Чадний газ: формула та властивості. Фізичні властивості чадного газу: щільність, теплоємність, теплопровідність CO

Все, що оточує нас, складається з сполук різних хімічних елементів. Ми дихаємо не просто повітрям, а складною органічною сполукою, що має у своєму складі кисень, азот, водень, двоокис вуглецю та інші необхідні складові. Вплив безлічі цих елементів на організм людини зокрема і життя на Землі загалом ще вивчено остаточно. Для того щоб розуміти процеси взаємодії елементів, газів, солей та інших утворень один з одним, у шкільний курс і було запроваджено предмет «Хімія». 8 клас – це старт уроків хімії за затвердженою загальноосвітньою програмою.

Однією з найпоширеніших сполук, що містяться як у земній корі, так і в атмосфері, є оксид. Оксидом називається з'єднання будь-якого хімічного елемента з атомом кисню. Навіть джерело всього живого Землі - вода, є оксидом водню. Але в цій статті мова піде не про оксиди загалом, а про одну з найпоширеніших сполук - оксид вуглецю. Дані сполуки виходять шляхом злиття атомів кисню та вуглецю. Ці сполуки можуть мати у своєму складі різні кількості атомів вуглецю та кисню, проте слід виділити дві основні сполуки вуглецю з киснем: чадний газ та вуглекислий газ.

Хімічна формула та спосіб отримання чадного газу

Яка його формула? Оксид вуглецю досить легко запам'ятати - CO. Молекула чадного газу утворюється потрійним зв'язком, у зв'язку з чим має досить високу міцність з'єднання і має дуже невелику між'ядерну відстань (0,1128 нм). Енергія розриву цієї хімічної сполуки становить 1076 кДж/Моль. Потрійний зв'язок виникає внаслідок того, що елемент вуглець має структуру атома p-орбіталь, не зайняту електронами. Ця обставина створює атома вуглецю можливість стати акцептором електронної пари. А атом кисню, навпаки, має на одній із p-орбіталей нерозділену пару електронів, а отже має електронно-донорні можливості. При з'єднанні цих двох атомів, крім двох ковалентних зв'язків, з'являється ще й третій - донорно-акцепторний ковалентний зв'язок.

Існують різні способи одержання CO. Одним із найпростіших є пропускання вуглекислого газу над розпеченим вугіллям. У лабораторних умовах чадний газ отримують за допомогою наступної реакції: мурашину кислоту нагрівають із сірчаною кислотою, яка поділяє мурашину кислоту на воду та чадний газ.

Також CO виділяється при нагріванні щавлевої та сірчаної кислоти.

Фізичні властивості CO

Оксид вуглецю (2) має наступні фізичні властивості - це безбарвний газ, що не має яскраво вираженого запаху. Усі сторонні запахи, що виникають при витіканні чадного газу, є продуктами розпаду органічних домішок. Він набагато легший за повітря, надзвичайно токсичний, дуже погано розчиняється у воді і відрізняється високим ступенем горючості.

Найголовніша властивість CO – його негативний вплив на організм людини. Отруєння чадним газом може призвести до смерті. Докладніше про вплив оксиду вуглецю на організм людини буде розказано нижче.

Хімічні властивості CO

Основні хімічні реакції, в яких можуть застосовуватися оксиди вуглецю (2), - це окислювально-відновна реакція, а також реакція приєднання. Окисно-відновна реакція виявляється у здатності CO відновлювати метал з оксидів за допомогою їх змішування з подальшим нагріванням.

При взаємодії з киснем відбувається утворення вуглекислого газу із виділенням значної кількості теплоти. Чадний газ горить синюватим полум'ям. Дуже важлива функція оксиду вуглецю – його взаємодія з металами. В результаті подібних реакцій утворюються карбоніли металів, переважна більшість яких є кристалічними речовинами. Вони використовуються для виготовлення надчистих металів, а також для нанесення металевого покриття. До речі, карбоніли непогано себе зарекомендували як каталізатори хімічних реакцій.

