Каковы физические свойства углекислого газа. Физические и химические свойства углекислого газа

Многим аквариумистам известны рекомендации по использованию для размножения рыб воды, более мягкой и кислой, по сравнению с аквариумной. Удобно пользоваться для этой цели дистиллированной водой, мягкой и слабокислой, смешивая ее с водой из аквариума. Но оказывается, что при этом жесткость исходной воды уменьшается пропорционально разведению, а рН практически не изменяется. Свойство сохранять значение показателя рН независимо от степени разведения, называется буферностью. В этой статье мы познакомимся с основными компонентами буферных систем аквариумной воды: кислотностью воды - рН , содержанием углекислого газа - СО 2 , карбонатной «жесткостью» - dКН (эта величина показывает содержание в воде гидрокарбонат-ионов НСО 3 - ; в рыбохозяйственной гидрохимии этот параметр называют щелочностью), общей жесткостью – dGН (для упрощения принимается, что ее составляют только ионы кальция – Са ++ ). Обсудим их влияние на химический состав природной и аквариумной воды, собственно буферные свойства, а также механизм воздействия рассматриваемых параметров на организм рыб. Большинство химических реакций, рассматриваемых ниже, являются обратимыми, поэтому вначале важно познакомиться с химическими свойствами обратимых реакций; это удобно сделать на примере воды и показателя рН.

• 6. СО 2 и физиология дыхания аквариумных рыб
• 7. Мини-практикум
• 8. Использованная литература

1. О ХИМИЧЕСКИХ РАВНОВЕСИЯХ, ЕДИНИЦАХ ИЗМЕРЕНИЯ И pН

Вода является хотя и слабым, но все же электролитом, т. е. способна к диссоциации, описываемой уравнением

Н 2 О ↔Н + +ОН -

Этот процесс обратим, т.е.

Н + +ОН - ↔Н 2 О

C химической точки зрения ион водорода Н + всегда является кислотой. Ионы, способные связывать, нейтрализовывать кислоту (Н + ), являются основаниями. В нашем примере это – гидроксил-ионы (ОН - ), но в аквариумной практике, как будет показано ниже, доминирующим основанием является гидрокрабонат-ион НСО 3 - , ион карбонатной «жесткости». Обе реакции протекают с вполне измеримыми скоростями, определяемыми концентрацией: скорости химических реакций пропорциональны произведению концентраций реагирующих веществ. Так для обратной реакции диссоциации воды Н + +ОН - >Н 2 О ее скорость выразится следующим образом:

V обр = К обр [Н + ]

К – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции .
-квадратные скобки обозначают молярную концентрацию вещества , т.е. количество молей вещества в 1 литре раствора. Моль можно определить как вес в граммах (или объем в литрах - для газов) 6 10 23 частиц (молекул, ионов) вещества - число Авогадро. Число, показывающее вес 6 10 23 частиц в граммах равно числу, показывающему вес одной молекулы в дальтонах.

Так, например, выражение обозначает молярную концентрацию водного раствора … воды. Молекулярный вес воды составляет 18 дальтон (два атома водорода по 1д, плюс атом кислорода 16д), соответственно 1 моль (1М) Н 2 О – 18 грамм. Тогда 1 литр (1000 грамм) воды содержит 1000:18=55,56 молей воды, т.е. =55,56М=const .

Поскольку диссоциация – процесс обратимый (Н 2 О- Н + +ОН - ), то при условии равенства скоростей прямой и обратной реакции (V пр =V обр ), наступает состояние химического равновесия, при котором продукты реакции и реагирующие вещества находятся в постоянных и определенных соотношениях: К пр = K обр . Если константы объединить в одной части уравнения, а реагенты в другой, то получим

К пр /К обр = / = К

где К также является постоянной величиной и называется константой равновесия .

Последнее уравнение является математическим выражением т.н. закона действия масс: в состоянии химического равновесия отношение произведений равновесных концентраций реагентов является постоянной величиной. Константа равновесия показывает, при каких пропорциях реагентов наступает химическое равновесие. Зная значение К , можно предсказать направление и глубину протекания химической реакции. Если К>1 , реакция протекает в прямом направлении, если К<1 – в обратном. Используя константу равновесия, с химическими уравнениями можно обращаться как с алгебраическими и производить соответствующие вычисления. Точность их не очень высока, но они относительно просты и наглядны, что позволяет глубже понять смысл рассматриваемых процессов. Численное значение константы равновесия индивидуально и постоянно для каждой обратимой химической реакции. Оно определяется экспериментально, и эти значения приводятся в химических справочниках.

В нашем примере К = / = 1,8 10 -16 . Поскольку =55,56 =const , то ее можно объединить с К в левой части уравнения. Тогда:

К==(1,8 10 -16) (55,56)=1 10 -14 = const. = К w

Преобразованное в такую форму уравнение диссоциации воды называется ионным произведением воды и обозначается К w . Значение К w остается постоянным при любых значениях концентраций Н + и ОН - , т.е. с увеличением концентрации ионов водорода Н + , уменьшается концентрация ионов гидроксила – ОH - и наоборот. Так, например, если = 10 -6 , то = K w / = (10 -14)/(10 -6)=10 -8 . Но К w = (10 -6) . (10 -8) =10 -14 = const . Из ионного произведения воды следует, что в состоянии равновесия = = √К w = √1 10 -14 = 10 -7 М .

Однозначность связи между концентрацией ионов водорода и гидроксила в водном растворе позволяет для характеристики кислотности или щелoчности среды пользоваться одной из этих величин. Принято пользоваться величинoй концентрации ионов водорода Н + . Поскольку величинами порядка 10 -7 оперировавть неудобно, в 1909 году шведский химик К.Серензен предложил использовать для этой цели отрицательный логарифм концентрации водородных ионов Н + и обозначил его рН , от лат. potentia hydrogeni – сила водорода: рН = -lg . Тогда выражение =10 - 7 можно записать коротко как pH=7 . Т.к. предложенный параметр не имеет единиц измерения, он называется показателем (рН ). Удобство предложения Серензона вроде бы очевидно, но он подвергался критике современников за непривычную обратную зависимость между концентрацией ионов водорода Н + и значением показателя рН : с увеличением концентрации Н + , т.е. с увеличением кислотности раствора, значение показателя рН уменьшается. Из ионного произведения воды следует, что показатель рН может принимать значения от 0 до 14 с точкой нейтральности рН=7 . Органы вкуса человека начинают различать кислый вкус со значения показателя рН=3,5 и ниже.

Для аквариумистики актуален диапазон рН 4,5-9,5 (ниже будет рассматриваться только он) и традиционно принята следующая шкала с непостоянной ценой деления:

• рН<6 -кислая
• рН 6,0-6,5 – слабокислая
• рН 6,5-6,8 – очень слабокислая
• рН 6,8-7,2 –нейтральная

рН 7,2-7,5 – очень слабощелочная

рН 7,5-8,0 - слабощелочная

рН>8 – щелочная

На практике в большинстве случаев гораздо информативнее оказывается более грубая шкала с постоянной ценой деления:

• рН=5±0,5 – кислая
• рН=6±0,5 – слабокислая
• рН=7±0,5 – нейтральная
• рН=8±0,5 – слабощелочная
• рН>8,5 – щелочная

Среды с рН<4,5 и рН>9,5 являются биологически агрессивными, и их следует считать непригодными для жизни обитателей аквариума. Поскольку показатель рН является логарифмической величиной, то изменение рН на 1 единицу означает изменение концентрации ионов водорода в 10 раз, на 2 – в 100 раз и т.д.. Изменение концентрации Н + вдвое приводит к изменению значения показателя рН лишь на 0,3 единицы.

Многие аквариумные рыбы без особого вреда для здоровья переносят и 100-кратные (т.е. на 2 единицы рН ) изменения кислотности воды. Разводчики харациновых и других т.н. мягководных рыб, перекидывают производителей из общего аквариума (часто со слабощелочной водой) в нерестовик (со слабокислой) и обратно без промежуточной адаптации. Практика также показывает, что большинство обитателей биотопов с кислой водой в неволе лучше чувствует себя в воде с рН 7,0-8,0 . С. Спотт считает рН 7,1-7,8 оптимальным для пресноводного аквариума.

Дистиллированная вода имеет рН 5,5–6,0 , а не ожидаемое рН=7 . Чтобы разобраться с этим парадоксом, необходимо познакомиться с «благородным семейством»: СО 2 и его производными.

