Углекислый газ характеристика. Получение двуокиси углерода. III. Стадия рефлексии

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Оксид углерода(IV) не поддерживает горения . В нём горят только некоторые активные металлы: :

2 M g + C O 2 → 2 M g O + C {\displaystyle {\mathsf {2Mg+CO_{2}\rightarrow 2MgO+C}}}

Взаимодействие с оксидом активного металла:

C a O + C O 2 → C a C O 3 {\displaystyle {\mathsf {CaO+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}}}}

При растворении в воде образует угольную кислоту :

C O 2 + H 2 O ⇄ H 2 C O 3 {\displaystyle {\mathsf {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}}}}

Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:

C a (O H) 2 + C O 2 → C a C O 3 ↓ + H 2 O {\displaystyle {\mathsf {Ca(OH)_{2}+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}\downarrow +H_{2}O}}} (качественная реакция на углекислый газ) K O H + C O 2 → K H C O 3 {\displaystyle {\mathsf {KOH+CO_{2}\rightarrow KHCO_{3}}}}

Биологические

Организм человека выделяет приблизительно 1 кг (2,3 фунта) углекислого газа в сутки .

Этот углекислый газ переносится от тканей, где он образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма, по венозной системе и затем выделяется с выдыхаемым воздухом через лёгкие. Таким образом, содержание углекислого газа в крови велико в венозной системе, и уменьшается в капиллярной сети лёгких, и мало в артериальной крови. Содержание углекислого газа в пробе крови часто выражают в терминах парциального давления, то есть давления, которое бы имел содержащийся в пробе крови в данном количестве углекислый газ, если бы весь объём пробы крови занимал только он .

Углекислый газ (CO 2) транспортируется в крови тремя различными способами (точное соотношение каждого из этих трёх способов транспортировки зависит от того, является ли кровь артериальной или венозной).

Гемоглобин, основной кислород-транспортирующий белок эритроцитов крови, способен транспортировать как кислород, так и углекислый газ. Однако углекислый газ связывается с гемоглобином в ином месте, чем кислород. Он связывается с N-терминальными концами цепей глобина , а не с гемом . Однако благодаря аллостерическим эффектам, которые приводят к изменению конфигурации молекулы гемоглобина при связывании, связывание углекислого газа понижает способность кислорода к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении кислорода, и наоборот - связывание кислорода с гемоглобином понижает способность углекислого газа к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении углекислого газа. Помимо этого, способность гемоглобина к преимущественному связыванию с кислородом или с углекислым газом зависит также и от pH среды. Эти особенности очень важны для успешного захвата и транспорта кислорода из лёгких в ткани и его успешного высвобождения в тканях, а также для успешного захвата и транспорта углекислого газа из тканей в лёгкие и его высвобождения там.

Углекислый газ является одним из важнейших медиаторов ауторегуляции кровотока. Он является мощным вазодилататором . Соответственно, если уровень углекислого газа в ткани или в крови повышается (например, вследствие интенсивного метаболизма - вызванного, скажем, физической нагрузкой, воспалением, повреждением тканей, или вследствие затруднения кровотока, ишемии ткани), то капилляры расширяются, что приводит к увеличению кровотока и соответственно к увеличению доставки к тканям кислорода и транспорта из тканей накопившейся углекислоты. Кроме того, углекислый газ в определённых концентрациях (повышенных, но ещё не достигающих токсических значений) оказывает положительное инотропное и хронотропное действие на миокард и повышает его чувствительность к адреналину , что приводит к увеличению силы и частоты сердечных сокращений, величины сердечного выброса и, как следствие, ударного и минутного объёма крови. Это также способствует коррекции тканевой гипоксии и гиперкапнии (повышенного уровня углекислоты).

Ионы гидрокарбоната очень важны для регуляции pH крови и поддержания нормального кислотно-щелочного равновесия. Частота дыхания влияет на содержание углекислого газа в крови. Слабое или замедленное дыхание вызывает респираторный ацидоз , в то время как учащённое и чрезмерно глубокое дыхание приводит к гипервентиляции и развитию респираторного алкалоза .

Кроме того, углекислый газ также важен в регуляции дыхания. Хотя наш организм требует кислорода для обеспечения метаболизма, низкое содержание кислорода в крови или в тканях обычно не стимулирует дыхание (вернее, стимулирующее влияние нехватки кислорода на дыхание слишком слабо и «включается» поздно, при очень низких уровнях кислорода в крови, при которых человек нередко уже теряет сознание). В норме дыхание стимулируется повышением уровня углекислого газа в крови. Дыхательный центр гораздо более чувствителен к повышению уровня углекислого газа, чем к нехватке кислорода. Как следствие этого, дыхание сильно разрежённым воздухом (с низким парциальным давлением кислорода) или газовой смесью, вообще не содержащей кислорода (например, 100 % азотом или 100 % закисью азота) может быстро привести к потере сознания без возникновения ощущения нехватки воздуха (поскольку уровень углекислоты в крови не повышается, ибо ничто не препятствует её выдыханию). Это особенно опасно для пилотов военных самолётов, летающих на больших высотах (в случае аварийной разгерметизации кабины пилоты могут быстро потерять сознание). Эта особенность системы регуляции дыхания также является причиной того, почему в самолётах стюардессы инструктируют пассажиров в случае разгерметизации салона самолёта в первую очередь надевать кислородную маску самим, прежде чем пытаться помочь кому-либо ещё - делая это, помогающий рискует быстро потерять сознание сам, причём даже не ощущая до последнего момента какого-либо дискомфорта и потребности в кислороде .