Хімічна формула та спосіб отримання вуглекислого газу

Вуглекислий газ, або двоокис вуглецю, має хімічну формулу CO2. Структура молекули дещо відрізняється від структури CO. У цьому освіті вуглець має ступінь окислення, що дорівнює +4. Структура молекули лінійна, отже неполярна. Молекула CO 2 не має такої сильної міцності, як CO. У земній атмосфері міститься близько 0,03% вуглекислоти за загальним обсягом. Збільшення цього руйнує озоновий шар Землі. У науці це явище називається парниковим ефектом.

Отримати вуглекислий газ можна різними шляхами. У промисловості він утворюється внаслідок горіння димових газів. Можливо побічним продуктом у процесі виготовлення алкоголю. Його можна отримати у процесі розкладання повітря на основні складові, такі як азот, кисень, аргон та інші. У лабораторних умовах оксид вуглецю (4) можна отримати в процесі випалу вапняку, а в домашніх умовах видобути вуглекислий газ можна за допомогою реакції лимонної кислоти та харчової соди. До речі, саме таким чином виготовлялися газовані напої на початку їх виробництва.

Фізичні властивості CO 2

Вуглекислий газ є безбарвною газоподібною речовиною без характерного різкого запаху. Через високу кількість окислення даний газ має злегка кислуватим присмаком. Цей продукт не підтримує процес горіння, оскільки сам є результатом горіння. При підвищеній концентрації вуглекислого газу людина втрачає здатність дихати, що призводить до смерті. Докладніше про вплив вуглекислого газу на організм людини буде розказано далі. CO 2 набагато важчий за повітря і чудово розчиняється у воді навіть при кімнатній температурі.

Однією з найцікавіших властивостей вуглекислого газу є те, що він не має рідкого агрегатного стану при нормальному атмосферному тиску. Однак якщо впливати на структуру вуглекислого газу вплив температурою -56,6 °С і тиском близько 519 кПа, то він трансформується в безбарвну рідину.

При значному зниженні температури газ перебуває у стані так званого «сухого льоду» і випаровується при температурі вище -78 про З.

Хімічні властивості CO2

За своїми хімічними властивостями оксид вуглецю (4), формула якого CO 2 є типовим кислотним оксидом і має всі його властивості.

1. При взаємодії з водою утворюється вугільна кислота, що має слабку кислотність і малу стійкість у розчинах.

2. При взаємодії з лугами вуглекислий газ утворює відповідну сіль та воду.

3. Під час взаємодії з оксидами активного металу сприяє утворенню солей.

4. Не підтримує процес горіння. Активувати цей процес можуть лише деякі активні метали, такі як літій, калій, натрій.

Вплив чадного газу на організм людини

Повернемося до основної проблеми всіх газів – впливу на організм людини. Чадний газ відноситься до групи вкрай небезпечних для життя газів. Для людини і тварини він є надзвичайно сильною отруйною речовиною, яка при попаданні в організм серйозно вражає кров, нервову систему організму та м'язи (у тому числі серце).

Оксид вуглецю у повітрі неможливо розпізнати, тому що цей газ не має жодного яскраво вираженого запаху. Саме цим він і небезпечний. Потрапляючи через легені в організм людини, чадний газ активізує свою руйнівну діяльність у крові й у сотні разів швидше кисню починає взаємодіяти з гемоглобіном. Внаслідок цього з'являється дуже стійка сполука під назвою карбоксигемоглобін. Воно перешкоджає доставці кисню з легень до м'язів, що призводить до м'язового голодування тканин. Особливо серйозно страждає від цього головний мозок.

Через відсутність можливості розпізнати отруєння чадним газом через нюх, слід знати деякі основні ознаки, які проявляються на ранніх етапах:

• запаморочення, що супроводжується головним болем;
• шум у вухах і мерехтіння перед очима;
• сильне серцебиття та задишка;
• почервоніння обличчя.

Надалі у жертви отруєння з'являється сильна слабкість, іноді блювання. У важких випадках отруєння можливі мимовільні судоми, що супроводжуються подальшою втратою свідомості та комою. Якщо ж пацієнтові своєчасно не буде надано відповідної медичної допомоги, то можливий летальний кінець.

