Физические свойства углекислого газа таблица. Углекислый газ. Природный газ: формула
Оксид углерода(IV ), углекислый газ, был впервые описан известным ятрохимиком Яном Баптистом ван Гельмонтом (1579-1644), который наблюдал его образование при сжигании древесного угля, в результате спиртового брожения и при действии кислот на известняк СаСО 3 и поташ К 2 СО 3 . Он обнаружил присутствие этого газа в минеральной воде и в желудке человека. Английский химик Джозеф Блэк (1728-1799) называл углекислый газ «фиксируемым воздухом» на том основании, что он легко поглощается щелочами.
Что такое природный газ?
Сегодняшние виды топлива представляют собой сложные смеси веществ, совокупные свойства которых строго стандартизированы для достижения согласованных характеристик обработки и выхлопа отработавших газов. Это частично хорошо функционирующие процессы, такие как производство биодизеля или ферментация в биоэтанол или биометанол. Процессы, которые не производятся от фруктов, а от всего растительного топлива, намного сложнее и находятся на стадии исследования или испытания.
Получение в лаборатории и промышленности
Газообразное топливо используется в настоящее время или при испытаниях из ископаемых источников и может быть заменено без дальнейшего развития солнечными источниками, когда они доступны. Проблема создания недорогого водорода из неисторических источников является проблемой здесь.
Оксид углерода (IV ) - это бесцветный газ без запаха, малорастворимый в воде (171,3 мл в 100 мл воды при 0 °С, 87,8 мл при 20 °С). Растворимость его резко возрастает при повышении давления, что используется в приготовлении газированных напитков. При температуре -78,5 °С углекислый газ замерзает, образуя белые кристаллы «сухого льда». «Сухой лёд» служит для охлаждения продуктов, например мороженого. Если бросить кусочек «сухого льда» в воду, он начнёт с шипением «таять», возгоняясь, т. е. переходя в газообразное состояние, минуя жидкое. Жидкий СО 2 можно получить при комнатной температуре и высоком давлении.
Жидкие топлива должны быть произведены на солнечном заводе. Это пример, который можно проиллюстрировать: даже сегодня топливо синтетически производится из других ископаемых источников, таких как природный газ. Рисунок 4: Солнечное топливо. Многие из них соответствуют сегодняшним ископаемым видам топлива. Все зеленые компоненты уже используются сегодня в качестве топлива. Компоненты под красным находятся в тесте в виде чистых веществ или добавок к смеси. Синие компоненты - это научное топливо.
Но действительно ли нужно понимать детали химических реакций, чтобы оптимизировать их процесс? Мы используем в основном эмпирически развитые знания, которые находят феноменологический оптимум с помощью гипотетических простейших отношений между структурами и действиями и очень многих экспериментов. Напротив, модельные эксперименты и теория объясняют некоторые факты, которые мы ранее знали экспериментально, но не могли понять. Самый верхний возможный предел определяется хорошо известной термодинамикой.
При 20 °С жидкий углекислый газ представляет собой подвижную бесцветную жидкость с плотностью 0,77 г/см 3 , плохо растворимую в воде.
Раствор углекислого газа в воде проявляет свойства слабой и неустойчивой в водных растворах угольной кислоты Н 2 СО 3 . Саму кислоту лишь недавно удалось выделить в индивидуальном виде при низких температурах. Её соли - карбонаты, напротив, достаточно устойчивы. Например, карбонат натрия Na 2 CO 3 плавится без разложения при 858 °С.
Однако, поскольку мы не знаем пространства условий реакции, в которых реакция протекает хорошо, термодинамическое утверждение не очень полезно. Мы ищем кинетический оптимум в пространстве параметров со многими измерениями, которые мы едва можем измерить экспериментально. Нам нужно определить неподвижные точки и немного измениться после нахождения параметров.
Таким образом, мы оптимизируем состояние в пространстве параметров более точно, не зная, является ли это наилучшим возможным состоянием. Надежное количественное знание кинетики реакции всегда содержит знание реакционной сети. Это может нам очень помочь, когда дело доходит до определения материальной природы катализатора, а также для разработки его пространственной структуры во многих измерениях; все эти измерения должны быть согласованы для достижения оптимальной производительности. Мы могли бы стать архитекторами химических процессов.
Углекислый газ практически не проявляет окислительных свойств, не поддерживает горения и дыхания. Но бывают и исключения. Если внести в цилиндр с углекислым газом горящую магниевую ленту, магний какое-то время продолжает гореть и в атмосфере СО 2: 2 Mg +СО 2 =2 MgO +С, но вскоре реакция прекращается.