Дыхательный центр человека пытается поддерживать парциальное давление углекислого газа в артериальной крови не выше 40 мм ртутного столба. При сознательной гипервентиляции содержание углекислого газа в артериальной крови может снизиться до 10-20 мм ртутного столба, при этом содержание кислорода в крови практически не изменится или увеличится незначительно, а потребность сделать очередной вдох уменьшится как следствие уменьшения стимулирующего влияния углекислого газа на активность дыхательного центра. Это является причиной того, почему после некоторого периода сознательной гипервентиляции легче задержать дыхание надолго, чем без предшествующей гипервентиляции. Такая сознательная гипервентиляция с последующей задержкой дыхания может привести к потере сознания до того, как человек ощутит потребность сделать вдох. В безопасной обстановке такая потеря сознания ничем особенным не грозит (потеряв сознание, человек потеряет и контроль над собой, перестанет задерживать дыхание и сделает вдох, дыхание, а вместе с ним и снабжение мозга кислородом восстановится, а затем восстановится и сознание). Однако в других ситуациях, например, перед нырянием, это может быть опасным (потеря сознания и потребность сделать вдох наступят на глубине, и в отсутствие сознательного контроля в дыхательные пути попадёт вода, что может привести к утоплению). Именно поэтому гипервентиляция перед нырянием опасна и не рекомендуется.

Получение

В промышленных количествах углекислота выделяется из дымовых газов, или как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов (известняк , доломит) или при производстве алкоголя (спиртовое брожение). Смесь полученных газов промывают раствором карбоната калия, которые поглощают углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В современных установках получения углекислого газа вместо гидрокарбоната чаще применяется водный раствор моноэтаноламина , который при определённых условиях способен абсорбировать СО₂, содержащийся в дымовом газе, а при нагреве отдавать его; таким образом отделяется готовый продукт от других веществ.

Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона .

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора , мела или соды с соляной кислотой , используя, например, аппарат Киппа . Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты.

Для приготовления напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.

Применение

В пищевой промышленности углекислота используется как консервант и разрыхлитель , обозначается на упаковке кодом Е290 .

Жидкая углекислота широко применяется в системах пожаротушения и в огнетушителях . Автоматические углекислотные установки для пожаротушения различаются по системам пуска, которые бывают пневматическими, механическими или электрическими .

Устройство для подачи углекислого газа в аквариум может включать в себя резервуар с газом. Простейший и наиболее распространенный метод получения углекислого газа основан на конструкции для изготовления алкогольного напитка браги . При брожении, выделяемый углекислый газ вполне может обеспечить подкормку аквариумных растений

Углекислый газ используется для газирования лимонада и газированной воды . Углекислый газ используется также в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его распад с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл . В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний . Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в инертной среде.

Хранение углекислоты в стальном баллоне в сжиженном состоянии выгоднее, чем в виде газа. Углекислота имеет сравнительно низкую критическую температуру +31°С. В стандартный 40-литровый баллон заливают около 30 кг сжиженного углекислого газа, и при комнатной температуре в баллоне будет находиться жидкая фаза, а давление составит примерно 6 МПа (60 кгс/см²). Если температура будет выше +31°С, то углекислота перейдёт в сверхкритическое состояние с давлением выше 7,36 МПа. Стандартное рабочее давление для обычного 40-литрового баллона составляет 15 МПа (150 кгс/см²), однако он должен безопасно выдерживать давление в 1,5 раза выше, то есть 22,5 МПа,- таким образом, работа с подобными баллонами может считаться вполне безопасной.

Твёрдая углекислота - «сухой лёд» - используется в качестве хладагента в лабораторных исследованиях, в розничной торговле, при ремонте оборудования (например: охлаждение одной из сопрягаемых деталей при посадке внатяг) и т. д. Для сжижения углекислого газа и получения сухого льда применяются углекислотные установки .

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях - анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO 2 в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта . Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем . Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф . Для измерения низких концентраций CO 2 (а также ) в технологических газах или в атмосферном воздухе можно использовать газохроматографический метод с метанатором и регистрацией на пламенно-ионизационном детекторе .

Углекислый газ в природе

Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40-70°) широт Северного полушария.

Большое количество углекислоты растворено в океане.

Углекислый газ составляет значительную часть атмосфер некоторых планет Солнечной системы : Венеры , Марса .

Токсичность

Углекислый газ нетоксичен, но по воздействию его повышенных концентраций в воздухе на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам (англ.) русск. . Незначительные повышения концентрации до 2-4 % в помещениях приводят к развитию у людей сонливости и слабости. Опасными концентрациями считаются уровни около 7-10 %, при которых развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и в потере сознания (симптомы, сходные с симптомами высотной болезни), в зависимости от концентрации, в течение времени от нескольких минут до одного часа. При вдыхании воздуха с высокими концентрациями газа смерть наступает очень быстро от удушья .

Хотя, фактически, даже концентрация 5-7 % CO 2 не смертельна, уже при концентрации 0,1 % (такое содержание углекислого газа наблюдается в воздухе мегаполисов) люди начинают чувствовать слабость, сонливость. Это показывает, что даже при высоких содержаниях кислорода большая концентрация CO 2 сильно влияет на самочувствие.

Вдыхание воздуха с повышенной концентрацией этого газа не приводит к долговременным расстройствам здоровья и после удаления пострадавшего из загазованной атмосферы быстро наступает полное восстановление здоровья .

Углекислый газ, или диоксид углерода (СО 2) жизненно необходим растениям. Углерод растения получают именно из СО 2 , в ходе процесса фотосинтеза, а атомы углерода являются основным строительным материалом для 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 диоксида углерода в воде аквариума, рыбы начинают задыхаться даже тогда, когда содержание в ней кислорода велико. Происходит это из-за двух очень неприятных эффектов: Бора и Рута, которые обусловлены изменением свойств рыбьего гемоглобина при высоком содержании углекислого газа. Следовательно аквариумист, если только он хочет любоваться живыми, а не пластмассовыми растениями и рыбками, должен уметь поддерживать концентрацию СО 2 в воде своего аквариума в оптимальном диапазоне - таком, чтобы растения могли хорошо расти, а рыбы нормально дышать. О том, как это сделать будет рассказано в данной статье.

