Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 1

Теплопроводность, плотность углекислого газа, свойства co2

Искусственные 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 CO2 в атмосфере. Это массовая вырубка лесов в тропической и субтропической зоне, прежде всего в бассейне Амазонки.

Искусственный источник углекислого газа

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.

Удельный вес углекислого газа и его плотность

Углекислота, или углекислый газ, при естественных условиях находится в газообразном состоянии, не имеет запаха и цвета, на вкус кислая. Содержание диоксида СО2 (диоксида углерода) в атмосфере Земли составляет 0,03–0,04%, то есть от 0,3 до 0,4 мл на 1 литр воздуха и в жидкой форме при нормальном атмосферном давлении его не существует, переходит сразу из твердого состояния в газообразное. Он тяжелее воздуха в полтора раза. В естественных условиях плотность или удельный вес углекислого газа составляет 1,977 кг/м3.

т/м3кг/м3г/м3мл/м3кг/лг/лмл/лг/дм3г/млмг/мл
0.0019771.9771 9771 977 0000.0019771.9771 9771.9770.0019771.977

Углекислый газ – важнейший компонент жизни человека

Источниками углекислоты, которой в доисторические времена в атмосфере нашей планеты содержалось более 80%, являются гнилостные процессы, вулканические выделения, процессы горения и окисления. Выделяют углекислый газ люди и животные в процессе дыхания. Многие не знают, но в ночное время растения тоже выделяют углекислоту в атмосферу.

СО2 выполняет основополагающую роль в жизни всей планеты и всех ее живых существ. Основным «заданием» можно считать поддержание процесса фотосинтеза, также он принимает участие во множестве метаболических процессов каждой живой клетки. Он не токсичен и не поддерживает дыхания, хотя играет важнейшую роль в самом его процессе.

Интересно, что в крови плода количество кислорода в 4 раза меньше, чем у взрослого человека, а углекислоты в 2 раза больше. При увеличении процентного соотношения кислорода, эмбрион погибает.

СО2 – один из необходимых факторов в поддержании кислотно-щелочного баланса крови, регулирует активность ферментов в организме. Для нормальной жизнедеятельности человеческого организма, количество углекислоты в крови должно быть на уровне 7–7,5 %, снижение этого уровня до 4 % грозит гибелью организма.

Его нехватка включает защитную систему, начинаются спазмы сосудов и гладкой мускулатуры, увеличивается количество слизи в дыхательных путях, образуется больше холестерина, вследствие чего уплотняются клеточные мембраны, препятствуя транспортировке веществ.

Все это приводит к глубокому кислородному голоданию (согласно эффекту Бора).

Итак, согласно результатам научных исследований, СО2 незаменим при:

  • дыхании,
  • метаболизме,
  • регуляции внутренних гормональных процессов,
  • возбуждении дыхательного центра,
  • успокоении нервной системы,
  • расширении сосудов.

Круговорот веществ в природе обеспечивает относительно стабильный уровень углекислоты в атмосфере. При содержании животных крайне важным является поддержания естественного уровня СО2 в помещении.

Соответствующая чистота, вентиляция и правильное размещение животных решают проблему перенасыщения углекислого газа. Напомним, что его нормальное содержание  – 0,3-0,4 мл на 1 литр воздуха.

При несоблюдении условий содержания животных количество углекислоты может увеличиться до 1% и более.

Углекислота жизненно необходима для всех живых организмов нашей планеты. Если его не станет, все живое погибнет, но если его будет очень много, результат окажется тот же.

Реакции графита.

Графит как модификация углерода, отличающаяся большими расстояниями между слоями гексагональных колец, вступает в необычные реакции, например, щелочные металлы, галогены и некоторые соли (FeCl3) проникают между слоями, образуя соединения типа KC8, KC16 (называемые соединениями внедрения, включения или клатратами). Сильные окислители типа KClO3 в кислой среде (серной или азотной кислоты) образуют вещества с большим объемом кристаллической решетки (до 6 Å между слоями), что объясняется внедрением кислородных атомов и образованием соединений, на поверхности которых в результате окисления образуются карбоксильные группы (–СООН) – соединения типа оксидированного графита или меллитовой (бензолгексакарбоновой) кислоты С6(COOH)6. В этих соединениях отношение С:O может изменяться от 6:1 до 6:2,5.

