Углекислый газ. Свойства, получение, применение. Большая энциклопедия нефти и газа

Углекислый газ бесцветный газ с едва ощутимым запахом не ядовит, тяжелее воздуха. Углекислый газ широко распространен в природе. Растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н 2 CO 3 , придает ей кислый вкус. В воздухе содержится около 0,03% углекислого газа. Плотность в 1,524 раза больше плотности воздуха и равна 0,001976 г/см 3 (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Потенциал ионизации 14,3В. Химическая формула – CO 2 .

В сварочном производстве используется термин «углекислый газ» см. . В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» принят термин «углекислота» , а в - термин «двуокись углерода» .

Существует множество способов получения углекислого газа, основные из которых рассмотрены в статье .

Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре -78,5°С углекислый газ, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед» .

Под давлением 528 кПа и при температуре -56,6°С углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).

Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и только при температуре выше 2000°С.

Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество . В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont ) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».

Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black) .

Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO 3) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух» . Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.

CaCO 3 + 2HCl = СО 2 + CaCl 2 + H 2 O

Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO 2 через водный раствор извести Ca(OH) 2 на дно осаждается карбонат кальция CaCO 3 . Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных .

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O

Жидкая двуокись углерода бесцветная жидкость без запаха, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Она существует при комнатной температуре лишь при давлении более 5,85 МПа. Плотность жидкой углекислоты 0,771 г/см 3 (20°С). При температуре ниже +11°С она тяжелее воды, а выше +11°С - легче.

Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой , поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8-22,9°С не более 0,05%.

Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты. При нормальных условиях (20°С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа . При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении «тройной точки» она превращается в сухой лед, который забивает отверстие в понижающем редукторе, и дальнейший отбор газа прекращается. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения жидкой двуокиси углерода - поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.

Впервые жидкую двуокись углерода получили в 1823 г. Гемфри Дэви (Humphry Davy) и Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Твердая двуокись углерода «сухой лед», по внешнему виду напоминает снег и лед. Содержание углекислого газа, получаемого из брикета сухого льда, высокое - 99,93-99,99%. Содержание влаги в пределах 0,06-0,13%. Сухой лед, находясь на открытом воздухе, интенсивно испаряется, поэтому для его хранения и транспортировки используют контейнеры. Получение углекислого газа из сухого льда производится в специальных испарителях. Твердая двуокись углерода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162.

Двуокись углерода чаще всего применяют :

• для создания защитной среды при металлов;
• в производстве газированных напитков;
• охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
• для систем пожаротушения;
• для чистки поверхностей сухим льдом.

Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Углекислый газ является , в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие .

Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлись в швах. Поры вызывались кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделения оксиси углерода (СО) вследствие недостаточной его раскисленности.

При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:

Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (сварка ).

Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:

Мэ + О = МэО

где Мэ - металл (марганец, алюминий или др.).

Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами.

В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное - кремния, марганца, хрома, ванадия и др.

Особенно энергично окисление примесей происходит при . Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке неплавящимся электродом - только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом.

Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом.

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м 3) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как 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. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м 3 (0,5%).

Углекислый газ поставляется по . Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.

Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы. В стандартный с водяной емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты, которая при нормальном давлении занимает 67,5% объема баллона и дает при испарении 12,5 м 3 углекислого газа. В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.

Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10...15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке шва.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги

Баллон с двуокисью углерода окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА» .

Все мы еще со школьной скамьи знаем, что углекислый газ выбрасывается в атмосферу как продукт жизнедеятельности человека и животного, то есть, он является тем, что мы выдыхаем. В достаточно небольших количествах он усваиваться растениями и преобразуется на кислород. Одной из причин глобального потепления является тот же углекислый газ или другими словами двуокись углерода.

Но не все так плохо как кажется на первый взгляд, ведь человечество научилось использовать его в обширной зоне своей деятельности в благих целях. Так, например, углекислый газ используется в газированных водах, или в пищевой промышленности его можно встретить на этикетке под кодом Е290 в качестве консерванта. Достаточно часто диоксид углерода выполняет роль разрыхлителя в мучных изделиях, куда он попадает при приготовлении теста. Чаще всего углекислый газ хранят в жидком состоянии в специальных баллонах, которые используются неоднократно и поддаются заправке. Подробно об этом можно узнать на сайте https://wice24.ru/product/uglekislota-co2 . Его можно встретить, как в газообразном состоянии, так и в виде сухого льда, но хранение в сжиженном состоянии намного выгоднее.

Биохимики доказали, что удобрение воздуха углеродным газом - очень хорошее средство для получения больших урожаев от разных культур. Эта теория уже давно нашла своё практическое применение. Так в Голландии цветоводы эффективно используют углекислый газ для удобрения различных цветов (герберы, тюльпаны, розы) в тепличных условиях. И если раньше необходимый климат создавался методом сжигания природного газа (такая технология была признана не эффективной и вредной для окружающей среды), то сегодня углеродный газ попадает к растениям по специальным трубочкам с отверстиями и используется в необходимом количестве в основном в зимнее время.