Для тех, кто не хочет вникать в суть дела, а хочет сразу получить ответ: оптимальное содержание углекислого газа в воде аквариума составляет 15 - 20 мг/л. А сколько СО 2 растворено в воде Вашего аквариума можно рассчитать по величинам и - КН. Чтобы ничего самому не считать , а только подставить определенные с помощью тестов значения рН и КН в нужные окошки и получить ответ, воспользуйтесь .
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 естественная гармония может установится в нем сама собой. В аквариуме нормальных (классических) пропорций с достаточным, но не чрезмерном количеством рыб, возникает естественным путем. Чтобы оно оставалось устойчивым, надо не , регулярно и не реже, чем раз в неделю примерно пятую часть объёма воды. И это действительно обеспечит стабильный биобаланс. В таком аквариуме рыбы в ходе своей жизнедеятельности будут выделять столько углекислого газа, аммиака и других веществ, сколько нужно для того, чтобы растения получали необходимое минеральное питание и не бедствовали. В свою очередь, хорошо себя чувствующие растения обеспечат рыб достаточным количеством кислорода. Начиная с последней четверти IXX века (со времён Н.Ф. Золотницкого) и на протяжении большей части века XX такие аквариумы были почти у всех аквариумистов и всё у них было хорошо. А что такое многие из них вообще не знали... Современная же аквариумистика без использования средств определения параметров аквариумной воды (без тестов) 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. Взять хотя бы кислород: как естественным путем восполняются его запасы в воде? Про фотосинтез мы уже упомянули, но это днем, а ночью? Без перемешивания или аэрации воды с помощью технических устройств восполнение запасов кислорода в воде происходит очень медленно. Так в совершенно неподвижной 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 крайне неспешно. По вычислениям некоторых исследователей, молекула кислорода в силу одной лишь диффузии за сутки может углубиться не более чем на 2 см! Поэтому без помп и аэраторов, которых в стародавние времена не было, аквариумисту было просто невозможно заселить аквариум "лишними" рыбами - они бы задохнулись. Современное же оборудование позволяет содержать немыслимое по прежнем временам количество рыб, а яркие лампы очень плотно засадить аквариум и даже покрыть все его дно почвопокровными растениями!

Фото 1. Это фрагмент дна современного 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 (и тут это реализовано), чтобы она росла на дне. Для этого аквариум нужно ярко освещать и подавать в воду углекислый газ - СО 2 . 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 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 в чем нуждаются растения и рыбы и какие гидрохимические параметры воды им подходят. Своевременно контролируя , рН, КН, содержание в воде , , ионов калия и железа 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 важнейших и необходимых для аквариума с живыми растениями ресурсов является углекислый газ - СО 2 .

Фото 2. Снимок сделан на . Это вид аквариума сзади. Искусственный задний фон здесь не предусмотрен. Его создадут растения, чрезвычайно плотно высаженные вдоль задней стенки. Для того, чтобы они могли расти 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 СО 2: баллон с редуктором, счетчик пузырьков, распылитель углекислого газа (реактор) - все произведено фирмой ADA.

Фото 3. Часть системы, обогащающей воду аквариума СО 2 , крупным планом. Снаружи крепится устройство, позволяющее визуально контролировать подачу газа в аквариум - счетчик пузырьков. 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, газа подается гораздо меньше. 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 СО 2 очень немного - всего 0.038%. В сухом атмосферном воздухе при стандартном барометрическом давлении (760 мм. рт. ст.) его парциальное давление составляет всего 0.23 мм. рт. ст. (0.038% от 760). Но и этого очень незначительного количества вполне достаточно, чтобы углекислый газ важным для аквариумиста образом обозначил своё присутствие. К примеру, дистиллированная или хорошо обессоленная вода, постояв в открытой таре достаточное время для того чтобы в ней растворились и пришли в равновесие с атмосферным воздухом газы из смеси которых этот воздух состоит, 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 снижению рН до значений близких к 5.6. Почему? Дело в том, что некоторые молекулы углекислого газа (не более 0.6%, но и этого достаточно для падения рН) взаимодействуют с молекулами воды с образованием угольной кислоты:

СО 2 +H 2 O <-> H 2 CO 3

Угольная кислота диссоциирует на ион водорода и гидрокарбонатный ион:

H 2 CO 3 <-> H + + HCO 3 -

Вот поэтому и происходит подкисление дистиллированной воды. Напомним, что как раз и отражает содержание ионов водорода в воде. Это отрицательный логарифм их концентрации.
В природе точно также . Поэтому даже в экологически чистых регионах, где 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 им насыщается. Взаимодействуя затем с породами, содержащими известняк, такая вода переводит малорастворимый карбонат кальция в хорошо растворимый гидрокарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + СО 2 <-> Ca(HCO 3) 2

Эта реакция обратима. Она может быть смещена в право или влево в зависимости от концентрации углекислого газа. Если содержание СО 2 достаточно продолжительное время остается стабильным, то в такой воде устанавливается углекислотно-известковое равновесие : новых гидрокарбонатных ионов не образуется.
Углекислотно-известковое равновесие может складываться при разных значениях рН, причем соотношение концентраций имеющихся в воде ионов CO 3 2- , HCO 3 - и свободного углекислога газа (СО 2) будет зависеть от рН водного раствора (в нашем случае от рН воды в аквариуме) и температуры. Эта зависимость от водородного показателя при температуре 25 о С представлена на Рис. 1.

Рис 1. Соотношение CO 3 2- , СО 2 и HCO 3 - при температуре 25 о С. Видно, что углекислый газ как таковой (свободная углекислота, или СО 2 ) может присутствовать в воде только в том случае, если рН<8,4 , а при значениях рН, меньших величины 4,3 вся растворенная в воде углекислота пред ставлена только свободным углекислым газом. При рН>8,4 свободной углекислоты в воде нет. Гидрокарбонатный ион (полусвязанная углекислота) присутствует в воде со значением показателя рН, большим чем 4,3, при рН=8,4 вся углекислота находится в полусвязанной форме ( HCO 3 - ). При рН>8,4 воде появляются ионы CO 3 2- (связанная углекислота) , концентрация которых растет вместе с увеличением показателя рН.
По материалам

Если в равновесную систему добавлять углекислый газ, то у глекислотно-известковое равновесие будет нарушено, что приведет к растворению карбонатов кальция и магния. Применительно к условиям аквариума, это означает, что начнут растворяться раковины у улиток, а также известковые грунт, камни и декорации - в таких случаях аквариумисты говорят - грунт " ". Немного забегая вперед, отмечу что "фонящие" грунты и декор непригодны для аквариумов с дополнительной подачей в воду СО 2 . А почему так, будет объяснено ниже.