Историческая справка.

Графит, алмаз и аморфный углерод известны с древности. Издавна известно, что графитом можно маркировать другой материал, и само название «графит», происходящее от греческого слова, означающего «писать», предложено А.Вернером в 1789. Однако история графита запутана, часто за него принимали вещества, обладающие сходными внешними физическими свойствами, например молибденит (сульфид молибдена), одно время считавшийся графитом. Среди других названий графита известны «черный свинец», «карбидное железо», «серебристый свинец». В 1779 К.Шееле установил, что графит можно окислить воздухом с образованием углекислого газа.

Впервые алмазы нашли применение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни приобрели коммерческое значение в 1725; месторождения в Южной Африке были открыты в 1867. В 20 в. основными производителями алмазов являются ЮАР, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия. Искусственные алмазы, технология которых была создана в 1970, производятся для промышленных целей.

Теплоемкость материалов — таблица

В строительстве очень важной характеристикой является теплоемкость строительных материалов. От нее зависят теплоизоляционные характеристики стен постройки, а соответственно, и возможность комфортного пребывания внутри здания

От нее зависят теплоизоляционные характеристики стен постройки, а соответственно, и возможность комфортного пребывания внутри здания.

Прежде, чем приступить к ознакомлению с теплоизоляционными характеристиками отдельных строительных материалов, необходимо понять, что собой представляет теплоемкость и как она определяется.

Удельная теплоемкость материалов

Теплоемкость – это физическая величина, описывающая способность того или иного материала накапливать в себе температуру от нагретой окружающей среды.

Количественно удельная теплоемкость равна количеству энергии, измеряемой в Дж, необходимой для того, чтобы нагреть тело массой 1 кг на 1 градус.

Ниже представлена таблица удельной теплоемкости наиболее распространенных в строительстве материалов.

Для того, чтобы рассчитать теплоемкость того или иного материала, необходимо обладать такими данными, как:

  • вид и объем нагреваемого материала (V);
  • показатель удельной теплоемкости этого материала (Суд);
  • удельный вес (mуд);
  • начальную и конечную температуры материала.

Теплоемкость строительных материалов

Теплоемкость материалов, таблица по которой приведена выше, зависит от плотности и коэффициента теплопроводности материала.

А коэффициент теплопроводности, в свою очередь, зависит от крупности и замкнутости пор. Мелкопористый материал, имеющий замкнутую систему пор, обладает большей теплоизоляцией и, соответственно, меньшей теплопроводностью, нежели крупнопористый.

Это очень легко проследить на примере наиболее распространенных в строительстве материалов. На рисунке, представленном ниже, показано каким образом влияет коэффициент теплопроводности и толщина материала на теплозащитные качества наружных ограждений.

Из рисунка видно, что строительные материалы с меньшей плотностью обладают меньшим коэффициентом теплопроводности.

Однако так бывает не всегда. Например, существуют волокнистые виды теплоизоляции, для которых действует противоположная закономерность: чем меньше плотность материала, тем выше будет коэффициент теплопроводности.

Поэтому нельзя доверять исключительно показателю относительной плотности материала, а стоит учитывать и другие его характеристики.

Сравнительная характеристика теплоемкости основных строительных материалов

Для того, чтобы сравнить теплоемкость наиболее популярных строительных материалов, таких дерево, кирпич и бетон, необходимо рассчитать величину теплоемкости для каждого из них.

В первую очередь нужно определиться с удельной массой дерева, кирпича и бетона. Известно, что 1 м3 дерева весит 500 кг, кирпича – 1700 кг, а бетона – 2300 кг. Если мы берем стенку, толщина которой составляет 35 см, то путем нехитрых расчетов получим, что удельная масса 1 кв.

м дерева составит 175 кг, кирпича – 595 кг, а бетона – 805 кг. Далее выберем значение температуры, при которой будет происходить накопление тепловой энергии в стенах. Например, это будет происходить в жаркий летний день с температурой воздуха 270С.

