Углекислый газ химия формула: Физические и химические свойства углекислого газа

Содержание

Углекислый газ • ru.knowledgr.com

Углекислый газ (химическая формула CO) является естественным химическим соединением, составленным из двух атомов кислорода, которые каждый ковалентно удваивает соединенный с единственным атомом углерода. Это — газ при стандартной температуре и давлении и существует в атмосфере Земли в этом государстве, как газ следа при концентрации 0,04 процентов (400 частей на миллион) объемом, с 2014.

Как часть углеродного цикла, растения, морские водоросли и cyanobacteria используют энергию света, чтобы фотосинтезировать углевод от углекислого газа и воду с кислородом, произведенным как ненужный продукт. Однако фотосинтез не может произойти в темноте, и ночью некоторый углекислый газ произведен заводами во время дыхания. Это произведено во время дыхания всех других аэробных организмов и выдохнуто в дыхании легочных наземных животных, включая людей. Углекислый газ произведен во время процессов распада органических материалов и брожения сахара в пиве и виноделии.

Это произведено сгоранием древесины, углеводов и главного углерода — и богатое углеводородом ископаемое топливо, такое как уголь, торф, нефтяной и природный газ. Это испускается с вулканов, Хот-Спрингса и гейзеров и освобождено от скал карбоната роспуском в воде и кислотах. CO находят в озерах, на глубине под морем и смешивают с нефтяными и газовыми залежами.

Воздействие на окружающую среду углекислого газа представляет значительный интерес. Атмосферный углекислый газ — основной источник углерода в жизни на Земле и ее концентрации в доиндустриальной атмосфере Земли, так как поздно в докембрии вечность была отрегулирована фотосинтетическими организмами. Углекислый газ — важный парниковый газ и горение основанного на углероде топлива, так как промышленная революция быстро увеличила свою концентрацию в атмосфере, приведя к глобальному потеплению. Это — также основной источник океанского окисления, так как это распадается в воде, чтобы сформировать углеродистую кислоту.

История

Углекислый газ был одним из первых газов, которые будут описаны как вещество, отличное от воздуха. В семнадцатом веке фламандский химик Ян Бэптист ван Хелмонт заметил, что, когда он сжег древесный уголь в замкнутом сосуде, масса получающегося пепла была намного меньше, чем тот из оригинального древесного угля. Его интерпретация была то, что остальная часть древесного угля была преобразована в невидимое вещество, которое он назвал «газом» или «диким духом» (spiritus sylvestre).

Свойства углекислого газа были изучены более тщательно в 1750-х шотландским врачом Джозефом Блэком. Он нашел, что известняк (карбонат кальция) мог быть нагрет или отнесен кислоты, чтобы привести к газу, который он назвал «фиксированным воздухом». Он заметил, что фиксированный воздух был более плотным, чем воздух и не поддержал ни пламени, ни жизни животных. Блэк также нашел, что, когда пузырится через limewater (влажный водный раствор гидроокиси кальция), это ускорит карбонат кальция. Он использовал это явление, чтобы иллюстрировать, что углекислый газ произведен дыханием животных и микробным брожением. В 1772 английский химик Джозеф Пристли опубликовал работу под названием Пропитка Воды с Фиксированным Воздухом, в котором он описал процесс капающей серной кислоты (или купоросное масло, поскольку Пристли знал это) на мелу, чтобы произвести углекислый газ и то, чтобы вынуждать газ распасться, волнуя миску воды в контакте с газом.

Углекислый газ сначала сжижался (при поднятых давлениях) в 1823 Хумфри Дэйви и Майклом Фарадеем. Самое раннее описание твердого углекислого газа было дано Адриеном-Жан-Пьером Тилорье, который в 1835 открыл герметичный контейнер жидкого углекислого газа, только чтобы найти, что охлаждение, произведенное быстрым испарением жидкости, привело к «снегу» твердого CO.

Химические и физические свойства

Структура и соединение

Молекула углекислого газа линейна и centrosymmetric. Две связи C=O эквивалентны и коротки (116.3 пополудни), совместимы с двойным соединением. Так как это — centrosymmetric, у молекулы нет электрического диполя. Совместимый с этим фактом, только две вибрационных группы наблюдаются в спектре IR – антисимметричный способ протяжения в 2 349 см и сгибающийся способ около 666 см. Есть также симметричный способ протяжения в 1 388 см, который только наблюдается в спектре Рамана.

В водном растворе

Углекислый газ разрешим в воде, в которой он обратимо формируется (углеродистая кислота), который является слабой кислотой, так как ее ионизация в воде неполная.

: +

Равновесие гидратации, постоянное из углеродистой кислоты, (в 25 °C). Следовательно, большинство углекислого газа не преобразовано в углеродистую кислоту, но остается как молекулы CO, не затрагивая pH фактор.

Относительные концентрации, и формы deprotonated (бикарбонат) и (карбонат) зависят от pH фактора. Как показано в заговоре Bjerrum, в нейтральной или немного щелочной воде (pH фактор> 6.5), форма бикарбоната преобладает (> 50%) становление самым распространенным (> 95%) в pH факторе морской воды. В очень щелочной воде (pH фактор> 10. 4), преобладающее (> 50%) форма — карбонат. Океаны, будучи мягко щелочными с типичным pH фактором = 8.2–8.5, содержат приблизительно 120 мг бикарбоната за литр.

Будучи diprotic, у углеродистой кислоты есть две кислотных константы разобщения, первая для разобщения в бикарбонат (также названный водородным карбонатом) ион (HCO):

:HCO HCO + H

:K =; pK = 3.6 в 25 °C.

Это — истинное первое кислотное разобщение, постоянное, определенное как, где знаменатель включает только ковалентно связанный HCO и исключает гидратировавший CO (AQ). Намного меньшая и часто указанная стоимость рядом — очевидная стоимость, вычисленная на (неправильное) предположение, что все распались, CO присутствует как углеродистая кислота, так, чтобы. Начиная с большинства расторгнутых CO остается, поскольку молекулы CO, K (очевидный) имеет намного больший знаменатель и намного меньшую стоимость, чем истинный K.

Ион бикарбоната — амфотерная разновидность, которая может действовать как кислота или как основа, в зависимости от pH фактора решения. В высоком pH факторе это отделяет значительно в ион карбоната (CO):

:HCO КО + H

:K =; pK = 10,329

В организмах углеродистое кислотное производство катализируется ферментом, углеродистым anhydrase.

Химические реакции CO

CO — слабый electrophile. Ее реакция с основной водой иллюстрирует эту собственность, когда гидроокись — nucleophile. Другие nucleophiles реагируют также. Например, carbanions в соответствии с реактивами Гриняра и составами organolithium реагируют с CO, чтобы дать, карбоксилирует:

:MR + CO → RCOM

:where M = Ли или MgBr и R = алкилированный или арилзамещенный.

В металлических комплексах углекислого газа CO служит лигандом, который может облегчить преобразование CO к другим химикатам.

Сокращение CO к CO обычно — трудная и медленная реакция:

:CO + 2 e + 2H → CO + HO

Окислительно-восстановительный потенциал для этой реакции около pH фактора 7 о −0.53 V против стандартного водородного электрода. Содержащие никель катализы дегидрогеназы угарного газа фермента этот процесс.

Физические свойства

Углекислый газ бесцветен. При низких концентрациях газ без запаха. При более высоких концентрациях у этого есть острый, кислый аромат. При стандартной температуре и давлении, плотность углекислого газа составляет приблизительно 1,98 кг/м, приблизительно в 1.67 раза больше чем это воздуха.

У

углекислого газа нет жидкого состояния при давлениях ниже. В 1 атмосфере (около означают давление уровня моря), газовые залежи непосредственно к телу при температурах ниже и твердых подлаймах непосредственно к газу выше −78.5 °C. В его твердом состоянии углекислый газ обычно называют сухим льдом.

Жидкий углекислый газ формируется только при давлениях выше 5,1 атм; тройной пункт углекислого газа составляет приблизительно 518 кПа в −56.6 °C (см. диаграмму фазы, выше). Критическая точка составляет 7,38 МПа в 31.1 °C. Другая форма твердого углекислого газа, наблюдаемого в высоком давлении, является аморфным подобным стакану телом. Эта форма стекла, названного carbonia, произведена, переохладившись, нагрел CO при чрезвычайном давлении (40-48 Гпа или приблизительно 400 000 атмосфер) в алмазной наковальне. Это открытие подтвердило теорию, что углекислый газ мог существовать в стеклянном государстве, подобном другим членам его элементной семьи, как кремний (стакан кварца) и германиевый диоксид. В отличие от кварца и germania очков, однако, carbonia стекло не стабильно при нормальных давлениях и возвращается к газу, когда давление выпущено.

При температурах и давлениях выше критической точки, углекислый газ ведет себя как сверхкритическая жидкость, известная как сверхкритический углекислый газ.

Изоляция и производство

Углекислый газ, главным образом, произведен как остаточный продукт стороны четырех технологий: сгорание ископаемого топлива, производство водорода паровым преобразованием, синтезом аммиака и брожением. Это может быть получено дистилляцией из воздуха, но этот метод неэффективен.

Сгорание всего содержащего углерод топлива, такого как метан (природный газ), нефтяные продукты перегонки (бензин, дизель, керосин, пропан), уголь, древесина и универсальное органическое вещество производит углекислый газ и, в большинстве случаев, вода. Как пример химическая реакция между метаном и кислородом дана ниже.

:

Негашеная известь (главный администратор), состав, у которого есть много промышленного использования, произведена, прогнав из известняка, нагревшись (сжигающий) приблизительно в 850 °C:

:

Железо уменьшено от его окисей с коксом в доменной печи, произведя чугун в чушках и углекислый газ:

:

Дрожжи усваивают сахар, чтобы произвести углекислый газ и этанол, также известный как алкоголь, в производстве вин, пива и другого алкоголя, но также и в производстве биоэтанола:

: →

Все аэробные организмы производят, когда они окисляют углеводы, жирные кислоты и белки в митохондриях клеток. Большое количество включенных реакций чрезвычайно сложно и не описанное легко. Обратитесь к (клеточное дыхание, анаэробное дыхание и фотосинтез). Уравнение для дыхания глюкозы и других моносахаридов:

: + → +

Фотоавтотрофы (т.е. заводы и cyanobacteria) используют энергию, содержавшуюся в солнечном свете, чтобы фотосинтезировать простой сахар от поглощенного от воздуха и воды:

: n + n → + n

Лабораторные методы

Множество химических маршрутов к углекислому газу известно, такие как реакция между большинством кислот и большинством металлических карбонатов. Например, реакция между карбонатом соляной кислоты и кальция (известняк или мел) изображена ниже:

:

Углеродистая кислота тогда разлагается, чтобы оросить и:

:

Такие реакции сопровождаются, пенясь или пузырясь, или оба. В промышленности такие реакции широко распространены, потому что они могут использоваться, чтобы нейтрализовать ненужные кислотные потоки.

Промышленное производство

Промышленный углекислый газ может быть произведен несколькими методами, многие из которых осуществлены в различных весах. В его доминирующем маршруте углекислый газ произведен как продукт стороны промышленного производства аммиака и водорода. Эти процессы начинаются с реакции водного и природного газа (главным образом, метан).

Хотя углекислый газ не часто восстанавливается, углекислый газ следует из сгорания ископаемого топлива и древесины также брожение сахара в пивоварении пива, виски и других алкогольных напитков. Это также следует из теплового разложения известняка, в изготовлении извести (негашеная известь,). Это может быть получено непосредственно с естественных весен углекислого газа, где это произведено действием окисленной воды на известняке или доломите.

Использование

Углекислый газ используется пищевой промышленностью, нефтедобывающей промышленностью и химической промышленностью.

Предшественник химикатов

В химической промышленности углекислый газ, главным образом, потребляется как компонент в производстве мочевины и метанола. Металлические карбонаты и бикарбонаты, а также некоторые карбоксильные производные кислот (например, эфир салициловой кислоты натрия) подготовлены, используя CO.

Продукты

Углекислый газ — пищевая добавка, используемая в качестве топлива и регулятора кислотности в пищевой промышленности. Это одобрено для использования в ЕС (перечисленный как Пищевая добавка E290), США и Австралия и Новая Зеландия (перечисленный ее номером 290 INS).

На

леденец под названием Популярные Скалы герметизируют с газом углекислого газа приблизительно в 4 x 10 Па (40 баров, 580 фунтах на квадратный дюйм). Когда помещено в рот, это расторгает (точно так же, как другая карамель) и выпускает газовые пузыри со слышимым населением

Активизирование агентов заставляет тесто повышаться, производя углекислый газ. Хлебопекарные дрожжи производят углекислый газ брожением сахара в пределах теста, в то время как химический leaveners, такого как разрыхлитель и углекислый газ выпуска пищевой соды, когда нагрето или, если выставлено кислотам.

Напитки

Углекислый газ используется, чтобы произвести газированные безалкогольные напитки и содовую. Традиционно, насыщение углекислотой в пиве и игристом вине появилось через естественное брожение, но много изготовителей газируют эти напитки с углекислым газом, восстановленным от процесса брожения. В случае разлитого в бутылки и пива на ножках наиболее распространенный используемый метод является насыщением углекислотой с переработанным углекислым газом. За исключением британского Настоящего эля, бочковое пиво обычно передается от бочонков в холодной комнате или подвале к распределению сигналов на баре, используя углекислый газ, на который герметизируют, иногда смешиваемый с азотом.

Виноделие

Углекислый газ в форме сухого льда часто используется в процессе виноделия, чтобы охладить грозди винограда быстро после выбора, чтобы помочь предотвратить непосредственное брожение дикими дрожжами. Главное преимущество использования сухого льда по регулярному щербету состоит в том, что это охлаждает виноград, не добавляя дополнительной воды, которая может уменьшиться, сахарная концентрация в винограде должна, и поэтому также уменьшать концентрацию алкоголя в законченном вине.

Сухой лед также используется во время холодной фазы замачивания процесса виноделия, чтобы сохранять виноград прохладным. Газ углекислого газа, который следует из возвышения сухого льда, имеет тенденцию оседать на дно баков, потому что это более плотно, чем воздух. Прочный газ углекислого газа создает гипоксическую окружающую среду, которая помогает препятствовать тому, чтобы бактерии росли на винограде, пока не пора начать брожение с желаемого напряжения дрожжей.

Углекислый газ также используется, чтобы создать гипоксическую окружающую среду для углеродистого размачивания, процесс раньше производил вино Божоле.

Углекислый газ иногда используется, чтобы пополнить винные бутылки или другие сосуды для хранения, такие как баррели, чтобы предотвратить окисление, хотя у этого есть проблема, которую это может расторгнуть в вино, делая ранее спокойное вино немного шипучим. Поэтому другие газы, такие как азот или аргон предпочтены для этого процесса профессиональными винными производителями.

Инертный газ

Это — один из обычно используемых сжатых газов для пневматического (газ, на который герметизируют) системы в портативных инструментах давления. Углекислый газ также используется в качестве атмосферы для сварки, хотя в сварочной дуге, это реагирует, чтобы окислить большинство металлов. Использование в автомобильной промышленности распространено несмотря на значительные доказательства, что сварки, сделанные в углекислом газе, более хрупкие, чем сделанные в более инертных атмосферах, и что такие суставы сварки ухудшаются в течение долгого времени из-за формирования углеродистой кислоты. Это используется в качестве сварочного газа прежде всего, потому что это намного менее дорого, чем более инертные газы, такие как аргон или гелий. Когда используется для сварки МиГа, использование CO иногда упоминается как сварка MAG для Металлического Активного Газа, поскольку CO может реагировать при этих высоких температурах. Это имеет тенденцию производить более горячую лужу, чем действительно инертные атмосферы, улучшая особенности потока. Хотя, это может произойти из-за атмосферных реакций, происходящих на месте лужи. Это обычно — противоположность желаемого эффекта, сваривая, поскольку это ухаживает к embrittle за местом, но может не быть проблемой для общей сварки мягкой стали, где окончательная податливость не главное беспокойство.