Углекислый газ проявляет свойства кислотного оксида. Он легко вступает в реакцию с щелочами, что наблюдал в своих опытах ещё Блэк. Так, при пропускании углекислого газа через раствор щёлочи вначале образуется средний карбонат (стиральная сода): 2 NaOH +СО 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O , который затем переходит в кислый (питьевую соду):
Опять же, мы учимся у природы, которые точно такие же размеры для структурирования их «химических фабрик» в живых клетках оптимизируют, но делают это значительно разные эффективные принципы, чем мы это делаем в химической инженерии. К цене часто отсутствующего контроля за точным ходом химических реакций мы можем вести их таким образом, чтобы наша продукция была намного более интенсивной, чем в природе, которая имеет непревзойденную специфику.
Это позволяет нам обеспечить устойчивость энергетических систем. Несмотря на значительные и очень подробные знания, нам все еще не хватает концептуальных подходов к проекту желаемых реакций и прогнозирования их оптимальной работы. Тем не менее, мы можем ожидать, что эти подходы будут развиваться в управляемые времена, поскольку у нас есть основные методы, и с подтекстом трансформации наших энергетических систем также является мощным стимулом для необходимых значительных усилий науки.
Na 2 CO 3 +СО 2 +Н 2 О=2 NaHCO 3 .
В атмосфере Земли содержится около 2,3 10 12 т углекислого газа, ещё больше (1,3 10 14 т) растворено в воде. Это количество постоянно возрастает за счёт промышленных выбросов и работы транспорта.
Значительные количества промышленных выбросов углекислого газа (примерно 50%) поглощаются зелёными растениями. Они преобразуют СО 2 в углеводы, выделяя свободный кислород (процесс фотосинтеза). Около 30% выбрасываемого в атмосферу углекислого газа растворяется в Мировом океане.
В химии теоретический выход представляет собой максимальное количество продукта, получаемого химической реакцией. В действительности большинство реакций не обеспечивают идеальной эффективности. Когда проводятся полевые эксперименты, количество продукта, полученного в результате данной химической реакции, часто неизбежно ниже, чем указано теоретическим выходом. В этом случае мы говорим об эффективном выходе. Выход 90% -ного выхода показывает, что рассматриваемая реакция была эффективной при 90% и что она была отходы материала равны 10%.
Если эффективный доход отличается от теоретического размера или более, это означает, что вы, скорее всего, использовали неправильные единицы в одном из вычислений. Если полученный выход превышает 100%, это означает, что полученный продукт был загрязнен другими веществами. Очистите продукт, а затем промойте его снова.
- Некоторые студенты химии путают процентный доход с процентной погрешностью.
- Если вы получаете очень разные результаты, проверьте единицы измерения.
- Повторите процесс, тщательно контролируя единицы измерения на каждом шаге.
Небольшое количество углекислого газа в воздухе благоприятно сказывается на дыхании, так как его молекулы стимулируют дыхательный центр головного мозга. Повышенное же содержание СО 2 опасно для здоровья человека: в высоких концентрациях углекислый газ тормозит процессы дыхания и обмена веществ. Углекислый газ в полтора раза тяжелее воздуха и, следовательно, накапливается в подвалах, на дне пещер. Известны случаи отравления этим веществом со смертельным исходом.
Химическое уравнение кратко суммирует один из способов, которыми дрожжевая клетка может обрабатывать сахар. Это называется дыханием или аэробным дыханием - окислением органического вещества кислородом воздуха. Уравнение упрощается, поскольку оно не учитывает многоступенчатую природу всего метаболического процесса, ферменты, которые катализируют отдельные химические реакции, и причина, по которой дрожжевая клетка вообще дает дыхательную работу. Таким образом, перенос химической энергии молекул глюкозы в пригодную для использования форму, хранящейся в молекулах аденозинтрифосфата и градиентов концентрации веществ на клеточных мембранах.
В промышленности углекислый газ получают при обжиге известняков и доломитов. Он находит применение в производстве соды, свинцовых белил, как инертная среда для проведения многих химических реакций. Значительное количество СО 2 расходуется на производство карбамата аммония (соли неустойчивой карбаминовой кислоты NH 2 COOH ), из которого получают мочевину (карбамид) - ценное азотное удобрение.
