УГЛЕРОДА ДИОКСИД

(оксид углерода(IV), ангидрид угольной кислоты, углекислый газ) CO2, хорошо известный пузырящийся ингредиент газированных безалкогольных напитков. Человек знал о целебных свойствах "шипучей воды" из природных источников с незапамятных времен, но только в 19 в. научился получать ее сам. Тогда же было идентифицировано вещество, делающее воду шипучей, - углекислый газ. Впервые для целей карбонизации этот газ был получен в 1887 в ходе реакции между измельченным мрамором и серной кислотой; его выделяли и из природных источников. Позже СО2 стали получать в промышленных масштабах сжиганием кокса, прокаливанием известняка и брожением спирта. Более четверти века диоксид углерода хранили в стальных баллонах под давлением и использовали почти исключительно для газирования напитков. В 1923 как коммерческий продукт стали производить твердый СО2 (сухой лед), а примерно в 1940 - жидкий, который разливали в специальные герметичные цистерны под высоким давлением.
Физические свойства. При обычных температуре и давлении диоксид углерода - бесцветный, обладающий слегка кисловатым вкусом и запахом газ. Он на 50% тяжелее воздуха, поэтому его можно переливать из одной емкости в другую. СО2 - продукт большинства процессов горения и при достаточно больших количествах может гасить пламя, вытесняя из воздуха кислород. При увеличении концентрации СО2 в плохо проветриваемом помещении содержание кислорода в воздухе уменьшается настолько, что человек может задохнуться. СО2 растворяется во многих жидкостях; растворимость зависит от свойств жидкости, температуры и давления паров СО2. Способность диоксида углерода растворяться в воде и определяет его широкое использование в производстве безалкогольных напитков. СО2 прекрасно растворяется в органических растворителях, например в спирте, ацетоне и бензоле. При повышении давления и охлаждении диоксид углерода легко сжижается и находится в жидком состоянии при температурах от +31 до -57° С (в зависимости от давления). Ниже -57° С переходит в твердое состояние (сухой лед). Давление, необходимое для сжижения, зависит от температуры: при +21° С оно составляет 60 атм, а при -18° С всего 20 атм. Жидкий СО2 хранят в герметичных емкостях под соответствующим давлением. При переходе в атмосферу часть его превращается в газ, а некоторое количество - в "углеродный снег", при этом его температура понижается до -84° С. Поглощая тепло из окружающей среды, сухой лед переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу, - сублимирует. Для уменьшения сублимационных потерь его хранят и транспортируют в герметичных контейнерах, достаточно прочных, чтобы выдержать увеличение давления при повышении температуры.
Химические свойства. СО2 - малоактивное соединение. При растворении в воде образует слабую угольную кислоту, окрашивающую лакмусовую бумажку в красный цвет. Угольная кислота улучшает вкусовые качества газированных напитков и предотвращает рост бактерий. Реагируя со щелочными и щелочноземельными металлами, а также с аммиаком, СО2 образует карбонаты и бикарбонаты.
См. также УГЛЕРОД. Распространенность в природе и получение. СО2 образуется при сжигании углеродсодержащих веществ, спиртовом брожении, гниении растительных и животных остатков; он высвобождается при дыхании животных, его выделяют растения в темноте. На свету, напротив, растения поглощают СО2 и выделяют кислород, что поддерживает природный баланс кислорода и углекислого газа в воздухе, которым мы дышим. Содержание СО2 в нем не превышает 0,03% (по объему). Известно пять основных способов получения СО2: сжигание углеродсодержащих веществ (кокса, природного газа, жидкого топлива); образование в качестве побочного продукта при синтезе аммиака; прокаливание известняка; брожение; откачка из скважин. В последних двух случаях получается практически чистый диоксид углерода, а при сжигании углеродсодержащих веществ или прокаливании известняка образуется смесь СО2 с азотом и следами других газов. Эту смесь пропускают через раствор, поглощающий только СО2. Затем раствор нагревают и получают практически чистый СО2, который отделяют от оставшихся примесей. От паров воды избавляются вымораживанием и химической сушкой. Очищенный СО2 сжижают, охлаждая его при высоком давлении, и хранят в больших емкостях. Для получения сухого льда жидкий СО2 подают в закрытую камеру гидравлического пресса, где понижают давление до атмосферного. При резком снижении давления из СО2 образуются рыхлый снег и очень холодный газ. Снег прессуют и получают сухой лед. Газообразный СО2 откачивают, сжижают и возвращают в резервуар для хранения.
ПРИМЕНЕНИЕ
Получение низких температур. В жидком и твердом виде СО2 применяется в основном как хладагент. Сухой лед - компактный материал, удобный в обращении и позволяющий создавать разные температурные режимы. При той же массе он превосходит обычный лед по хладоемкости более чем в два раза, занимая вдвое меньший объем. Сухой лед используется при хранении пищевых продуктов. Им охлаждают шампанское, безалкогольные напитки и мороженое. Он широко применяется при "холодном измельчении" термочувствительных материалов (мясных продуктов, смол, полимеров, красителей, инсектицидов, красок, приправ); при галтовке (очистке от заусенцев) штампованных изделий из резины и пластика; при низкотемпературных испытаниях летательных аппаратов и электронных устройств в специальных камерах; для "холодного смешивания" полуфабрикатов кексов и тортов, чтобы при выпечке они сохраняли однородность; для быстрого охлаждения контейнеров с транспортируемыми продуктами обдуванием их струей измельченного сухого льда; при закалке легированных и нержавеющих сталей, алюминия и т.д. с целью улучшения их физических свойств; для плотной посадки деталей машин при их сборке; для охлаждения резцов при обработке высокопрочных стальных заготовок.
Карбонизация. Основное применение газообразного СО2 - карбонизация воды и безалкогольных напитков. Вначале воду и сироп смешивают в нужных пропорциях, а затем под давлением насыщают смесь газообразным СО2. Карбонизация пива и вин обычно происходит в результате протекающих в них химических реакций. Применения, основанные на инертности. СО2 применяется как антиоксидант при долговременном хранении многих пищевых продуктов: сыра, мяса, сухого молока, орехов, растворимых чая, кофе, какао и т.д. Как вещество, подавляющее горение, СО2 используют при хранении и транспортировке горючих материалов, например ракетного топлива, масел, бензина, красок, лаков, растворителей. Он используется как защитная среда при электросварке углеродистых сталей с целью получения однородного прочного шва, при этом сварочные работы оказываются дешевле, чем при использовании инертных газов. СО2 - одно из наиболее эффективных средств тушения пожаров, возникающих при воспламенении горючих жидкостей и электрических пробоях. Выпускают разные углекислотные огнетушители: от портативных емкостью не более 2 кг до стационарных установок автоматической подачи с общей емкостью баллонов до 45 кг или газовых резервуаров низкого давления емкостью до 60 т СО2. Жидкий СО2, находящийся в таких огнетушителях под давлением, при выпуске образует смесь из снега и холодного газа; последний обладает большей плотностью, чем воздух, и вытесняет его из зоны горения. Эффект усиливается еще и охлаждающим действием снега, который, испаряясь, переходит в газообразный СО2.
Химические аспекты. Диоксид углерода применяется в производстве аспирина, свинцовых белил, мочевины, перборатов, химически чистых карбонатов. Угольная кислота, образующаяся при растворении СО2 в воде, - недорогой реагент для нейтрализации щелочей. В литейном производстве при помощи диоксида углерода отверждают песочные формы благодаря взаимодействию CO2 с силикатом натрия, смешанным с песком. Это позволяет получать более качественные отливки. Огнеупорный кирпич, которым выложены печи для выплавки стали, стекла и алюминия, после обработки диоксидом углерода становится более прочным. СО2 используется также в городских системах умягчения воды с помощью натронной извести.
Создание повышенного давления. СО2 применяют для опрессовки и проверки на течь различных емкостей, а также для калибровки манометров, клапанов, свечей зажигания. Им наполняют портативные контейнеры для накачивания спасательных поясов и надувных лодок. Смесь диоксида углерода и закиси азота долгое время применяли для создания давления в аэрозольных баллончиках. СО2 нагнетают под давлением в герметичные емкости с эфиром (в устройствах для быстрого запуска двигателей), растворителями, красками, инсектицидами для последующего распыления этих веществ.
Применение в медицине. В небольших количествах СО2 добавляют к кислороду (для стимуляции дыхания) и при анестезии. В высоких концентрациях его применяют для гуманного умерщвления животных.
ЛИТЕРАТУРА
Реми Г. Курс неорганической химии, т. 1. М., 1972 Некрасов Б.В. Основы общей химии. М., 1973