Е сли тем или иным способом убрать СО 2 из равновесной системы, то из раствора, содержащего гидрокарбонаты, выпадет в виде осадка карбонат кальция. Так происходит, например, при кипячении воды (это известный способ снижения карбонатной жесткости , то есть концентрации в воде Ca(HCO 3) 2 и Mg(HCO 3) 2 . Этот же процесс наблюдается и при простом отстаивании артезианской воды, которая под землёй находилась при повышенном давлении и там в ней растворилось много СО 2 . Подобно газировке в открытой бутылке, оказавшись на поверхности, эта вода отдает лишний углекислый газ до тех пор пока его концентрация не будет соответствовать парциальному давлению СО 2 в окружающем воздухе. При этом в ней может появиться беловатая муть, состоящая из частичек известняка - СаСО 3 . Точно по такому же принципу образуются сталактиты и сталагмиты: сочащаяся из подземных пластов вода освобождается от лишнего углекислого газа и одновременно от карбонатов кальция и магния, которые осаждаются, увеличивая сталактит в размерах. И, по сути, эта же реакция происходит на листьях многих аквариумных растений, когда они активно фотосинтезируя на ярком свету, поглощают весь углекислый газ, растворенный в воде аквариума. Вот тут их листья начинают "седеть", так как они покрываются осадком из карбоната кальция (посмотреть, как это выглядит можно в ). Но раз из воды извлечен весь углекислый газ, то и угольной кислоты в ней больше нет. Если в воде отсутствуют в значимом количестве другие кислоты, то показатель рН должен подняться. Что и происходит. Активно фотосинтезирующие растения, потребив весь имевшийся в воде СО2, могут поднять рН аквариумной воды до 8,4. При таком показателе активной реакции воды в ней уже нет свободных молекул углекислого газа и угольной кислоты, поэтому растения для того, чтобы продолжать фотосинтезировать, вынуждены заниматься добычей диоксида углерода из гидрокарбонатов. Однако, это умеют делать не все виды аквариумных растений, хотя умеют многие.

Ca(HCO 3) 2 -> СО 2 (поглощается растением ) + CaCO 3 + H 2 O

Как правило, они не могут заметно поднять рН еще выше, так как дальнейший рост этого показателя сильно ухудшает функциональное состояние самих растений: фотосинтез, а следовательно изъятие СО 2 из воды аквариума 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 диоксид углерода из гидрокарбонатов, а страдают не умеющие это делать, к примеру роталы, погостемоны и апоногетоны. Именно эти растения считаются у аквариумистов самыми нежными.

Фото 4. 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 СО 2 заметен на роталах (Rotala macrandra). Лишенные свободного диоксида углерода, они почти погибли, о чем свидетельствуют оголившиеся участки стеблей, но ожили и дали красивые красноватые листья, очень быстро выросшие уже во время подачи углекислого газа.

Те растения, что могут извлекать СО 2 из гидрокарбонатов более живучи. К таковым относят рдесты, валлиснерию, эхинодорусы, наяс, роголистник. Однако густые заросли элодеи способны и их задушить. И все потому, что элодея может еще эффективнее извлекать связанный в гидрокарбонатах углекислый газ:

Ca(HCO 3) 2 -> 2СО 2 (поглощается растением ) + Ca(OH) 2

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: в ней они могут заболеть и бранхиомикозом. Есть даже особое незаразное заболевание рыб, которое вызывается щелочной водой - . Особенно губительны резкие суточные колебания значения рН, которые происходят при ярком освещении и вызваны активностью растений, добывающих углекислый газ из гидрокарбонатов.
Можно ли исправить положение, усилив аэрацию аквариума, в расчете на то, что благодаря высокой растворимости углекислого газа вода аквариума обогатится СО 2 ? 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 СО 2, то есть парциальное давление углекислого газа составляло бы все 760 мм ртутного столба. А при контакте с атмосферным воздухом, в котором содержится всего 0.038% СО 2 , 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 концентрация СО 2 в аквариумной воде ниже, то аэрация действительно её поднимет до 0.6 мг/л, но не более! Однако, обычно содержание углекислого газа в воде аквариума все же выше указанной величины и аэрация приведет лишь к потере СО 2 .
Проблему дефицита углекислого газа можно решить путем подачи его в аквариум, тем более, что это отнюдь не сложно. В этом деле можно обойтись даже без дорогого фирменного оборудования, а просто воспользоваться процессами спиртового брожения в сахарном растворе с дрожжами и некоторыми другими крайне нехитрыми устройствами.
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 СО 2 в воде аквариума не должна превышать 30 мг/л. А в целом ряде случаев эту величину следует уменьшить хотя бы ещё на треть. Вспомним, что колебания величины рН для рыб и растений вредны, а сильная подача углекислого газа быстро закисляет воду.
Как оценить содержание СО 2 и добиться того, чтобы при подаче этого газа в аквариум значения рН колебались незначительно и оставались в приемлемом и для рыб и для растений диапазоне? Тут нам 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 в диапазоне значений рН от 5 до 8,4 отражает уравнение Хендерсона-Хассельбаха , которое применительно к нашему случаю будет иметь вид:

/ = K1 (1)

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 СО 2 , так и гидратированными молекулами в форме угольной кислоты - Н 2 СО 3). Для температуры 25°С эта константа равна 4.45*10 -7 . Квадратные скобки обозначают .
Преобразование формулы даёт:

(2)

Величины рН и можно узнать с помощью стандартных аквариумных тестов на рН и КН. в аквариумной воде определяет тест на карбонатную жесткость: КН-тест. Следует отметить, что слово "жесткость" в его названии - всего лишь дань традиции. К определению концентраций ионов кальция и магния он прямого отношения не имеет. На самом деле КН-тест определяет щелочность воды (подробнее об этом рассказано в ). В обычном аквариуме, если в воду не добавляли буферные растворы типа КН+ и рН+ и гумматы, основной вклад в щелочность вносят именно гидрокарбонатные ионы, поэтому КН-тест вполне подходит для наших целей. Единственное неудобство его использования связано с необходимостью пересчитывать градусы, в которых он выдает результат, в молярные концентрации (М), что, впрочем, вовсе не сложно. Для этого достаточно величину карбонатной жесткости в градусах , полученную после выполнения процедуры тестирования, разделить на 2.804. Концентрацию ионов водорода, выраженную в величине показателя 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 СО 2 надо умножить её на 44000.
Нельзя забывать, что 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 " " Амазонии, то есть 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 и , позволяющий автоматически рассчитать содержание углекислого газа в воде:

Минимальные значения рН воды в аквариуме для заданной карбонатной жесткости, при которых содержание углекислого газа еще не опасно для рыб (красные цифры в столбцах ), и максимально допустимые величины рН при которых растения, не умеющие добывать СО 2 из гидрокарбонатов, хотя и медленно, но еще растут (зелёные цифры в столбцах ). Для 25°С.