Дыхание - очень эффективный способ использования сахара с дрожжевой клеткой. Однако высокий коэффициент усиления энергии требует относительно больших первоначальных инвестиций в синтез и поддержание большого и сложного регулирования ферментного аппарата, и он не окупается, если субстрат находится в избытке и подача кислорода ограничена, что соответствует ситуации в растущем тесте. В такой ситуации дрожжи подходят к метаболическому пути, который мы хорошо знаем из других практических контекстов, а именно к ферментации спирта.
Возможно, стоит вспомнить, что в конце прошлого века пивовары дрожжей покупали полужидкую суспензию верхних пивных дрожжей на пивоварне, которую затем распределили в соседних деревнях и продали на стойках. Ферментация дрожжей прекратилась благодаря широкому использованию нижних пивных дрожжей, в отличие от горького горького вкуса, и внедрению продажи более надежных и легко переносимых прессованных дрожжей. Прессованные дрожжи - это не что иное, как чистая культура дрожжей для ликеро-водочной промышленности, микроорганизм, специально разработанный для производства спирта высокого качества.
Г. ШАРОВ. По материалам немецкого еженедельника "Die Zeit".
В поисках путей утилизации углекислого газа - побочного продукта многих технологий, а также одного из главных виновников "парникового эффекта" - сегодня выдвигается множество проектов (см. "Наука и жизнь" № ). Среди них такие экзотические, как захоронение сжиженного CO 2 на океанских глубинах или закачка этого газа в выработанные под морским дном газовые емкости. В предлагаемом материале рассказыв ается о вполне "земном" решении данной проблемы и дается информация о некоторых сферах промышленности, в которых СО 2 уже с успехом работает. Исследователи нашли способ использовать углекислый газ в ранее необычных для него областях производства, где он станет основой новых технологий. В результате отрицательные нагрузки этого газа на природу ослабнут.
Упрощенным обобщенным уравнением алкогольной ферментации является. Из этого уравнения следует, что ферментирующие дрожжи должны обрабатывать почти в 20 раз больше сахара при одинаковом выигрыше энергии, но это не имеет значения в тесте, содержащем большое количество сахара. Для нас важно, чтобы продукты ферментации либо были непосредственно газообразными, либо при повышенных температурах летучими, а их объем значительно больше, чем исходный объем сахара. Поскольку 1 моль любого газа занимает постоянный объем в стандартных условиях, его можно рассчитать по уравнению, что при нормальном давлении и комнатной температуре двуокись углерода, получаемая при идеальном ферментации 1 кг сахара, плавно заполняет 250-литровый баррель.
В мире сегодня ежегодно используют 15 миллионов тонн органических растворителей и еще большее количество воды или водных смесей - таковы требования разных технологических процессов. Однако есть возможность такую "мокрую" химию заменить "сухой", основанной на СО 2 . Об этом говорится в работе доктора Иозефа Де Симоне, обладателя премии Президента США, учрежденной за успехи в химии, не приносящей вреда природе. Сейчас ученый создает экологически безупречный растворитель для промышленности. На двух примерах Де Симоне показывает, как углекислый газ становится основой новой химии.
В масштабе, близком к нормальной жизни, все пузырьки в полулитровой бутылке пива производятся путем ферментации примерно 50 г сахара. Мы используем химические реакции, которые производят газ не только в производстве хлеба для выпечки. Так называемые кондитерские дрожжи или аммоний имеют только газообразность с настоящими дрожжами. Это простой химический состав - карбонат аммония, который при нагревании путем выпечки разлагается на углекислый газ, воду и аммиак.
Двуокись углерода и аммиак представляют собой газы, которые расширяют и выпекают тесто; и у нас есть под рукой причина, почему шоколадный хлеб выкуривается аммиаком. Тем не менее, сложнее найти точное объяснение опыта, который нравится каждой домохозяйке с именем - почему качество выпеченного кондитерского ассортимента сильно варьируется в зависимости от того, как было ненавистно тесто. Может быть, это просто потому, что замешивание равномерно распределяет дрожжи в массе теста, что позволяет им лучше получить доступ к субстрату, возможно, даже для чего-то еще, что наука настолько коротка.
На фирме "Дюпон" (США) заканчивается сборка огромного агрегата для производства тефлона, известного многим как покрытие "непригорающих" сковородок. До настоящего времени слой тефлона изготавливался при участии соединений фтора - элемента, получившего название "убийца озонового слоя" нашей планеты. Разработчики фирмы предложили ввести в прцесс двуокись углерода: выигрывает экология, а тефлон, получаемый по более простой технологии, станет значительно дешевле.