Вплив вуглекислого газу на організм людини

Оксиди вуглецю з кислотністю +4 відносяться до розділу задушливих газів. Іншими словами, вуглекислий газ не є токсичною речовиною, проте може суттєво впливати на приплив кисню до організму. При підвищенні рівня вуглекислого газу до 3-4% у людини виникає серйозна слабкість, її починає хилити до сну. При підвищенні рівня до 10% починають розвиватися сильні головний біль, запаморочення, погіршення слуху, іноді спостерігається втрата свідомості. Якщо концентрація вуглекислого газу піднімається рівня 20%, то настає смерть від кисневого голодування.

Лікування отруєння вуглекислим газом дуже просте – дати жертві доступ до чистого повітря, при необхідності зробити штучне дихання. У крайньому випадку слід підключити потерпілого до апарату штучної вентиляції легень.

З описів впливу двох даних оксидів вуглецю на організм ми можемо зробити висновок, що велику небезпеку для людини все ж таки становить чадний газ з його високою токсичністю і спрямованим впливом на організм зсередини.

Вуглекислий газ не відрізняється такою підступністю і менш шкідливий для людини, тому саме ця речовина людина активно застосовує навіть у харчовій промисловості.

Застосування оксидів вуглецю в промисловості та їх вплив на різні аспекти життя

Оксиди вуглецю мають дуже широке застосування у різних сферах діяльності, причому спектр їх надзвичайно багатий. Так, окис вуглецю щосили застосовується в металургії в процесі виплавки чавуну. Широку популярність CO отримав як матеріал для зберігання продуктів харчування в охолодженому вигляді. Даний оксид застосовують для обробки м'яса та риби, щоб надати їм свіжого вигляду і не змінити смак. Важливо пам'ятати, що допустима доза не повинна перевищувати 200 мг на 1 кг продукту. CO останнім часом все частіше застосовують в автомобільній промисловості як паливо для автомобілів газу.

Діоксид вуглецю нетоксичний, тому сфера його застосування широко впроваджена в харчову промисловість, де його застосовують як консервант або розпушувач. Також CO 2 застосовується при виготовленні мінеральних та газованих вод. У твердому стані («сухий лід») він часто використовується в морозильних установках для підтримки стабільно низької температури у приміщенні або приладі.

Велику популярність набули вуглекислотні вогнегасники, піна з яких повністю ізолює вогонь від кисню і не дає пожежі спалахнути. Відповідно, ще одна сфера застосування – пожежна безпека. Балони в пневматичних пістолетах також заряджені вуглекислотою. І звичайно, практично кожен з нас читав, з чого складається освіжувач повітря для приміщень. Так, однією із складових є вуглекислий газ.

Як бачимо, через свою мінімальну токсичність вуглекислий газ більше і частіше зустрічається у повсякденному житті людини, тоді як чадний газ знайшов застосування у важкій промисловості.

Існують інші вуглецеві сполуки з киснем, благо формула вуглецю і кисню дозволяє застосовувати різні варіанти сполук з різною кількістю атомів вуглецю і кисню. Ряд оксидів може відрізнятись від C 2 O 2 до C 32 O 8 . І щоб описати кожен із них, знадобиться не одна сторінка.

Оксиди вуглецю в природі

Обидва види оксидів вуглецю, що розглядаються тут, так чи інакше присутні в природному світі. Так, чадний газ може бути продуктом згоряння лісів або результатом життєдіяльності людини (вихлопні гази та шкідливі відходи промислових підприємств).

Вже відомий нам діоксид вуглецю також є складовим складом повітря. Його вміст у ньому становить близько 0,03% від обсягу. При збільшенні цього показника виникає так званий парниковий ефект, якого так побоюються сучасні вчені.