Для выбранных условий рассчитываем теплоемкость выбранных материалов:

  1.  Стена из дерева: С=СудхmудхΔТ; Сдер=2,3х175х27=10867,5 (кДж);
  2.  Стена из бетона: С=СудхmудхΔТ; Сбет=0,84х805х27= 18257,4 (кДж);
  3.  Стена из кирпича: С=СудхmудхΔТ; Скирп=0,88х595х27= 14137,2 (кДж).

Из произведенных расчетов видно, что при одинаковой толщине стены наибольшим показателем теплоемкости обладает бетон, а наименьшим – дерево. О чем это говорит? Это говорит о том, что в жаркий летний день максимальное количество тепла будет накапливаться в доме, выполненном из бетона, а наименьшее – из дерева.

Этим объясняет тот факт, что в деревянном доме в жаркую погоду прохладно, а в холодную погоду тепло. Кирпич и бетон легко накапливают в себе достаточно большое количество тепла из окружающей среды, но так же легко и расстаются с ним.

Теплоемкость и теплопроводность материалов

Теплопроводность – это физическая величина материалов, описывающая способность проникновения температуры с одной поверхности стены на другую.

Для создания комфортных условий в помещении необходимо, чтобы стены обладали высоким показателем теплоемкости и низким коэффициентом теплопроводности. В этом случае стены дома будут в состоянии накапливать тепловую энергию окружающей среды, но при этом препятствовать проникновению теплового излучения внутрь помещения.

Свойства

Физические

Плотность при нормальных условиях 1,98 г/л. При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

Углекислый газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи и лучи видимой части спектра, которые поступают на Землю от Солнца и обогревают её. В то же время он поглощает испускаемые Землёй инфракрасные лучи и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Химические

По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным оксидам. При растворении в воде образует угольную кислоту. Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов. Вступает в реакции электрофильного замещения (например, с фенолом — реакция Кольбе) и нуклеофильного присоединения (например, с магнийорганическими соединениями).

Биологические

Диоксид углерода играет одну из главных ролей в живой природе, участвуя во многих процессах метаболизма живой клетки. Диоксид углерода получается в результате множества окислительных реакций у животных, и выделяется в атмосферу с дыханием. Углекислый газ атмосферы — основной источник углерода для растений. Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения — только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, а без освещения они тоже его выделяют.

Диоксид углерода не токсичен, но не поддерживает дыхание. Большая концентрация в воздухе вызывает удушье (см. Гиперкапния). Недостаток углекислого газа тоже опасен (см. Гипокапния)

Углекислый газ в организмах животных имеет и физиологическое значение, например, участвует в регуляции сосудистого тонуса (см. Артериолы).

Формула углекислого газа

Двуокись углерода (двуокись углерода, двуокись углерода, моноксид углерода (IV), карбоновый ангидрид, сухой лед) представляет собой бесцветный газ без запаха со слегка кислотным вкусом. Сформировано путем объединения двух элементов: углерода и кислорода.

Химические, структурные и электронные формулы двуокиси углерода

Химическая формула: ( mathrm 2 )

Структурная формула: ( O=C=O )

Химические, структурные и электронные формулы двуокиси углерода

Молярная масса: 44,01 г / моль.

Физические свойства двуокиси углерода

В стандартных условиях — газ без цвета и запаха, с кислым вкусом. При атмосферном давлении в жидком состоянии не существует, а сильное охлаждение кристаллизуется в виде «сухого льда» — белой снежной массы. Температура сублимации составляет -78 ° С. В обычных условиях 0,9 объема двуокиси углерода растворяют в одном объеме воды.

Химические свойства двуокиси углерода

Это оксид кислоты.

При растворении в воде образуется угольная кислота:

( C O_+H_ O leftrightarrow H_ C O_ )

Он взаимодействует с основными оксидами и основаниями с образованием карбонатов и бикарбонатов (соли углекислоты):

( N a_ O+C O_ rightarrow N a_ C O_ )

( 2 K O H+C O_ rightarrow K_ C O_+H_ O )

( mathrm+mathrm_(избыток) rightarrow K H C O_ )

Не поддерживает горение, но при нагревании может окислять активные металлы:

( C O_+2 M g rightarrow 2 M g O+C )

Качественная реакция — мутность извести ( (mathrm(mathrm) 2) ) из-за образования белого осадка карбоната кальция:

( mathrm(mathrm)_+mathrm_ rightarrow mathrm_ downarrow+mathrm_ mathrm )

Углекислый газ образуется гниением и сжиганием органического вещества. Содержится в воздухе и минеральных источниках, высвобождаемых во время дыхания животных и растений.