2. СО2 СО ТОВАРИЩИ, pН, И СНОВА ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Согласно закону Генри содержание газа воздушной смеси в воде пропорционально его доле в воздухе (парциальному давлению) и коэффициенту абсорбции. Воздух содержит до 0,04% СО 2 , что соответствует его концентрации до 0,4 мл/л. Коэффициент абсорбции СО 2 водой=12,7. Тогда 1 литр воды может растворить 0,6 – 0,7 мл СО 2 (мл, а не мг!). Для сравнения, его биологический антипод – кислород, при 20%-ном содержании в атмосфере и коэффициенте абсорбции 0,05 обладает растворимостью 7 мл/л. Сравнение коэффициентов абсорбции показывает, что при прочих равных растворимость СО 2 значительно превышает растворимость кислорода. Попробуем разобраться, за что же такая несправедливость.

В отличие от кислорода и азота, углекислый газ - СО 2 , является не простым веществом, а химическим соединением – оксидом. Как и другие оксиды, он взаимодействует с водой с образованием гидратов оксидов и, как и у других неметаллов, его гидроксидом является кислота (угольная):

СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3 .

В итоге большей относительной растворимостью углекислый газ обязан химическому связыванию его водой, чего не происходит ни с кислородом, ни с азотом. Рассмотрим внимательнее кислотные свойства угольной кислоты, применив закон действия масс и приняв во внимание, что = const :

СО 2 +Н 2 О=Н + +НСО 3 - ; К 1 = [Н + ]/ = 4 10 -7
НСО 3 - =Н + +СО 3 -- ; К 2 = / = 5,6 10 -11

здесь К 1 и К 2 – константы диссоциации угольной кислоты по 1 и 2-ой ступени.

Ионы НСО 3 - называются гидрокарбонатами (в старой литературе бикарбонатами), а ионы СО 3 -- - карбонатами. Порядок величин К 1 и К 2 говорит о том, что угольная кислота является весьма слабой кислотой (К 1 <1 и К 2 <1 ), а сравнение величин К 1 и К 2 – о том, что в ее растворе доминируют гидрокарбонат-ионы (К 1 >К 2 ).

Из уравнения К 1 можно рассчитать концентрацию ионов водорода Н + :

= K 1 /

Если выразить концентрацию Н + через рН , как это в свое время сделали Хендерсон и Хассельбальх для теории буферных растворов, то получим:

рН = рК 1 – lg/
или удобнее
рН = рК 1 + lg/

где, по аналогии с рН , рК 1 = -lgК 1 =-lg4 10 -7 = 6,4 = const . Тогда pH=6,4 + lg/ . Последнее уравнение известно как уравнение Хендерсона – Хассельбальха. Из уравнения Хендерсона – Хассельбальха следуют по крайней мере два важных вывода. Во-первых, для анализа величины показателя рН необходимо и достаточно знания концентраций компонентов только СО 2 -системы. Во-вторых, значение показателя рН определяется отношением концентраций / , а не наоборот.

Поскольку содержание неизвестно, для вычисления концентрации Н + в дистиллированной воде можно воспользоваться принятой в аналитической химии формулой = √K 1 . Тогда рН = -lg√K 1 . Чтобы оценить интересующую нас величину показателя рН , вернемся к единицам измерения. Из закона Генри известно, что концентрация СО 2 в дистиллированной воде составляет 0,6мл/л. Выражение означает молярную концентрацию (см. выше) углекислого газа. 1М СО 2 весит 44 грамма, и при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Тогда для решения задачи необходимо определить, какую долю от 1М, т.е. от 22,4 литров, составляют 0,6 мл. Если концентрация СО 2 выражена не в объемных, а в весовых единицах, т.е. в мг/л, то искомую долю необходимо считать от молярного веса СО 2 – от 44 грамм. Тогда искомая величина составит:

= x 10 -3 /22,4 = y 10 -3 /44

где х – объемная (мл/л), у – весовая (мг/л) концентрация СО 2 . Простейшие вычисления дают приблизительную величину 3 10 -5 М СО 2 , или 0,03mM. Тогда

рН = -lg√K 1 = -lg√(4 10 -7)(3 10 -5) = -lg√12 10 -12 = -lg(3,5 10 -6) = 5,5

что вполне согласуется с измеряемыми значениями.

Из уравнения Хендерсона-Хассельбальха видно, как величина показателя рН зависит от отношения [НСO 3 - ]/[СО 2 ] . Приблизительно можно считать, что если концентрация одного компонента превышает концентрацию другого в 100 раз, то последней можно пренебречь. Тогда при [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1/100 рН = 4,5 , что можно считать нижним пределом для СО 2 -системы. Меньшие значения показателя рН обусловлены присутствием не угольной, а других минеральных кислот, например серной, соляной. При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1/10 , рН = 5,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1 , или [НСО 3 - ] = [СО 2 ] , рН = 6,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 10 , рН = 7,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] =100 , рН = 8,5 . Считается, что при рН>8,3 (точка эквивалентности фенолфталеина) свободная углекислота в воде практически отсутствует.

3. ПРИРОДНАЯ ВОДА И УГЛЕКИСЛОТНОЕ РАВНОВЕСИЕ

В природе атмосферная влага, насыщаясь СО 2 воздуха и выпадая с осадками, фильтруется через геологическую кору выветривания. Принято считать, что там она, взаимодействуя с минеральной частью коры выветривания, обогащается т.н. типоморфными ионами: Ca ++ , Mg ++ , Na + , SO 4 -- , Сl - и формирует свой химический состав.

Однако работами В.И. Вернадского и Б.Б. Полынова показано, что химический состав поверхностных и грунтовых вод регионов с влажным и умеренно влажным климатом формирует в первую очередь почва. Влияние же коры выветривания связано с ее геологическим возрастом, т.е. со степенью выщелоченности. Разлагающиеся растительные остатки поставляют в воду СО 2 , НСО 3 - и зольные элементы в пропорции, соответствующей их содержанию в живом растительном веществе: Cа>Na>Mg . Любопытно, что практически во всем мире питьевая вода, используемая и в аквриумистике, в качестве доминирующего аниона содержит гидрокарбонат-ион НСО 3 - , а из катионов – Ca ++ , Na + , Mg ++ , нередко с некоторой долей Fe . А поверхностные воды влажных тропиков вообще удивительно однообразны по химическому составу, отличаясь лишь степенью разведения. Жесткость таких вод крайне редко достигает значений (8 ° dGH ), удерживаясь обычно на уровне до 4 °dGН . Ввиду того, что в таких водах = , они имеют слабокислую реакцию и значение показателя рН 6,0-6,5 . Обилие листового опада и активно идущее его разрушение при большом количестве осадков могут приводить к весьма высокому содержанию в таких водах СО 2 и гумусовых веществ (фульвокислот) при почти полном отсутствии зольных элементов. Таковы т.н. «черные воды» Амазонии, в которых значение показателя рН может опускаться до 4,5 и дополнительно удерживаться т.н. гуматным буфером.

В засушливых и бедных растительностью регионах на формирование ионного состава поверхностных вод заметное влияние оказывает геологический возраст горных пород, слагающих кору выветривания и их химический состав. В них рН и пропорции типоморфных ионов будут отличаться от приведенных выше. В результате формируются воды с заметным содержанием SО 4 - и Сl - , а из катионов могут преобладать Nа + с заметной долей Mg ++ . Возрастает и общее содержание солей – минерализация. В зависимости от содержания гидрокарбонатов, значение показателя рН таких вод колеблется в среднем от рН 7±0,5 до рН 8±0,5 , а жесткость всегда выше 10 °dGH . В стабильно щелочных водах, при рН>9 , основными катионами всегда будут Mg ++ и Na + с заметным содержанием калия, поскольку Са ++ осаждается в форме известняка. В этом плане особенно интересны воды Великой Африканской рифтовой долины, которая характеризуется т.н. содовым засолением. При этом даже воды таких гигантов, как озера Виктория, Малави и Танганьика отличаются повышенной минерализацией и таким высоким содержанием гидрокарбонатов, что карбонатная «жесткость» в их водах превышает жесткость общую: dKH>dGH.

СО 2 + Н 2 О↔Н + +НСО 3 - ↔2Н + + СО 3 --

В тех регионах, где кора выветривания молодая и содержит известняк (СаСО 3 ), углекислотное равновесие выражается уравнением

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Cа ++ + 2НСО 3 -

Применив к этому уравнению закон действия масс (см. выше) и приняв во внимание, что =const и =const (твердая фаза), получаем:

2 / = К СО2

где К СО2 – константа углекислотного равновесия.