Карб. жестк. KH	0,5	1	2	3	4	5	6-7	8-9	10-11	12-13
Моль/л	0,18	0,36	0,71	1,07	1,43	1,78	2,14-2,5	2,85-3,21	3,57-3,92	4,28-5,35
min рН для рыб (25-28 мг/л СО 2)	5,8	6,1	6,4	6,6	6,7	6,8	6,9	7,0	7,1	7,2
max рН для растений (6-7 мг/л СО 2)	6,4	6,7	7,0	7,2	7,3	7,4	7,5	7,6	7,7	7,8
"Естественный" рН (2-3 мг/л СО 2)	6,8	7,1	7,4	7,6	7,7	7,8	7,9	8,0	8,1	8,2
рН, соответствующий парциальному давлению углекислого газа в атмосфере (0,6 мг/л СО 2)	7,4	7,7	8,0	8,2	8,3	8,4	_	_	_	_

Если Вы решили подавать углекислый газ, то воспользуйтесь этой таблицей для определения оптимального значения рН. Выберите столбец, соответствующий карбонатной жесткости воды в Вашем аквариуме. Отрегулируйте поступление СО 2 так, чтобы величина рН попадала в интервал между красными и зелеными цифрами. К примеру, если КН в аквариуме равен 4, то интервал дупустимых значений рН составит 6,7 - 7,3 . При рН= 6,7 концентрация углекислого газа в воде будет около 28 мг/л - это почти предельная величина для рыбок и очень комфортная для растений. Если концентрацию СО 2 еще немного увеличить (значение рН при этом станет меньше, чем "красная" цифра), то рыбки могут погибнуть. При рН=7,3 рыбкам, даже самым нежным, не грозит отравиться углекислым газом, так как его содержание будет для них абсолютно безопасным: всего лишь около 7 мг/л. Этой концентрации достаточно и для выживания растений, однако бурного роста они демонстрировать не будут. А вот при значениях показателя рН из середины интервала допустимых значений, например при 6,9 (концентрация СО2 будет при этом примерно 17 мг/л), отлично будут себя чувствовать и рыбы, и растения. Поддерживать такие значения как раз и нужно стремиться. Для этого уменьшают подачу СО 2 , если величина рН стремится к нижней границе и увеличивают , если она приближается к верхней . В ходе светового дня активная реакция воды обычно постепенно изменяется, так как количество подаваемого углекислого газа редко точно соответствует потребностям растений: концентрация газа или медленно растет, или падает. Исходная настройка на середину интервала будет способствавать тому, чтобы величина рН не выскочила за его границы. Если подача СО 2 регулируется рН-контроллером, автоматически перекрывающим подачу углекислого газа при снижении рН до заранее заданного уровня, то этот уровень должен быть выставлен так, чтобы он не был ниже допустимого для рыб (красные цифры в таблице). Использование рН-контроллера наиболее эффективно и безопасно, но сам он стоит относительно дорого, а входящий в комплект рН-электрод нуждается в ежемесячной калибровке.

Организовать подачу СО 2 в аквариум можно не только с помощью баллона, наполненного СО 2 , но также и с помощью специальных таблеток, помещаемых в аквариум в особом устройстве (Производство SERA), с помощью брагогенератора, с помощью электронного устройства, вырабатывающего углекислый газ из угольного картриджа и еще одного нехитрого устройства. В простейшем варианте с целью насыщения воды углекислым газом можно в начале светового дня подливать в аквариум слабоминерализованную газированную воду (естественно без пищевых добавок!). В небольших аквариумах это может дать видимый положительный эффект.

В таблице также указаны величины рН, которые при заданной карбонатной жесткости приобретает хорошо аэрируемая вода в комнатном аквариуме ("естественный" уровень рН), в том случае если он умеренно заселен рыбами и если окисляемость воды в нём не высока. Иными словами, если подачу углекислого газа в аквариум вдруг прекратить, а аэрацию включить "на полную", то можно ожидать, что рН воды в течение нескольких часов возрастет примерно до этих величин. Как видно из таблицы, перепад от нижней границы допустимого интервала до "естественного" уровня рН примерно равен 1. Для нежных видов креветок, рыбок и растений он может оказаться слишком сильным и, если не вызовет их гибель, то угнетающее действие окажет. Автоматический контроллер рН таких перепадов не допускает, но если контроллера нет, то они вполне вероятны. Поэтому, если на ночь Вы прекращаете подавать СО 2 в аквариум и включаете аэрацию, то будьте осторожны: рН может слишко резко вырасти. Чтобы этого не допустить, не настраивайте подачу углекислого газа так, чтобы величина показателя рН была вблизи нижней ("красной") границы допустимого интервала, ведь вполне достаточно держаться его середины и тогда перепад дневных и ночных значений рН не превысит 0,5, что совершенно безопасно. Сильная аэрация ночью также далеко не всегда бывает нужна. Но только наблюдения за аквариумом позволят установить необходима ли она (во многих случаях потока воды от помпы фильтра вполне хватает для обеспечения достаточного газообмена).
Цифры в последней строке этой таблицы - это рН воды заданной карбонатной жесткости, находящейся в равновесии с парциальным давлением СО 2 в атмосфере. 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. Это обеспечивает большее, чем в естественных условиях, содержание СО 2 в воде аквариумов и вода в них при той же карбонатной жесткости оказывается более кислой.
Теперь разберем еще один важный вопрос: при каких исходных значениях рН воды в аквариуме в него можно подавать углекислый газ? Для этого вновь обратимся к рисунку 1 и нашей полезной табличке. Вспомним, что у гольная кислота, которая образуется при растворении атмосферного углекислого газа в воде, снижает рН дистиллированной воды, КН которой близко к 0, 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. Как видно из рисунка, при величинах рН, больших 8,4 в воде присутствуют карбонатные ионы(CO 3 2- ), которые реагируя со свободным углекислым газом, будут переводить его полусвязанную форму (HCO 3 - ), недоступную для нежных видов аквариумных растений. Мы будем расходовать углекислый газ зря. По этой же причине не подойдут для аквариума-травника и " " грунты. Подавая в аквариум с таким грунтом углекислый газ, мы опять же будем его расходовать на образование гидрокарбонатных ионов - HCO 3 - . Кроме того, высокие значения рН в принципе угнетают жизнедеятельность многих видов аквариумных растений, но зато отлично способствуют . Если у Вас дома из-под крана идет вода с высоким значением рН и, следовательно, с высокой карбонатной жесткостью, то для аквариума-травника с дополнительной подачей углекислого газа она не подходит. Придется использовать установку обратного осмоса для снижения ее минерализации и о том, как это сделать .

