану об’ємом 5,6 л? Вважайте, що об’єми відповідають нормальним умовам, а об’ємна частка кисню в повітрі становить 20 %.
172. Обчисліть об’єм хлору (в перерахунку на нормальні умови), який витрачається на повне хлорування 1,5 моль метану.