Если концентрации действующих веществ выражены в миллимолях (mM,10 -3 М), то К СО2 = 34,3. Из уравнения К СО2 видна неустойчивость гидрокарбонатов: в отсутствие СО 2 , т.е. при =0 , уравнение не имеет смысла. При отсутствии углекислого газа гидрокарбонаты разлагаются до СО 2 и подщелачивают воду: НСО 3 - →ОН - +СО 2 . Содержание свободной СО 2 (для «неживой» воды весьма незначительное), которое обеспечивает устойчивость данной концентрации гидрокарбонатов при неизменном рН , называется равновесной углекислотой - р . Она связана как с содержанием углекислого газа в воздухе так и с dКН воды: с ростом dКН увеличивается и количество [СО 2 ] р . Содержание СО 2 в природных водах как правило близко к равновесной и именно эта их особенность, а не значения dKH , dGН и рН чаще всего отличает состояние природных вод от аквариумной воды. Решив уравнение К СО2 относительно СО 2 , можно определить концентрацию равновесной углекислоты:

р = 2 /К СО2

Поскольку в пресноводной аквариумистике понятия общей жесткости, карбонатной «жесткости» и кислотности являются культовыми, то интересно, что уравнения:

К 1 = /
и
К СО2 = 2 /

объединяют их в одну систему. Разделив К СО2 на К 1 , получим обобщенное уравнение:

К СО2 /К 1 =/

Напомним, что и рН объединяет обратнопропорциональная зависимость. Тогда последнее уравнение показывает, что параметры: dGH , dKH и рН связаны прямопропорционально. Это значит, что в состоянии, близком к газовому равновесию, увеличение концентрации одного компонента приведет к увеличению концентрации остальных. Данное свойство хорошо заметно при сравнении химического состава природных вод разных регионов: более жесткие воды отличаются более высокими значениями рН и dКН .

Для рыб оптимальное содержание СО 2 составляет 1–5мг/л. Концентрации более 15мг/л опасны для здоровья многих видов аквариумных рыб (см. ниже).

Таким образом, с точки зрения углекислотного равновесия, содержание СО 2 в природных водах всегда близко к р .

4. ОБ АКВАРИУМНОЙ ВОДЕ И ПРОИЗВЕДЕНИИ РАСТВОРИМОСТИ

Аквариумная вода не бывает равновесной по содержанию СО 2 в принципе. Измерение содержания углекислоты с помощью СО 2 -теста позволяет определить общее содержание углекислого газа – общ , значение которого, как правило, превышает концентрацию равновесной углекислоты – общ > р . Это превышение называется неравновесной углекислотой – нер . Тогда

нер = общ – р

Обе формы углекислоты – и равновесная и неравновесная, являются не измеряемыми, а только расчетными параметрами. Именно неравновесный углекислый газ обеспечивает активный фотосинтез водных растений и с другой стороны, может создавать проблемы при содержании отдельных видов рыб. В хорошо сбалансированном аквариуме естественные суточные колебания содержания углекислого газа не приводят к падению его концентрации ниже р и не превышают возможностей буфера аквариумной воды. Как будет показано в следующей главе, амплитуда этих колебаний не должна превышать ±0,5 р . Но при увеличении содержания углекислого газа на более, чем 0,5 р , динамика заявленных компонентов СО 2 -системы – dGH , dKH и рН , будет сильно отличаться от природной: общая жесткость (dGH ) в такой ситуации возрастает на фоне падения значений рН и dКН . Именно такая ситуация в корне может отличать аквариумную воду от природной. Происходит повышение dGH в результате растворения известняка грунта. В такой воде могут затрудняться жизненно важные процессы газообмена в организме рыб, в частности – выведение СО 2 , а формирующиеся ответные патологические процессы часто приводят к ошибкам при оценке ситуации (см ниже). В морских рифовых аквариумах такая вода может растворять свежеосажденный СаСО 3 скелета жестких кораллов, в том числе на месте травмы, что может приводить к отслоению тела полипа от скелета и гибели животного при благополучии аквариума по другим параметрам.

При обилии водных растений, на свету возможна ситуация, когда общ <р . В этом случае растения будут влачить жалкое существование, а вода будет склонна к отложению СаСО 3 , особенно на зрелых листьях. Поэтому в аквариумах для выращивания водных растений рекомендуется поддерживать нер < 3 – 5 мг/л . Последнее неравенство также характерно для морских вод коралловых рифов. В океанологии данная ситуация описывается т.н. индексом насыщенности вод карбонатом кальция. В такой обстановке фотосинтез симбионтных зооксантелл в телах коралловых полипов еще больше усиливает приведенное неравенство, что в итоге приводит к отложению СаСО 3 и росту скелета полипа. К сожалению, в морской аквариумистике этот параметр применения пока не нашел. Ввиду такого важного значения растворимости известняка СаСО 3 , познакомимся с химией этого процесса подробнее.

Как известно, осаждение из раствора кристаллов любого вещества начинается при его т.н. насыщенных концентрациях, когда вода больше не способна вмещать в себе это вещество. Водный раствор над осадком (твердой фазой) всегда будет насыщен ионами вещества, независимо от его растворимости и будет находиться в состоянии химического равновесия с твердой фазой. Для известняка это выразится уравнением: СаСО 3(тв.) =Са ++ +СО 3 -- (р-р) . Применив закон действия масс, получим: (р-р) / (тв.) =К . Поскольку (тв.) =const (твердая фаза), то тогда (р-р) =К . Т.к. последнее уравнение характеризует способность вещества растворяться, то такое произведение насыщенных концентраций ионов трудно растворимых веществ назвали произведением растворимости - ПР (ср. с ионным произведением воды К w ).

ПР СаСО3 = = 5 10 -9 . Как и ионное произведение воды, ПР СаСО3 остается постоянным, независимо от изменения концентраций ионов кальция и карбонатов. Тогда при наличии в аквариумном грунте известняка, в воде всегда будут присутствовать карбонат-ионы в количестве, определяемом ПР СаСО3 и общей жесткостью:

= ПР СаСО3 /

В присутствии в воде неравновесного углекислого газа происходит реакция:

СО 3 -- +СО 2 +Н 2 О=2НСО 3 -

которая понижает насыщающую концентрацию карбонат-ионов [СО 3 -- ] . В результате в соответствии с произведением растворимости, в воду будут поступать компенсаторные количества СО 3 -- из СаСО 3 , т.е. известняк начнет растворяться. Поскольку СО 2 +Н 2 О=Н + +НСО 3 - , смысл приведенного выше уравнения можно сформулировать точнее: СО 3 -- +Н + =НСО 3 - . Последнее уравнение говорит о том, что карбонаты, находящиеся в воде в соответствии с ПР СаСО3 , нейтрализуют кислоту (Н + ), образующуюся при растворении СО 2 , в результате чего рН воды сохраняется неизменным. Таким образом, мы постепенно пришли к тому, с чего начинали разговор:

5. КАРБОНАТНАЯ БУФЕРНАЯ СИСТЕМА

Растворы называют буферными, если они обладают двумя свойствами:

А: Значение показателя рН растворов не зависит от их концентрации, или от степени их разведения.

Б: При добавлении кислоты (Н + ), или щелочи (ОН - ), величина их показателя рН мало изменяется, пока концентрация одного из компонентов буферного раствора не изменится более, чем наполовину.

Указанными свойствами обладают растворы, состоящие из слабой кислоты и ее соли. В аквариумной практике такой кислотой является углекислота, а ее доминирующей солью – гидрокарбонат кальция – Са(НСО 3) 2 . С другой стороны, повышение содержания СО 2 выше равновесного эквивалентно добавлению в воду кислоты - Н + , а понижение его концентрации ниже равновесного – равносильно добавлению щелочи - ОН - (разложение гидрокарбонатов - см. выше). Количество кислоты или щелочи, которое необходимо внести в буферный раствор (аквариумную воду), чтобы значение показателя рН изменилось на 1 единицу, называется буферной емкостью. Отсюда следует, что рН аквариумной воды начинает изменяться раньше, чем исчерпывается ее буферная емкость, но по исчерпании буферной емкости, рН изменяется уже эквивалентно количеству внесенной кислоты, или щелочи. В основе работы буферной системы лежит т.н. принцип Ле Шателье: химическое равновесие всегда смещается в сторону, противоположную приложенному воздействию. Рассмотрим свойства А и Б буферных систем.

А. Независимость рН буферных растворов от их концентрации выводится из уравнения Хендерсона-Хассельбальха: рН = рК 1 +lg/ . Тогда при разных концентрациях НСО 3 - и СО 2 их отношение / может быть неизменным. Так, например, / = 20/8 = 10/4 = 5/2 = 2,5/1 = 0,5/0,2 = 2,5 , - т.е. разные воды, отличающиеся значением карбонатной «жесткости» dКН и содержанием СО 2 , но содержащие их в одинаковой пропорции, будут иметь одинаковое значение показателя рН (см.также гл.2). Уверенно отличаться такие воды будут по своей буферной емкости: чем выше концентрация компонентов буферной системы, тем больше ее буферная емкость и наоборот.

Аквариумисты сталкиваются с данным свойством буферных систем обычно в периоды весеннего и осеннего паводка, если станции водозабора снабжаются поверхностной, а не артезианской водой. В такие периоды буферная емкость воды может уменьшаться настолько, что некоторые виды рыб не выдерживают традиционной плотной посадки. Тогда начинают появляться истории о загадочных болезнях, выкосивших например, скалярий, или меченосцев и против которых бессильны все лекарства.