Итак, вода с высоким значением рН не подходит. А с низким? Тоже не подходит, так как при этом и карбонатная жесткость также слишком низкая. Объясним почему и это плохо. Из рисунка видно, что при рН=6,4 концентрации свободного углекислого газа и гидрокарбонатного иона примерно равны и они при низкой "карбонатке" совсем невелики - это хорошо видно из таблички: КН=0,5 , рН=6,4 , а содержание СО 2 при этом всего 6 мг/л - этого достаточно лишь для выживая нежных растений. Насыщение воды углекислотой до комфортной для них концентрации 28 мг/л приведет к падению рН до 5,8. Для многих рыб такое значение показателя рН - опасный предел - ниже падать уже нельзя, иначе из-за рыбы начнут испытывать недостаток кислорода и погибать. Однако вся штука в том, что при низкой карбонатной жесткости упасть ниже этого предела до чрезвычайности просто: легкая передозировка СО 2 и все!
Таким образом, теория подсказывает нам, что диапазон значений карбонатной жесткости, наиболее подходящий для аквариума-травника с дополнительной подачей углекислого газа лежит в пределах 2-4 о КН. Это же подтверждено и практическим опытом аквариумистов. Теория и практика в этом вопросе единодушны. Действительно, при оптимальных для рыб и растений концентрациях СО 2 , (это 15 - 20 мг/л), значения показателя рН будут в пределах 6,6 - 6,7 , если больше заботиться о растениях нежели о рыбках, то можно опустить рН и до 6,4. Такая величина рН еще не вызовет отравления () у рыб, подходящих для травника с СО 2 , некомфортна для водорослей и хороша для многих аквариумных растений.

Видео 1. Пример из жизни аквариумной. Аквариум на 300 л с красными неонами, отоцинклюсами, креветками вишнями и "Аманками", там еще и апистограммы Виджета есть (в кадр не попали). Карбонатная жесткость воды в этом аквариуме ниже, чем оптимальная для подачи углекислого газа, и это ограничивает максимально допустимую концентрацию СО 2 величиной 14 мг/л. При карбонатной жесткости KH=1 я не рискую более увеличивать содержание СО2, так как это привело бы к падению показателя рН ниже значения 6,4. Красные неоны легко бы это понижение пережили, а вот в отношении других обитаталелей аквариума у меня такой уверенности нет. Но надо признать, что и 14 мг/л очень хорошо способствует росту растений, хотя "пузыряет" только нимфея, на ротале "Вьетнам" пузырей почти нет. Для того, чтобы они появились, надо еще чуть-чуть подбавить газку..., но нельзя. Будь КН=2, при рН=6,4 содержание углекислого газа составило бы уже 28 мг/л. При такой концентрации роталы пузыряли бы вовсю. СО 2 в этом аквариуме растворяется при помощи флиппера от Деннерле () - "лесенки" , которая работает очень эффективно.

Какое оборудование нужно для подачи углекислого газа в аквариум? Тут лучше всего обратиться к практическому опыту наших форумчан. Читайте:

* 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. О конкретных моделях аквариумов с правильными пропорциями можно прочитать .

** 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.

. Это СО2-система для аквариумов объемом до 120 л. В комплекте: реакционный баллон для производства СО2 с контролируемым гелем, стартовая капсула, термоконтейнер, реактор СО2 Dennerle Mini-Flipper, СО2-шланг, счетчик пузырьков, комплект удобрений Dennerle PerfectPlant SystemSet.

В таблице представлены теплофизические свойства углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры и давления. Свойства в таблице указаны при температуре от 273 до 1273 К и давлении от 1 до 100 атм.

Рассмотрим такое важное свойство углекислого газа, как .
Плотность углекислого газа равна 1,913 кг/м 3 при нормальных условиях (при н.у.). По данным таблицы видно, что плотность углекислого газа существенно зависит от температуры и давления — при росте давления плотность CO 2 значительно увеличивается, а при повышении температуры газа — снижается. Так, при нагревании на 1000 градусов плотность углекислого газа уменьшается в 4,7 раза.

Однако, при увеличении давления углекислого газа, его плотность начинает расти, причем значительно сильнее, чем снижается при нагреве. Например при давлении и температуре 0°С плотность углекислого газа вырастает уже до значения 20,46 кг/м 3 .

Необходимо отметить, что рост давления газа приводит к пропорциональному увеличению значения его плотности, то есть при 10 атм. удельный вес углекислого газа в 10 раз больше, чем при нормальном атмосферном давлении.

В таблице приведены следующие теплофизические свойства углекислого газа:

плотность углекислого газа в кг/м 3 ;
удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
, Вт/(м·град);
динамическая вязкость, Па·с;
температуропроводность, м 2 /с;
кинематическая вязкость, м 2 /с;
число Прандтля.

Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!

Теплофизические свойства углекислого газа CO 2 при атмосферном давлении

В таблице даны теплофизические свойства углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры (в интервале от -75 до 1500°С) при атмосферном давлении. Даны следующие теплофизические свойства углекислого газа:

, Па·с;
коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
число Прандтля.

По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность и динамическая вязкость углекислого газа также увеличиваются. Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!