Вуглекислий газ виділяють тварини та людина шляхом видихання. Він є основним джерелом такого корисного для рослин елемента, як вуглець, тому багато вчених і б'ють на сполох, вказуючи на неприпустимість масштабних вирубок лісу. Якщо рослини перестануть поглинати вуглекислий газ, то відсоток його вмісту у повітрі може підвищитись до критичних для людської життєдіяльності показників.

Мабуть, багато хто тримає забули пройдений у дитинстві матеріал підручника «Загальна хімія. 8 клас», інакше питанню вирубки лісів у багатьох частинах світу приділялася б більш серйозна увага. Це, до речі, стосується проблеми наявності чадного газу в навколишньому середовищі. Кількість відходів людської життєдіяльності та відсоток викидів цього надзвичайно токсичного матеріалу в довкілля зростає день у день. І не факт, що не повториться доля світу, описана в чудовому мультфільмі «Воллі», коли людству довелося покинути загажену до землі Землю і вирушити в інші світи на пошуки кращого життя.

Фізичні властивості.

Монооксид вуглецю являє собою безбарвний газ, що не має запаху, малорозчинний у воді.

• t пл. 205 °С,
• t кіп. 191 °С
• критична температура = 140 ° С
• критичний тиск = 35 атм.
• розчинність у воді близько 1:40 за обсягом.

Хімічні властивості.

За звичайних умов CO інертний; при нагріванні – відновник; несолетворний оксид.

1) із киснем

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) із оксидами металів

C +2 O + CuO = Сu + C +4 O 2

3) із хлором (на світлі)

CO + Cl 2 --hn-> COCl 2 (фосген)

4) реагує з розплавами лугів (під тиском)

CO + NaOH = HCOONa (мурашинокислий натрій (форміат натрію))

5) з перехідними металами утворює карбоніли

Ni + 4CO = t ° = Ni (CO) 4

Fe + 5CO = t ° = Fe (CO) 5

Монооксид вуглецю хімічно не взаємодіє із водою. Не реагує СО також з лугами та кислотами. Він надзвичайно отруйний.

З хімічної сторони монооксид вуглецю характеризується головним чином схильністю до реакцій приєднання та своїми відновними властивостями. Проте ці тенденції зазвичай виявляються лише за підвищених температурах. У цих умовах ЗІ з'єднується з киснем, хлором, сіркою, деякими металами і т. д. Разом з тим оксид вуглецю при нагріванні відновлює до металів багато оксидів, що дуже важливо для металургії.

Поряд з нагріванням підвищення хімічної активності ЗІ часто викликається його розчиненням. Так, у розчині він здатний відновлювати солі Au, Pt та деяких інших елементів до вільних металів вже за звичайних температур.

При підвищених температурах та високих тисках має місце взаємодія СО з водою та їдкими лугами: у першому випадку утворюється НСООН, а в другому – мурашинокислий натрій. Остання реакція протікає при 120 ° С, тиск 5 атм і знаходить технічне використання.

Відновлення хлористого паладію, що легко йде в розчині, за сумарною схемою:

PdCl 2 + H 2 O + CO = CO 2 + 2 HCl + Pd

служить найчастіше застосовуваною реакцією відкриття монооксиду вуглецю суміші газів. Вже дуже невеликі кількості ЗВ легко виявляються по легкому фарбуванню розчину внаслідок виділення дрібно роздробленого металевого паладію. Кількісне визначення ЗІ ґрунтується на реакції:

5 СО + I 2 O 5 = 5 CO 2 + I 2 .

Окислення в розчині часто йде з помітною швидкістю лише в присутності каталізатора. При доборі останнього основну роль грає природа окислювача. Так, KMnO 4 найшвидше окислює СО у присутності дрібнороздробленого срібла, K 2 Cr 2 O 7 - у присутності солей ртуті, КСlO 3 - у присутності OsO 4 . Загалом, за своїми відновлювальними властивостями СО схожий на молекулярний водень, причому активність його за звичайних умов вища, ніж у останнього. Цікаво, що існують бактерії, здатні за рахунок окислення СО отримувати необхідну для життя енергію.