В промышленности углекислый газ производится термическим разложением карбонатов:

В лаборатории — действием сильных кислот на карбонаты или бикарбонаты:

( mathrm_+2 mathrm rightarrow mathrm_+mathrm_ mathrm+mathrm_ uparrow )

Примеры решения проблем

Рассчитать количество двуокиси углерода ( (mathrm) ), которое может быть получено путем сжигания 12 тонн угля, если выход продукта составляет 90% от теоретически возможного.

Напишите уравнение для реакции горения:

Рассчитайте количество углеродного вещества по формуле:

Согласно уравнению реакции

( n(C)=nleft(C O_right)=1000000 моль )

1 моль газа в нормальных условиях составляет 22,4 литра.

Рассчитайте теоретический объем углекислого газа:

( Vteorleft(C O_right)=1000000 cdot 22,4=2240000=22400м3 )

Мы вычисляем практический объем углекислого газа:

( Vpractleft(C O_right)=22400 cdot 0,9=20160м3 )

Объем производимого диоксида углерода равен 20160 м3.

Рассчитать объем 20% раствора соляной кислоты (плотность = 1,1 г / мл), что необходимо для получения 5,6 литров диоксида углерода из образца известняка, который содержит 5% примесей.

Напишите уравнение реакции:

( mathrm_+2 mathrm rightarrow mathrm_+mathrm_ mathrm+mathrm_ uparrow )

Во время реакции образуется углекислота ( (mathrm 2 mathrm 3) ), которая сразу же разлагается в воду ( (mathrm 2 mathrm) ) и двуокись углерода ( (mathrm 2) ).

Рассчитайте количество вещества диоксида углерода по формуле:

где ( mathrm ) — молярный объем, т. е. объем, который занимает один моль газа в нормальных условиях. ( mathrm=22,4 л/моль )

Для расчета количества вещества соляной кислоты мы составляем пропорцию в соответствии с уравнением реакции:

2 моля ( mathrm ) приводят к образованию 1 моль ( mathrm 2 )

x моль ( mathrm )приводит к образованию 0,25 моль ( mathrm 2 )

Молярная масса соляной кислоты составляет 36,5 г / моль. Рассчитайте массу соляной кислоты:

( m(H C l)=n(H C l) cdot M(H C l)=0,5мольcdot 36,5г/моль=18,25г )

Выражение для массовой доли вещества в растворе:

Рассчитайте массу раствора соляной кислоты по формуле:

Если раствор ( mathrm ) составляет 20%, то массовая доля соляной кислоты в нем будет равна 0,20.

Рассчитайте объем раствора соляной кислоты по формуле:

Объем 20% -ного раствора соляной кислоты составляет 82,95 мл.

Азотпроизводные углерода.

К этой группе относится мочевина NH2CONH2 – азотное удобрение, применяемое в виде раствора. Мочевину получают из NH3 и CO2 при нагревании под давлением:

Дициан (CN)2 по многим свойствам подобен галогенам и его часто называют псевдогалоген. Дициан получают мягким окислением цианид-иона кислородом, пероксидом водорода или ионом Cu2+: 2CN– (CN)2 + 2e.

Цианид-ион, являясь донором электронов, легко образует комплексные соединения с ионами переходных металлов. Подобно СО, цианид-ион является ядом, связывая жизненно важные соединения железа в живом организме. Цианидные комплексные ионы имеют общую формулу [M(CN)x]–0,5x, где х – координационное число металла (комплексообразователя), эмпирически равно удвоенному значению степени окисления иона металла. Примерами таких комплексных ионов являются (строение некоторых ионов приведено ниже) тетрацианоникелат(II)-ион [Ni(CN)4]2–, гексацианоферрат(III) [Fe(CN)6]3–, дицианоаргентат [Ag(CN)2]–:

Субоксид углерода

C3O2 образуется при дегидратации малоновой кислоты над P4O10:

C3O2 имеет неприятный запах, легко гидролизуется, вновь образуя малоновую кислоту.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИДОВ УГЛЕРОДА

 

CO

CO2

C3O2

Молекулярная масса

28,010

44,010

68,030

Температура кипения, °С

–192

–56,6

–7

Температура замерзания, °С

–199

–78,5

–111,3

Плотность, г/л (при 0° С)

1,250

1,977

1,114

Растворимость, объем/объем воды (при 0° С)

0,03

1,7

Реагирует с водой

Монооксид углерода(II) СО образуется при окислении любой модификации углерода в условиях недостатка кислорода. Реакция экзотермична, выделяется 111,6 кДж/моль. Кокс при температуре белого каления реагирует с водой: C + H2O = CO + H2; образующаяся газовая смесь называется «водяной газ» и является газообразным топливом. СO образуется также при неполном сгорании нефтепродуктов, в заметных количествах содержится в автомобильных выхлопах, получается при термической диссоциации муравьиной кислоты:

Степень окисления углерода в СО равна +2, а поскольку углерод более устойчив в степени окисления +4, то СО легко окисляется кислородом до CO2: CO + O2 → CO2, эта реакция сильно экзотермична (283 кДж/моль). СО применяют в промышленности в смеси с H2 и другими горючими газами в качестве топлива или газообразного восстановителя. При нагревании до 500° C CO в заметной степени образует С и CO2, но при 1000° C равновесие устанавливается при малых концентрациях СO2. CO реагирует с хлором, образуя фосген – COCl2, аналогично протекают реакции с другими галогенами, в реакции с серой получается сульфид карбонила COS, с металлами (M) СO образует карбонилы различного состава M(CO)x, являющиеся комплексными соединениями. Карбонил железа образуется при взаимодействии гемоглобина крови с CO, препятствуя реакции гемоглобина с кислородом, так как карбонил железа – более прочное соединение. В результате блокируется функция гемоглобина как переносчика кислорода к клеткам, которые при этом погибают (и в первую очередь поражаются клетки мозга). (Отсюда еще одно название СО – «угарный газ»). Уже 1% (об.) СO в воздухе опасен для человека, если он находится в такой атмосфере более 10 мин. Некоторые физические свойства СО приведены в таблице.

Диоксид углерода, или оксид углерода(IV)CO2 образуется при сгорании элементного углерода в избытке кислорода c выделением тепла (395 кДж/моль). CO2 (тривиальное название – «углекислый газ») образуется также при полном окислении СО, нефтепродуктов, бензина, масел и др. органических соединений. При растворении карбонатов в воде в результате гидролиза также выделяется СО2:

Такой реакцией часто пользуются в лабораторной практике для получения CO2. Этот газ можно получить и при прокаливании бикарбонатов металлов:

при газофазном взаимодействии перегретого пара с СО:

при сжигании углеводородов и их кислородпроизводных, например:

Аналогично окисляются пищевые продукты в живом организме с выделением тепловой и других видов энергии. При этом окисление протекает в мягких условиях через промежуточные стадии, но конечные продукты те же – СO2 и H2O, как, например, при разложении сахаров под действием ферментов, в частности при ферментации глюкозы:

Многотоннажное производство углекислого газа и оксидов металлов осуществляется в промышленности термическим разложением карбонатов:

CaO в больших количествах используется в технологии производства цемента. Термическая стабильность карбонатов и затраты теплоты на их разложение по этой схеме возрастают в ряду CaCO3 3 3. Углекислый газ – химически неактивное соединение, однако в некоторых случаях он может поддерживать процесс горения, например, магний горит в среде СО2. Материалы, горящие при низких температурах – дерево, нефтепродукты, бумага и др., – не горят в среде СО2. Поэтому, а также из-за большей, чем у воздуха, плотности (СO2 в 1,5 раза тяжелее), углекислый газ используют в огнетушителях. В твердом состоянии СО2 известен как «сухой лед». При высоких концентрациях CO2 опасен для человека, так как блокирует доступ кислорода (см. также ПОЖАРНАЯ ПРОФИЛАКТИКА И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА).

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации