Углекислый газ (диоксид углерода)

Углекислый газ (диоксид углерода)

Он не пригоден для поддержания жизни. Однако именно им «питаются» растения, превращая его в органические вещества. К тому же он является своеобразным «одеялом» Земли. Если этот газ вдруг исчезнет из атмосферы, на Земле станет гораздо прохладнее, а дожди практически исчезнут.

«Одеяло Земли»

Углекислый газ (двуокись углерода, диоксид углерода, CO₂) формируется при соединении двух элементов: углерода и кислорода. Он образуется в процессе сжигания угля или углеводородных соединений, при ферментации жидкостей, а также как продукт дыхания людей и животных. В небольших количествах он содержится и в атмосфере, откуда он ассимилируется растениями, которые, в свою очередь, производят кислород.

Углекислый газ бесцветен и тяжелее воздуха. Замерзает при температуре −78.5°C с образованием снега, состоящего из двуокиси углерода. В виде водного раствора он образует угольную кислоту, однако она не обладает достаточной стабильностью для того, чтобы ее можно было легко изолировать.

Углекислый газ — это «одеяло» Земли. Он легко пропускает ультрафиолетовые лучи, которые обогревают нашу планету, и отражает инфракрасные, излучаемые с ее поверхности в космическое пространство. И если вдруг углекислый газ исчезнет из атмосферы, то это в первую очередь скажется на климате. На Земле станет гораздо прохладнее, дожди будут выпадать очень редко. К чему это в конце концов приведет, догадаться нетрудно.

Правда, такая катастрофа нам пока еще не грозит. Скорее даже, наоборот. Сжигание органических веществ: нефти, угля, природного газа, древесины – постепенно увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере. Значит, со временем надо ждать значительного потепления и увлажнения земного климата. Кстати, старожилы считают, что уже сейчас заметно теплее, чем было во времена их молодости.

Двуокись углерода выпускается жидкая низкотемпературная, жидкая высокого давления и газообразная. Ее получают из отбросных газов производств аммиака, спиртов, а также на базе специального сжигания топлива и других производств. Газообразная двуокись углерода – газ без цвета и запаха при температуре 20°С и давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), плотность – 1,839 кг/м 3 . Жидкая двуокись углерода – просто бесцветная жидкость без запаха.

Углекислый газ нетоксичен и невзрывоопасен. При концентрациях более 5% (92 г/м 3 ) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека — она тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья.

Получение двуокиси углерода

В промышленности углекислый газ получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании разлагается, высвобождая углекислоту. При промышленном производстве газ закачивается в баллоны.

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора с соляной кислотой.

«Сухой лед» и прочие полезные свойства диоксида углерода

В повседневной практике углекислый газ используется достаточно широко. Например, газированная вода с добавками ароматных эссенций – прекрасный освежающий напиток. В пищевой промышленности диоксид углерода используется и как консервант — он обозначается на упаковке под кодом Е290, а также в качестве разрыхлителя теста.

Углекислотными огнетушителями пользуются при пожарах. Биохимики нашли, что удобрение. воздуха углекислым газом весьма эффективное средство для увеличения урожайности различных культур. Пожалуй, такое удобрение имеет единственный, но существенный недостаток: применять его можно только в оранжереях. На заводах, производящих диоксид углерода, сжиженный газ расфасовывают в стальные баллоны и отправляют потребителям. Если открыть вентиль, то из отверстия с шипением вырывается. снег. Что за чудо?

Все объясняется просто. Работа, затраченная на сжатие газа, оказывается значительно меньше той, которая требуется на его расширение. И чтобы как-то компенсировать возникающий дефицит, углекислый газ резко охлаждается, превращаясь в «сухой лед». Он широко используется для сохранения пищевых продуктов и перед обычным льдом имеет значительные преимущества: во-первых, «хладопроизводительность» его вдвое выше на единицу веса; во-вторых, он испаряется без остатка.

Углекислый газ используется в качестве активной среды при сварке проволокой, так как при температуре дуги углекислота разлагается на угарный газ СО и кислород, который, в свою очередь, и входит во взаимодействие с жидким металлом, окисляя его.

Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

Все про углерод: опасность CO2 и методы нейтрализации выбросов углекислого газа

Города, особенно мегаполисы — это центры развития технологий, бизнеса и культуры. Но есть и обратная сторона медали — колоссальный уровень загрязнения окружающей среды. В первую очередь, речь идет о промышленных отходах, твердых, жидких и газообразных. Что касается последних, то больше всего в атмосферу Земли выбрасывается углекислого газа. На долю городов приходится около 70% выбросов CO2. А это означает, что города становятся еще и главной причиной изменений климата на Земле — глобального потепления. Руководитель российского представительства Bolt Екатерина Хан рассказывает о том, как можно решить эту проблему, приблизив города к углеродно-нейтральным и тем самым снизив негативное воздействие на окружающую среду.

Читайте «Хайтек» в

Сеул, Гуанчжоу, Нью-Йорк, Гонконг и Лос-Анджелес — главные центры «поставок» углекислого газа в атмосферу Земли. Ежегодно каждый из них выбрасывает более 150 млн тонн СО2. Основные техногенные источники углекислоты — промышленные предприятия, транспортные средства и сельское хозяйство, в первую очередь — вырубка лесов и превращение этих территорий в пахотные земли.

Что не так с СО2, почему его считают вредным?

Сам по себе углекислый газ не вреден для окружающей среды. Наоборот, он является одним из главных элементов процесса жизнедеятельности растений. Они поглощают СО2, перерабатывают его и выделяют в атмосферу кислород. Но если диоксида углерода становится слишком много, он начинает играть роль тепловой изоляции для планеты. Излучение Солнца свободно проходит через атмосферу, но вот обратно, в космос, уходит тем меньше тепловой энергии, чем больше парниковых газов в газовой оболочке Земли. Поверхность планеты начинает нагреваться. Тают льды, изменяются климат и видовой состав флоры и фауны.

Природа будет развиваться, эволюционировать и дальше, изменение климата — проблема, прежде всего, для человечества, которое тысячи лет живет в относительно комфортных условиях. Если уровень Мирового океана значительно изменится, начнутся катастрофы, проблемы будут не у отдельно взятых людей, а у целых государств. С этим стараются бороться. Чем дальше, тем активнее обсуждается вопрос необходимости снижения выбросов парниковых газов, предпринимаются активные действия. К сожалению, не все корпорации и страны готовы действовать в этом направлении. Например, США под руководством Дональда Трампа даже вышли из Парижского соглашения по климату. Но определенный прогресс всё же есть.

Углеродная нейтральность как инструмент решения проблемы климатических изменений

В этом году на саммите ООН по климату 66 стран мира взяли на себя обязательство достичь к 2050 году углеродной нейтральности. Документ был подписан 23 сентября 2019 года. Кроме государств, обязательство подписали 10 регионов, 102 города, 93 компании и 12 инвесторов. В дополнение к этому мэры 19 крупнейших городов мира заявили о том, что к 2050 году их населенные пункты станут углеродно-нейтральными. Соответствующий документ подписан властями Копенгагена, Йоханнесбурга, Лондона, Лос-Анджелеса, Монреаля, Нью-Йорка, Ньюберипорта, Парижа, Портланда, Сан-Франциско, Сан-Хосе, Санта-Моники, Стокгольма, Сиднея, Токио, Торонто, Цване, Ванкувера и Вашингтона. К слову, здания и сооружения в городах генерируют более 50% выбросов парниковых газов в городах.

Что же такое углеродная нейтральность? Это один из методов предотвращения или сведения к минимуму выбросов СО2 в атмосферу. Некоторые компании достигают углеродной нейтральности самостоятельно, изменяя производственный процесс, используя другие материалы и химические соединения. Другие компенсируют негативное воздействие за счет сотрудничества с организациями по охране окружающей среды.

Второй вариант более предпочтителен для брендов, которые занимаются производством одежды, транспортных компаний, ритейлеров. Они возмещают наносимый вред участием в социальных проектах экологической направленности. Это могут быть высадка деревьев, акции по защите лесов, проекты оптимизации сельского хозяйства, инвестиции в зеленое или безотходное производство. Среди брендов одежды соглашение об углеродной нейтральности подписали Burberry, Prada, Michael Kors, Versace, Tommy Hilfiger, Calvin Klein, Hermès, Chanel, Adidas, Nike, Puma, Zara, H&M и другие компании.

Но основное влияние на решение вопроса экологии продолжают оказывать города и страны. Некоторые продвинулись в переходе на углеродную нейтральность сильнее, чем другие.

Сан-Франциско. Этот американский город реализует собственный проект по сокращению выбросов парниковых газов. Руководство Сан-Франциско решило делать город углеродно-нейтральным, несмотря на политику Дональда Трампа, который, как и говорилось выше, вывел свою страну из Парижского соглашения по климату. Сейчас жители населенного пункта постепенно переходят на возобновляемые источники энергии, по возможности используют велосипеды вместо автомобилей и высаживают деревья. Результат уже есть — в 2016 году уровень выбросов СО2 в Сан-Франциско снизился на треть по сравнению с 1990 годом. А к 2050 году руководство города обещает сделать его углеродно-нейтральным. Более того, к этой цели постепенно движется весь штат.

Ливерпуль. В этом городе поставили цель стать углеродно-нейтральным уже в следующем году. Для этого в Ливерпуле постепенно переходят на возобновляемые источники энергии, проводят политику снижения количества автомобилей, занимаются озеленением города и его окрестностей. Контроль за выбросами СО2 осуществляется при помощи специализированной блокчейн-системы, которая упрощает процесс торговли квотами на выбросы. В итоге все данные о выбросах прозрачны, а изменить что-либо в реестре нельзя.

Копенгаген. Еще один крупный город, который реализует собственный углеродно-нейтральный план. Стать нейтральным Копенгаген планирует на пять лет позже Ливерпуля — к 2025 году. За это время планируется построить муниципальные солнечные и ветряные электростанции, внедрить smart-технологии в муниципальные службы и снизить количество автотранспорта.

Хельсинки. Столица Финляндии планирует стать углеродно-нейтральным городом к 2035 году. Власти разработали масштабный план из 143 пунктов. В него входят, как в уже описанные выше проекты, использование зеленой энергетики, снижение количества транспортных средств, популяризация велотранспорта и прогулок. Также финны хотят сократить потребление тепловой энергии за счет модернизации старых зданий. Руководство этой страны рассматривает возможность запретить продажу автомобилей с ДВС и разрешить автомобильным компаниям продавать лишь электромобили.

Аделаида. Австралийский город старается стать первым в мире углеродно-нейтральным населенным пунктом. Мэрия разработала специальные программы поддержки граждан, которые строят современные, энергоэффективные дома, модернизируют устаревшие здания, приобретают электротранспортные средства, устанавливают ветряки и солнечные электростанции.

Также практически все города, которые сейчас реализуют проекты углеродной нейтральности, продвигают концепции каршеринга, райдшеринга, власти занимаются популяризацией электросамокатов, скутеров и других транспортных средств, которые не выбрасывают вредные вещества в атмосферу, занимая при этом минимум пространства на дороге. В этом должны помогать и транспортные компании. Bolt, например, активно развивает идею райдшеринга, расширяет сеть электросамокатов в городах, постепенно переходит на использование в поездках на такси электромобилей. Недавно компания запустила глобальную инициативу Green Plan, в рамках который запланированы инвестиции в 10 млн евро в углеродно-нейтральные поездки до конца 2025 года. Помимо компенсации ущерба от совершаемых на такси поездок, мы хотим предоставить нашим пассажирам возможность пожертвовать средства и участвовать в экологических инициативах прямо в приложении Bolt.

Появляются стартапы, которые нацелены перерабатывать углекислый газ. Одна из таких компаний — LanzaTech. Она занимается производством топлива из газообразных выбросов промышленных предприятий. Еще один стартап, Climeworks, вытягивает углекислоту из атмосферы, используя ее в качестве промежуточного элемента для производства метана. Завод был построен в прошлом году на финансы, предоставленные Европейским союзом. Еще один вариант — перевод CO2 из газообразного состояния в твердое, то есть химическое связывание с горными породами. Такое предприятие работает в Исландии, вводя в литосферу СО2, удаленный из атмосферы. Конечно, производительность таких систем не очень большая, но с течением времени они станут применяться в большем количестве регионов, снижая концентрацию углекислоты.

Несмотря на то, что большинство проблем нашей планеты — прямой результат деятельности человека, сегодня общество потребления начинает осознавать важность ежедневного вклада в борьбу с изменением климата. Вопрос защиты окружающей среды перестает быть прерогативой природоохранных организаций. Масштаб проблемы заставляет нас всех объединиться. Люди всё чаще начинают выбирать углеродно-нейтральный транспорт вместо обычного, покупать биоразлагаемые пакеты или заказывать кофе без пластиковой крышки. Всё это становится возможным в том числе и из-за своевременной реакции бизнеса на проблематику экологии. Современный бизнес не может функционировать, игнорируя вопросы охраны окружающей среды. Так, попытки многих крупных компаний прийти к углеродной нейтральности — начало очень важной для всех нас тенденции.

Ученые ТПУ предложили новый способ утилизации углекислого газа из атмосферы с помощью энергии плазмона

Исследователи Томского политехнического университета вместе с коллегами из Чехии нашли способ использования атмосферного углекислого газа для получения циклических карбонатов. Это органические соединения, которые применяют как электролиты литий-ионных батарей, «зеленые» растворители, а также при создании лекарств. Ученым удалось синтезировать карбонаты под действием света и при комнатной температуре, в то время как традиционные методы предполагают синтез при высоком давлении и температуре. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A (IF:11,301; Q1).

«Увеличение уровня углекислого газа в атмосфере — глобальная экологическая проблема. Для ее решения обычно концентрируются на мерах для снижения выбросов СО2. Альтернативным вариантом является использование углекислого газа, который уже есть в атмосфере, для полезных химических превращений. Так, мы впервые предложили метод, позволяющий под действием света получать широко востребованные циклические карбонаты. Чаще всего подобные реакции проводят под высокими температурами — от 60 до 150 °С — и повышенном давлении СО2 вплоть до 25 атмосфер. Это значит, что в технологической цепочке нужно дополнительное оборудование для сжатия углекислого газа и нагрева, то есть его нельзя просто взять из воздуха», — говорит один из авторов статьи, научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Ольга Гусельникова.

В экспериментах ученые получали циклические карбонаты при взаимодействии углекислого газа и исходных веществ — эпоксидов.

«Но сначала нам нужно было «поймать» СО2. Для этого мы использовали наночастицы золота с привитыми органическими молекулами азотистого основания. Они играли роль «ловушек» для молекул углекислого газа, при этом никак не реагируя с другими веществами. Эксперименты показали, что они эффективно захватывают СО2 прямо из воздуха. Суспензию из таких наночастиц и «захваченного» углекислого газа мы и смешивали с эпоксидами», — поясняет доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.

Эту смесь исследователи облучали инфракрасным светом.

«Наночастицы золота обладают плазмонным эффектом. То есть под действием света рядом с ними возбуждаются квазичастицы плазмоны, они выступают спусковым крючком для реакции. Они трансформируют энергию света в энергию, необходимую для реализации химической реакции. И именно они за счет своих особенностей позволили провести реакцию при нормальных условиях. Кстати, сам по себе вопрос о механизмах плазмонной химии, как именно плазмоны запускают химические процессы, как это работает, — горячая научная тема. Этому направлению исследований посвящен ряд наших предыдущих статей. Контрольные эксперименты позволили нам предположить, что возбуждение плазмона на частицах ведет к передаче энергии на захваченную молекулу CO2 без участия нагрева», — говорит Ольга Гусельникова.

Как отмечают авторы статьи, по скорости процесс синтеза сопоставим с аналогичными методами, при этом не требует сложного специального оборудования.

«Весь процесс занимает порядка 24 часов, обычные показатели для других методов варьируются в районе 12-24 часов. Сейчас мы начали с маленьких объемов и получили несколько миллилитров циклических карбонатов. Однако в статье мы уже продемонстрировали, что метод может быть масштабирован как минимум в пять раз, и сами наночастицы могут быть использованы повторно без потери активности. В то же время каталитические показатели нашей плазмонной системы одни из самых высоких из известных для данной реакции. Но самое важное — это как раз демонстрация возможности, что реакцию можно проводить прямо с использованием воздуха без дополнительной очистки или концентрирования СО2 при нормальных условиях под действием света. А это всегда в конечном итоге делает синтез более простым и экологичным», — добавляет Павел Постников.

Исследование проводилось совместно с учеными из Университета химии и технологии Праги и Университета Яна Пуркине (Чехия) при поддержке Российского научного фонда.

Углекислый газ

Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?

Углекислый газ и его физические свойства

Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.

Рис. 1. Молекула углекислого газа.

Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.

Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».

Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.

Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.

Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.

n – число атомов или молекул.
Ar – относительная атомная масса химического элемента.
Mr – относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.

Химические и биологические свойства углекислого газа

Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:

Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:

Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.

Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.

Рис. 3. Огнетушитель.

Что мы узнали?

Углекислый газ – вещество, которое в нормальных условиях не имеет цвета и запаха. помимо своего обычного названия – углекислый газ, его также называют оксидом углерода или диоксидом углерода.