Б . Можно говорить о трех буферных системах аквариумной воды, каждая из которых устойчива в своем диапазоне рН :

1 . рН<8,3 СО 2 /НСО 3 - гидрокарбонатный буфер

2. рН=8,3 НСО 3 - гидрокарбонатный буфер

3. рН>8,3 НСО 3 - /СО 3 -- карбонатный буфер.

Рассмотрим свойсво Б в двух вариантах: вар. Б1 - при возрастании содержания СО 2 и вар. Б2 – при уменьшении его содержания.

Б1 . Концентрация СО 2 увеличивается (плотная посадка, очень старая вода, перекорм).

Кислотные свойства СО 2 проявляются в образовании ионов водорода Н + при взаимодействии его с водой: СО 2 +Н 2 О→Н + +НСО 3 - . Тогда увеличение концентрации СО 2 равносильно увеличению концентрации ионов водорода Н + . Согласно принципа Ле Шателье это приведет к нейтрализации Н + . В этом случае буферные системы работают следующим образом.

Карбонатный буфер 3 : при наличии карбонатного грунта ионы водорода будут поглощаться присутствующими в воде карбонатами: Н + +СО 3 -- →НСО 3 - . Следствием этой реакции будет растворение СаСО 3 грунта (см. выше).

Гидрокарбонатный буфер 1 – 2 : по реакции Н + +НСО 3 - →CO 2 +Н 2 О . Стабильность рН будет достигнута за счет уменьшения карбонатной «жесткости» dКН , а удаление образующегося СО 2 – либо за счет фотосинтеза, либо за счет диффузии его в воздух (при надлежащей аэрации).

Если источник избытка СО 2 не будет устранен, то при уменьшении значения dКН вдвое от исходного, рН воды начнет понижаться при сопутствующем падении буферной емкости и увеличении общей жесткости. Когда величина показателя рН уменьшится на 1 единицу, емкость буферной системы будет исчерпана. При значении рН=6,5 содержание оставшихся гидрокарбонатов = , а при рН<6 гидрокарбонаты будут присутствовать лишь в виде следа.

В итоге стабильность рН будет оплачена ценой понижения dКН , увеличения dGH и расходования буферной емкости воды. Такая вода уже будет сильно отличаться от природной (см. выше) и не всякая рыба сможет в ней выжить. В аквариумной практике принято считать нижней границей нормы количество гидрокарбонатов, соответствующее 4°dКН . Можно добавить, что для ряда видов аквариумных рыб (живородки, скалярии, атерины и др.) понижение карбонатной «жесткости» ниже 2°dКН может закончится трагично. Но в то же время, многие мелкие харациновые, расборы, радужницы такую воду переносят.

Б2 . Противоположные процессы – подщелачивание воды вследствие уменьшения содержания СО 2 в аквариуме ниже равновесного - возможны либо при активном фотосинтезе растений, либо при искусственном внесении в воду гидрокарбонатов в виде пищевой соды – NаНСО 3 . Тогда, согласно принципу Ле Шателье, это приведет к следующему противодействию со стороны буферных систем аквариумной воды.

Гидрокарбонатный буфер 1 : стабильность рН будет удерживаться за счет диссоциации гидрокарбонатов: НСО 3 - →Н + +СО 3 -- . Тогда вслед за понижением содержания

СО 2 , будет пропорционально понижаться и количество гидрокарбонатов, а значение отношения [НСО 3 - ]/ сохраняться постоянным (см. свойство А, уравнение Хендерсона-Хассельбальха). При падении содержания углекислоты менее 0,5 р , значение показателя рН начнет увеличиваться и может возрасти до рН=8,3 . По достижении этого значения, гидрокарбонатный буфер 1 свои возможности исчерпывает, поскольку в такой воде СО 2 практически отсутствует.

Гидрокарбонатный буфер 2 удерживает значение рН=8,3 . Эта цифра следует из формулы [Н + ]=√К 1 К 2 , где К 1 и К 2 – 1 и 2-ая константы диссоциации угольной кислоты (см. выше). Тогда:

рН = -lg√К 1 К 2 = -lg√(4 10 -7)(5,6 10 -11) = 8,3

Т.е. значение рН растворов любых гидрокарбонатов постоянно, не превышает рН=8,3 и является следствием самой химической природы этих веществ.

В отсутствие СО 2 гидрокарбонаты разлагаются по уравнению:

НСО 3 - →СО 2 +ОН - , подщелачивая воду и выделяя СО 2 , который потребляют растения. Но, тот же гидрокарбонат нейтрализует ОН - по схеме: НСО 3 - →СО 3 -- +Н + ; и Н + +ОН - →Н 2 О . Поэтому значение показателя рН будет сохраняться стабильным, что отражает суммарное уравнение:

2НСО 3 - →СО 3 -- +СО 2 +Н 2 О

Стабильность рН достигается опять же за счет уменьшения количества гидрокарбонатов, т.е. за счет понижения буферной емкости воды. Однако аквариумный тест dКН это уменьшение не чувствует в силу особенностей самого метода анализа.

Поскольку гидрокарбонат-ион обладает способностью к диссоциации как по кислотному, так и по основному типу, т.е: НСО 3 - →Н + +СО 3 -- и НСО 3 - →ОН - +СО 2 , то карбонатная «жесткость» dКН (содержание гидрокарбонатов), также является буферной системой.

Искусственное внесение в воду гидрокарбонатов (обычно в виде пищевой соды) иногда практикуется при содержании цихлид из Великих Африканских озер и в морской аквариумистике. При этом реализуются две стратегии: увеличение буферной емкости аквариумной воды и повышение значения показателя рН до 8,3.

Если количество СО 2 в аквариумной воде будет уменьшаться и далее, то при падении его содержания вдвое, по сравнению с равновесным, рН воды начнет возрастать. По превышении показателем рН значения рН=8,3 , углекислый газ из воды исчезает, и неорганический углерод представлен только гидрокарбонатами и карбонатами.

Карбонатный буфер 3 . По превышении карбонатами концентрации, соответствующей произведению растворимости =ПР СаСО3 / , в воде начнут образовываться кристаллы СаСО 3 . Поскольку основным и единственным потребителем СО 2 в пресноводном аквариуме являются водные растения, то рассматриваемые процессы происходят преимущественно на поверхности зеленого листа. При возрастании рН>8,3 поверхность зрелых листьев начнет покрываться известковой коркой, которая является замечательным субстратом для роста водорослей. Связывая карбонаты СО 3 -- , образующийся СаСО 3 также поддерживает стабильность рН . Однако в отсутствие ионов Са ++ (в очень мягкой воде), при активном фотосинтезе рост концентрации карбонатов будет повышать значение показателя рН вследствие гидролиза карбонатов: СО 3 -- +Н 2 О→ОН - +НСО 3 - .

При увеличении значения показателя рН на 1 единицу, по сравнению с исходным, буферная емкость воды будет исчерпана, и при продолжающемся падении содержания СО 2 , значение показателя рН может быстро повыситься до рискованного рН>8,5 . В итоге падение содержания СО 2 в аквариумной воде приведет к росту значения показателя рН при некотором уменьшении общей жесткости. В такой воде (также сильно неравновесной, как и в варианте Б1 ) весьма дискомфортно будут себя чувствовать многие мягководные рыбы.

Таким образом карбонатная буферная система воды объединяет в себе традиционные аквариумные гидрохимические параметры: жесткость общую и карбонатную, рН , а также содержание СО 2 . В ряду dGH – pH - dKH – CO 2 самым консервативным параметром является dGH , а самым изменчивым – СО 2 . По степени изменения dGH , pH и особенно dKH по сравнению с отстоянной, проаэрированной водопроводной водой можно судить о степени напряженности процессов дыхания и фотосинтеза в аквариуме. Исчерпание буферной емкости аквариумной воды как в ту, так и в другую сторону, настолько изменяет ее способность поглощать СО 2 , что именно это свойство зачастую превращает ее в сильно неравновесную по содержанию СО 2 и кардинально отличает от природной. Изменение способности аквариумной воды поглощать выдыхаемый рыбами СО 2 , может превышать физиологические возможности организма рыб по его выведению. Поскольку это отражается на здоровье рыбного населения аквариума, то следует познакомиться с особенностями физиологического действия СО 2 на организм рыб.

© Александр Яночкин, 2005 г.
© Аква Лого, 2005 г.

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”.