Теплопроводность углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры и давления

теплопроводности углекислого газа CO 2 в интервале температуры от 220 до 1400 К и при давлении от 1 до 600 атм. Данные выше черты в таблице относятся к жидкому CO 2 .

Следует отметить, что теплопроводность сжиженного углекислого газа при увеличении его температуры снижается , а при увеличении давления — растет. Углекислый газ (в газовый фазе) становится более теплопроводным, как при увеличении температуры, так и при росте его давления.

Теплопроводность в таблице дана в размерности Вт/(м·град). Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

Теплопроводность углекислого газа CO 2 в критической области

В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO 2 в критической области в интервале температуры от 30 до 50°С и при давлении .
Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000! Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Теплопроводность диссоциированного углекислого газа CO 2 при высоких температурах

В таблице представлены значения теплопроводности диссоциированного углекислого газа CO 2 в интервале температуры от 1600 до 4000 К и при давлении от 0,01 до 100 атм. Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

В таблице представлены значения теплопроводности жидкого углекислого газа CO 2 на линии насыщения в зависимости от температуры.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Цели:

Расширить представления об истории открытия, свойствах и практическом применении углекислого газа.
Познакомить учащихся с лабораторными способами получения углекислого газа.
Продолжить формирование экспериментальных навыков учащихся.

Используемые приемы: “верные и неверные утверждения”, “зигзаг-1”, кластеры.

Лабораторное оборудование: лабораторный штатив, прибор для получения газов, стакан на 50 мл, кусочки мрамора, соляная кислота (1:2), известковая вода, зажим Мора.

I. Стадия вызова

На стадии вызова используется прием “верные и неверные утверждения”.

Утверждения

II. Стадия осмысления

1. Организация деятельности в рабочих группах, участники которых получают тексты по пяти основным темам “зигзага”:

История открытия углекислого газа
Углекислый газ в природе
Получение углекислого газа
Свойства углекислого газа
Практическое применение углекислого газа

Идет первоначальное знакомство с текстом, первичное чтение.

2. Работа в экспертных группах.

В экспертные группы объединяются “специалисты” по отдельным вопросам. Их задача – внимательное чтение текста, выделение ключевых фраз и новых понятий либо использование кластеров и различных схем для графического изображения содержания текста (работа ведется индивидуально).

3. Отбор материала, его структурирование и дополнение (групповая работа)

4. Подготовка к трансляции текста в рабочих группах

1-я группа экспертов составляет опорный конспект “История открытия углекислого газа”
2-я группа экспертов составляет схему распространения углекислого газа в природе
3-я группа экспертов составляет схему получения углекислого газа и рисунок установки для его получения
4-я группа экспертов составляет классификацию свойств углекислого газа
5-я группа экспертов составляет схему практического применения углекислого газа

5. Подготовка к презентации (плакат)

III. Стадия рефлексии

Возвращение в рабочие группы

Трансляция в группе тем 1–5 последовательно. Сбор установки для получения углекислого газа. Получение углекислого газа и исследование его свойств.
Обсуждение результатов эксперимента.
Презентация отдельных тем.
Возвращение к “верным и неверным утверждениям”. Проверка своих первоначальных предположений. Расстановка новых значков.

Это может выглядеть так:

Утверждения
1. Углекислый газ – это “дикий газ”.
2. В морях и океанах содержится в 60 раз больше углекислого газа, чем в земной атмосфере.
3. Природные источники углекислого газа называются мофетами.
4. В окрестностях Неаполя находится “Собачья пещера”, в которой не могут находиться собаки.
5. В лабораториях углекислый газ получают действием серной кислоты на куски мрамора.
6. Углекислый газ – это газ без цвета и запаха, легче воздуха, хорошо растворим в воде.
7. Твёрдый углекислый газ получил название “сухого льда”.
8. Известковая вода – это раствор гидроксида кальция в воде.

Тексты по пяти основным темам “зигзага”

1. История открытия углекислого газа

Углекислый газ был первым между всеми другими газами противопоставлен воздуху под названием “дикого газа” алхимиком XVI в. Вант Гельмонтом.

Открытием СО 2 было положено начало новой отрасли химии – пневматохимии (химии газов).

Шотландский химик Джозеф Блэк (1728 – 1799 г.г.) в 1754 году установил, что известковый минерал мрамор (карбонат кальция) при нагревании разлагается с выделением газа и образует негашеную известь (оксид кальция):

CaCO 3 CaO + CO 2
карбонат кальция оксид кальция углекислый газ

Выделяющийся газ можно было вновь соединить с оксидом кальция и вновь получить карбонат кальция:

CaO + CO 2 CaCO 3
оксид кальция углекислый газ карбонат кальция

Этот газ был идентичен открытому Ван Гельмонтом “дикому газу”, но Блэк дал ему новое название – “связанный воздух” – так как этот газ можно было связать и вновь получить твердую субстанцию, а также он обладал способностью притягиваться известковой водой (гидроксидом кальция) и вызывать её помутнение:

углекислый газ гидроксид кальция карбонат кальция вода

Несколько лет спустя Кавендиш обнаружил еще два характерных физических свойства углекислого газа – его высокую плотность и значительную растворимость в воде.

2. Углекислый газ в природе

Содержание углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, всего 0,04–0,03% (по объему). CO 2 , сосредоточенный в атмосфере, имеет массу 2200 биллионов тонн.
В 60 раз больше углекислого газа содержится в растворенном виде в морях и океанах.
В течение каждого года из атмосферы извлекается примерно 1/50 часть всего содержащегося в ней CO 2 растительным покровом земного шара в процессе фотосинтеза, превращающего минеральные вещества в органические.
Основная масса углекислого газа в природе образуется в результате различных процессов разложения органических веществ. Углекислый газ выделяется при дыхании растений, животных, микроорганизмов. Непрерывно увеличивается количество углекислого газа, выделяемого различными производствами. Углекислый газ содержится в составе вулканических газов, выделяется он и из земли в вулканических местностях. Несколько столетий функционирует в качестве постоянно действующего генератора CO 2 “Собачья пещера” вблизи города Неаполя в Италии. Она знаменита тем, что собаки в ней не могут находиться, а человек может там пребывать в нормальном состоянии. Дело в том, что в этой пещере углекислый газ выделяется из земли, а так как он в 1,5 раза тяжелее воздуха, то располагается внизу, примерно на высоте роста собаки (0,5 м). В таком воздухе, где углекислого газа 14% , собаки (и другие животные, разумеется) дышать не могут, но стоящий на ногах взрослый человек не ощущает избытка углекислого газа в этой пещере. Такие же пещеры существуют в Йеллоустонском национальном парке (США).
Природные источники углекислого газа называются мофетами. Мофеты характерны для последней, поздней стадии затухания вулканов в которой находится, в частности, знаменитый вулкан Эльбрус. Поэтому там наблюдаются многочисленные выходы пробивающихся сквозь снега и льды горячих источников, насыщенных углекислым газом.
Вне земного шара оксид углерода (IV) обнаружен в атмосферах Марса и Венеры – планетах “земного типа”.