Затем ученым французским врачам приходилось судить, смеется ли пекарь на рост белого хлеба вместо древнего кита, используя необычные новота, пивные дрожжи! Чтение в Мари Улехлова-Тильшова: чешская народная диета. Ученым из Национальной лаборатории Ок-Ридж в США удалось создать относительно низкие и эффективные спирты углекислого газа. Если их процесс будет изменен в технологии эксплуатации, это будет пустой тратой всех тех, кто имеет ограничения на сброс газа, обвиняемого в глобальном потеплении.
«Новый подход является важным шагом на пути сокращения загрязнения и экономики, которая производит нулевые выбросы углекислого газа», - прокомментировали американские ученые Джереми Мартин из Союза обеспокоенных ученых по вопросам науки, окружающей среды и цивилизации.
Неожиданное применение СО 2: он способен служить чистящим средством. Немецкая фирма "Мицелл" уже готова внедрить оборудование для сухой очистки посуды в многолюдных ресторанах "Макдоналдс". Но это лишь одно из направлений работ. Наиболее серьезный проект - очистка с помощью СО 2 металлов от жиров и масел, которые применяют при резании, точении и фрезеровании деталей. Здесь масштабы утилизации углекислого газа поистине грандиозны.
Возможности альтернативных ресурсов
Углекислый газ является конечным продуктом сжигания, поэтому цивилизация действительно производит его. Поскольку он был включен в список экологических разведчиков номер один, ученый задается вопросом, что с ним делать. Идея восстановления и восстановления топлива от новых видов топлива не нова, иначе зеленые заводы смогли сделать это в течение миллионов лет. Но все попытки подражать в этом отношении подражать крушению экономической эффективности.
В случае органического сжигания в идеальном случае энергия выделяется для получения двуокиси углерода и водяного пара. Результатом будет простое органическое соединение, лучшее из алкоголя. Не для потребления, а потому, что он все еще используется в качестве пропеллента, поэтому его распределение и потребление не будут проблемой.
Текстиль - материал, совсем не похожий на металл, но оказалось, что и его можно отмывать с помощью СО 2 в специальных машинах, заменяющих стиральные.
"Сухая" стирка происходит таким образом. Клиент кладет грязные вещи в мешок (в нем же он затем получит исполненный заказ). Процесс состоит из двух либо трех периодов по четверти часа, во время которых одежда находится в барабане, в принципе, такой же конструкции, что и в обычной стиральной машине, но только большего размера и, главное, герметически закрывающемся.
Барабан, в который заложены мешки с грязной одеждой, заполняют углекислым газом, находящимся под давлением, в результате чего он переходит в жидкое состояние. Стирка происходит, когда содержимое барабана нагревается до 31 о С, а давление в нем достигает 72,9 атмосферы (именно потому, что обработка материалов идет при сравнительно низких параметрах, химию СО 2 и называют "мягкой"). Жидкий углекислый газ энергично закипает, наступает состояние равновесия жидкости и газа, в котором они становятся неотличимыми друг от друга. Ученые называют такое фазовое состояние двуокиси углерода сверхкритичес ким (сокращенно - ск; и такая двуокись углерода обозначается как скСО 2).
В этом-то сверхкритическом состоянии углекислота и становится превосходным моющим средством. После "стирки" в барабан добавляют детергент - вещество, похожее на обычный стиральный порошок, и ткань "прополаскивается" в этой смеси. Потом давление снижают, СО 2 снова становится газом, который уходит из ткани, захватывая с собой частички грязи и детергента (они остаются на фильтрах). Чистую двуокись углерода после каждой "стирки" улавливают, сжимают, и она снова готова к обработке следующей партии одежды. За каждый цикл улетучивается лишь два процента СО 2 .
Через 40-45 минут клиент получает белье, очищенное от жира, пятен, грязи, прохладное, свежее, словно обдутое морозным ветром.
У нового способа чистки много достоинств. Низкая температура сохраняет ткань, ее волокна не рвутся; скСО 2 , словно взрывная волна, проникает в поры и внутрь волокон и так же мгновенно при снижении давления в барабане удаляется из них. Это дает возможность "стирать" очень "деликатные" вещи, которые обычно не доверяют машине и химчистке. Ткани после стирки ничем не пахнут, тогда как запах обычных моющих и чистящих средств, например перхлорэтилена, стойко держится на вещах. А ведь он относится к вредным и для окружающей среды, и для нервной системы человека. К сожалению, у перхлорэтилена есть важное преимущество: он дешев. Да и машина для стирки с помощью двуокиси углерода стоит пока дорого - 150 000 долларов. Новый метод выдерживает конкуренцию лишь благодаря льготным налогам, поскольку во многих странах такого рода предприятия относятся к экологически чистым и поддерживаются правитель ствами.