II. Стадия осмысления

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

1. История открытия углекислого газа
2. Углекислый газ в природе
3. Получение углекислого газа
4. Свойства углекислого газа
5. 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

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

Это может выглядеть так:

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:

1. Закрепите в лапке лабораторного штатива прибор для получения газов
2. Выньте из пробирки с отростком пробку с воронкой
3. Поместите в насадку 2–3 кусочка мрамора величиной? горошины
4. Вставьте пробку с воронкой в пробирку снова. Откройте зажим
5. Прилейте в воронку (осторожно!) соляную кислоту (1:2) так, чтобы кислота слегка покрывала мрамор
6. 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

1. Перемена // Международный журнал о развитии мышления через чтение и письмо. – 2000. – №№ 1, 2.
2. Современный студент в поле информации и коммуникации: Учебно-методическое пособие. – СПб.: PETROC, 2000.
3. 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.

Применение углекислого газа в сварочной области является очень распространенной. Это один из основных вариантов, которые применяются для различных видов соединения металла. Физические свойства углекислого газа определяют его как универсальную субстанцию для газовой сварки, соединения газовой и электродуговой и так далее. Это относительно недорогое сырье, которое используется здесь на протяжении многих лет. Есть более эффективные варианты, но именно углекислота применяется чаще всего. Она находит применение как для обучения, так и для выполнения самых простых процедур.

Углекислота еще носит название диоксид углерода. Вещество не обладает запахом и бесцветно в обыкновенном состоянии. При нормальном атмосферном давлении, углекислота не состоит в жидком состоянии и из твердого сразу переходит в газообразное.

Область применения углекислого газа

Химическое вещество используется не только для сварки. Физические свойства углекислого газа позволяют применять его как разрыхлитель или консервант в пищевой промышленности. Во многих системах пожаротушения, в частности в ручных огнетушителях. Его применяют для обеспечения питания аквариумных растений. Практически все газированные напитки содержат углекислый газ.

В сварочной сфере применение чистой углекислоты является не совсем безопасным для металла. Дело в том, что при воздействии высокой температуры он распадается и из него выделяется кислород. В свою очередь, кислород является опасным для сварочной ванны и чтобы ликвидировать его негативное воздействие, применяют разнообразные раскислители, такие как кремний и марганец.

Применение углекислоты встречается еще и в баллонах для пневматических пистолетов и винтовок. Как и в сварочных баллонах, углекислота здесь хранится в сжиженном состоянии под давлением.

Химическая формула

Химические свойства углекислого газа, а также его другие характеристики, напрямую зависят от элементов, которые входят в состав формулы. Формула углекислого газа в химии имеет вид CO 2 . Это означает, что углекислота содержит в себе один атом углерода и два атома кислорода.

Химические и физические свойства

Рассмотрев, как обозначается химических газ в химии, стоит более внимательно рассмотреть его свойства. Физические свойства углекислого газа проявляются в различных параметрах. Плотность углекислого газа при стандартных атмосферных условиях составляет 1,98 кг/м 3 . Это делает его в 1,5 раза тяжелее, чем воздух в атмосфере. Диоксид углерода не имеет запаха и цвета. Если его подвергнуть сильному охлаждению, то он начинает кристаллизоваться в так называемый «сухой лед». Температура сублимации достигает -78 градусов Цельсия.

Химические свойства углекислого газа определяют его к кислотным оксидам, так как он может образовывать угольную кислоту, когда его растворяют в воде. При взаимодействии с щелочами, вещество начинает образовывать гидрокарбонаты и карбонаты. С некоторыми веществами, такими как фенол, диоксид углерода вступает в реакцию электрофильного замещения. С магнийорганическими вещество вступает в реакцию нуклеофильного присоединения. Использование углекислоты в огнетушителях обусловлено тем, что она не поддерживает процесс горения. Использование в сварке обусловлено тем, что в веществе горят некоторые активные металлы.

Преимущества

• Использование углекислого газа является относительно недорогим, так как цена на данное вещество достаточно низкая, если сравнивать с другими газами;
• Это очень распространенное вещество, найти которое можно во многих местах;
• Углекислый газ удобен в хранении и не требует сверхсложных мер безопасности;
• Газ хорошо справляется с теми обязанностями, для которых он предназначается.

Недостатки

• Во время использования на металле могут образовываться оксиды, которые выделяет вещество во время нагревания;
• Для нормальной работы нужно использовать дополнительные расходные материалы, которые бы помогли ликвидировать негативное воздействие оксидов;
• Существуют более эффективные газы, применяемые в сварочной сфере.

Применение углекислого газа при сварке

Данное вещество применяется в области сваривания металлических изделий в качестве . Он применяется как для автоматических, так и для . Зачастую его используют не в чистом виде а вместе с аргоном или кислородом в газовой смеси. В производственной сфере существует несколько вариантов снабжения постов. Среди них выделяют следующие методы:

• Поставка из баллона. Это очень удобно, когда речь идет об относительно небольших объемах вещества. Это обеспечивает мобильность, так как не всегда имеется возможность создать трубопровод к посту.
• Транспортная емкость для углекислоты. Это также отличный вариант для потребления вещества в небольших баллонах. Она обеспечивает поставку большего количества газа, чем в баллонах, но менее удобна в транспортировке.
• Стационарный сосуд накопитель. Он применяется для тех, кто использует углекислоту в больших объемах. Их используют при отсутствии на предприятии автономной станции.
• Автономная станция. Это наиболее широкий по объему метод поставки, так как может обслуживать пост практически для любых процедур, вне зависимости от объемов. Таким образом, пост получает вещество непосредственно с места его производства.

Автономная станция представляет собой специальный цех на предприятии, где получают диоксид углерода. Он может работать как исключительно для собственных нужд, так и на поставку другим цехам и организациям. Для обеспечения рабочих точек предприятия, газ поставляет по трубопроводам. В то время, когда на предприятии имеется необходимость в запасании углекислоты, ее перемещают в специальные накопители.

Меры безопасности

Хранение и использование вещества является относительно безопасным. Но для того, чтобы исключить вероятности несчастных случаев, следует придерживаться основных правил:

• Несмотря на то, что углекислота не отличается взрывоопасностью и токсичностью, если ее концентрация будет выше 5%, то человек будет чувствовать удушье и кислородную недостаточность. Не следует допускать утечки и хранения всего в закрытом не проветриваемом помещении.
• Если понизить давление, то жидкая углекислота превращается в газообразное состояние. В это время ее температура может составлять -78 градусов Цельсия. Это вредно для слизистых оболочек организма. Также это приводит к обморожению кожи
• Осмотр больших емкостей для хранения углекислоты следует проводить с использованием шлангового противогаза. Цистерна должна быть отогрета до температуры окружающей среды и быть хорошо проветренной.

Заключение

Физические свойства являются не единственным показателем, по которому подбирается газ для сварки. Совокупность всех параметров обеспечивает данному веществу уверенные позиции на современном рынке расходных материалов. Среди самых простых процедур это незаменимый газ, с которым сталкивался практически каждый профессиональный и начинающий сварщик.

Применение углекислоты (двуокиси углерода)

В настоящее время углекислота во всех своих состояниях широко используется во всех отраслях промышленности и агропромышленного комплекса.

В газообразном состоянии (углекислый газ)

В пищевой промышленности

1. Для создания инертной бактериостатичной и фунгистатичной атмосферы (при концентрации свыше 20%):
· при переработке растительных и животных продуктов;
· при упаковке пищевых продуктов и медицинских препаратов для значительного увеличения срока их хранения;
· при разливе пива, вина и соков как вытесняющий газ.
2. В производстве безалкогольных напитков и минеральных вод (сатурация).
3. В пивоварении и производстве шампанского и шипучих вин (карбонизация).
4. Приготовление газированных воды и напитков сифонами и сатураторами, для персонала горячих цехов и в летнее время.
5. Использование в торговых автоматах при продаже газ.воды в розлив и при ручной торговле пивом и квасом, газированными водой и напитками.
6. При изготовлении газированных молочных напитков и газированных фруктово-ягодных соков («игристые продукты»).
7. В производстве сахара (дефекация - сатурация).
8. Для длительной консервации фруктовых и овощных соков с сохранением запаха и вкуса свежевыжатого продукта путём насыщения СО2 и хранения под высоким давлением.
9. Для интенсификации процессов осаждения и удаления солей винной кислоты из вин и соков (детартация).
10. Для приготовления питьевой опреснённой воды фильтрационным методом. Для насыщения бессолевой питьевой воды ионами кальция и магния.