Порівняльну активність СО та Н 2 як відновників можна оцінити шляхом вивчення оборотної реакції:

рівноважний стан якої за високих температур встановлюється досить швидко (особливо у присутності Fe 2 O 3). При 830 °З рівноважної суміші знаходяться рівні кількості СО і Н 2 , тобто спорідненість обох газів до кисню однакова. Нижче 830 °С сильнішим відновником є ​​ЗІ, вище - Н 2 .

Зв'язування одного з продуктів розглянутої вище реакції відповідно до закону дії мас зміщує її рівновагу. Тому, пропускаючи суміш монооксиду вуглецю та водяної пари над оксидом кальцію, можна отримати водень за схемою:

Н 2 Про + СО + СаО = СаСО 3 + Н 2 + 217 кДж.

Ця реакція йде вже при 500 °С.

На повітрі СО спалахує близько 700 °С і згоряє синім полум'ям до СО 2:

2 СО + Про 2 = 2 СО 2 + 564 кДж.

Значне виділення тепла, що супроводжує цю реакцію, робить монооксид вуглецю цінним газоподібним паливом. Однак найбільш широке застосування він знаходить як вихідний продукт синтезу різних органічних речовин.

Згоряння товстих шарів вугілля в печах триває в три стадії:

1) З + Про 2 = СО 2;

2) СО 2 + С = 2 СО;

3) 2 СО + О 2 = 2 СО 2 .

При передчасному закритті труби в печі створюється нестача кисню, що може викликати поширення СО по приміщенню, що опалюється, і призвести до отруєнь (чад). Слід зазначити, що запах чадного газу обумовлений не СО, а домішками деяких органічних речовин.

Полум'я може мати температуру до 2100 °С. Реакція горіння СО цікава тим, що при нагріванні до 700-1000 °С вона йде з помітною швидкістю тільки в присутності слідів водяної пари або інших водень, що містять газ (NH 3 , H 2 S і т. п.). Зумовлено це ланцюговим характером реакції, що протікає за допомогою проміжного утворення радикалів ВІН за схемами:

Н + О 2 = АЛЕ + О, потім О + ЗІ = СО 2 , АЛЕ + СО = СО 2 + Н і т.д.

При дуже високих температурах реакція горіння стає помітно оборотною. Зміст 2 в рівноважній суміші (під тиском 1 атм) вище 4000 ° С може бути лише мізерно малим. Сама молекула СО настільки термічно стійка, що не розкладається навіть за 6000 °С. Молекули ЗІ були виявлені в міжзоряному середовищі.

При дії СО на металевий К при 80 ° С утворюється безбарвне кристалічне вибухове з'єднання складу До 6 С 6 Про 6 . Речовина це з відщепленням калію легко переходить в оксид вуглецю 6 Про 6 ("трихінон"), який можна розглядати як продукт полімеризації СО. Будова відповідає шестичленному циклу, утвореному атомами вуглецю, кожен із яких з'єднаний подвійний зв'язком з атомами кисню.

Взаємодія СО із сіркою по реакції:

СО + S = COS + 29 кДж

швидко йде лише за високих температур.

Тіооксид вуглецю, що утворюється (О=С=S) являє собою безбарвний і не має запаху газ (т. пл. -139, т. кип. -50 °С).

Монооксид вуглецю (II) здатний безпосередньо з'єднуватись з деякими металами. В результаті утворюються карбоніли металів, які слід розглядати як комплексні сполуки.

Оксид вуглецю (II) утворює комплексні сполуки також із деякими солями. Одні з них (OsCl 2 ·3CO, PtCl 2 ·CO і т. д.) стійкі лише у розчині. З утворенням останньої речовини пов'язане поглинання оксиду вуглецю(II) розчином СуСl у міцній НСl. Подібні ж сполуки утворюються, мабуть, і в аміачному розчині CuCl, що часто застосовується для поглинання при аналізі газів.

Отримання.

Монооксид вуглецю утворюється при згорянні вуглецю в нестачі кисню. Найчастіше він виходить у результаті взаємодії вуглекислого газу з розпеченим вугіллям:

СО 2 + З + 171 кДж = 2 СО.