Это используется во многих потребительских товарах, которые требуют герметичного газа, потому что это недорогое и невоспламеняющееся, и потому что это подвергается переходу фазы от газа до жидкости при комнатной температуре при достижимом давлении приблизительно 60 баров (870 фунтов на квадратный дюйм, 59 атм), позволение намного большего количества углекислого газа поместиться в данный контейнер, чем иначе было бы. Спасательные жилеты часто содержат канистры углекислого газа, на который оказывают давление, для быстрой инфляции. Алюминиевые капсулы CO также проданы в качестве поставок сжатого газа для духовых ружей, маркеров пейнтбола, раздув велосипедные шины, и для того, чтобы сделать газированную воду. Быстрое испарение жидкого углекислого газа используется для уничтожения в угольных шахтах. Высокие концентрации углекислого газа могут также использоваться, чтобы убить вредителей. Жидкий углекислый газ используется в сверхкритическом высыхании некоторых продуктов питания и технологических материалов в подготовке экземпляров для просмотра электронной микроскопии и в decaffeination кофейных зерен.

Огнетушитель

Углекислый газ гасит огонь и некоторые огнетушители, особенно разработанные для электрических огней, содержите жидкий углекислый газ под давлением. Огнетушители углекислого газа работают хорошо над маленькими огнеопасными жидкими и электрическими огнями, но не в обычных горючих огнях, потому что, хотя это исключает кислород, это не охлаждает горящих веществ значительно и когда углекислый газ рассеивается, они свободны загореться на воздействие атмосферного кислорода. Углекислый газ также широко использовался в качестве агента гашения в фиксированных системах противопожарной защиты для местного применения определенных опасностей и полного наводнения защищенного пространства. Стандарты Международной морской организации также признают, что системы углекислого газа для противопожарной защиты судна держатся и машинные отделения. Углекислый газ базировался, системы противопожарной защиты были связаны с несколькими смертельными случаями, потому что он может вызвать удушье в достаточно высоких концентрациях. Обзор систем CO определил 51 инцидент между 1975 и датой отчета, вызвав 72 смертельных случая и 145 ран.

Supercritical CO как растворитель

Жидкий углекислый газ — хороший растворитель для многих липофильных органических соединений и используется, чтобы удалить кофеин из кофе. Углекислый газ привлек внимание в фармацевтической продукции и других химических обрабатывающих отраслях промышленности как менее токсичная альтернатива более традиционным растворителям, таким как organochlorides. Это используется некоторыми работниками химчистки поэтому (см. зеленую химию). Это используется в подготовке некоторых аэрогелей из-за свойств сверхкритического углекислого газа.

Сельскохозяйственные и биологические заявления

Заводы требуют, чтобы углекислый газ провел фотосинтез. Оранжереи могут (если из большого размера, должен) обогащать их атмосферы дополнительным CO, чтобы выдержать и увеличить рост завода. Связанное с фотосинтезом снижение (фактором меньше чем два) в концентрации углекислого газа в отделении оранжереи убило бы зеленые заводы, или, по крайней мере, полностью остановить их рост. При очень высоких концентрациях (100 раз атмосферная концентрация, или больше), углекислый газ может быть токсичным к жизни животных, таким образом поднимать концентрацию к 10 000 частей на миллион (1%) или выше в течение нескольких часов устранит вредителей, таких как белокрылки и клещи паука в оранжерее. Углекислый газ используется в оранжереях в качестве главного углеродного источника для морских водорослей Spirulina.

В медицине 5%-й углекислый газ (130 раз атмосферная концентрация) добавлен к кислороду для стимуляции дыхания после одышки и стабилизировать баланс в крови.

Было предложено, чтобы углекислый газ от производства электроэнергии пузырился в водоемы, чтобы вырастить морские водоросли, которые могли тогда быть преобразованы в биодизельное топливо.

Нефтяное восстановление

Углекислый газ используется в добыче нефти вторичным методом, где это введено в или смежное с производством нефтяных скважин, обычно при сверхкритических условиях, когда это становится смешивающимся с нефтью. Этот подход может увеличить оригинальное нефтяное восстановление, уменьшив насыщенность остатка при переработке нефти между 7 процентами к 23 процентам, дополнительным к основному извлечению. Это действует и как агент оказывания нажима на и как, когда расторгнуто в подземную сырую нефть, значительно уменьшает свою вязкость, и изменяющий поверхностную химию, позволяющую нефть течь более быстро через водохранилище к удалению хорошо. В зрелых нефтяных месторождениях обширные сети трубы используются, чтобы нести углекислый газ к пунктам инъекции.

Био преобразование в топливо

Исследователи имеют генетически модифицированный напряжение cyanobacterium Synechococcus elongatus, чтобы произвести топливо isobutyraldehyde и isobutanol от использования фотосинтеза.

Хладагент

Жидкий и твердый углекислый газ — важные хладагенты, особенно в пищевой промышленности, где они наняты во время транспортировки и хранения мороженого и других замороженных продуктов. Твердый углекислый газ называют «сухим льдом» и используют для маленьких партий, где оборудование охлаждения не практично. Твердый углекислый газ всегда ниже −78.5 °C при регулярном атмосферном давлении, независимо от воздушной температуры.

Жидкий углекислый газ (промышленная номенклатура R744 или R-744) использовался в качестве хладагента до открытия R-12 и может обладать Ренессансом вследствие того, что R134a способствует изменению климата. Его физические свойства очень благоприятны для охлаждения, охлаждения и нагревания целей, имея высокую объемную мощность охлаждения. Из-за его действия при давлениях до 130 баров (1 880 фунтов на квадратный дюйм), системы CO требуют очень стойких компонентов, которые были уже развиты для массового производства во многих секторах. В автомобильном кондиционировании воздуха, больше чем в 90% всех условий движения для широт выше, чем 50 °, R744 работает более эффективно, чем системы, используя R134a. Его экологические преимущества (GWP 1, истощение неозона, нетоксичное, невоспламеняющееся), могли сделать его будущей рабочей жидкостью, чтобы заменить текущий HFCs в автомобилях, супермаркетах и водонагревателях теплового насоса, среди других. Coca-Cola выставила основанные на CO кулеры напитка и США. Армия интересуется охлаждением CO и нагревающейся технологией.

Глобальная автомобильная промышленность, как ожидают, выберет хладагент следующего поколения в автомобильном кондиционировании воздуха. CO — тот, обсудил выбор. (см. Стабильное автомобильное кондиционирование воздуха)

,

Угольное восстановление метана кровати

В расширенном угольном восстановлении метана кровати углекислый газ был бы накачан в угольный пласт, чтобы переместить метан, в противоположность текущим методам, которые прежде всего полагаются на удаление воды (чтобы уменьшить давление), чтобы заставить угольный пласт выпустить свой пойманный в ловушку метан.

Использование ниши

Углекислый газ так недорог и так безвреден, что он находит много маленького использования, которое представляет то, что можно было бы назвать использованием ниши. Например, это используется в лазере углекислого газа, который является одним из самого раннего типа лазеров.

Углекислый газ может использоваться в качестве средства управления pH фактором бассейнов, непрерывно добавляя газ к воде, таким образом препятствуя уровню pH фактора повыситься. Среди преимуществ этого предотвращение обработки (более опасных) кислот. Точно так же это также используется в аквариумах рифа поддержания, где это обычно используется в реакторах кальция, чтобы временно понизить pH фактор воды, передаваемой по карбонату кальция, чтобы позволить карбонату кальция распадаться в воду более свободно, где это используется некоторыми кораллами, чтобы построить их скелет. Это также используется в качестве основного хладагента в современных реакторах с газовым охлаждением в промышленности производства ядерной энергии.

Индукция углекислого газа обычно используется для эвтаназии лабораторных животных исследования. Методы, чтобы управлять CO включают помещающих животных непосредственно в закрытую, предварительно заполненную палату, содержащую CO или воздействие постепенно увеличивающейся концентрации CO. В 2013 американская Ветеринарная Медицинская ассоциация выпустила новые рекомендации для индукции углекислого газа, заявив, что расход 10% к 30%-му объему/минуте оптимален для гуманного euthanization маленьких грызунов.

В атмосфере Земли

Углекислый газ в атмосфере Земли считает газом следа, в настоящее время происходящим при средней концентрации приблизительно 400 частей за миллион объем (или 591 части за миллион массой). Его концентрация варьируется в сезон (см. граф в праве), и также значительно на региональной основе, особенно около земли. В городских районах концентрации обычно выше, и в закрытом помещении они могут достигнуть уровней фона 10 раз.

, углекислый газ в атмосфере Земли при концентрации приблизительно 400 частей на миллион объемом. Атмосферные концентрации углекислого газа колеблются немного с изменением сезонов, которые стимулирует прежде всего сезонный рост завода в северном полушарии. Концентрации падения углекислого газа в течение северной весны и лета как заводы потребляют газ и повышение в течение северной осени и зимы, когда заводы идут неактивные, умирают и распадаются. Принимая все это во внимание, концентрация CO выросла приблизительно на 2 части на миллион в 2009. Углекислый газ — парниковый газ, очевидный для поступающего видимого света от солнца, но поглощения коммуникабельной инфракрасной радиации от земли в ее двух инфракрасно-активных вибрационных частотах (см. Структуру и сцепляющийся выше). Как все газы, поглощенная энергия может быть перераспределена молекулярными столкновениями, которые нагревают атмосферу.

Перед выпуском углекислого газа в атмосферу человеческой промышленностью концентрации имели тенденцию увеличиваться с увеличением глобальных температур, действуя как позитивные отклики для изменений, вызванных другими процессами, такими как орбитальные циклы. Пятьсот миллионов лет назад углекислый газ был в 20 раз более распространен, чем сегодня, уменьшившись к 4–5 разам в течение юрского периода и затем медленно уменьшаясь с особенно быстрым сокращением, происходящим 49 миллионов лет назад.

Сгорание ископаемого топлива и вырубка леса заставили атмосферную концентрацию углекислого газа увеличиваться приблизительно на 35% с начала возраста индустриализации. » Деятельность человека увеличила изобилие заманивающих в ловушку высокую температуру газов в атмосфере, которую значительное большинство климатологов согласовывают, главная причина для 1.5°F (0.85°C) повышение средней глобальной температуры с 1880. Углекислый газ — заманивающий в ловушку высокую температуру газ, прежде всего ответственный за повышение, но метан, закись азота, озон и различные другие очень долговечные заманивающие в ловушку высокую температуру газы также способствуют. Углекислый газ представляет самый большой интерес, потому что его темп увеличения проявляет большее полное влияние нагревания, чем все те другие газы, объединенные, и потому что уровни углекислого газа в атмосфере будут оставаться поднятыми в течение многих веков, если мы не осуществим способ удалить углекислый газ из атмосферы эффективно и экономно. Большая часть углекислого газа от деятельности человека выпущена от горящего угля и другого ископаемого топлива. Другая деятельность человека, включая вырубку леса, горение биомассы и производство цемента также производит углекислый газ». Деятельность человека «испускает приблизительно в 135 раз больше углекислого газа, чем вулканы делают в типичном году». Цементная промышленность — один из трех основных производителей углекислого газа наряду с отраслями промышленности выработки энергии и транспортировки. С 2011 бетон вносит 7% в глобальную антропогенную эмиссию CO.

Вулканы испускают между 0,2 и 0,3 миллиарда тонн углекислого газа в год, по сравнению с приблизительно 29 миллиардами тонн углекислого газа, в год испускаемого людьми. До 40% газа, выделенного некоторыми вулканами во время подвоздушных извержений, являются углекислым газом. Считается, что вулканы выпускают приблизительно 130-230 миллионов тонн (145-255 миллионов коротких тонн) CO в атмосферу каждый год.

Углекислый газ также произведен Хот-Спрингсом, таким как те на территории Bossoleto под Раполано-Термеом в Тоскане, Италия, где, при депрессии в форме чаши приблизительно 100 м в диаметре, местные концентрации CO повышаются до вышеупомянутых 75%, ночных, достаточных, чтобы убить насекомых и мелких животных, но нагревается быстро когда освещенный солнцем; газ рассеян конвекцией в течение дня.

В местном масштабе высокие концентрации CO, произведенного волнением глубокой воды озера, насыщаемой с CO, как думают, вызвали 37 смертельных случаев в Озере Монун, Камерун в 1984 и 1 700 жертвах в Озере Ниос, Камерун в 1986.

В океанах

Углекислый газ распадается в океане, чтобы сформировать углеродистую кислоту (HCO), бикарбонат (HCO) и карбонат (CO), и есть приблизительно в пятьдесят раз больше углерода, растворенного в морской воде океанов, чем существует в атмосфере. Океаны действуют как огромный углеродный слив и подняли приблизительно одну треть CO, испускаемого деятельностью человека.

Как концентрация увеличений углекислого газа атмосферы, увеличенное внедрение углекислого газа в океаны вызывает измеримое уменьшение в pH факторе океанов, который упоминается как океанское окисление. Хотя естественное поглощение океанами в мире помогает смягчить влияния климатических условий антропогенной эмиссии, оно также приводит к уменьшению в pH факторе океанов. Это сокращение pH фактора влияет на биологические системы в океанах, прежде всего океанских отвердевающих организмах. Эти воздействия охватывают пищевую цепь от автотрофов до heterotrophs и включают организмы, такие как coccolithophores, кораллы, foraminifera, иглокожие, ракообразные и моллюски. При нормальных условиях кальцит и арагонит стабильны в поверхностных водах, так как ион карбоната при пересыщении концентраций. Однако, в то время как океанский pH фактор падает, также — концентрация этого иона, и когда карбонат становится ненасыщенным, структуры, сделанные из карбоната кальция, уязвимы для роспуска. Даже если нет никакого изменения в уровне отвердения, поэтому, темпе роспуска известковых существенных увеличений.

Кораллы, coccolithophore морские водоросли, коралловые морские водоросли, foraminifera, моллюск и pteropods испытывают уменьшенное отвердение или увеличенный роспуск, когда выставлено поднятому.

Газовая растворимость уменьшается как температура водных увеличений (кроме тех случаев, когда и давление превышает 300 баров и температуру, превышает 393 K, только найденные около глубоких геотермических вентилей), и поэтому темп внедрения от уменьшений атмосферы, когда океанские температуры повышаются.

Большинство CO, поднятые океаном, который составляет приблизительно 30% общего количества, выпущенного в атмосферу, формирует углеродистую кислоту в равновесии с бикарбонатом. Некоторые из этих химических разновидностей потребляются фотосинтетическими организмами, которые удаляют углерод из цикла. Increased CO в атмосфере привела к уменьшающейся щелочности морской воды, и есть беспокойство, что это может оказать негативное влияние на организмы, живущие в воде. В частности с уменьшающейся щелочностью доступность карбонатов для формирования обстреливает уменьшения, хотя есть доказательства увеличенного производства раковины определенными разновидностями под увеличенным содержанием CO.

NOAA заявляет в их мае 2008 «государство научных фактических данных для океанского окисления» что:

«Океаны поглотили приблизительно 50% углекислого газа (CO), выпущенный от горения ископаемого топлива, приводящего к химическим реакциям тот более низкий океанский pH фактор. Это вызвало увеличение водородного иона (кислотность) приблизительно 30% начиная с начала промышленной эпохи посредством процесса, известного как «океанское окисление». Растущее число исследований продемонстрировало неблагоприятные воздействия на морские организмы, включая:

  • Уровень, по которому строящие риф кораллы производят свои скелетные уменьшения, в то время как производство многочисленных вариантов медузы увеличивается.
  • Способность морских морских водорослей и свободно плавающего зоопланктона, чтобы поддержать защитные раковины уменьшена.
  • Выживание личиночных морских разновидностей, включая промысловую рыбу и моллюска, уменьшено.»

Кроме того, Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) пишет в их глобальном потеплении 2007: Отчет о Синтезе:

«Поглощение антропогенного углерода с 1750 привело к океану, становящемуся более кислым со средним уменьшением в pH факторе 0,1 единиц. Увеличивающиеся атмосферные концентрации CO приводят к дальнейшему окислению… В то время как эффекты наблюдаемого океанского окисления на морской биосфере пока еще не документированы, у прогрессивного окисления океанов, как ожидают, будут негативные воздействия на морские формирующие раковину организмы (например, кораллы) и их зависимые разновидности».

Некоторые морские отвердевающие организмы (включая коралловые рифы) были выбраны крупнейшими агентствами по исследованию, включая NOAA, комиссию OSPAR, NANOOS и МГЭИК, потому что их актуальнейшее исследование показывает, что океанское окисление, как должны ожидать, повлияет на них отрицательно.

Углекислый газ также введен в океаны через термальные источники. Термальный источник шампанского, найденный в Северо-западном вулкане Eifuku в Траншейном Морском пехотинце Марианских островов Национальный Памятник, производит почти чистый жидкий углекислый газ, одно только из двух известных мест в мире.

Морские ежи, как обнаруживали, были в состоянии преобразовать углекислый газ в сырье для их раковин.

Биологическая роль

Углекислый газ — конечный продукт клеточного дыхания в организмах, которые получают энергию, ломая сахар, жиры и аминокислоты с кислородом как часть их метаболизма. Это включает все растения, морские водоросли и животных и аэробные грибы и бактерии. У позвоночных животных углекислый газ едет в крови от тканей тела до кожи (например, амфибии) или жабры (например, рыба), от того, где это распадается в воде, или к легким от того, где это выдохнуто. Во время активного фотосинтеза заводы могут поглотить больше углекислого газа от атмосферы, чем они используют в дыхании.

Фотосинтез и углеродная фиксация

Углеродная фиксация — биохимический процесс, которым атмосферный углекислый газ включен растениями, морскими водорослями и (cyanobacteria) в богатые энергией органические молекулы, такие как глюкоза, таким образом создав их собственную еду фотосинтезом. Фотосинтез использует углекислый газ и воду, чтобы произвести сахар, из которого могут быть построены другие органические соединения, и кислород произведен как побочный продукт.

Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase оксигеназа, обычно сокращаемая до RuBisCO, является ферментом, вовлеченным в первый главный шаг углеродной фиксации, производство двух молекул 3-phosphoglycerate от и ribulose bisphosphate, как показано в диаграмме в левом.

RuBisCo, как думают, является единственным самым богатым белком на Земле.

Phototrophs используют продукты своего фотосинтеза как внутренние источники пищи и как сырье для биосинтеза более сложных органических молекул, такие как полисахариды, нуклеиновые кислоты и белки. Они используются для их собственного роста, и также как основание пищевых цепей и сетей, которые кормят другие организмы, включая животных такой как самостоятельно. Некоторый важный phototrophs, coccolithophores синтезируют твердые весы карбоната кальция. Глобально значительная разновидность coccolithophore — Emiliania huxleyi, весы кальцита которого сформировали основание многих осадочных пород, таких как известняк, где то, что было ранее атмосферным углеродом, может остаться фиксированным для геологической шкалы времени.

Заводы могут вырастить целый на 50 процентов быстрее в концентрациях CO на 1 000 частей на миллион при сравнении с внешними условиями, хотя это не принимает изменения в климате и никакого ограничения на другие питательные вещества. Уровни Elevated CO вызывают увеличенный рост, отраженный в harvestable урожае зерновых культур, с пшеницей, рисом и соей все увеличения показа урожая 12-14% под поднятым CO в экспериментах ЛИЦА.

Увеличенные атмосферные концентрации CO приводят к меньшему количеству устьиц, развивающихся на заводах, который приводит к уменьшенному использованию воды и увеличенной эффективности водного использования. Исследования используя ЛИЦО показали, что обогащение CO приводит к уменьшенным концентрациям микропитательных веществ в хлебных злаках. Это может иметь цепные реакции на других частях экосистем, поскольку травоядные животные должны будут съесть больше еды, чтобы получить ту же самую сумму белка.

Концентрация вторичных метаболитов, таких как phenylpropanoids и флавониды

может также быть изменен на заводах, подвергнутых высоким концентрациям CO.

Заводы также испускают CO во время дыхания, и таким образом, большинство растений и морских водорослей, которые используют фотосинтез C3, является только чистыми поглотителями в течение дня. Хотя растущий лес будет поглощать много тонн CO каждый год, зрелый лес произведет столько же CO из дыхания и разложения мертвых экземпляров (например, упавшие отделения), как используется в фотосинтезе в выращивании растений. Вопреки давнему представлению, что они — углерод, нейтральные, зрелые леса могут продолжить накапливать углерод и оставаться ценными углеродными сливами, помогая сохранить углеродный равновесие атмосферы Земли. Кроме того, и кардинально к жизни на земле, фотосинтез фитопланктоном потребляет расторгнутый CO в верхнем океане и таким образом способствует поглощению CO от атмосферы.

Токсичность

Содержание углекислого газа в свежем воздухе (усредненный между уровнем моря и уровнем на 10 кПа, т.е., приблизительно 30-километровой высотой) варьируется между 0,036% (360 частей на миллион) и 0,039% (390 частей на миллион), в зависимости от местоположения.

CO — удушающий газ и не классифицированный как токсичный или вредный в соответствии с Глобально Согласованной Системой Классификации и Маркировкой стандартов Химикатов Экономической комиссии ООН для Европы при помощи Рекомендаций ОЭСР для Тестирования Химикатов. В концентрациях до 1% (10 000 частей на миллион) это заставит некоторых людей хотеть спать. Концентрации 7% к 10% могут вызвать удушье, даже в присутствии достаточного кислорода, проявив как головокружение, головная боль, визуальная и слышащая дисфункция и бессознательное состояние в течение нескольких минут к часу. Физиологические эффекты острого воздействия углекислого газа группируются в термин hypercapnia, подмножество удушья.

Поскольку это более тяжело, чем воздух в местоположениях, где газ просачивается от земли (из-за недр вулканическая или геотермическая деятельность) в относительно высоких концентрациях без рассеивающихся эффектов ветра, это может собраться в, защитился/присвоил местоположения ниже среднего уровня земли, заставив животных, расположенных там быть задушенными. Отвратительные едоки, привлеченные к корпусам, тогда также убиты. Дети были убиты таким же образом около города Гомы выбросами соседнего вулкана Мт. Nyiragongo. Термин суахили для этого явления — ‘mazuku’.

Адаптация к увеличенным концентрациям CO происходит в людях, включая измененное дыхание и почечное производство бикарбоната, чтобы уравновесить эффекты окисления крови (ацидоз). Было предложено, чтобы 2,0 процента, вдохновленные концентрации могли использоваться для закрытых воздушных пространств (например, субмарина) начиная с адаптации, были физиологическими и обратимыми. Декремент в работе или в нормальной физической активности не происходит на этом уровне воздействия в течение 5 дней. Однако, с продолжающимся дыхательным ацидозом, адаптация или компенсационные механизмы будут неспособны полностью изменить это условие. Есть очень немного исследований воздействий на здоровье долгосрочного непрерывного воздействия CO на людях и животных на уровнях ниже 1% и есть потенциально значительный риск для людей в ближайшем будущем с возрастающими атмосферными уровнями CO, связанными с изменением климата. Пределы воздействия Occupational CO были установлены в Соединенных Штатах в 0,5% (5 000 частей на миллион) в течение 8-часового периода. На этом уровне CO команда Международной космической станции испытала головные боли, летаргию, умственную медлительность, эмоциональное раздражение и разрушение сна. Исследования у животных в CO на 0,5% продемонстрировали почечное отвердение и потерю костной массы после 8 недель воздействия. Другое исследование людей, подвергнутых на сессиях 2,5 часов, продемонстрировало значительные эффекты на познавательные способности при концентрациях всего, CO (на 1000 частей на миллион) на 0,1%, вероятно, из-за CO вызвал увеличения мозгового кровотока.

Шахтеры, которые особенно уязвимы для газового воздействия, именовали смеси углекислого газа и азот как «мертвый воздух», «наполните влажность» или «stythe». Прежде чем более эффективные технологии были разработаны, шахтеры будут часто контролировать для опасных уровней мертвого воздуха и других газов в стволах шахты, принося содержащуюся в клетке канарейку с ними, когда они работали. Канарейка более чувствительна к удушающим газам, чем люди, и поскольку это стало не сознающим, прекратит петь и упадет с его высоты. Лампа Дэйви могла также обнаружить высокие уровни мертвого воздуха (который снижается и собирается около пола), горя менее ярко, в то время как метан, другой удушающий газ и риск взрыва, заставил бы лампу гореть более ярко.

Дифференциал углекислого газа выше наружных концентраций при условиях устойчивого состояния (когда занятие и системная операция по вентиляции достаточно длинны, который стабилизировала концентрация CO) иногда используется, чтобы оценить темпы вентиляции на человека. CO, как полагают, является заместителем для человеческих биосточных вод и может коррелировать с другими внутренними загрязнителями. Концентрации Higher CO связаны со здоровьем жителя, комфортом и исполнительной деградацией. Стандарт ASHRAE 62.1–2007 темпа вентиляции может привести к внутренним уровням на 2 100 частей на миллион выше окружающих наружных условий. Таким образом, если наружными окружающими составляют 400 частей на миллион, внутренние концентрации могут достигнуть 2 500 частей на миллион с темпами вентиляции, которые соответствуют этому промышленному стандарту согласия. Концентрации в плохо проветренных местах могут быть сочтены еще выше, чем это (диапазон 3 000 или 4,000).

Человеческая физиология

Содержание

Тело производит приблизительно углекислого газа в день на человека, содержа углерода.

В людях этот углекислый газ несут через венозную систему и выдыхают через легкие. Поэтому, содержание углекислого газа в теле высоко в венозной системе и уменьшается в дыхательной системе, приводящей к более низким концентрациям вдоль любой артериальной системы. Содержание углекислого газа крови часто дается как парциальное давление, которое является давлением, которое имел бы углекислый газ, если это один заняло объем.

В людях содержание углекислого газа следующие:

Транспорт в крови

CO несут в крови тремя различными способами. (Точные проценты варьируются зависящий, является ли это артериальной или венозной кровью).

  • Большая часть из него (приблизительно 70% к 80%) преобразована в ионы бикарбоната ферментом углеродистый anhydrase в эритроцитах реакцией CO + HO → HCO → H +.
  • 5% — 10% расторгнуты в плазме
  • 5% — 10% связаны с гемоглобином, поскольку carbamino составляет

Гемоглобин, главная несущая кислород молекула в эритроцитах, несет и кислород и углекислый газ. Однако CO, связанный с гемоглобином, не связывает с тем же самым местом как кислород. Вместо этого это объединяется с группами N-терминала на четырех цепях глобина. Однако из-за аллостерических эффектов на молекулу гемоглобина, закрепление CO уменьшает количество кислорода, который направляется в данное парциальное давление кислорода. Уменьшенное закрепление с углекислым газом в крови из-за увеличенных кислородных уровней известно как Эффект Холдена и ва

Диоксид углерода — Википедия. Что такое Диоксид углерода

Диоксид углерода
Общие
Систематическое
наименование
Диоксид углерода
Традиционные названия углекислый газ, углекислота, двуокись углерода, сухой лёд (в твёрдом состоянии)
Хим. формула CO2
Физические свойства
Состояние бесцветный газ
Молярная масса 44,01 г/моль
Плотность газ (0 °C): 1,9768 кг/м³
жидкость (0 °С, 35,5 ат): 925 кг/м³
тв. (−78,5 °C): 1560 кг/м³
Динамическая вязкость 8,5·10−5 Па·с (10°C, 5,7 МПа)
Энергия ионизации 13,77 ± 0,01 эВ[1]
Термические свойства
−78,5 °C
Тройная точка −56,6 °C, 0,52 МПа
Кр. точка 31,1 °C, 7,38 МПа
Уд. теплоёмк. 846 Дж/(кг·К)
Удельная теплота плавления 25,13 кДж/моль
Давление пара 56,5 ± 0,1 атм[1]
Химические свойства
Растворимость в воде 1,45 кг/м³
Классификация
Рег.  номер CAS 124-38-9
PubChem 280
Рег. номер EINECS 204-696-9
SMILES
InChI
Кодекс Алиментариус E290
RTECS FF6400000
ChEBI 16526
Номер ООН 1013
ChemSpider 274
Безопасность
ПДК 9 000 мг/м3
ЛД50 LC50: 90 000 мг/м3*5 мин (человек, ингаляция)
Токсичность Нетоксичен. Опасен лишь в очень больших количествах (обладает удушающим действием). Негорюч.
S-фразы
S9
, S23, S36
NFPA 704
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Диокси́д углеро́да или двуо́кись углеро́да (также углеки́слый газ, углекислотá, окси́д углеро́да(IV), у́гольный ангидри́д) — бесцветный газ (в нормальных условиях), почти без запаха (в больших концентрациях с кисловатым «содовым» запахом), с химической формулой CO

2.

Плотность при нормальных условиях 1,98 кг/м³ (в 1,5 раза тяжелее воздуха). При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное (возгонка). Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,04 %[2]. Углекислый газ легко пропускает излучение в ультрафиолетовой и видимой частях спектра, которое поступают на Землю от Солнца и обогревает её. В то же время он поглощает испускаемое Землёй инфракрасное излучение и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления.

Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Свойства

Физические

Оксид углерода (IV) — углекислый газ, бесцветный газ, при малых концентрациях в воздухе не имеет запаха, при больших концентрациях имеет характерный кисловатый запах газированной воды. Тяжелее воздуха приблизительно в 1,5 раза.

Молекула углекислого газа линейна, расстояние от центра центрального атома углерода до центров двух атомов кислорода 116,3 пм.

При температуре −78,3 °С кристаллизуется в виде белой снегообразной массы — «сухого льда». Сухой лёд при атмосферном давлении не плавится, а испаряется, не переходя в жидкое состояние, температура сублимации −78 °С. Жидкий углекислый газ можно получить при повышении давления. Так, при температуре 20 °С и давлении свыше 6 МПа (~60 атм) газ сгущается в бесцветную жидкость.

Негорюч, но в его атмосфере может поддерживаться горение активных металлов, например, щелочных металлов и щелочноземельных — магния, кальция, бария.

Углекислый газ образуется при гниении и горении органических веществ. Содержится в воздухе и минеральных источниках, выделяется при дыхании животных и растений. Растворим в воде (0,738 объёмов углекислого газа в одном объёме воды при 15 °С).

Химические

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

Оксид углерода(IV) не поддерживает горения. В нём горят только некоторые активные металлы:[3]

:

2Mg+CO2→2MgO+C{\displaystyle {\mathsf {2Mg+CO_{2}\to 2MgO+C}}}

Взаимодействие с оксидом активного металла:

CaO+CO2→CaCO3{\displaystyle {\mathsf {CaO+CO_{2}\to CaCO_{3}}}}

При растворении в воде образует равновесную смесь раствора диоксида углерода и угольной кислоты, причём равновесие сильно сдвинуто в сторону разложения кислоты:

CO2+h3O⇄h3CO3{\displaystyle {\mathsf {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}}}}

Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:

Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+h3O{\displaystyle {\mathsf {Ca(OH)_{2}+CO_{2}\to CaCO_{3}\downarrow +H_{2}O}}} (качественная реакция на углекислый газ)
KOH+CO2→KHCO3{\displaystyle {\mathsf {KOH+CO_{2}\to KHCO_{3}}}}

Биологические

Организм человека выделяет приблизительно 1 кг углекислого газа в сутки[4].

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

[5].

Содержание углекислого газа в крови человека приблизительно таково:

Референтные значения или средние значения парциального давления углекислого газа в крови (pCO2)
Единицы измеренияГаз венозной кровиАльвеолярный лёгочный газГаз артериальной крови
кПа5,5[6]—6,8[6]4,84,7[6]—6,0[6]
мм рт.  ст.41—513635[7]—45[7]

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

  • Бо́льшая часть углекислого газа (от 70 % до 80 %) преобразуется ферментом карбоангидразой эритроцитов в ионы гидрокарбоната[8] при помощи реакции CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻.
  • Около 5—10 % углекислого газа растворено в плазме крови[8].
  • Около 5—10 % углекислого газа связано с гемоглобином в виде карбаминосоединений (карбогемоглобин)[8].

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

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

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

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

Химическая формула соды: пищевой, питьевой, кристаллической, технической

Словом «сода» называют несколько сложных химических веществ. Пищевая, питьевая, гидрокарбонат натрия, химическая формула NaHCO3, кислая натриевая соль угольной кислоты. Кальцинированная, бельевая, карбонат натрия, химическая формула Na2CO3, натриевая соль угольной кислоты.

 

Каустическая, гидроксид натрия, химическая формула NaOH. Есть еще некоторые технические виды соды – кристаллогидраты, содержащие карбонат натрия, и различные марки каустика. Вышеперечисленные соединения имеют различные свойства и химические формулы. Но все они хорошо растворяются в воде, а их растворы имеют более или менее выраженную щелочную реакцию. Рассмотрим их подробнее.

Формула пищевой соды

Гидрокарбонат натрия – химическое название белого кристаллического порошка белого цвета со средним размером кристаллов 0,05 — 0,20 мм. Синонимы, часто встречающиеся в научно-популярной литературе и в быту, — пищевая сода, чайная, питьевая, натрий двууглекислый, бикарбонат натрия.

Двууглекислый натрий (бикарбонат) – широко востребованное вещество в разных сферах жизни. Он применяется в химической промышленности и медицине, в легкой, пищевой отраслях, в металлургии. В пищевой промышленности сода включена в состав добавки E500.

Формула питьевой соды в химии NaHCO3 говорит о том, что это кислая натриевая соль угольной кислоты. Ее химические свойства как у соли сильного основания и слабой кислоты.

Гидрокарбонат натрия активно вступает в реакцию с кислотами. В результате образуется соль соответствующей кислоты, угольная кислота, которая в свою очередь  распадается на углекислый газ и воду. Сильное образование пузырьков  — это углекислый газ, высвобождающийся в процессе реакции.

Вот как происходит реакция с соляной кислотой:

NaHCO3 + HCl → NaCl + h3CO3

h3CO3 → h3O + CO2↑.

Реакция соды пищевой с уксусной кислотой:

NaHCO3 + CH3COOH → CH3COONa + H2O + CO2

В результате взаимодействия соды NaHCO3 с уксусной кислотой Ch4COOH образуются: Ch4COONa – ацетат натрия, вода h3O и углекислый газ CO2.

Многими, наверное, замечено, что если залить пищевую соду кипятком, она так же начинает гаситься, что выражается в обильном образовании пузырьков.  Это происходит реакция термического разложения.

Гидракарбонат натрия термически малоустойчив.  При нагревании порошок соды пищевой разлагается с образованием карбоната натрия (соды кальцинированной) и выделением диоксида углерода, а также воды в газовую фазу.

2NaHCO3↔ Na2CO3 + CO2 + h3O

Аналогично разлагаются и водные растворы бикарбоната натрия.

Растворяется ли пищевая сода в воде?

Есть 2 важные момента в растворении натрия гидрокарбоната в воде. Если мы растворяем соду притемпературе до 50 °С, происходит реакция гидролиза соли. Это обратимое взаимодействие соли с водой. Приводит к образованию слабого электролита.

А если растворяем соду в горячей воде, то уже образуется карбонат натрия, и в этом случае, водный раствор имеет сильнощелочную реакцию. Отсюда вывод: растворимость гидрокарбоната натрия в воде невелика, но при повышении температуры и она повышается.

При взаимодействии с водой двууглекислый натрий распадается на гидроксид натрия NaOH , который придает щелочность воде, угольную кислоту h3CO3, которая, в свою очередь, сразу же распадается на воду и углекислый газ h3O + CO2.

Химическая формула растворения соды в воде:

NaHCO3 + h3O ↔ h3CO3 (h3O + CO2) + NaOH

Водный раствор соды пищевой на растительные и животные ткани практически не действует.

Кальцинированная сода и ее кристаллогидраты

Карбонат натрия, или соду кальцинированную, натриевая соль угольной кислоты, не следует путать с содой пищевой. Химическая формула соды кальцинированной Na2CO3. Еще ее называют содой бельевой, потому что применяют в изготовлении моющих и чистящих средств бытовой химии.  Добывается из природных кристаллогидратов путем термического разложения.  Кальцинированная сода, безводный карбонат натрия, представляет собой бесцветный порошок.

Различные кристаллогидраты кальцинированной соды имеют свои названия:

  • Натрит, натрон – декагидрат карбоната натрия. Химическая формула: Na2CO3 • 10h3O
  • Термонатрит – моногидрат карбоната натрия. Химическая формула: Na2CO3 • h3O

Эти кристаллогидраты еще называют кристаллической содой, технической содой.

Каустическая сода, гидроксид натрия, химическая формула: NaOH. Ее еще называют едким натром, каустиком, едкой щелочью.  Сильное основание, молекулы полностью диссоциируют в воде. Даже на воздухе то вещество начинает активно впитывать воду и «расплывается».

Опасная едкая щелочь может оставлять на коже сильные ожоги. Поэтому при работе с каустической содой необходимо соблюдать технику безопасности.

Применяется в быту, в химической, целлюлозно-бумажной промышленности, для производства мыла и био-дизельного топлива.

В России производится несколько видов технической соды – натра едкого:

  • РД — раствор диафрагменный, бесцветная или окрашенная жидкость  с массовой долей NaOH 44,0 % — 46,0 %;
  • РХ — раствор химический с массовой долей NaOH 45,5 %, допускается небольшой осадок;
  • РР — раствор ртутный, прозрачная жидкость с массовой долей NaOH 42,0 %;
  • ТД — твердый диафрагменный, плавленая масса белого цвета с массовой долей  NaOH 94,0 %;
  • ТР — твёрдый ртутный, чешуированная масса белого цвета, с массовой долей NaOH 98,5 %.

Как видите, сода соде рознь. Принимать внутрь можно только пищевую, остальные виды — технические. Особенно осторожно необходимо обращаться с каустической содой. Это едкое агрессивное вещество оставляет долго незаживающие ожоги на коже. Поэтому, работать с растворами каустика нужно в защитной одежде, маске и резиновых перчатках.

GCSE ХИМИЯ — Ковалентная связь в молекуле диоксида углерода — Какова структура молекулы диоксида углерода?

GCSE CHEMISTRY — Ковалентное связывание в молекуле диоксида углерода — Какова структура молекулы диоксида углерода? — ОБУЧЕНИЕ НАУКА.

gcsescience.com 30 gcsescience.com

Атомная структура

Что такое углерод Молекула диоксида?

Кислород и углерод — неметаллы.
Атом кислорода имеет 6 электронов в его внешний оболочка.
Кислород находится в 6-й группе таблицы Менделеева.
В атоме углерода 4 электрона. внешняя оболочка.
Углерод входит в 4 группу периодических Таблица.

Два атома кислорода и 1 углерод атом будет каждый по
долей два электрона, чтобы сформировать четыре ковалентные связи
и образуют молекулу диоксида углерода (CO 2 ).

Это изображение углерода диоксид молекула.

Разделяя четыре электронов, где оболочки касаются каждого
кислорода и углерода атом может насчитать 8 электронов в своей внешней оболочке.
Эти полные внешние оболочки с их общими электронами
теперь стабильны, и молекула CO 2 не будет
реагировать дальше с другим кислородом или атомы углерода.

Каждый электрон пара одна облигация.
Углерод и кислород имеют две связи каждый между своими атомами.
Это называется двойной связью.

Структурная формула молекулы углекислого газа записана

Нет ионов (нет + или — зарядов)
в углероде диоксид газа, потому что электроны общие,
нет перенесен из одного атома в еще один.
Двуокись углерода образует водород ионы
когда он является растворенный в воде (или дождевой воде)
стать слабым кислота называется угольной кислота.


Ссылки Проверочные тесты Вопросы по пересмотру

gcsescience.com Периодическая таблица Индекс Викторина по ковалентной связи gcsescience.com

Дом GCSE химия GCSE Физика

Авторские права © 2015 gcsescience.com. Все права защищены.

2:12 описывает образование диоксида углерода в результате термического разложения карбонатов металлов, включая карбонат меди (II)

перейти к содержанию
  • Темы
  • Списки спецификаций
  • Спецификации
    • 1 Принципы химии
      • (a) Состояния вещества
      • (b) Элементы, соединения и смеси
      • (c) Атомная структура
      • (d) Периодическая таблица
      • (e) Химические формулы, уравнения и расчеты
      • (f) Ионная связь
        • 1:37 понять, как образуются ионы в результате потери или усиления электронов
        • 1:38 узнать заряды этих ионов: металлы в группах 1, 2 и 3, неметаллы в группах 5, 6 и 7, Ag⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, водород (H⁺), гидроксид (OH⁻), аммоний (NH₄⁺), карбонат (CO₃²⁻), нитрат (NO₃⁻), сульфат (SO₄²⁻)
        • 1:39 напишите формулы для соединений, образованных между ионами, перечисленными в 1:38
        • 1:40 нарисуйте пунктирные диаграммы, чтобы показать образование ионных соединений путем переноса электрона, ограниченное комбинациями элементов из групп 1, 2, 3 и 5, 6, 7, необходимо показать только внешние электроны
        • 1:41 un Понять ионную связь с точки зрения электростатического притяжения
        • 1:42 понять, почему соединения с гигантской ионной решеткой имеют высокие точки плавления и кипения
        • 1:43 Знайте, что ионные соединения не проводят электричество в твердом состоянии, но проводят электричество при расплавлении и в водный раствор
      • (ж) Ковалентная связь
        • 1:44 знайте, что ковалентная связь образуется между атомами за счет совместного использования пары электронов
        • 1:45 понимайте ковалентные связи с точки зрения электростатического притяжения
        • 1: 46 понять, как использовать точечные и перекрестные диаграммы для представления ковалентных связей в: двухатомных молекулах, включая водород, кислород, азот, галогены и галогениды водорода, неорганических молекулах, включая воду, аммиак и диоксид углерода, органических молекулах, содержащих до двух атомов углерода , включая метан, этан, этен и те, которые содержат атомы галогена
        • 1:47 объясняют, почему вещества с простой молекулярной структурой s — газы или жидкости, или твердые вещества с низкими температурами плавления и кипения.Термин «межмолекулярные силы притяжения» может использоваться для обозначения всех сил между молекулами.
        • 1:48 объясняет, почему точки плавления и кипения веществ с простой молекулярной структурой увеличиваются, как правило, с увеличением относительной молекулярной массы
        • 1:49 объясняют, почему вещества с гигантскими ковалентными структурами представляют собой твердые тела с высокими температурами плавления и кипения
        • 1:50 объясняют, как структуры алмаза, графита и фуллерена C 60 влияют на их физические свойства, включая электропроводность и твердость.
        • 1:51 знайте, что ковалентный соединения обычно не проводят электричество
      • (h) Металлические связи
      • (i) Электролиз
    • 2 Неорганическая химия
      • (a) Группа 1 (щелочные металлы) — литий, натрий и калий
      • (b) Группа 7 (галогены) — хлор, бром и йод
      • (c) Газы в атмосфере
      • (d) Ряд реакционной способности
        • 2:15 понять, как металлы могут быть расположены в ряду реактивности на основе их реакций с: водой и разбавленной соляной или серной кислотой
        • 2:16 понять, как металлы могут быть расположены в ряду реактивности на основе их реакций замещения между: металлы и оксиды металлов, металлы и водные растворы солей металлов
        • 2:17 знать порядок реакционной способности этих металлов: калий, натрий, литий, кальций, магний, алюминий, цинк, железо, медь, серебро, золото
        • 2 : 18 знать условия, при которых ржавеет железо
        • 2:19 понять, как можно предотвратить ржавление железа с помощью: барьерных методов, цинкования и протекторной защиты
        • 2:20 с точки зрения увеличения или уменьшения количества кислорода и потери или увеличения электронов, поймите термины: окисление, восстановление, окислительно-восстановительный потенциал, окислитель, восстановитель, с точки зрения получения или потери кислорода и потери или усиления электронов
        • 2:21 на практике: исследуйте реакции между ди лютная соляная и серная кислоты и металлы (например,грамм. магний, цинк и железо)
      • (e) Добыча и использование металлов
      • (f) Кислоты, щелочи и титрование
      • (g) Кислоты, основания и солевые препараты
        • 2:34 знать общие правила прогнозирования растворимость ионных соединений в воде: обычные соединения натрия, калия и аммония растворимы, все нитраты растворимы, обычные хлориды растворимы, кроме серебра и свинца (II), обычные сульфаты растворимы, кроме сульфатов бария, кальция и свинец (II), обычные карбонаты нерастворимы, за исключением натрия, калия и аммония, обычные гидроксиды нерастворимы, за исключением гидроксидов натрия, калия и кальция (гидроксид кальция слабо растворим)
        • 2:35 понять кислоты и основания с точки зрения переноса протона
        • 2:36 понимают, что кислота является донором протона, а основание — акцептором протона
        • 2:37 описывают реакции соляной кислоты, серной кислоты и азотной кислоты с металлами, основания и карбонаты металлов (исключая реакции между азотной кислотой и металлами) с образованием солей
        • 2:38 известно, что оксиды металлов, гидроксиды металлов и аммиак могут действовать как основания, а щелочи — это основания, растворимые в воде
        • 2: 39 описывают эксперимент по приготовлению чистого сухого образца растворимой соли, исходя из нерастворимого реагента
        • 2:40 (только Triple) описывают эксперимент по приготовлению чистого сухого образца растворимой соли, исходя из кислоты и щелочь
        • 2:41 (только тройной) описать эксперимент по приготовлению чистого сухого образца нерастворимой соли, исходя из двух растворимых реагентов
        • 2:42 Практически: приготовить образец чистого сухого гидратированного сульфата меди (II) кристаллы из оксида меди (II)
        • 2:43 (только тройной) Практически: приготовьте образец чистого сухого сульфата свинца (II)
      • (h) Химические испытания
        • 2: 44a описывают испытания для этих газов : водород, диоксид углерода 9006 9
        • 2:44 описывают испытания для этих газов: водород, кислород, двуокись углерода, аммиак, хлор
        • 2:45 описывают, как проводить испытание пламенем
        • 2:46 знать цвета, образующиеся при испытаниях пламенем для этих катионов: Li⁺ красный, Na⁺ желтый, K⁺ сиреневый, Ca²⁺ оранжево-красный, Cu²⁺ сине-зеленый
        • 2:47 описывают тесты для этих катионов: NH₄⁺ с использованием раствора гидроксида натрия и определение выделяющегося газа , Cu²⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺ с использованием раствора гидроксида натрия.
        • 2:48 описывают испытания для этих анионов: Cl⁻, Br⁻ и I⁻ с использованием подкисленного раствора нитрата серебра, SO₄²⁻ с использованием подкисленного раствора хлорида бария, CO₃²⁻ с использованием соляной кислоты. кислоты и определения выделившегося газа
        • 2:49 описывают тест на присутствие воды с использованием безводного сульфата меди (II)
        • 2:50 описывают физический тест, чтобы показать, является ли образец воды чистой
    • 3 Физическая химия

WebElements Pe риодическая Таблица »Углерод» реакции элементов

.
  • B С N
    Al Si-П,
  • Актиний ☢
  • Алюминий
  • Алюминий
  • Америций ☢
  • Сурьма
  • Аргон
  • Мышьяк
  • Астатин ☢
  • Барий
  • Берклиум ☢
  • Бериллий
  • Висмут
  • Бориум ☢
  • Бор
  • Бром
  • Кадмий
  • Цезий
  • Кальций
  • Калифорний ☢
  • Углерод
  • Церий
  • Цезий
  • Хлор
  • Хром
  • Кобальт
  • Copernicium ☢
  • Медь
  • Кюрий ☢
  • Дармштадтиум ☢
  • Дубний ☢
  • Диспрозий
  • Эйнштейний ☢
  • Эрбий
  • Европий
  • Фермий ☢
  • Флеровий ☢
  • Фтор
  • Франций
  • Гадолиний
  • Галлий
  • Германий
  • Золото
  • Гафний
  • Калий ☢
  • Гелий
  • Гольмий
  • Водород
  • Индий
  • Йод
  • Иридий
  • Утюг
  • Криптон
  • Лантан
  • Лоуренсий ☢
  • Свинец
  • Литий
  • Ливерморий ☢
  • Лютеций
  • Магний
  • Марганец
  • Мейтнерий ☢
  • Менделевий ☢
  • Меркурий
  • Молибден
  • Московиум ☢
  • Неодим
  • Неон
  • Нептуний
  • Никель
  • Нихоний ☢
  • Ниобий
  • Азот
  • Нобелий
  • Оганессон ☢
  • Осмий
  • Кислород
  • Палладий
  • фосфор
  • Платина
  • Плутоний ☢
  • Полоний
  • Калий
  • Празеодим
  • Прометий ☢
  • Протактиний ☢
  • Радий ☢
  • Радон ☢
  • Рений
  • Родий
  • Рентген ☢
  • Рубидий
  • Рутений
  • Резерфорд ☢
  • Самарий
  • Скандий
  • Сиборгий ☢
  • Селен
  • Кремний
  • Серебро
  • Натрий
  • Стронций
  • Сера
  • Сера
  • Тантал
  • Технеций
  • Теллур
  • Tennessine ☢
  • Тербий
  • Таллий
  • Торий ☢
  • Тулий
  • Олово
  • Титан
  • Вольфрам
  • Уран ☢
  • Ванадий
  • Ксенон
  • Иттербий
  • Иттрий
  • Цинк
  • Цирконий

Конверсия двуокиси углерода в метанол: возможности и фундаментальные проблемы

1.Введение

В настоящее время спрос на энергию быстро растет из-за экономического роста во всем мире. Чтобы удовлетворить этот растущий спрос, необходимо большое количество ископаемого топлива (нефть, уголь и природный газ) [1]. Сжигание ископаемого топлива часто рассматривается как одна из основных угроз для окружающей среды из-за выброса CO 2 в атмосферу. CO 2 , который считается первичным парниковым газом (ПГ), периодически обменивается на поверхности суши, океана и атмосферы, где различные существа, включая животных, растения и микроорганизмы, поглощают и производят его ежедневно.Тем не менее, тенденции процесса выделения и потребления CO 2 должны быть сбалансированы по своей природе. С 1750 года, когда началась промышленная революция, изменилось изменение климата в связи с деятельностью, связанной с промышленностью. В целях сокращения выбросов парниковых газов, процессы секвестрации и хранения CO 2 (CSS) привлекли широкое внимание. Однако это увеличит количество доступного уловленного CO 2 в качестве сырья с нулевой стоимостью. Таким образом, использование CO 2 и преобразование его в топливо и химические вещества, которое называется процессом улавливания и рециркуляции углерода (CCR), является активным вариантом, используемым во всем мире для преобразования пригодных для использования продуктов в ценные продукты, и он используется для уменьшения выбросов CO 2 , что более предпочтительно по сравнению с вариантом CSS [2, 3, 4, 5].В последние годы преобразование CO 2 в химикаты с добавленной стоимостью (например, этанол, метанол и муравьиную кислоту) с использованием различных способов привлекло большое внимание исследователей, так как его можно рассматривать как решение для сокращения глобального потепление [6, 7, 8], энергетический кризис (т. е. истощение ископаемых видов топлива) [9, 10, 11] и проблемы хранения энергии [12]. Метанол — это возобновляемый источник энергии, который можно производить из любого сырья, содержащего углерод (в основном, CO 2 ), а также это чистый источник энергии, который можно использовать в качестве транспортного топлива.В целом, чтобы топливо удовлетворяло рыночный спрос, оно должно быть экологически безопасным, чистым и способным синтезироваться из доступных ресурсов. Фактически, в настоящее время большинство производственных компаний по всему миру используют метанол в качестве сырья для производства различных продуктов. Метанол используется для производства таких растворителей, как уксусная кислота, на которые приходится 10% мирового спроса [13]. Метанол также может использоваться в топливных элементах с прямым метанолом (DMFC), которые используются для преобразования химической энергии метанола непосредственно в электрическую энергию в условиях окружающей среды [14].Метанол считается одним из наиболее важных видов органического сырья, которое может использоваться в отраслях промышленности с годовым объемом производства 65 миллионов тонн во всем мире [15]. Однако термин «экономика метанола» включает антропогенный углеродный цикл для производства метанола, как показано на рисунке 1, который можно использовать в качестве возобновляемого топлива или для производства почти всех продуктов, полученных из ископаемого топлива [16, 17]. Завод Джорджа Олаха компании Carbon Recycling International (CRI) считается крупнейшим в мире заводом по производству метанола с CO 2 .В 2015 году компания Carbon Recycling International (CRI) увеличила мощность завода с 1,3 миллиона литров метанола в год до более 5 миллионов литров в год. Сейчас завод перерабатывает 5,5 тыс. Тонн CO 2 в год. Вся энергия, используемая на станции, поступает из исландской сети, которая вырабатывается за счет геотермальной и гидроэнергии [18]. Как показано на рисунке 2, установка использует электричество для производства H 2 , который вступает в реакцию с CO 2 в каталитической реакции для производства метанола.Различные пути и процессы превращения CO 2 в метанол схематически описаны на рисунке 3. Существуют различные пути превращения CO 2 , такие как каталитический метод, который осуществляется в форме обычного, электрокаталитического, фотокаталитического и фотоэлектрокаталитического преобразования [ 19].

Рисунок 1.

Антропогенный углеродный цикл для производства метанола [20].

Рис. 2.

Производство зеленого метанола компанией Carbon Recycling International [18].

Рисунок 3.

Схема процессов химической конверсии СО2.

2. Методы преобразования CO 2 в метанол

2.1. Химическая конверсия

Каталитическое гидрирование CO 2 с H 2 считается наиболее простым способом получения метанола и ДМЭ из CO 2 , как показано в уравнении. (1). В течение 1920-х и 1930-х годов в США работали первые заводы по производству метанола, на которых для производства метанола использовались CO 2 и H 2 .Системы как гетерогенных, так и гомогенных катализаторов изучались многими исследователями для процесса гидрирования CO 2 . Однако гетерогенные катализаторы имеют много преимуществ с точки зрения разделения, стабильности, обращения, стоимости и рециркуляции катализатора. Системы гетерогенных и гомогенных катализаторов обсуждаются в следующих разделах [21, 22, 23].

CO2 + 3h3↔Ch4OH + h3O∆h398K = −11,9 ккалмольE1

2.1.1. Гетерогенная каталитическая конверсия

Хотя гомогенный катализ также используется для производства метанола из CO 2 , гетерогенный катализ является предпочтительным выбором для инженеров-химиков из-за преимуществ гетерогенного катализа.Это включает в себя легкое отделение жидкости от твердого катализатора, удобство обращения в различных типах реакторов (то есть с неподвижным, псевдоожиженным или подвижным слоем) и возможность регенерации использованного катализатора. В последнее время было проведено большое количество экспериментов по разработке стабильных и эффективных гетерогенных катализаторов восстановления CO 2 с получением метанола. Однако многие исследования доказали, что катализаторы на основе Cu с различными добавками, такими как ZrO 2 и ZrO, играют важную роль в повышении стабильности и активности гетерогенного катализатора (рис. 4).Таким образом, некоторые из катализаторов, показанных на рисунке 4, уже существуют и используются на демонстрационных и пилотных установках. Некоторые металлы (например, Cu и Zn) и их оксиды были разработаны для использования в качестве эффективных гетерогенных катализаторов для превращения CO 2 в метанол [24, 25]. Этот тип катализатора аналогичен катализаторам на основе Cu / ZnO / Al 2 O 3 , которые используются для производства метанола в промышленности. Однако было доказано, что коммерческий метанольный катализатор, такой как гетерогенная смесь оксида цинка, оксида алюминия и меди (30, 10 и 60%, соответственно), производит очень небольшое количество метанола [26].В различных обзорах обсуждались различные факторы, которые могут влиять на производство метанола из синтез-газа, такие как приготовление катализатора, конструкция катализатора, кинетика реакции, конструкция реактора и дезактивация катализатора [22, 27, 28, 29, 30]. Следовательно, будущие исследовательские работы должны быть сосредоточены на производстве метанола из CO 2 и H 2 , в которых количество полученного таким образом метанола выше по сравнению с синтез-газом. Чтобы поддерживать высокую производительность установки, катализатор должен оставаться активным в течение нескольких лет.Более того, улучшение активности и стабильности катализатора с течением времени очень важно для экономики любого завода по производству метанола [31]. Недавно компания Lurgi, лидер в области технологий синтеза метанола, в сотрудничестве с Süd-Chemie использовала высокоактивный катализатор (C79-05-GL, на основе Cu / ZnO) для преобразования CO 2 и H 2 в метанол [24, 32]. Метанольный реактор Lurgi представляет собой конвертер на основе трубок, который содержит катализаторы в неподвижных трубках и использует контроль давления пара для достижения реакции с контролируемой температурой.Этот тип реактора позволяет достичь низких коэффициентов рециркуляции и высокого выхода. Поэтому Lurgi была разработана как двухступенчатая конвертерная система, в которой используются два объединенных реактора Lurgi для высоких мощностей по метанолу. Однако объемные скорости и температуры в первом конвертере будут выше, чем в одноступенчатом конвертере, в котором требуется только частичное преобразование синтез-газа в метанол. Это делает конвертер меньше и производит пар под высоким давлением из-за высоких температур, что помогает снизить затраты на электроэнергию.Газ, выходящий из первого конвертера, содержит метанол, и он будет направлен непосредственно на вторую стадию реакции, которая работает с более низкой скоростью реакции [31]. Даже если рабочая температура системы Lurgi составляет около 260 ° C, что выше, чем температура, используемая для традиционных катализаторов для производства метанола, селективность этой системы по метанолу превосходна. Однако активность этого катализатора снижается с той же скоростью, что и активность коммерческого катализатора, который в настоящее время используется в промышленности для производства метанола.Есть разные компании, продающие высокостабильные катализаторы для производства метанола, такие как Mitsubishi Gas Chemical, Sinetix и Haldor Topsøe. Arena et al. [33] изучили твердофазные взаимодействия, функциональность и центры адсорбции катализаторов Cu – ZnO / ZrO 2 и его способность превращать CO 2 в метанол. Данные характеризации показали, что сильное взаимодействие Cu – ZnO эффективно способствует диспергированию металлической меди и ее реакционной способности по отношению к кислороду. Граница раздела металл / оксид в катализаторах Cu – ZnO / ZrO 2 играет важную роль в гидрировании CO 2 до метанола.Как показано на Рисунке 5, двухцентровая природа реакционного пути объясняет формально нечувствительный к структуре характер конверсии CO 2 на катализаторах Cu – ZnO / ZrO 2 .

Рисунок 4.

Подложки и добавки, используемые для катализаторов на основе меди.

Рис. 5.

Гетерогенно-каталитический процесс превращения CO2 в метанол с использованием Cu / ZrO2 и Cu-ZnO / ZrO2 [33].

2.1.2. Гомогенная каталитическая конверсия
2.1.2.1. Гомогенные катализаторы для CO 2 Гидрирование с получением метанола

Хотя для прямого превращения CO 2 в метанол были испытаны различные гетерогенные катализаторы, в литературе упоминается очень ограниченное количество гомогенных катализаторов.Tominaga et al. [34] сообщили о примере прямого превращения CO 2 в метанол с использованием гомогенных катализаторов. Они исследовали способность предшественника катализатора Ru 3 (CO) 12 в присутствии добавки KI для гидрирования CO 2 с образованием метана, метанола и CO. Кроме того, теми же авторами было доказано, что производительность Ru 3 (CO) 12 –KI для конверсии CO 2 намного лучше, чем у других карбонильных катализаторов переходных металлов, таких как W (CO) 6 ,, Fe 2 (CO) 9 , Ir 4 (CO) 12 , Mo (CO) 6, Co 2 (CO) 8 и Rh 4 (CO) 12 [35].В последнее время для восстановления CO 2 до метанола вместо шестиэлектронного процесса был использован каскадный процесс [36]. Каскадный процесс с использованием гомогенных катализаторов можно разделить на три стадии: гидрирование CO 2 до муравьиной кислоты; затем муравьиная кислота будет этерифицирована с образованием сложных эфиров формиата; и, наконец, сложный эфир формиата будет гидрогенизирован для получения метанола (рис. 6), как указано Хаффом и Сэнфордом [36].

Рис. 6.

Гидрирование CO2 для получения метанола через каскадную систему [36].

На каждой стадии этого подхода будут использоваться разные катализаторы при определенных условиях реакции, которые включают высокую температуру (135 ° C) и давление (40 бар). Wesselbaum et al. [37] сообщили о гидрировании CO 2 с помощью 60 бар H 2 и 20 бар CO 2 при 140 ° C в присутствии [(трифос) Ru- (TMM)] (TMM = триметиленметан, Трифос = 1,1,1-трис (дифенилфосфинометил) этан), что дает максимальное число оборотов 221. Таким образом, те же авторы доказали, что этот катализатор можно использовать в процессе гидрирования для скрытия сложных эфиров формиата в метанол.Помимо прямого преобразования CO 2 в метанол, преобразование производных CO 2 путем гидрирования, таких как поликарбонаты, карбонаты, формиаты и карбаматы, привлекло огромное внимание из-за небольших барьеров этих реакций (рис. 7) [38, 39].

Рис. 7.

Непрямое гидрирование CO2 для производства метанола [39].

2.1.2.2. Гомогенное химическое превращение CO 2 в метанол

Силаны и гидриды являются основными восстановителями, которые должны использоваться при гомогенном химическом восстановлении CO 2 до метанола в присутствии органокатализаторов, таких как N-гетероциклические карбены (NHC).Хотя стоимость силанов высока, было доказано, что NHC-катализатор обладает способностью восстанавливать CO 2 до метоксидов в условиях окружающей среды, как указано Zhang et al. [40]. Как показано на рисунке 8, производные силанола и метанола будут производиться гидролизом метоксисиланов.

Рис. 8.

Конверсия CO2, катализируемая NHC, и последующий гидролиз метанола [40].

Применение фрустрированных пар Льюиса для восстановления CO 2 до метанола считается еще одним примером безметаллового катализа (рис. 9) [41].На первом этапе производное форматобората получают посредством реакции между CO 2 и [TMPH] + [HB (C 6 F 5 ) 3 ] . Координационно ненасыщенный B (C 6 F 5 ) 3 атакует нуклеофильные и промежуточные формы с форматным мостиком.

Рис. 9.

Гидрирование CO2, катализируемое кислотой Льюиса / основанием Льюиса [44].

После этого последний будет реагировать с [TMPH] + [HB (C 6 F 5 ) 3 ] с образованием ацетального производного формальдегида.Реагент Шварца ((Cp) 2 Zr (H) (CI)) использовали в качестве источника гидрида для двухступенчатого восстановления CO 2 до формальдегида и метанола, соответственно, как показано на (Рисунок 10) [42, 43]. На первом этапе превращение CO 2 в формальдегид дает некоторые м-оксокомплексы. Затем более глубокое восстановление формальдегида может быть достигнуто путем добавления большего количества реагента Шварца, что приводит к образованию метоксида циркония на второй стадии.

Рис. 10.

Двухступенчатое восстановление CO2 до метанола с помощью реактива Шварца [44].

2.2. Электрохимическое восстановление CO 2 до метанола

В течение последних десятилетий электрохимическое преобразование CO 2 широко использовалось в лабораторных условиях, но пока не было успешно использовано в промышленных процессах (крупномасштабных). Метод электрохимического восстановления используется для преобразования CO 2 в ценные химические вещества и топливо, такое как метанол, с использованием электричества в качестве основного источника энергии [45, 46, 47]. Для восстановления CO 2 на металлических электродах было проведено множество экспериментов с различными условиями и электрокатализаторами [48].Различные восстановленные продукты могут быть образованы электрохимически из CO 2 , и некоторые из этих продуктов представлены в таблице 1. Выбор катализатора и условий реакции играет значительную роль по сравнению с возможностью регулирования различных восстановленных продуктов. Однако все перечисленные стандартные потенциалы в таблице 1 относительно близки к стандартному потенциалу выделения водорода [49]. Реакция выделения водорода (HER) очень важна во время электрокатализатора восстановления CO 2 , в котором H 2 O обычно присутствует в качестве электролита (и источника протонов).По этой причине указанные металлы, которые могут быть использованы в качестве электрокатализатора для восстановления CO 2 , имеют относительно высокие перенапряжения HER. Необходимо приложить огромные усилия, чтобы найти оптимальный электрод для электрохимического восстановления CO 2 , который снизит селективность CO 2 при низких перенапряжениях и высоких скоростях без одновременного восстановления воды [44].

Реакция полуэлементов E ° по сравнению с SHE
CO2 + 8H ++ 8e- → Ch5 + 2h3O +0.17
CO2 + 6H ++ 6e− → Ch4OH + h3O +0.031
CO2 + 4H ++ 4e− → Ch3O + h3O −0.028
CO2− + 2H ++ 2e → CO + h3O -0,10
CO2 + 2H ++ 2e- → HCOOH -0,11

Таблица 1.

Стандартные потенциалы для восстановления CO 2 [49].

Существует явное преимущество прямого преобразования захваченного CO 2 в метанол для получения полезного продукта, который можно использовать во многих энергоемких устройствах.Этот процесс позволяет рециркулировать захваченный CO 2 и производить метанол, который можно использовать в качестве возобновляемой энергии вместо ископаемого топлива в энергопотребляющих устройствах. Другими словами, с помощью процесса электровосстановления CO 2 может быть восстановлен непосредственно в электролизной ячейке обратно в метанол за одну стадию. Для получения метанола непосредственно из CO 2 [44] можно использовать различные электроды, как показано в таблице 2. В 1983 году Кэнфилд и Фрезе [50] доказали, что некоторые полупроводники, такие как n -GaAs, p -InP и p -GaAs обладают способностью производить метанол непосредственно из CO 2 , хотя и при чрезвычайно низких плотностях тока и фарадеевской эффективности (FE).Многие другие исследователи приложили некоторые усилия для увеличения как плотности тока, так и фарадеевской эффективности процесса. Seshadri et al. [51] обнаружили, что ион пиридиния является новым гомогенным электрокатализатором для восстановления CO 2 до метанола при низком перенапряжении. В последнее время широко исследуется пиридин, в котором он используется в качестве сокатализатора для образования активных частиц пиридиния in situ [52, 53, 54, 55, 56]. Обычно продукты одноэлектронного восстановления CO 2 показывают более низкую плотность тока, чем продукты двухэлектронного восстановления, такие как CO.Прямое электрохимическое восстановление CO 2 до метанола является многообещающим процессом для уменьшения количества захваченного CO 2 .

607689069
Электрод Тип электрода E по сравнению с NHE (В) Плотность тока (мА см −2 ) Фарадейская эффективность Электродная эффективность (%) Каталожный номер
p -InP Semiconductor -1.06 0,06 0,8 Сб. Na 2 SO 4 [50]
n-GaAs 0,16 1,0
p -GaAs 0,08 0,52 Оксид металла −1,3 6,9 28 0,5 M KHCO 3 [59]
RuO 2 / TiO 2 Нанотрубки −0.6 1 60 0,5 M NaHCO 3 [58]
Pt – Ru / C Сплав −0,06 0,4 7,57 Проточная ячейка ]
n -GaP Гомогенный катализатор −0,06 0,27 90 10 мМ пиридин при pH = 5,2 [61]
Pd
Pd 30 0.5 M NaClO4 с пиридином [51]

Таблица 2.

CO 2 электрохимическое восстановление до метанола.

Popić et al. [57] доказали, что Ru и Ru, модифицированные адатомами Cd и Cu, могут использоваться в качестве электрода для восстановления CO 2 при относительно небольших перенапряжениях. Полученные результаты показали, что на поверхности чистого Ru, Ru, модифицированного адатомами Cu и Cd, и RuOx + IrOx, модифицированного адатомами Cu и Cd, достигается восстановление CO 2 с образованием метанола за 8 ч выдерживания потенциала при -0.8 В. Таким образом, при восстановлении CO 2 на Ru, модифицированном адатомами Cu и Cd, образование метанола зависело от наличия адатомов на поверхности рутения. RuO 2 является перспективным материалом для использования в качестве электрода для восстановления CO 2 до метанола благодаря его высокой электрохимической стабильности и электропроводности. По этой причине Qu et al. В [58] были получены композитные электроды из наночастиц (НЧ) и нанотрубок (НТ) RuO 2 / TiO 2 путем нанесения RuO 2 на наночастицы и нанотрубки TiO 2 соответственно.Полученные результаты показали, что эффективность по току получения метанола из CO 2 составляет до 60,5% на платиновом электроде, модифицированном RuO 2 / TiO 2 НТ. Таким образом, композитные электроды из наночастиц RuO 2 и RuO 2 / TiO 2 показали более низкую электрокаталитическую активность, чем композитные модифицированные Pt электроды из RuO 2 / TiO 2 для электрохимического восстановления CO 2 до метанола. Как показали исследования, для повышения селективности и эффективности процесса электрохимического восстановления CO 2 в качестве электрода предлагается использовать структуру нанотрубок.

2.3. Фотохимическое восстановление CO 2 до метанола

Обычно фотохимический (или фотокаталитический) метод преобразования CO 2 используется для преобразования захваченного CO 2 в метанол и другие ценные продукты с использованием солнечной энергии, такой как свет или лазер [ 62, 63]. Даже если селективность по метанолу относительно низка, прямое преобразование CO 2 в метанол с использованием фотокаталитического метода было изучено [64]. Однако в последнее время этому методу уделяется большое внимание, и он считается наиболее привлекательным методом утилизации CO 2 .Фотокаталитический процесс конверсии CO 2 представляет собой сложную комбинацию фотофизических и фотохимических процессов вместе [62]. Таким образом, этот метод имеет некоторое сходство с электрокаталитическим восстановлением CO 2 , в котором в обоих случаях используются молекулярные катализаторы. Источники жидкого гидрида считаются основным ограничением для восстановления CO 2 фотокаталитическим методом. Аскорбиновая кислота, амин и 1-бензил-1,4-дигидроникотинамид являются примерами жертвенного источника гидрида, который необходимо добавлять в раствор для замены анода, который будет использоваться в электрокаталитическом процессе восстановления CO 2 [65] .Было проведено несколько экспериментов для проверки способности некоторых полупроводников и оксидов металлов преобразовывать СО2 в метанол. Сюда входят карбид кремния [66], TiO 2 [67, 68, 69, 70], WO 3 [71], NiO [70], ZnO [70] и InTaO 4 [72] либо сами по себе или их можно комбинировать с различными гетерогенными катализаторами для достижения той же цели. Основная проблема при производстве метанола на полупроводниках с использованием солнечной энергии заключается в том, что реакция образования обратима.Таким образом, чтобы уменьшить окисление метанола, очень важно найти новые стратегии для достижения практического промышленного процесса [66, 70].

Gondal et al. [66] доказали, что гранулированный карбид кремния является перспективным фотокатализатором для восстановления CO 2 до метанола. Гранулированный карбид кремния (α6H-SiC) был протестирован в качестве фотокатализатора для восстановления CO 2 и преобразования его в метанол с помощью лазера с длиной волны 355 нм. Реакционная ячейка была заполнена гранулами α6H-SiC, сжатым газом CO 2 под давлением 50 psi и дистиллированной водой.Поэтому они упомянули, что в фотохимическом процессе существует пара конкурирующих реакций, а именно фотоокисление и фото восстановления, как показано на рисунке 11. Когда реакция начинается, скорости фотоокисления (Ко) будут ниже, чем скорости фото восстановления. (Kr) из-за низкой концентрации производимого метанола. Полученные результаты показали, что максимальная молярная концентрация метанола и достигнутая фотонная эффективность преобразования CO 2 в метанол составляет около 1.25 ммоль / л и 1,95% соответственно.

Рисунок 11.

Схематическое изображение реакций фотовосстановления и фотоокисления в фотохимическом процессе [67].

CdS / TiO 2 и Bi 2 S 3 / TiO 2 фотокатализаторы на основе нанотрубок были протестированы Li et al. [67], и их фотокаталитическая активность, которая восстанавливает CO 2 до метанола при облучении видимым светом, была изучена. Полученные результаты доказали, что синтетические тротилы представляют собой практически хороший материал для фотовосстановления при преобразовании CO 2 в метанол.Наибольшее образование метанола на фотокатализаторах ТНТ – CdS и ТНТ – Bi 2 S 3 при облучении видимым светом в течение 5 ч составило 159,5 и 224,6 мкмоль / л соответственно. Луо и др. [68] изучали способность Nd / TiO 2 , синтезированного золь-гель методом, восстанавливать CO 2 в метанол в водном растворе при УФ-облучении. Эксперимент показал, что максимальный выход метанола при УФ-облучении в течение 8 часов составил 184,8 мкмоль / г, что доказывает, что Nd / TiO 2 может увеличить эффективность фотокаталитического восстановления CO 2 по сравнению с чистым оксидом титана.

2.4. Фотоэлектрохимическое восстановление CO 2 до метанола

Процесс фотоэлектрокаталитического восстановления CO 2 представляет собой комбинацию фотокаталитического и электрокаталитического методов. Многие исследовательские работы были сосредоточены на поиске лучшего полупроводникового материала, который можно было бы использовать в качестве фотоэлектрода для преобразования CO 2 в метанол с использованием любой солнечной энергии в ячейке PEC; однако ни один из протестированных полупроводников не соответствовал желаемой стабильности и эффективности [73].Фактически, для фотоэлектрохимического восстановления CO 2 требуется около 1,5 эВ подвода термодинамической энергии. Следовательно, элемент PEC требует больших затрат энергии для компенсации потерь, вызванных изгибом зон (который необходим для разделения заряда на поверхности полупроводника), потенциалами перенапряжения и потерями сопротивления [61, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81]. Первым важным шагом для восстановления CO 2 до метанола фотоэлектрохимическим (PEC) методом является генерация ионов водорода и электронов солнечным излучением полупроводника, который используется в качестве фотокатода.Полупроводник (например, GaP, SiC) освещается светом как источником энергии, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника. В этом случае электроны в полупроводнике будут возбуждены и перенесены в зону проводимости из зоны валанса, и они достигнут катодного противоэлектрода через внешний электрический провод. Кроме того, для проведения реакций электрохимического восстановления и окисления созданные электронно-дырочные пары на границе раздела или рядом с ним будут разделены полупроводником и впрыснуты в электролит [82, 83, 84].Основной проблемой при использовании фотоэлектрохимических ячеек является способность полупроводниковых материалов n-типа генерировать дырки на поверхности, которые могут окислять сам полупроводник [85]. В последнее время огромное внимание привлекла гибридная система, состоящая из полупроводникового светоуборочного комбайна и комплекса металлических сокатализаторов. В этой системе вода считается основным источником доноров электронов и протонов для восстановления CO 2 на поверхности катода. Пример гибридной системы обсуждался Zhao et al.[86]. Они изучили полную ячейку фотокатода с InP / Ru-комплексами, которая была соединена с фотоанодом на основе TiO2 / Pt, как показано на рисунке 12. В этой полной ячейке, чтобы избежать повторного окисления формиата на поверхности фотоанода, в качестве сепаратора использовалась протонообменная мембрана. Однако Arai et al. сконструировал беспроводную полную ячейку для фотоэлектрохимического восстановления CO 2 , в которой система состоит из комплекса InP / Ru в качестве гибридного фотокатода и фотоанода из SrTiO 3 (Рисунок 13).В этой системе окислительно-восстановительные реакции CO 2 и H 2 O будут происходить при облучении солнечным светом без какого-либо смещения. Полученные результаты показали, что эффективность преобразования солнечной энергии в химическую в этих двух полных ячейках составила 0,03% и 0,14% для TiO2 – InP / [RuCP] и SrTiO3 – InP / [RuCP] соответственно. Barton et al. [61] успешно восстановили CO 2 до метанола, используя катализированные фотоэлектрохимические (PEC) ячейки на основе p-GaP в процессе, называемом химическим уменьшением выбросов углерода.Термин «уменьшение химического углерода» описывает фотоиндуцированное преобразование CO 2 в метанол без использования дополнительного источника энергии, генерирующего CO 2 . Полученные результаты показали, что селективность метанола и конверсия CO 2 составили 100 и 95% соответственно.

Рис. 12.

Двухкамерный фотоэлектрохимический элемент для восстановления CO2 [87].

Рисунок 13.

Однокамерный фотоэлектрохимический элемент для восстановления CO2 [87].

3. Перспективы на будущее и выводы

Конверсия двуокиси углерода представляет собой как возможность, так и проблему во всем мире для обеспечения устойчивости окружающей среды и энергетики. Основные стратегии сокращения выбросов CO 2 должны быть сосредоточены на использовании CO 2 , переработке CO 2 в сочетании с возобновляемой энергией для экономии источников углерода и производстве полезных химикатов из CO 2 . Следовательно, преобразование CO 2 в энергетический продукт, такой как метанол, потребует большого количества захваченного CO 2 , в котором рынок метанола потенциально может быть значительным.Кроме того, образующийся метанол можно использовать вместо ископаемого топлива, тем самым снижая зависимость от ископаемого топлива и способствуя росту использования CO 2 на рынке. Здесь представлена ​​полная литература о различных методах преобразования CO 2 в метанол. Это включает гомогенное / гетерогенное каталитическое, электрохимическое, фотохимическое и фотоэлектрохимическое восстановление. Однако высокая эффективность процесса конверсии CO 2 может быть достигнута при использовании эффективного катализатора.В общем, разработка необходимого катализатора может быть использована в качестве решения, если катализатор уже используется, но требуется высокая стоимость для увеличения масштаба, или он не существует и ожидает открытия, поэтому проблемы в каталитических процессах действительно огромны. Низкая селективность по продукту и низкие / высокие температуры реакции считаются основными препятствиями в гетерогенном процессе восстановления CO 2 . Однако приведенное выше обсуждение показывает, что среди различных способов, предлагаемых для преобразования CO 2 в метанол или в любое ценное химическое вещество, электрохимические ячейки являются предпочтительными по сравнению с другими методами.Тем не менее, при электрохимическом восстановлении CO 2 все еще существует множество барьеров, при котором электрокатализатор необходимо использовать с более высокой селективностью, а также с более низкими перенапряжениями. Различные гетерогенные электрокатализаторы являются селективными, быстрыми и энергоэффективными, но они считаются нестабильными катализаторами. Следовательно, в будущем электричество, необходимое для электрохимического процесса восстановления CO 2 в больших масштабах, может поступать из различных возобновляемых источников энергии, таких как гидроэнергетика, ветер, волны, геотермальные источники, приливы и т. Д.В этом смысле многие исследовательские работы должны быть сосредоточены на новых электрокаталитических материалах, которые можно использовать для работы при более высоких плотностях тока без потери фарадеевской эффективности. С другой стороны, фотохимические процессы предлагают привлекательный подход к восстановлению CO 2 до метанола с использованием солнечной энергии. Однако этот метод не получил широкого распространения из-за критических условий для поглощения необходимого количества солнечной энергии. В противном случае перспективы разработки успешных технологий для эффективного преобразования CO 2 с использованием солнечной энергии, безусловно, являются долгосрочными (> 5 лет).Тем не менее, процессы фотоэлектрохимического восстановления оказались привлекательными подходами для восстановления CO 2 до метанола. В настоящее время применение солнечных фотоэлектрохимических устройств очень ограничено из-за их высокой стоимости и нескольких причин, как обсуждалось выше. Однако очень важно продолжать исследования в этих областях, потому что эта технология будет крайне необходима для эффективного сокращения выбросов CO 2 в ближайшие годы.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Центр перспективных материалов Катарского университета (QU) за поддержку этой работы.Г-жа Саджеда Альсайде также благодарит QU за предоставленную ей стипендию для выпускников.

Химические формулы Рона Куртуса

SfC Home> Физические науки> Химия>

Рона Куртуса (редакция 10 ноября 2004 г.)

Молекула или соединение состоит как минимум из двух химически связанных атомов. Химическая формула молекулы или соединения указывает, сколько атомов каждого элемента находится в одной из его молекул.

Эта формула похожа на алгебраическую формулу в использовании символов. Описание соединения цифрами и символами называется химической формулой. Некоторые формулы могут быть довольно сложными.

Вопросы, которые могут у вас возникнуть:

  • Что такое химические соединения?
  • Какова система нумерации в химической формуле?
  • Как вы обозначаете сложные соединения?

Этот урок ответит на эти вопросы.



Химические соединения

Молекула — это химическая комбинация двух или более атомов. Они могут быть одного и того же элемента, например, в молекуле кислорода ( O 2 ), или разными, как в молекуле воды ( H, 2 O ).

Соединение — это молекула, состоящая как минимум из двух разных элементов. Молекула воды — это соединение. Когда атомы разных элементов объединяются, чтобы сформировать соединение, результатом является новое вещество, которое имеет свойства, отличные от исходных элементов.Хороший пример — это когда ядовитый зеленый газообразный хлор объединяется со взрывоопасным металлическим натрием с образованием кристаллов белой соли, которые мы используем в нашей пище.

Изучение химии в основном связано с образованием химических соединений, поскольку существует очень много возможных комбинаций элементов.

Химические формулы

Химические формулы (или, точнее, формулы) — это обозначения молекул и соединений в сокращенной записи, аналогичной той, что используется в алгебре.

Сокращение для элементов

Элементы могут быть записаны в виде сокращений или сокращенных обозначений. Например, He обозначает гелий, Fe обозначает железо, а Cl обозначает хлор. Химическая формула записывает элементы соединения, используя их сокращения.

Обозначение молекулы

Комбинация двух или более элементов, образующих молекулу, обозначается путем написания их сокращений рядом друг с другом.Например, окись углерода записывается как CO . Порядок, в котором написаны элементы, обычно алфавитный, но есть ряд исключений по историческим причинам и для пояснения геометрии молекулы.

Число атомов в молекуле

Если в молекуле более одного атома определенного типа, в формуле это отображается небольшим числом после символа. Например, вода — это H 2 O , что означает, что в молекуле 2 атома водорода и один атом кислорода.Углекислый газ — это CO 2 , что означает, что в молекуле один атом углерода и два атома кислорода.

Количество молекул

Чтобы показать количество молекул, перед молекулой находится цифра в натуральную величину. Например, 4 молекулы углекислого газа обозначены как:

4 CO 2

Это означает, что в комбинации всего 4 атомов C и 8 O атомов.Один из способов запомнить это, взятый из алгебры, — представить его как 4 x ( CO 2 ).

Комплексные формулы

Как и в алгебре, вы можете использовать круглые скобки для разделения частей в сложной формуле. Одним из примеров является формула нитроглицерина, очень взрывоопасного вещества.

C 3 H 5 (НЕТ 3 ) 3

Эта формула показывает, что нитроглицерин состоит из 3 атомов углерода, 5 атомов водорода и 3 ионов нитрата NO 3 .Если бы круглые скобки не использовались, у вас могла бы быть такая формула:

C 3 H 5 N 3 O 9

Число атомов для каждого элемента было бы правильным, но оно не помогло бы описать истинную структуру молекулы нитроглицерина.

Помните, что молекулы — это трехмерные наборы атомов. В более сложных молекулах, особенно в органических веществах, важна конфигурация.

Сводка

Число атомов каждого элемента в химической формуле обозначается маленьким числом после каждого символа элемента. Если числа нет, предполагается, что этот элемент только один. Большое число перед соединением обозначает количество единиц в этом соединении. Круглые скобки могут использоваться для обозначения особой структуры, в которой другие молекулы присоединены к более крупной сложной молекуле.


Ищите формулу успеха


Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

Сайты

Химические формулы — От Университета Ватерлоо, Канада

Химические ресурсы

Книги

(Примечание: Школа чемпионов может получать комиссионные от покупки книг)

Книги по химии с самым высоким рейтингом


Вопросы и комментарии

Есть ли у вас какие-либо вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если это так, отправьте свой отзыв по электронной почте.Я постараюсь вернуться к вам как можно скорее.


Поделиться страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:


Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/chemistry/
formulas.htm

Пожалуйста, включите это как ссылку на свой веб-сайт или как ссылку в своем отчете, документе или тезисе.

Авторские права © Ограничения


Где ты сейчас?

Школа чемпионов

Химия

Химические формулы

3.1: Типы химических соединений и их формулы

Цели обучения

  • Чтобы понять разницу между ковалентной и ионной связью.

Атомы во всех веществах, содержащих несколько атомов, удерживаются вместе за счет электростатических взаимодействий — взаимодействий между электрически заряженными частицами, такими как протоны и электроны.Электростатическое притяжение между противоположно заряженными видами (положительными и отрицательными) приводит к возникновению силы, которая заставляет их двигаться друг к другу, как притяжение между противоположными полюсами двух магнитов. Напротив, электростатическое отталкивание между двумя видами с одинаковым зарядом (как положительными, так и отрицательными) приводит к силе, которая заставляет их отталкивать друг друга, как и те же полюса двух магнитов. Атомы образуют химические соединения, когда притягивающие электростатические взаимодействия между ними сильнее, чем отталкивающие.В совокупности притягивающие взаимодействия между атомами называются химическими связями.

Химические связи обычно делятся на два принципиально разных типа: ионные и ковалентные. В действительности, однако, связи в большинстве веществ не являются ни чисто ионными, ни чисто ковалентными, а лежат в спектре между этими крайностями. Хотя чисто ионные и чисто ковалентные связи представляют собой крайние случаи, которые редко встречаются в каких-либо, кроме очень простых, веществах, краткое обсуждение этих двух крайностей помогает объяснить, почему вещества с разными видами химических связей имеют очень разные свойства.Ионные соединения состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов, удерживаемых вместе сильными электростатическими силами, тогда как ковалентные соединения обычно состоят из молекул, которые представляют собой группы атомов, в которых одна или несколько пар электронов совместно используются связанными атомами. В ковалентной связи атомы удерживаются вместе за счет электростатического притяжения между положительно заряженными ядрами связанных атомов и отрицательно заряженными электронами, которые они разделяют. Это обсуждение структур и формул начинается с описания ковалентных соединений.Энергетические факторы, участвующие в образовании связи, более подробно описаны ниже.

Примечание

Ионные соединения состоят из ионов с противоположными зарядами, удерживаемых вместе сильными электростатическими силами, тогда как пары электронов являются общими для связанных атомов в ковалентных соединениях.

Ковалентные молекулы и соединения

Так же, как атом — это простейшая единица, обладающая фундаментальными химическими свойствами элемента, молекула — это простейшая единица, обладающая фундаментальными химическими свойствами ковалентного соединения.Некоторые чистые элементы существуют в виде ковалентных молекул. Водород, азот, кислород и галогены встречаются в природе в виде двухатомных («двухатомных») молекул H 2 , N 2 , O 2 , F 2 , Cl 2 , Br 2 , и I 2 (часть (a) на рисунке \ (\ PageIndex {1} \)). Точно так же несколько чистых элементов существуют в виде многоатомных («многоатомных») молекул, таких как элементарный фосфор и сера, которые представлены как P 4 и S 8 (часть (b) на рисунке \ (\ PageIndex {1}) \)).

Каждое ковалентное соединение представлено молекулярной формулой, которая дает атомный символ для каждого составляющего элемента в заданном порядке, сопровождаемый нижним индексом, указывающим количество атомов этого элемента в молекуле. Нижний индекс пишется только в том случае, если количество атомов больше 1. Например, вода с двумя атомами водорода и одним атомом кислорода на молекулу записывается как \ (H_2O \). Точно так же диоксид углерода, который содержит один атом углерода и два атома кислорода в каждой молекуле, записывается как \ (CO_2 \).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): элементы, которые существуют как ковалентные молекулы. (a) Некоторые элементы естественным образом существуют в виде двухатомных молекул, в которых два атома (E) соединены одной или несколькими ковалентными связями с образованием молекулы с общей формулой E2. (б) Некоторые элементы естественным образом существуют в виде многоатомных молекул, которые содержат более двух атомов. Например, фосфор существует в виде тетраэдров P4 — правильных многогранников с четырьмя треугольными сторонами — с атомом фосфора в каждой вершине. Элементарная сера состоит из сморщенного кольца из восьми атомов серы, соединенных одинарными связями.Селен не показан из-за сложности его структуры.

Ковалентные соединения, содержащие преимущественно углерод и водород, называются органическими соединениями. При представлении формул органических соединений принято писать сначала углерод, затем водород, а затем любые другие элементы в алфавитном порядке (например, CH 4 O — это метиловый спирт, топливо). Соединения, которые состоят в основном из элементов, отличных от углерода и водорода, называются неорганическими соединениями; они включают как ковалентные, так и ионные соединения.В неорганических соединениях составные элементы перечислены, начиная с самого левого в периодической таблице, как в CO 2 или SF 6 . Те, кто находятся в той же группе, перечислены, начиная с нижнего элемента и постепенно увеличиваясь, как в ClF. Однако по соглашению, когда неорганическое соединение содержит как водород, так и элемент из групп 13-15, водород обычно указывается в формуле последним. Примерами являются аммиак (NH 3 ) и силан (SiH 4 ). Такие соединения, как вода, состав которых был установлен задолго до принятия этого соглашения, всегда сначала пишется с водородом: вода всегда пишется как H 2 O, а не как OH 2 .Условные обозначения для неорганических кислот, таких как соляная кислота (HCl) и серная кислота (H 2 SO 4 ), описаны в другом месте.

Примечание

Для органических соединений: сначала напишите C, затем H, а затем остальные элементы в алфавитном порядке. Для молекулярных неорганических соединений: начните с крайнего левого элемента периодической таблицы; перечислить элементы в одной группе, начиная с нижнего элемента и далее.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Напишите молекулярную формулу каждого соединения.

  1. Соединение фосфор-сера, которое отвечает за воспламенение так называемых спичек в любом месте, имеет 4 атома фосфора и 3 атома серы на молекулу.
  2. Этиловый спирт, спирт для алкогольных напитков, имеет 1 атом кислорода, 2 атома углерода и 6 атомов водорода на молекулу.
  3. Фреон-11, который когда-то широко использовался в автомобильных кондиционерах и причастен к повреждению озонового слоя, имеет 1 атом углерода, 3 атома хлора и 1 атом фтора на молекулу.

Дано : идентичность присутствующих элементов и количество атомов в каждом

Запрошено : молекулярная формула

Стратегия :

A Определите символ для каждого элемента в молекуле. Затем идентифицируйте вещество как органическое или неорганическое соединение.

B Если вещество является органическим соединением, расположите элементы по порядку, начиная с углерода и водорода, а затем перечислите другие элементы в алфавитном порядке.Если это неорганическое соединение, перечислите элементы, начиная с самого левого в периодической таблице. Перечислите элементы в одной группе, начиная с нижнего элемента и постепенно увеличивая его.

C Из приведенной информации добавьте нижний индекс для каждого типа атомов, чтобы записать молекулярную формулу.

Решение :

а.

  • A В молекуле 4 атома фосфора и 3 атома серы. Поскольку соединение не содержит в основном углерода и водорода, оно неорганическое.
  • B Фосфор находится в группе 15, а сера — в группе 16. Поскольку фосфор находится слева от серы, он записывается первым.
  • C Запись номера каждого типа атомов в виде правого нижнего индекса дает P 4 S 3 в качестве молекулярной формулы.

б.

  • A Этиловый спирт содержит преимущественно углерод и водород, поэтому он является органическим соединением.
  • B Формула органического соединения записывается сначала с числом атомов углерода, затем с числом атомов водорода, а остальные атомы располагаются в алфавитном порядке: CHO.
  • C Добавление нижних индексов дает молекулярную формулу \ (\ ce {C2H6O} \).

г.

  • Фреон-11 содержит углерод, хлор и фтор. Его можно рассматривать либо как неорганическое соединение, либо как органическое соединение (в котором фтор заменил водород). Таким образом, формула для фреона-11 может быть записана с использованием любого из двух соглашений.
  • B Согласно соглашению о неорганических соединениях, углерод пишется первым, потому что он находится дальше слева в периодической таблице.Фтор и хлор находятся в одной группе, поэтому они перечислены, начиная с нижнего элемента и постепенно увеличиваясь: CClF. Добавление нижних индексов дает молекулярную формулу CCl 3 F.
  • C Мы получаем ту же формулу для фреона-11, используя условные обозначения для органических соединений. Сначала записывается количество атомов углерода, за ним следует количество атомов водорода (ноль), а затем другие элементы в алфавитном порядке, что также дает CCl 3 F.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Напишите молекулярную формулу для каждого соединения.

  1. Закись азота, также называемая «веселящий газ», содержит 2 атома азота и 1 атом кислорода на молекулу. Закись азота используется в качестве мягкого анестетика при незначительных хирургических вмешательствах и в качестве пропеллента в банках со взбитыми сливками.
  2. Сахароза, также известная как тростниковый сахар, имеет 12 атомов углерода, 11 атомов кислорода и 22 атома водорода.
  3. Гексафторид серы, газ, используемый для создания давления «негерметичных» теннисных мячей и в качестве хладагента в ядерных реакторах, содержит 6 атомов фтора и 1 атом серы на молекулу.

Ответ :

  1. N 2 O
  2. С 12 В 22 О 11
  3. SF 6

Представления молекулярных структур

Молекулярные формулы дают только элементный состав молекул. Напротив, структурные формулы показывают, какие атомы связаны друг с другом, а в некоторых случаях — приблизительное расположение атомов в пространстве. Знание структурной формулы соединения позволяет химикам создать трехмерную модель, которая предоставляет информацию о том, как это соединение будет вести себя физически и химически.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): молекулы, содержащие одинарные, двойные и тройные связи. Водород (H 2 ) имеет одинарную связь между атомами. Кислород (O 2 ) имеет двойную связь между атомами, обозначенную двумя линиями (=). Азот (N 2 ) имеет тройную связь между атомами, обозначенную тремя линиями (≡). Каждая связь представляет собой электронную пару.

Структурная формула для H 2 может быть изображена как H – H, а формула для I 2 как I – I, где линия указывает на одну пару общих электронов, одинарную связь.Две пары электронов связаны двойной связью, что обозначено двумя линиями, например, O 2 означает O = O. Три электронные пары объединены тройной связью, которая обозначена тремя линиями — например, N 2 — это N≡N (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Углерод уникален тем, что он образует одинарные, двойные и тройные связи с самим собой и другими элементами. Число связей, образованных атомом в его ковалентных соединениях, не является произвольным. Водород, кислород, азот и углерод имеют очень сильную тенденцию к образованию веществ, в которых они имеют одну, две, три и четыре связи с другими атомами соответственно (Таблица \ (\ PageIndex {1} \)).

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): количество связей, которые выбранные атомы обычно образуют с другими атомами
Атом Количество облигаций
H (группа 1) 1
О (группа 16) 2
N (группа 15) 3
C (группа 14) 4

Структурную формулу воды можно составить следующим образом:

Поскольку последняя аппроксимирует экспериментально определенную форму молекулы воды, она более информативна.Точно так же аммиак (NH 3 ) и метан (CH 4 ) часто записывают в виде плоских молекул:

Однако, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), реальная трехмерная структура NH 3 выглядит как пирамида с треугольным основанием из трех атомов водорода. Структура CH 4 с четырьмя атомами водорода, расположенными вокруг центрального атома углерода, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), является тетраэдрической: атомы водорода расположены в каждой второй вершине куба.Многие соединения, в частности соединения углерода, имеют четыре связанных атома, расположенных вокруг центрального атома, образуя тетраэдр.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Трехмерные структуры воды, аммиака и метана. (а) Вода представляет собой молекулу V-образной формы, в которой все три атома лежат в одной плоскости. (b) Напротив, аммиак имеет пирамидальную структуру, в которой три атома водорода образуют основание пирамиды, а атом азота находится в вершине. (c) четыре атома водорода метана образуют тетраэдр; атом углерода находится в центре.

Рисунки \ (\ PageIndex {3} \) — \ (\ PageIndex {3} \) иллюстрируют различные способы представления структур молекул. Должно быть ясно, что не существует единственного «лучшего» способа изобразить структуру молекулы; используемый метод зависит от того, на каком аспекте конструкции следует сделать акцент и сколько времени и усилий потребуется. На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показаны некоторые из различных способов изобразить структуру немного более сложной молекулы: метанола. Эти представления сильно различаются по своему информационному содержанию.Например, молекулярная формула метанола (часть (а) на рисунке \ (\ PageIndex {4} \)) дает только номер каждого типа атомов; запись метанола в виде CH 4 O ничего не говорит о его структуре. Напротив, структурная формула (часть (b) на рисунке \ (\ PageIndex {4} \)) указывает, как атомы связаны, но при этом метанол выглядит так, как если бы он был плоским (а это не так). Как модель с мячом и клюшкой (часть (c) на рисунке \ (\ PageIndex {4} \)), так и перспективный рисунок (часть (d) на рисунке \ (\ PageIndex {4} \)) демонстрируют три вида размерная структура молекулы.Последнее (также называемое представлением в виде клина и тире) — самый простой способ нарисовать структуру молекулы в трех измерениях. Он показывает, какие атомы находятся выше и ниже плоскости бумаги с помощью клиньев и штрихов соответственно; центральный атом всегда предполагается находящимся в плоскости бумаги. Модель заполнения пространства (часть (e) на рисунке \ (\ PageIndex {4} \)) иллюстрирует приблизительные относительные размеры атомов в молекуле, но не показывает связи между атомами. Кроме того, в модели заполнения пространства атомы на «передней стороне» молекулы могут закрывать атомы на «задней стороне».”

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): различные способы представления структуры молекулы. (а) Молекулярная формула метанола дает только количество присутствующих атомов каждого типа. (б) Структурная формула показывает, какие атомы связаны. (c) Модель шара и палки показывает атомы как сферы, а связи как палочки. (d) Перспективный рисунок (также называемый изображением клина и тире) пытается показать трехмерную структуру молекулы. (e) Модель заполнения пространства показывает атомы в молекуле, но не связи.(е) Структурная формула в сжатом виде — это, безусловно, самый простой и наиболее распространенный способ представления молекулы.

Хотя структурная формула, модель шара и палки, перспективный рисунок и модель заполнения пространства предоставляют значительный объем информации о структуре молекулы, каждая из них требует времени и усилий. Следовательно, химики часто используют сжатую структурную формулу (часть (f) на рисунке \ (\ PageIndex {4} \)), в которой опускаются линии, представляющие связи между атомами, и просто перечисляются атомы, связанные с данным атомом рядом с ним.Несколько групп, присоединенных к одному и тому же атому, показаны в скобках с нижним индексом, указывающим количество таких групп. Например, конденсированная структурная формула метанола — CH 3 OH, что указывает на то, что молекула содержит звено CH 3 , которое выглядит как фрагмент метана (CH 4 ). Таким образом, метанол можно рассматривать либо как молекулу метана, в которой один атом водорода заменен группой –OH, или как молекулу воды, в которой один атом водорода заменен фрагментом –CH 3 .Из-за простоты использования и содержания информации мы используем сжатые структурные формулы для молекул по всему тексту. Шариковые модели используются, когда необходимо проиллюстрировать трехмерную структуру молекул, а модели заполнения пространства используются только тогда, когда необходимо визуализировать относительные размеры атомов или молекул, чтобы понять важный момент.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Напишите молекулярную формулу для каждого соединения. Приведена сокращенная структурная формула.

  1. Монохлорид серы (также называемый дихлоридом дисеры) — это едкая желтая жидкость с неприятным запахом, которая используется при производстве синтетического каучука. Его сжатая структурная формула — ClSSCl.
  2. Этиленгликоль — основной ингредиент антифриза. Его сжатая структурная формула: HOCH 2 CH 2 OH.
  3. Триметиламин — одно из веществ, ответственных за запах испорченной рыбы. Его сжатая структурная формула: (CH 3 ) 3 N.

Дано : сжатая структурная формула

Запрошено : молекулярная формула

Стратегия :

  1. Определите каждый элемент в сжатой структурной формуле, а затем определите, является ли соединение органическим или неорганическим.
  2. При необходимости используйте условные обозначения «органические» или «неорганические» для перечисления элементов. Затем добавьте соответствующие индексы, чтобы указать количество атомов каждого элемента, присутствующего в молекулярной формуле.

Решение :

В молекулярной формуле перечислены элементы в молекуле и количество атомов в каждом.

  1. A Каждая молекула монохлорида серы имеет два атома серы и два атома хлора. Поскольку он не содержит в основном углерода и водорода, это неорганическое соединение. B Сера находится слева от хлора в периодической таблице, поэтому она записывается в формуле первой. Добавление нижних индексов дает молекулярную формулу S 2 Cl 2 .
  2. A Подсчитав количество атомов в этиленгликоле, мы получим шесть атомов водорода, два атома углерода и два атома кислорода на молекулу. Соединение состоит в основном из атомов углерода и водорода, поэтому оно органическое. B Как и все органические соединения, C и H записываются первыми в молекулярной формуле. Добавление соответствующих индексов дает молекулярную формулу C 2 H 6 O 2 .
  3. A Конденсированная структурная формула показывает, что триметиламин содержит три звена CH 3 , так что на молекулу приходится один атом азота, три атома углерода и девять атомов водорода.Поскольку триметиламин содержит в основном углерод и водород, это органическое соединение. B Согласно правилам для органических соединений, C и H пишутся первыми, что дает молекулярную формулу C 3 H 9 N.

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

Напишите молекулярную формулу каждой молекулы.

  1. Хлороформ, который был одним из первых анестетиков и до недавнего времени использовался во многих сиропах от кашля, содержит один атом углерода, один атом водорода и три атома хлора.Его сжатая структурная формула — CHCl 3 .
  2. Гидразин используется в качестве топлива в реактивных двигателях космического челнока. Его сжатая структурная формула: H 2 NNH 2 .
  3. Путресцин — это соединение с резким запахом, впервые выделенное из экстрактов гниющего мяса. Его сжатая структурная формула: H 2 NCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 NH 2 . Это часто записывается как H 2 N (CH 2 ) 4 NH 2 , чтобы указать, что существует четыре фрагмента CH 2 , связанных вместе.
Ответьте на

CHCl 3

Ответ б

N 2 H 4

Ответ c

С 4 В 12 Н 2

Ионные соединения

Вещества, описанные в предыдущем обсуждении, состоят из электрически нейтральных молекул; то есть количество положительно заряженных протонов в ядре равно количеству отрицательно заряженных электронов.Напротив, ионы — это атомы или сборки атомов, которые имеют общий электрический заряд. Ионы, которые содержат меньше электронов, чем протоны, имеют общий положительный заряд и называются катионами. И наоборот, ионы, которые содержат больше электронов, чем протонов, имеют общий отрицательный заряд и называются анионами. Ионные соединения содержат как катионы, так и анионы в соотношении, которое не приводит к отсутствию чистого электрического заряда.

Примечание

Ионные соединения содержат как катионы, так и анионы в соотношении, которое дает ноль электрического заряда.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Ковалентная и ионная связь. (a) В молекулярном водороде (H 2 ) два атома водорода имеют два общих электрона, образуя ковалентную связь. (б) Ионное соединение NaCl образуется, когда электроны от атомов натрия переносятся на атомы хлора. Образовавшиеся ионы Na + и Cl образуют трехмерное твердое тело, которое удерживается вместе за счет притягивающих электростатических взаимодействий.

В ковалентных соединениях электроны распределяются между связанными атомами и одновременно притягиваются более чем к одному ядру.Напротив, ионные соединения содержат катионы и анионы, а не отдельные нейтральные молекулы. Ионные соединения удерживаются вместе за счет притягивающих электростатических взаимодействий между катионами и анионами. В ионном соединении катионы и анионы расположены в пространстве, чтобы сформировать расширенный трехмерный массив, который максимизирует количество притягивающих электростатических взаимодействий и минимизирует количество отталкивающих электростатических взаимодействий (рисунок \ (\ PageIndex {5} \)). Как показано в уравнении 3.1.1, электростатическая энергия взаимодействия между двумя заряженными частицами пропорциональна произведению зарядов частиц и обратно пропорциональна расстоянию между ними:

\ [\ text {электростатическая энергия} \ propto {Q_1Q_2 \ over r} \ label {3.1.1} \]

где

    ,
  • \ (Q_1 \) и \ (Q_2 \) — электрические заряды частиц 1 и 2, а
  • \ (r \) — расстояние между ними.

Когда \ (Q_1 \) и \ (Q_2 \) оба положительны, что соответствует зарядам на катионах, катионы отталкиваются друг от друга и электростатическая энергия положительна. Когда \ (Q_1 \) и \ (Q_2 \) оба отрицательны, что соответствует зарядам анионов, анионы отталкиваются друг от друга, и электростатическая энергия снова становится положительной.Электростатическая энергия отрицательна только тогда, когда заряды имеют противоположные знаки; то есть положительно заряженные виды притягиваются к отрицательно заряженным и наоборот. Как показано на рисунке \ (\ PageIndex {6} \), сила взаимодействия пропорциональна величине зарядов и уменьшается по мере увеличения расстояния между частицами. Эти энергетические факторы более подробно обсуждаются позже.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Влияние заряда и расстояния на силу электростатических взаимодействий.По мере увеличения заряда на ионах или уменьшения расстояния между ионами увеличивается сила притягивающего (-… +) или отталкивающего (-… — или +… +) взаимодействий. Сила этих взаимодействий представлена ​​толщиной стрелок.

Примечание

Если электростатическая энергия положительна, частицы отталкиваются друг от друга; если электростатическая энергия отрицательна, частицы притягиваются друг к другу.

Одним из примеров ионного соединения является хлорид натрия (NaCl), образованный из натрия и хлора.При образовании химических соединений многие элементы имеют тенденцию приобретать или терять достаточно электронов, чтобы достичь того же количества электронов, что и ближайший к ним благородный газ в периодической таблице. Когда натрий и хлор вступают в контакт, каждый атом натрия отдает электрон, чтобы стать ионом Na + , с 11 протонами в его ядре, но только 10 электронами (как неон), и каждый атом хлора получает электрон, чтобы стать Cl — ион с 17 протонами в ядре и 18 электронами (как аргон), как показано в части (b) на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).Твердый хлорид натрия содержит равное количество катионов (Na + ) и анионов (Cl ), что обеспечивает электрическую нейтральность. Каждый ион Na + окружен 6 ионами Cl , а каждый ион Cl окружен 6 ионами Na + . Из-за большого количества притягивающих взаимодействий Na + Cl общая притягивающая электростатическая энергия в NaCl велика.

В соответствии с тенденцией иметь такое же количество электронов, что и ближайший благородный газ, при образовании ионов элементы в группах 1, 2 и 3 имеют тенденцию терять один, два и три электрона, соответственно, с образованием катионов, таких как Na + и Mg 2 + .Тогда у них будет такое же количество электронов, как и у ближайшего благородного газа: неона. Аналогичным образом, K + , Ca 2 + и Sc 3 + имеют по 18 электронов, как и ближайший благородный газ: аргон. Кроме того, элементы в группе 13 теряют три электрона с образованием катионов, таких как Al 3 + , снова достигая того же количества электронов, что и ближайший к ним благородный газ в периодической таблице. Поскольку лантаноиды и актиниды формально принадлежат к группе 3, наиболее распространенным ионом, образованным этими элементами, является M 3 + , где M представляет собой металл.И наоборот, элементы в группах 17, 16 и 15 часто реагируют с получением одного, двух и трех электронов, соответственно, с образованием таких ионов, как Cl , S 2- и P 3-. Такие ионы, которые содержат только один атом, называются одноатомными ионами. Заряды большинства одноатомных ионов, происходящих от элементов основной группы, можно предсказать, просто взглянув на периодическую таблицу и посчитав, сколько столбцов находится в крайнем левом или правом углу. Например, барий (в Группе 2) образует Ba 2 + , чтобы иметь такое же количество электронов, как и его ближайший благородный газ, ксенон; кислород (в группе 16) образует O 2-, чтобы иметь такое же количество электронов, что и неон; а цезий (в Группе 1) образует Cs + , который имеет такое же количество электронов, как ксенон.Обратите внимание, что этот метод неэффективен для большинства переходных металлов, как обсуждалось в разделе 2.3. Некоторые общие одноатомные ионы перечислены в Таблице \ (\ PageIndex {2} \).

Примечание

Элементы в группах 1, 2 и 3 имеют тенденцию образовывать ионы 1+, 2+ и 3+ соответственно; элементы в группах 15, 16 и 17 имеют тенденцию к образованию ионов 3–, 2– и 1– соответственно.

Таблица \ (\ PageIndex {2} \): некоторые общие одноатомные ионы и их имена
Группа 1 Группа 2 Группа 3 Группа 13 Группа 15 Группа 16 Группа 17

Ли +

литий

Be 2 +

бериллий

N 3−

нитрид

(азид)

O 2−

оксид

Ф.

фторид

Na +

натрия

мг 2 +

магний

Al 3 +

алюминий

П 3−

фосфид

S 2−

сульфид

Класс

хлорид

К +

калий

Ca 2 +

кальций

Сб 3 +

скандий

Ga 3 +

галлий

As 3−

арсенид

SE 2−

селенид

Br

бромид

руб. +

рубидий

Sr 2 +

стронций

Y 3 +

иттрий

В 3 +

Индий

Те 2−

теллурид

Я

йодид

CS +

цезий

Ba 2 +

барий

Ла 3 +

лантан

Пример \ (\ PageIndex {3} \)

Предскажите заряд самого обычного одноатомного иона, образованного каждым элементом.

  1. алюминий, используемый в квантовых логических часах, самых точных часах в мире
  2. селен, из которого делают стекло рубинового цвета
  3. Иттрий, используемый для изготовления высокопроизводительных свечей зажигания

Дано : элемент

Запрошено : ионный заряд

Стратегия :

A Укажите группу в периодической таблице, к которой принадлежит элемент. Основываясь на его расположении в периодической таблице, решите, является ли элемент металлом, который имеет тенденцию терять электроны; неметалл, который имеет тенденцию приобретать электроны; или полуметалл, который может делать то и другое.

B После обнаружения благородного газа, ближайшего к элементу, определите количество электронов, которое элемент должен получить или потерять, чтобы иметь такое же количество электронов, что и ближайший благородный газ.

Решение :

  1. A Алюминий — металл 13 группы; следовательно, он будет терять электроны. B Ближайший к алюминию благородный газ — неон. Алюминий потеряет три электрона с образованием иона Al 3 + , который имеет такое же количество электронов, как и неон.
  2. A Селен — неметалл группы 16, поэтому он будет иметь тенденцию приобретать электроны. B Ближайший благородный газ — криптон, поэтому мы прогнозируем, что селен получит два электрона, чтобы сформировать ион Se 2-, который имеет такое же количество электронов, как и криптон.
  3. A Иттрий находится в группе 3, и элементы этой группы представляют собой металлы, которые имеют тенденцию терять электроны. B Ближайшим к иттрию благородным газом является криптон, поэтому прогнозируется, что иттрий потеряет три электрона с образованием Y 3 + , который имеет такое же количество электронов, как и криптон.

Упражнение \ (\ PageIndex {3} \)

Предскажите заряд самого обычного одноатомного иона, образованного каждым элементом.

  1. Кальций, применяемый для профилактики остеопороза
  2. йод, необходимый для синтеза гормонов щитовидной железы
  3. цирконий, широко используемый в ядерных реакторах

Ответ :

  1. Ca 2 +
  2. I
  3. Zr 4 +

Физические свойства ионных и ковалентных соединений

Как правило, ионные и ковалентные соединения имеют разные физические свойства.Ионные соединения образуют твердые кристаллические вещества, плавящиеся при высоких температурах и устойчивые к испарению. Эти свойства проистекают из характерной внутренней структуры ионного твердого тела, схематично проиллюстрированной в части (а) на рисунке \ (\ PageIndex {8} \), где показан трехмерный массив чередующихся положительных и отрицательных ионов, удерживаемых вместе сильным электростатическим притяжением. . Напротив, как показано в части (b) на рисунке \ (\ PageIndex {8} \), большинство ковалентных соединений состоят из дискретных молекул, удерживаемых вместе сравнительно слабыми межмолекулярными силами (силами между молекулами), даже если атомы внутри каждой молекулы удерживаются вместе прочными внутримолекулярными ковалентными связями (силами внутри молекулы).Ковалентные вещества могут быть газами, жидкостями или твердыми телами при комнатной температуре и давлении, в зависимости от силы межмолекулярных взаимодействий. Ковалентные молекулярные твердые вещества имеют тенденцию образовывать мягкие кристаллы, которые плавятся при низких температурах и легко испаряются. Однако некоторые ковалентные вещества не являются молекулярными, а состоят из бесконечных трехмерных массивов ковалентно связанных атомов и включают некоторые из самых твердых известных материалов, например алмаз. . Эта тема будет затронута в другом месте. Ковалентные связи, которые удерживают атомы вместе в молекулах, не затрагиваются, когда ковалентные вещества плавятся или испаряются, поэтому образуется жидкость или пар независимых молекул.Например, при комнатной температуре метан, основной компонент природного газа, представляет собой газ, состоящий из отдельных молекул CH 4 . Сравнение различных физических свойств ионных соединений и ковалентных молекулярных веществ приведено в таблице \ (\ PageIndex {3} \).

Таблица \ (\ PageIndex {3} \): Физические свойства типичных ионных соединений и ковалентных молекулярных веществ
Ионные соединения Ковалентные молекулярные вещества
твердые вещества газы, жидкости или мягкие твердые вещества
высокие температуры плавления низкая температура плавления
энергонезависимая летучие

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Взаимодействие в ионных и ковалентных твердых телах.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.