В производстве, хранении и переработке сельскохозяйственной продукции

11. Для увеличения срока хранения пищевых продуктов, овощей и фруктов в регулируемой атмосфере (в 2-5 раз).
12. Хранение срезанных цветов 20 и более дней в атмосфере углекислого газа.
13. Хранение круп, макарон, зерна, сухофруктов и других продуктов питания в атмосфере углекислого газа, для предохранения их от повреждения насекомыми и грызунами.
14. Для обработки плодов и ягод перед закладкой на хранение, что препятствует развитию грибковых и бактериальных гнилей.
15. Для насыщения под высоким давлением нарезанных или целиковых овощей, что усиливает вкусовые оттенки («игристые продукты») и улучшает их сохраняемость.
16. Для улучшения роста и повышения урожайности растений в защищённом грунте.
На сегодняшний день в овощеводческих и цветоводческих хозяйствах России остро стоит вопрос об осуществлении подкормок углекислым газом растений в защищённом грунте. Дефицит СО2 является более серьёзной проблемой, чем дефицит элементов минерального питания. В среднем, растение синтезирует из воды и углекислого газа 94% массы сухого вещества, остальные 6% растение получает из минеральных удобрений! Низкое содержание углекислого газа сейчас является фактором, ограничивающим урожайность (в первую очередь при малообъёмной культуре). В воздухе теплицы площадью 1 га содержится около 20 кг СО2. При максимальных же уровнях освещения в весенние и летние месяцы потребление СО2 растениями огурца в процессе фотосинтеза может приближаться к 50 кг·ч/га (т.е. до 700 кг/га СО2 за световой день). Образующийся дефицит лишь частично покрывается за счёт притока атмосферного воздуха через фрамуги и неплотности ограждающих конструкций, а также за счёт ночного дыхания растений. В грунтовых теплицах дополнительным источником углекислого газа является грунт, заправленный навозом, торфом, соломой или опилками. Эффект обогащения воздуха теплицы углекислым газом зависит от количества и вида этих органических веществ, подвергающихся микробиологическому разложению. Например, при внесении опилок, смоченными минеральными удобрениями, уровень углекислого газа в первое время может достигать высоких значений ночью, и днём при закрытых фрамугах. Однако в целом этот эффект недостаточно велик и удовлетворяет лишь часть потребности растений. Основным недостатком биологических источников является кратковременность повышения концентрации углекислого газа до желаемого уровня, а также невозможность регулирования процесса подкормки. Нередко в грунтовых теплицах в солнечные дни при недостаточном воздухообмене содержание СО2 в результате интенсивного поглощения растениями может упасть ниже 0,01% и фотосинтез практически прекращается! Недостаток СО2 становится основным из факторов, ограничивающих ассимиляцию углеводов и соответственно рост и развитие растений. Полностью покрыть дефицит возможно только за счёт использования технических источников углекислого газа.
17. Производство микроводорослей для скота. При насыщении воды углекислотой в установках автономного выращивания водорослей, значительно (в 4-6 раз) возрастает скорость водорослей.
18. Для повышения качества силоса. При силосовании сочных кормов искусственное введение в растительную массу СО2 предотвращает проникновение кислорода из воздуха, что способствует образованию высококачественного продукта, с благоприятным соотношением органических кислот повышенным содержанием каротина и переваримого протеина.
19. Для безопасной дезинсекции продовольственных и непродовольственных продуктов. Атмосфера, содержащая более 60% углекислого газа в течении 1-10 дней (в зависимости от температуры) уничтожает не только взрослых насекомых, но их личинки и яйца. Настоящая технология применима к продуктам с содержанием связанной воды до 20%, как то зерно, рис, грибы, сухофрукты, орехи и какао, комбикорма и многое другое.
20. Для тотального уничтожения мышевидных грызунов путём кратковременного заполнения газом нор, хранилищ, камер (достаточная концентрация 30% углекислого газа).
21. Для анаэробной пастеризации кормов для животных, в смеси с водяным паром при температуре, не превышающей 83 град.С - как замена гранулированию и экструдированию, не требующая больших энергетических затрат.
22. Для усыпления птицы и некрупных животных (свиньи, телята, овцы) перед забоем. Для анестезии рыбы при перевозке.
23. Для наркотизации пчелиных и шмелиных маток в целях ускорения начала яйцекладки.
24. Для насыщения питьевой воды для кур, что значительно снижает отрицательное воздействие повышенных летних температур на птицу, способствует утолщению скорлупы яиц и укреплению костяка.
25. Для насыщения рабочих растворов фунгицидов и гербицидов для лучшего действия препаратов. Этот способ позволяет уменьшить расход раствора на 20-30%.

В медицине

26. а) в смеси с кислородом как стимулятор дыхания (в концентрации 5%);
б) для сухих газированных ванн (в концентрации 15-30%) в целях снижения артериального давления и улучшения кровотока.
27. Криотерапия в дерматологии, сухие и водяные углекислотные ванны в бальнеолечении, дыхательные смеси в хирургии.

В химической и бумажной промышленности

28. Для производства соды, углеаммонийных солей (применяются в качестве удобрений в растениеводстве, добавок в корм жвачным животным, вместо дрожжей в хлебопечении и в мучных кондитерских изделиях), свинцовых белил, мочевины, оксикарбоновых кислот. Для каталитического синтеза метанола и формальдегида.
29. Для нейтрализации щелочных сточных вод. Благодаря эффекту самобуферизации раствора, точное регулирование pH позволяет избежать коррозии оборудования и сточных труб, нет образования ядовитых побочных продуктов.
30. В производстве бумаги для обработки пульпы после щелочного беления (повышает на 15% эффективности процесса).
31. Для увеличения выхода и улучшения физико-механических свойств и белимости целлюлозы при кислородно-содовой варке древесины.
32. Для очистки теплообменников от накипи и предотвращения её образования (комбинация гидродинамического и химического способов).

В строительной и прочих отраслях промышленности

33. Для быстрого химического отвердения пресс-форм для стального и чугунного литья. Подача углекислоты в литейные формы в 20-25 раз ускоряет их твердение по сравнению с тепловой сушкой.
34. Как вспенивающий газ при производстве пористых пластиков.
35. Для упрочнения огнеупорного кирпича.
36. Для сварочных полуавтоматов при ремонте кузовов пассажирских и легковых автомобилей, ремонте кабин грузовых автомобилей и тракторов и при эл.сварке изделий из тонколистовых сталей.
37. При изготовлении сварных конструкций с автоматической и полуавтоматической электросваркой в среде углекислоты как защитного газа. По сравнению со сваркой штучным электродом возрастает удобство работы, производительность повышается в 2-4 раза, стоимость 1 кг наплавленного металла в среде СО2 в два с лишним раза ниже по сравнению с ручной дуговой сваркой.
38. В качестве защитной среды в смесях с инертными и благородными газами при автоматизированной сварке и резке металла, благодаря которой получаются швы очень высокого качества.
39. Зарядка и перезарядка огнетушителей, для противопожарного оборудования. В системах пожаротушения, для заполнения огнетушителей.
40. Зарядка баллончиков для газобаллонного оружия и сифонов.
41. Как газ-распылитель в аэрозольных баллончиках.
42. Для заполнения спортивного инвентаря (мячей, шаров и т.п.).
43. В качестве активной среды в медицинских и промышленных лазерах.
44. Для точной калибровки приборов.

В горно-добывающей промышленности

45. Для разупрочнения углепородного массива при добыче каменного угля в удароопасных пластах.
46. Для проведения взрывных работ без образования пламени.
47. Повышение эффективности нефтедобычи при добавлении углекислоты в нефтяные пласты.

В жидком состоянии (низкотемпературная углекислота)