Реакція ця оборотна, причому рівновага її нижче 400 ° С практично повністю зміщено вліво, а вище 1000 ° С - вправо (рис. 7). Однак із помітною швидкістю воно встановлюється лише за високих температур. Тому у звичайних умовах СО цілком стійкий.

Мал. 7. Рівнавага СО 2 + С = 2 СО.

Освіта СО з елементів йде за рівнянням:

2 З + Про 2 = 2 СО + 222 кДж.

Невеликі кількості СО зручно одержувати розкладанням мурашиної кислоти:

НСООН = Н 2 Про + СО

Ця реакція легко протікає при взаємодії НСООН з гарячою міцною сірчаною кислотою. Фактично це отримання здійснюють або процесом конц. сірчаної кислоти на рідку НСООН (при нагріванні) або пропусканням парів останньої над геміпентаоксидом фосфору. Взаємодія НСООН із хлорсульфоновою кислотою за схемою:

НСООН + СISO 3 H = H 2 SO 4 + HCI + CO

йде вже за нормальних температурах.

Зручним методом лабораторного отримання можуть служити нагрівання з конц. сірчаною кислотою щавлевої кислоти або залізосинєродистого калію. У першому випадку реакція протікає за схемою:

Н 2 З 2 Про 4 = СО + СО 2 + Н 2 О.

Поряд із СО виділяється і вуглекислий газ, який може бути затриманий пропусканням газової суміші крізь розчин гідроксиду барію. У другому випадку єдиним газоподібним продуктом є оксид вуглецю:

До 4 + 6 H 2 SO 4 + 6 H 2 O = 2 K 2 SO 4 + FeSO 4 + 3 (NH 4) 2 SO 4 + 6 CO.

Великі кількості ЗІ можуть бути отримані шляхом неповного спалювання кам'яного вугілля у спеціальних печах – газогенераторах. Звичайний ("повітряний") генераторний газ містить у середньому (об'ємні %): СО-25, N2-70, СО 2 -4 і невеликі домішки інших газів. При спалюванні він дає 3300-4200 кДж на м3. Заміна звичайного повітря на кисень веде до значного підвищення вмісту СО (і збільшення теплотворної здатності газу).

Ще більше СО містить водяний газ, що складається (в ідеальному випадку) із суміші рівних обсягів СО та Н 2 і дає при згорянні 11700 кДж/м 3 . Газ цей одержують продуванням водяної пари крізь шар розпеченого вугілля, причому близько 1000 °С має місце взаємодія за рівнянням:

Н 2 О + С + 130 кДж = СО + Н 2.

Реакція утворення водяного газу йде з поглинанням тепла, вугілля поступово охолоджується і підтримки його в розжареному стані доводиться пропускання водяної пари чергувати з пропусканням в газогенератор повітря (чи кисню). У зв'язку з цим водяний газ містить приблизно 44, Н 2 -45, 2 -5 і N 2 -6%. Він широко використовується для синтезу різних органічних сполук.

Часто одержують змішаний газ. Процес отримання зводиться до одночасного продування крізь шар розпеченого вугілля повітря і водяної пари, тобто. комбінування обох описаних вище методів- Тому склад змішаного газу є проміжним між генераторним та водяним. У середньому він містить: СО-30, Н 2 -15, 2 -5 і N 2 -50%. Кубічний метр його дає при спалюванні близько 5400 кДж.

Застосування.

Водяний та змішаний гази (в них міститься CO) використовуються як паливо та вихідна сировина хімічної промисловості. Вони важливі, наприклад, як один із джерел отримання азотно-водневої суміші для синтезу аміаку. При пропущенні їх спільно з водяною парою над нагрітою до 500 °С каталізатором (головним чином Fe 2 O 3) відбувається взаємодія щодо оборотної реакції:

Н 2 Про + СО = СО 2 + Н 2 + 42 кДж

рівновагу якої сильно зміщено праворуч.