Развитие новой, безопасной для природы химии идет по разным направлениям, правда, пока чаще в лабораторных и полупромышленных условиях. Вот перечень отраслей, в которых ожидаются революционные перемены: пищевая промышленность, изготовление лекарств и косметичес ких средств, биохимические производства, создание пластмасс, переработка природных материалов.
В семидесятых годах Курт Цозель, сотрудник нобелевского лауреата Карла Циглера, занялся изучением свойств СО 2 в сверхкритическом состоянии. Работы проводились в сотрудничестве с известной кофейной фирмой "Хааг". Цозель выяснил, что углекислый газ в сверхкритическом состоянии может выборочно растворить одно из веществ, находящихся в смеси, а потом, при понижении давления, выделить его из смеси. Он использовал это свойство для извлечения кофеина из бобов кофе. Способ оказался весьма удачным, и теперь в Германии именно так обрабатывают 100 000 тонн зеленых зерен ежегодно.
На пивоваренных заводах скСО 2 позволяет усиливать или ослаблять характерный для пива аромат. А в Австрии виноделы использовали это его свойство для сохранения букета вин. Потребность в природных ароматических добавках, получаемых из трав, пряностей, лекарственных растений, с каждым годом растет. Пока при их извлечении применяют высокое давление, но не далек тот день, когда скСО 2 сможет решить многие задачи индустрии запахов без помощи повышенных давлений, значит - дешевле.
Сотрудники Института угля в Руре доктор А. Фюрстнер и профессор В. Лейтнер на базе все той же двуокиси углерода в ее сверхкритическом состоянии создают новую химию растворителей. Как известно, многие химические реакции идут только в присутствии катализатора, без него процесс либо очень замедляется, либо вовсе не начинается. Такие классические катализаторы, как платина, родий или никель, нерастворимы в скСО 2 . Поэтому химики считали его лишь средством, "вытягивающим" какое-либо вещество из смеси, но никак не растворителем. Сейчас ситуация изменилась. Ученые нашли простой способ заставить многие металлы-катализаторы растворяться в скСО 2 и "плавать" в нем, как рыба в воде. Для этого к ним присоединяют своего рода "плавники" из полимерных фторсодержащих молекул. Теперь можно проводить каталитические процессы, не используя вредные органически е растворител и.
Реакциями в среде скСО 2 легко управлять. Это позволило получать многие органические вещества, представляющие собой относительно крупные циклические (кольцеобразные) молекулы, например антибиотики, намного проще, чем привычными способами. Циклы-кольца образуются из длинных молекул при смыкании их концевых участков. Но не все молекулярные цепочки смыкаются в кольца при химической реакции. Иногда концы соседних молекул сращиваются и образуют длинные молекулярные нити, так называемые линейные полимеры. При производстве антибиоти ков такая полимеризация крайне нежелательна.
В сверхкритической двуокиси углерода удается этот процесс прервать. В среде скСО 2 , так же как и при высоком давлении, реакционная смесь делается "плотнее": молекулы заметно теряют подвижность, в результате чего они реже сталкиваются с соседними молекулами, а чаще замыкаются сами на себя, формируя кольца. Очень важно и то, что в среде двуокиси углерода кольца получаются правильной формы.
Ближайшая задача - научиться получать на основе скСО 2 различные виды пластмасс для производства мебели, упаковочных материалов, ковров, обоев и даже деталей автомобилей. Все эти изделия будут дешевле производимых сегодня и, что важно, без характерных запахов, присущих употребляемым ныне растворителям.
Вполне возможно, что мир стоит на пороге решительных перемен в производстве пластмасс. Эта отрасль, как известно, развивается наиболее быстрыми темпами, опережая металлургию чугуна и алюминия. Сегодня объем ее продукции в мире измеряется сотнями миллионов тонн.
Приходит экологически чистое и более дешевое химическое производство, основанное на использовании двуокиси углерода, которая до сих пор считалась отходом энергетики, виновником возникнове ния "парникового эффекта" и связанных с ним серьезных климатических катастроф.
Можно надеяться, что именно здесь человечество найдет один из надежных и недорогих "складов", куда запрячет излишки СО 2 .