В пищевой промышленности

1. Для быстрого замораживания, до температуры -18 град.С и ниже, пищевых продуктов в контактных скороморозильных аппаратах. Наряду с жидким азотом жидкий диоксид углерода наиболее подходит для прямого контактного замораживания различных видов продуктов. Как контактный хладагент, он привлекателен дешевизной, химической пассивностью и термической стабильностью, не коррозирует металлических узлов, не горюч, не опасен для персонала. На движущийся на ленте транспортёра продукт из сопел подаётся определёнными порциями жидкая углекислота, которая при атмосферном давлении мгновенно превращается в смесь сухого снега и холодного углекислого газа, при этом вентиляторы постоянно перемешивают газовую смесь внутри аппарата, которая в принципе способна охладить продукт от +20 град.С до -78,5 град.С за несколько минут. Использование контактных скороморозильных аппаратов имеет ряд принципиальных преимуществ по сравнению с традиционной технологией заморозки:
· время заморозки сокращается до 5-30 минут; быстро прекращается ферментативная активность в продукте;
· хорошо сохраняется структура тканей и клетки продукта, поскольку кристаллы льда формируются значительно меньших размеров и практически одновременно в клетках и в межклеточном пространстве тканей;
· при медленной заморозке в продукте появляются следы жизнедеятельности бактерий, в то время как при шоковой заморозке они просто не успевают развиться;
· потери массы продукта в результате усушки составляют всего 0,3-1% (против 3-6%);
· легко улетучивающиеся ценные ароматические вещества сохранятся в значительно больших количествах. По сравнению с замораживанием жидким азотом, при замораживании диоксидом углерода:
· не наблюдается растрескивание продукта из-за слишком большого перепада температуры между поверхностью и сердцевиной замораживаемого продукта
· в процессе замораживания СО2 проникает в продукт и во время размораживания защищает его от окисления и развития микроорганизмов. Плоды и овощи, подвергнутые быстрой заморозке и фасовке на месте, наиболее полно сохраняют вкусовые достоинства и питательную ценность, все витамины и биологически активные вещества, что дает возможность широко применять их для производства продуктов для детского и диетического питания. Немаловажно, что для приготовления дорогостоящих замороженных смесей может быть успешно использована нестандартная плодоовощная продукция. Скороморозильные аппараты на жидкой углекислоте компактны, просты по устройству и недороги в эксплуатации (при наличии рядом источника дешёвой жидкой углекислоты). Аппараты существуют в мобильном и стационарном варианте, спирального, тоннельного и шкафного типа, чем представляют интерес для сельскохозяйственных производителей и переработчиков продукции. Особенно они удобны, когда производство требует замораживания различных пищевых продуктов и сырья при различных температурных режимах (-10…-70 град.С). Быстрозамороженные продукты можно подвергнуть сушке в условиях глубокого вакуума - сублимационной сушке. Продукты, высушенные этим способом, отличаются высоким качеством: сохраняют все питательные вещества, обладают повышенной восстанавливающей способностью, имеют незначительную усадку и пористое строение, сохраняют естественный цвет. Сублимированные продукты в 10 раз легче исходных за счет удаления из них воды, они очень долго сохраняются в герметичных пакетах (особенно при заполнении пакетов углекислым газом) и могут дёшево доставляться в самые отдаленные районы.
2. Для быстрого охлаждения свежих пищевых продуктов в упакованном и неупакованном виде до +2…+6 град.С. При помощи установок, работа которых похожа на работу скороморозильных аппаратов: при инжекции жидкой углекислоты образуется мельчайший сухой снег, которым продукт обрабатывается определённое время. Сухой снег - эффективное средство быстрого снижения температуры, не приводящее к высыханию продукта, как воздушное охлаждение, и не повышающее его влагосодержание, как это происходит при охлаждении водяным льдом. Охлаждение сухим снегом обеспечивает необходимое снижение температуры всего за несколько минут, а не часов, как при обычном охлаждении. Сохраняется и даже улучшается естественный цвет продукта вследствие небольшой диффузии СО2 внутрь. Одновременно значительно увеличивается срок хранения продуктов, так как СО2 подавляет развитие как аэробных, так анаэробных бактерий и плесневых грибов. Охлаждению удобно и выгодно подвергать мясо птицы (разделанное или в тушках), порционное мясо, колбасы и полуфабрикаты. Установки также применяются там, где по технологии требуется быстро охладить продукт во время или перед формовкой, прессованием, экструдированием, измельчением или нарезанием. Аппараты подобного типа также очень удобны для применения на птицефабриках поточного сверхбыстрого охлаждения с 42,7 град.С до 4,4-7,2 град.С свежеснесённых куриных яиц.
3. Для снятия кожицы с ягод методом подморозки.
4. Для криоконсервации спермы и эмбрионов крупного рогатого скота и свиней.

В холодильной промышленности

5. Для использования в качестве альтернативного хладагента в холодильных установках. Диоксид углерода может служить эффективным хладагентом, поскольку имеет низкую критическую температуру (31,1 град.С), сравнительно высокую температуру тройной точки (-56 град.С), большое давление в тройной точке (0,5 мПа) и высокое критическое давление (7,39 мПа). Как хладагент обладает следующими преимуществами:
· очень низкая цена по сравнению с другими хладагентами;
· нетоксичен, не горюч и не взрывоопасен;
· совместим со всеми электроизоляционными и конструкционными материалами;
· не разрушает озоновый слой;
· вносит умеренный вклад в увеличение парникового эффекта по сравнению с современными галоидопроизводными хладагентами. Высокое критическое давление имеет положительный аспект, связанный с низкой степенью сжатия, вследствие чего эффективность компрессора становится значительной, что позволяет применять компактные и мало затратные конструктивные решения для холодильных установок. Вместе с этим требуется дополнительное охлаждение электромотора конденсатора, увеличивается металлоёмкость холодильной установки из-за увеличения толщины труб и стенок. Перспективно применения СО2 в низкотемпературных двухкаскадных установках промышленного и полупромышленного применения, и особенно в системах кондиционирования воздуха автомобилей и поездов.
6. Для высокопроизводительного измельчения в замороженном виде мягких, термопластичных и упругих продуктов и веществ. В криогенных мельницах быстро и с малым расходом электроэнергии подвергаются размолу в замороженном виде те продукты и вещества, которые не удаётся измельчить в обычном виде, например желатин, каучук и резина, любые полимеры, шины. Холодный размол в сухой инертной атмосфере необходим для всех пряностей и специй, какао-бобов и кофейных зёрен.
7. Для испытания технических систем при низких температурах.

В металлургии

8. Для охлаждения труднообрабатываемых сплавов при обработке на токарных станках.
9. Для образования защитной среды для подавления дыма в процессах выплавки или разлива меди, никеля, цинка и свинца.
10. При отжиге твердой медной проволоки для кабельной продукции.

В добывающей промышленности

11. Как слабобризантное взрывчатое вещество при добыче каменного угля, не приводящее при взрыве к воспламенению метана и угольной пыли, и не дающее ядовитых газов.
12. Профилактика возгорания и взрывов вытеснением углекислотой воздуха из емкостей и шахт с взрывоопасными парами и газами.

В сверхкритическом состоянии

В процессах экстракции

1. Улавливание ароматических веществ из фруктово-ягодных соков, получение экстрактов растений и лекарственных трав с помощью жидкой углекислоты. В традиционных методах экстракции растительного и животного сырья применяются различного рода органические растворители, которые узко специфичны и редко обеспечивают извлечение из сырья полного комплекса биологически активных соединений. Более того, при этом всегда возникает проблема отделения от экстракта остатков растворителя, причем технологические параметры этого процесса могут привести к частичному или даже полному разрушению некоторых компонентов экстракта, что обуславливает изменение не только состава, но свойств выделенного экстракта. По сравнению с традиционными методами, процессы экстракции (а также фракционирования и импрегнации) с использованием диоксида углерода в сверхкритическом состоянии имеет целый ряд преимуществ:
· энергосберегающий характер процесса;
· высокая массообменная характеристика процесса благодаря низкой вязкости и высокой проникающей способности растворителя;
· высокая степень извлечения соответствующих компонентов и высокое качество получаемого продукта;
· практическое отсутствие СО2 в готовой продукции;
· используется инертная растворяющая среда при температурном режиме, не грозящем термической деградацией материалов;
· процесс не дает сточных вод и отработанных растворителей, после декомпрессии СО2 может быть собран и повторно использован;
· обеспечивается уникальная микробиологическая чистота получаемой продукции;
· отсутствие сложного оборудования и многостадийного процесса;
· используется дешёвый, нетоксичный и негорючий растворитель. Селективные и экстракционные свойства диоксида углерода могут меняться в широких пределах при изменении температуры и давления, что обуславливают возможность извлечения при низкой температуре из растительного сырья большей части спектра известных на сегодняшний день биологически активных соединений.
2. Для получения ценных натуральных продуктов - СО2-экстрактов пряновкусовых веществ, эфирных масел и биологически активных веществ. Экстракт практически копирует исходное растительное сырье, что же касается концентрации входящих в него веществ, то можно заявить об отсутствии аналогов среди классических экстрактов. Данные хроматографического анализа показывают, что содержание ценных веществ превосходит классические экстракты в десятки раз. Освоено получение в промышленных масштабах:
· экстрактов из пряностей и лекарственных трав;
· фруктовых ароматов;
· экстрактов и -кислот из хмеля;
· антиоксидантов, каротиноидов и ликопенов (в том числе из томатного сырья);
· натуральных красящих веществ (из плодов красного перца и других);
· ланолина из шерсти;
· натуральных растительных восков;
· масла из облепихи.
3. Для выделения высокоочищенных эфирных масел, в частности из цитрусовых. При экстракции сверхкритическим СО2 эфирных масел успешно экстрагируются и легколетучие фракции, которые придают этим маслам фиксирующие свойства, а также более полный аромат.
4. Для удаления кофеина из чая и кофе, никотина из табака.
5. Для удаления холестерина из продуктов питания (мясо, молочные продукты и яйца).
6. Для изготовления обезжиренных картофельных чипсов и соевых продуктов;
7. Для производства высококачественного табака с заданными технологическими свойствами.
8. Для химической чистки одежды.
9. Для удаления соединений урана и трансурановых элементов из радиоактивно заражённых почв и с поверхностей металлических тел. При этом в сотни раз сокращаются объёмы водных отходов, и нет необходимости в использовании агрессивных органических растворителей.
10. Для экологически чистой технологии травления печатных плат для микроэлектроники, без образования ядовитых жидких отходов.