Широкое распространение диоксид углерода нашёл и в пожарной сфере в качестве заправки огнетушителя. Углекислый газ в баллончиках нашел свое применение в пневматическом оружии, а в авиамоделировании он служит источником энергии для двигателей.

В твердом состоянии CO2 имеет как уже упоминалось название сухого льда, и в пищевой промышленности используется для хранения продуктов. Стоит отметить, что по сравнению с обычным льдом, сухой лед имеет ряд преимуществ, среди которых высокая холодопроизводительность (в 2 раза выше обычного), и при его испарении не остается побочных продуктов.

И это далеко не все области где эффективно и целесообразно используется углекислый газ.

Ключевые слова: Где применяется углекислый газ, Использование углекислого газа, промышленность, в быту, заправка баллонов, хранение углекислого газа, Е290

Диоксид углерода (двуокись углерода, углекислый газ, CO 2) формируется путем взаимодействия двух элементов – кислорода и углерода. Диоксид углерода образуется при сжигании углеводородных соединений или угля, в результате ферментации жидкостей, а также в качестве продукта дыхания животных и человека. В атмосфере он содержится в небольших количествах. Растения поглощают двуокись углерода из атмосферы и превращают его в органические компоненты. При исчезновении этого газа из атмосферы на Земле практически не будет дождей и станет заметно прохладнее.

Свойства диоксида углерода

Диоксид углерода тяжелее воздуха. Он замерзает при температуре -78 °C. При замерзании из двуокиси углерода образуется снег. В виде раствора углекислый газ образует угольную кислоту. Благодаря некоторым свойствам диоксид углерода иногда называют «одеялом» Земли. Он с легкостью пропускает ультрафиолетовые лучи. Инфракрасные лучи излучаются с поверхности диоксида углерода в космическое пространство.

Углекислый газ выпускают в жидкой форме при низкой температуре, в жидкой форме при высоком давлении и в газообразной форме. Газообразную форму двуокиси углерода получают из отбросных газов при производстве спиртов, аммиака, а также в результате сжигания топлива. Газообразный диоксид углерода по свойствам представляет собой нетоксичный и невзрывоопасный газ, без запаха и цвета. В жидкой форме двуокись углерода – жидкость без цвета и запаха. При содержании более 5% углекислый газ накапливается в районе пола в слабо проветриваемых помещениях. Снижение объемной доли кислорода в воздухе может привести к кислородной недостаточности и удушью. Эмбриологи установили, что клеткам человека и животных двуокиси углерода необходимо около 7%, а кислорода – всего 2%. Двуокись углерода – транквилизатор нервной системы и прекрасное анестезирующее средство. Газ в организме человека участвует в синтезе аминокислот, оказывает сосудорасширяющее действие. Недостаток углекислого газа в крови приводит к спазму сосудов и гладкой мускулатуры всех органов, к увеличению секреции в носовых ходах, бронхах и к развитию полипов и аденоидов, к уплотнению мембран из-за отложения холестерина.

Получение диоксида углерода

Существует несколько способов получения диоксида углерода. В промышленности двуокись углерода получают из доломита, известняка – продуктов разложения природных карбонатов, а также из печных газов. Газовую смесь промывают раствором карбоната калия. Смесь поглощает двуокись углерода и превращается в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната нагревают и он, разлагаясь, высвобождает углекислоту. При промышленном методе получения диоксид углерода закачивается в баллоны.

В лабораториях получение диоксида углерода основывается на взаимодействии гидрокарбонатов и карбонатов с кислотами.

Области применения диоксида углерода

В повседневной практике двуокись углерода используют достаточно часто. В пищевой индустрии углекислый газ используют в качестве разрыхлителя теста, а также в качестве консерванта. Его обозначают на упаковке продукта под кодом Е290. Свойства диоксида углерода также используют при производстве газированной воды.

Биохимики выяснили, что для повышения урожайности различных культур весьма эффективно удобрять воздух углекислым газом. Однако данный способ удобрения можно применять только в оранжереях. В сельском хозяйстве газ применяют для создания искусственного дождя. При нейтрализации щелочной среды двуокись углерода заменяет сильнодействующие минеральные кислоты. В овощехранилищах углекислый газ применяют для создания газовой среды.

В парфюмерной промышленности двуокись углерода применяют при изготовлении духов. В медицине углекислый газ используют для антисептического воздействия при проведении открытых операций.

При охлаждении углекислый газ превращается в «сухой лед». Сжиженный диоксид углерода расфасовывают в баллоны и отправляют потребителям. Углекислый газ в виде «сухого льда» используют для сохранения пищевых продуктов. Такой лед при нагревании испаряется без остатка.

Углекислый газ используют как активную среду при сварке проволокой. При сварке двуокись углерода разлагается на кислород и угарный газ. Кислород вступает во взаимодействие с жидким металлом и окисляет его.

В авиамоделировании двуокись углерода используется как источник энергии для двигателей. Двуокись углерода в баллончиках используется в пневматическом оружии.

Одним из наиболее часто применяемых технических газов является углекислота. Еще этот газ называют диоксид углерода, углекислый газ, двуокись углерода и угольный ангидрид — CO2. Газ не имеет цвета, на вкус кисловат. Применяется в большинстве промышленных процессах, также в медицине, пищевой и газосварочной отрасли. Также он используется в огнетушителях и баллончиках пневматического оружия. Крупномасштабно углекислоту для промышленности получают при взаимодействии доломита или известняка и раствора карбоната калия. Для газированной воды и хлебобулочных изделий углекислоту получают путем спиртового брожения.

Углекислота не обладает токсичностью, но в сильных концентрациях опасна для человека. Углекислый газ в жидком состоянии при контакте с кислородом превращается отчасти в «сухой лед», а частично испаряется. При промышленном производстве технический газ закачивается в баллоны. Углекислый газ в жидком состоянии хранится под высоким давлением около 65—70 атмосфер.

Углекислота нашла также свое применение в качестве инертной среды при сварке проволокой. Для лучшей эффективности сварочных работ обычно применяют другие технические газы, особенно когда необходимо сваривать толстенные металлические детали. Но эти газы не могут покрыть упрощенное использование баллонов с двуокисью углерода вместе со сварочной установкой, простоту производства и дешевизну самого газа.

Принимая во внимание все плюсы, углекислота является оптимально востребованным газом для сварки. При малых объемах использования углекислого газа для сварочных работ применяют баллоны. В баллон объемом 40 л заливают 25 кг жидкой углекислоты, в результате испарения которой выделяется около 12 500 л газа.

Углекислота в баллонах хранится под давлением 5—6 МПа. Баллон должен быть оснащен редуктором, подогревателем и осушителем газа. Когда углекислый газ выходит из баллона, то он сильно охлаждается, что может привести к замерзанию паров воды, которые находятся в газе и последующей закупорке редуктора. Поэтому между редуктором и вентилем баллона нужно устанавливать специальный подогреватель газа. Проходя по трубке, газ подогревается электрическим элементом, который включен в сеть с напряжением 24 или 36 В. Влагу из углекислого газа убирают при помощи осушителя, который состоит из емкости, заполненной соединениями, отлично впитывающими воду. Осушители делятся на два вида: высокого давления (их устанавливают до редуктора) и низкого давления, устанавливаемые после редуктора.

Углекислота сварочная бывает высшего, первого и второго сорта, согласно ГОСТ 8050-85. Однако применение второго сорта должно осуществляться строго с осушителем газа. Следует отметить, что сваривая детали при помощи углекислоты, можно зрительно контролировать качество шва, располагать баллоны под любым углом, что дает точный результат.

В Инженерно-техническом центре «Геллиос » есть все виды углекислоты для выполнения сварочных работ. Наши специалисты проконсультируют вас более детально по всем вопросам и представят соответствующие документы качества . Мы производим снабжение предприятий и физических лиц много лет и готовы к длительному сотрудничеству с каждым новым клиентом.

Фармакологическое действие:
Углекислота постоянно образуется в тканях организма в процессе обмена веществ и играет важную роль в регуляции дыхания и кровообращения. Она оказывает прямое и рефлекторное (через каротидные клубочки) влияние на дыхательный центр и является его специфическим возбудителем.
Вдыхание небольших концентраций углекислоты (3-5-7%) вызывает учащение и углубление дыхательных движений и увеличение легочной вентиляции; одновременно возбуждаются сосудодвигательные центры, в связи с чем происходит сужение кровеносных сосудов и повышается артериальное давление.
Большие концентрации углекислоты вызывают сильный ацидоз (закисление), одышку, судороги и паралич (остановку) дыхательного центра.

Углекислота способ применения и дозы:
Для стимуляции дыхания и сосудодвигательного центра используют ингаляции 5-7% углекислоты с 93-95% кислорода.
“Углекислый снег” имеет применение при кожных заболеваниях (при красной волчанке, лепрозных узлах, бородавках и т. п.). При образовании “углекислого снега” его собирают в специальные мешочки, потом набивают в формочки из картона или стеклянные трубочки и прикладывают к участкам кожи, подлежащим разрушению. Имеются данные об эффективности замораживания очагов поражения кожи (криотерапия) при нейродермитах (заболеваниях кожи, обусловленных нарушением функции центральной нервной системы).
Напитки, содержащие в растворенном виде углекислоту (углекислые минеральные воды, газированные напитки), вызывают гиперемию (покраснение) слизистой оболочки и усиливают секреторную (выделение пищеварительного сока), всасывательную и двигательную активность желудочно-кишечного тракта.
Углекислота, содержащаяся в естественных минеральных водах, используемых для лечебных ванн (например, нарзанные ванны), может оказывать сложное влияние на организм, вызывая возникновение центростремительных импульсов с рецепторов кожи и появление рефлекторных изменений в деятельности сердечно-сосудистой системы и других органов, также изменение трофики (питания) тканей.

Углекислота противопоказания:
Резкое ослабление дыхания.