3. Получение углекислого газа

В промышленности углекислый газ получается главным образом как побочный продукт обжига известняка спиртового брожения и др.
В химических лабораториях либо пользуются готовыми баллонами с жидким углекислым газом, либо получают CO 2 в аппаратах Киппа или приборе для получения газов действием соляной кислоты на куски мрамора:

CaCO 3 + 2HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O
карбонат кальция соляная кислота хлорид кальция углекислый газ вода

Пользоваться серной кислотой вместо соляной при этом нельзя, потому что тогда вместо растворимого в воде хлорида кальция получался бы гипс – сульфат кальция (CaSO 4) – соль, малорастворимая в воде. Отлагаясь на кусках мрамора, гипс крайне затрудняет доступ к ним кислоты и тем самым очень замедляет течение реакции.
Для получения углекислого газа:

Закрепите в лапке лабораторного штатива прибор для получения газов
Выньте из пробирки с отростком пробку с воронкой
Поместите в насадку 2–3 кусочка мрамора величиной? горошины
Вставьте пробку с воронкой в пробирку снова. Откройте зажим
Прилейте в воронку (осторожно!) соляную кислоту (1:2) так, чтобы кислота слегка покрывала мрамор
Наполните оксидом углерода (IV) химический стакан и закройте зажим.

4. Свойства углекислого газа

CO 2 – это бесцветный газ, не имеет запаха, тяжелее воздуха в 1,5 раза, с трудом смешивается с ним (по выражению Д.И. Менделеева, “тонет” в воздухе), что можно доказать следующим опытом: над стаканом, в котором закреплена горящая свечка, опрокидывают стакан, наполненный углекислым газом. Свечка мгновенно гаснет.
Оксид углерода (IV) обладает кислотными свойствами и при растворении этого газа в воде образуется угольная кислота. При пропускании CO 2 через подкрашенную лакмусом воду можно наблюдать изменение цвета индикатора с фиолетового на красный.
Хорошая растворимость углекислого газа в воде делает невозможным собирание его методом “вытеснения воды”.
Качественной реакцией на содержание углекислого газа в воздухе является пропускание газа через разбавленный раствор гидроксида кальция (известковую воду). Углекислый газ вызывает образование в этом растворе нерастворимого карбоната кальция, в результате чего раствор становится мутным:

CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O
углекислый газ гидроксид кальция карбонат кальция вода

При добавлении избыточного количества CO2 мутный раствор снова становится прозрачным из-за превращения нерастворимого карбоната в растворимый гидрокарбонат кальция:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3) 2
карбонат кальция вода углекислый газ гидрокарбонат кальция

5. Практическое применение углекислого газа

Прессованный твердый углекислый газ получил название “сухого льда”.
Твердый CO 2 скорее похож на спрессованный плотный снег, по твердости напоминающий мел. Температура “сухого льда” –78 о С. Сухой лед, в отличие от водяного льда, плотный. Он тонет в воде, резко охлаждая её. Горящий бензин можно быстро потушить, бросив в пламя несколько кусочков сухого льда.
Главное применение сухого льда – хранение и перевозка продуктов питания: рыбы, мяса, мороженого и др. Ценность сухого льда заключается не только в его охлаждающем действии, но и в том, что продукты в углекислом газе не плесневеют и не гниют.
Сухим льдом испытывают в лабораториях детали, приборы, механизмы, которые будут служить в условиях пониженных температур. С помощью сухого льда испытывают морозоустойчивость резиновых покрышек автомобилей.
Углекислый газ применяют для газирования фруктовых и минеральных вод, а в медицине – для углекислотных ванн.
Жидкий углекислый газ используют в углекислотных огнетушителях, огнетушительных системах самолетов и кораблей и в пожарных углекислотных машинах. Он особенно эффективен в тех случаях, когда вода непригодна, например, при тушении загоревшихся огнеопасных жидкостей или при наличии в помещении невыключенной электропроводки или уникального оборудования, которое от воды может пострадать.
Во многих случаях CO 2 используют не в готовом виде, а получают в процессе использования, например, хлебопекарных порошков, содержащих смесь бикарбоната натрия с кислым виннокислым калием. При смешивании таких порошков с тестом соли растворяются и возникает реакция с выделением CO 2 . В результате тесто всходит, наполняясь пузырьками углекислого газа, и выпеченный из него продукт получается мягким и вкусным.

Литература

Перемена // Международный журнал о развитии мышления через чтение и письмо. – 2000. – №№ 1, 2.
Современный студент в поле информации и коммуникации: Учебно-методическое пособие. – СПб.: PETROC, 2000.
Загашев И.О., Заир-Бек С.И. Критическое мышление: технология развития. – СПб.: Издательство “Альянс “Дельта”, 2003.

Газировка, вулкан, Венера, рефрижератор – что между ними общего? Углекислый газ. Мы собрали для Вас самую интересную информацию об одном из самых важных химических соединений на Земле.

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Углекислый газ в природе: естественные источники

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

Дыхание животных и растений.
Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки . Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
Вулканическая деятельность.
Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
Разложение органических веществ.
Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

Искусственные источники углекислого газа

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
автомобильный транспорт.

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Углекислый газ и мы: чем опасен СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых , уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически , мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от , который разрушает клетки нашего организма.

Углекислый газ в атмосфере Земли

В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.