В процессах фракционирования

Выделение жидкого вещества из раствора, либо разделение смеси жидких веществ носит название фракционирования. Эти процессы являются непрерывными и поэтому значительно более эффективны, чем выделение веществ из твёрдых субстратов.
11. Для рафинации и дезодорации масел и жиров. Для получения товарного масла необходимо провести целый комплекс мероприятий, таких как удаление лецитина, слизи, кислоты, произвести отбеливание, дезодорацию и прочие. При экстракции сверхкритическим СО2 эти процессы осуществляются в течение одного технологического цикла, причем качество получаемого в этом случае масла значительно лучше, поскольку процесс протекает при относительно низких температурах.
12. Для уменьшения содержания алкоголя в напитках. Изготовление безалкогольных традиционных напитков (вино, пиво, сидр) имеет увеличивающийся спрос по этическим, религиозным или диетическим соображениям. Даже если эти напитки с низким содержанием алкоголя зачастую имеют более низкое качество, их рынок значителен и быстро растет, так что улучшение подобной технологии представляет собой очень привлекательный вопрос.
13. Для энергосберегающего получения глицерина высокой чистоты.
14. Для энергосберегающего получения лецетина из соевого масла (с содержанием фосфатидил холина порядка 95%).
15. Для проточной очистки промышленных сточных вод от углеводородных загрязнителей.

В процессах импрегнации

Процесс импрегнации - внедрение новых веществ, в сущности, является обратным процессом экстракции. Нужное вещество растворяется в суперкритическом СО2, затем раствор проникает в твердый субстрат, при сбросе давления углекислый газ моментально улетучивается, а вещество остаётся в субстрате.
16. Для экологически чистой технологии крашения волокон, тканей и текстильных аксессуаров. Окрашивание является частным случаем применения импрегнации. Красители обычно растворены в токсичном органическом растворителе, поэтому окрашенные материалы приходится тщательно промывать, в результате чего растворитель либо испаряются в атмосферу, либо оказываются в сточных водах. При сверхкритическом окрашивании вода и растворители не используется, краситель растворён в сверхкритическом СО2. Этот метод дает интересную возможность окрашивать различные типы синтетических материалов одновременно, например, пластиковые зубцы и тканевую подкладку застежки-молнии.
17. Для экологически чистой технологии нанесение красок. Сухой краситель растворяется в потоке сверхкритического СО2, и вместе с ним вылетает из сопла специального пистолета. Углекислый газ сразу же улетучивается, а краска оседает на поверхности. Эта технология особенно перспективна для окраски автомобилей и крупногабаритной техники.
18. Для гомогенизированного пропитывания полимерных структур лекарственными препаратами, обеспечивая тем самым постоянное и длительное высвобождение лекарства в организме. Эта технология основана на способности сверхкритического СО2 легко проникать во многие полимеры, насыщать их, вызывая раскрытие в нём микропор и набухание.

В технологических процессах

19. Замена высокотемпературного водяного пара сверхкритическим СО2 в процессах экструзии, при переработке зерноподобного сырья, позволяет использовать относительно низкие температуры, вводить в рецептуру молочные ингредиенты и любые термочувствительные добавки. Сверхкритическая флюидная экструзия позволяет создавать новые продукты с ультрапористой внутренней структурой и гладкой плотной поверхностью.
20. Для получения порошков полимеров и жиров. Струя сверхкритического СО2 с растворёнными в нём некоторыми полимерами или жирами инжектируются в камеру с более низким давлением, где они «конденсируются» в виде совершенно однородного мелко дисперсного порошка, тончайших волокон или плёнок.
21. Для подготовки к сушке зелени и плодов путём удаления кутикулярного воскового слоя струёй сверхкритического СО2.

В процессах проведения химических реакций

22. Перспективным направлением применения сверхкритического СО2 является использование его в качестве инертной среды в ходе химических реакций полимеризации и синтеза. В сверхкритической среде синтез может проходить в тысячу раз быстрее по сравнению с синтезом тех же веществ в традиционных реакторах. Для промышленности очень важно, что столь значительное ускорение скорости реакций, обусловленное высокими концентрациями реагентов в сверхкритической среде с её низкой вязкостью и высокой диффузионной способностью, позволяет соответственно сократить время контакта реагентов. В технологическом плане это дает возможность заменить статические замкнутые реакторы проточными, принципиально меньшего размера, более дешёвыми и безопасными.

В тепловых процессах

23. В качестве рабочего тела для современных энергетических установок.
24. В качестве рабочего тела газовых тепловых насосов, производящих высокотемпературное тепло для систем горячего водоснабжения.

В твёрдом состоянии (сухой лёд и снег)

В пищевой промышленности

1. Для контактного замораживания мяса и рыбы.
2. Для контактного быстрого замораживания ягод (красной и чёрной смородины, крыжовника, малины, черноплодной рябины и других).
3. Реализация мороженого и прохладительных напитков в местах удаленных от электросети, с охлаждением сухим льдом.
4. При хранении, транспортировке и реализации замороженных и охлаждённых пищевых продуктов. Развивается производство брикетированного и гранулированного сухого льда для покупателей и продавцов скоропортящихся продуктов. Сухой лёд очень удобен для транспортировки и при реализации в жаркую погоду мяса, рыбы, мороженого - продукты остаются замороженными весьма продолжительное время. Поскольку сухой лёд только испаряется (сублимируется), растаявшей жидкости не бывает, и транспортные ёмкости остаются всегда чистыми. Авторефрежираторы могут оборудоваться малогабаритной сухолёдной системой охлаждения, которая характеризуются предельной простотой устройства и высокой надёжностью в работе; её стоимость во много раз ниже стоимости любой классической холодильной установки. При перевозках на короткие расстояния подобная система охлаждения является наиболее экономичной.
5. Для предварительного охлаждения контейнеров перед загрузкой продукции. Обдувание струей сухого снега в холодном углекислом газе является одним из самых эффективных способов предварительного охлаждения любых контейнеров.
6. При авиационных перевозках в качестве первичного хладагента в изотермических контейнерах с автономной двухступенчатой холодильной системой (гранулированный сухой лёд - фреон).

При работах по очистке поверхностей

8. Очистка деталей и узлов, двигателей от загрязнений очистными установками с применением гранул сухого льда в газовом потоке.Для очистки поверхностей узлов и деталей от эксплуатационных загрязнений. В последнее время возник большой спрос на безабразивную экспресс-очистку материалов, сухих и влажных поверхностей струей мелко гранулированного сухого льда (бластинг). Без разбора агрегатов можно успешно осуществлять:
· очистку линий сварки;
· удаление старой краски;
· очистку литейных форм;
· очистку узлов типографских машин;
· очистку оборудования для пищевой промышленности;
· очистку форм для производства пенополиуретановых изделий.
· очистку пресс-форм для производства автомобильных шин и других резинотехнических изделий;
· очистку форм для производства пластмассовых изделий, в том числе очистку форм для производства ПЭТ бутылок; Когда гранулы сухого льда ударяются о поверхность, они мгновенно испаряются, создавая микровзрыв, который снимает загрязнение с поверхности. При удалении хрупкого материала, такого как краска, процесс создает волну давления между покрытием и основой. Эта волна достаточно сильная для того, чтобы снять покрытие, приподняв его изнутри. При удалении тягучих или вязких материалов, таких как масло или грязь, процесс очистки подобен смыву сильной струей воды.
7. Для очистки от заусенцев штампованных изделий из резины и пластика (галтовка).

При строительных работах

9. В процессе изготовления пористых строительных материалов с одинаковым размером пузырьков углекислого газа, равномерно распределённых по всему объёму материала.
10. Для замораживания грунтов при строительстве.
11. Установка ледяных пробок в трубах с водой (методом их замораживания снаружи сухим льдом), на время проведения ремонтных работ на трубопроводах без слива воды.
12. Для очистки артезианских колодцев.
13. При снятии асфальтовых покрытий в жаркую погоду.

В прочих отраслях промышленности

14. Получение низких температур до минус 100 градусов (при смешивании сухого льда с эфиром) для испытания качества продукции, для лабораторных работ.
15. Для холодной посадки деталей в машиностроении.
16. При изготовлении пластичных сортов легированных и нержавеющих сталей, отожжённых алюминиевых сплавов.
17. При дроблении, помоле и консервации карбида кальция.
18. Для создания искусственного дождя и получения дополнительных осадков.
19. Искусственное рассеивание облаков и тумана, борьба с градобитием.
20. Для образования безвредного дыма при проведении спектаклей и концертов. Получение дым-эффекта, на сценах эстрады при выступлениях артистов, с помощью сухого льда.

В медицине

21. Для лечения некоторых кожных заболеваний (криотерапия).