Вуглекислий газ, що утворився, видаляють потім промиванням водою (під тиском), а залишок СО - аміачним розчином солей міді. В результаті залишаються майже чистий азот та водень. Відповідно регулюючи відносні кількості генераторного та водяного газів, можна отримувати N 2 і Н 2 в необхідному об'ємному співвідношенні. Перед подачею в колону синтезу газову суміш піддають сушінню та очищенню від отруйних домішок каталізатор.

Молекула CO 2

Молекула СО характеризується d(СО) = 113 пм, енергія його дисоціації 1070 кДж/моль, що більше, ніж в інших двоатомних молекул. Розглянемо електронну будову, де атоми пов'язані між собою подвійним ковалентним зв'язком і одним донорно-акцепторним, причому кисень є донором, а вуглець акцептором.

Вплив на організм.

Чадний газ дуже отруйний. Першими ознаками гострого отруєння є головний біль і запаморочення, надалі настає втрата свідомості. Гранично допустима концентрація ЗІ в повітрі промислових підприємств вважається 0,02 мг/л. Основною протиотрутою при отруєнні СО є свіже повітря. Корисно також короткочасне вдихання пар нашатирного спирту.

Надзвичайна отруйність СО, відсутність у нього кольору та запаху, а також дуже слабке поглинання його активованим вугіллям звичайного протигазу роблять цей газ особливо небезпечним. Питання захисту від нього було вирішено виготовленням спеціальних протигазів, коробка яких заповнювалася сумішшю різних оксидів (переважно MnO 2 та CuO). Дія цієї суміші ("гопкаліту") зводиться до каталітичного прискорення реакції окислення до СО 2 киснем повітря. Насправді гопкалитовые протигази дуже незручні, оскільки змушують дихати нагрітим (внаслідок реакції окислення) повітрям.

Знаходження у природі.

Монооксид вуглецю входить до складу атмосфери (10-5 об'ємних %). У середньому 0,5% містить тютюновий дим і 3% - вихлопні гази двигунів внутрішнього згоряння.

ОКСИД ВУГЛЕЦЮ (ВУГАРНИЙ ГАЗ). Вуглецю(II) оксид (чадний газ), несолеоутворюючий оксид вуглецю. Це означає, що немає кислоти, відповідної цьому оксиду. Оксид вуглецю (II) - газ без кольору і запаху, що скраплюється при атмосферному тиску при температурі -191,5о С і твердне при -205о С. Молекула СО за своєю будовою аналогічна молекулі N2: обидві містить однакову кількість електронів (такі молекули називаються ізоелектронними) , атоми в них з'єднані потрійним зв'язком (два зв'язки в молекулі СО утворені за рахунок 2р-електронів атомів вуглецю та кисню, а третій – за донорно-акцепторним механізмом за участю неподіленої електронної пари кисню та вільної 2р-орбіталі вуглецю). В результаті фізичні властивості СО та N2 (температури плавлення та кипіння, розчинність у воді і т.д.) дуже близькі.

Оксид вуглецю (II) утворюється при згоранні вуглецевмісних сполук при недостатньому доступі кисню, а також при зіткненні розпеченого вугілля з продуктом повного згоряння – вуглекислим газом: С + СО2 → 2СО. У лабораторії СО отримують дегідратацією мурашиної кислоти дією концентрованої сірчаної кислоти на рідку мурашину кислоту при нагріванні або пропусканням парів мурашиної кислоти над Р2О5: НСООН → СО + Н2О. Отримують ЗІ та розкладанням щавлевої кислоти: Н2С2О4 → ЗІ + СО2 + Н2О. Від інших газів ЗІ легко відокремити пропусканням через розчин лугу.
За звичайних умов, як і азот, хімічно досить інертний. Лише при підвищених температурах проявляється схильність до реакцій окислення, приєднання та відновлення. Так, за підвищених температур він реагує з лугами: CO + NaOH → HCOONa, CO + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2. Ці реакції використовуються для видалення ЗІ з технічних газів.

Оксид вуглецю (II) – висококалорійне паливо: горіння супроводжується виділенням значної кількості теплоти (283 кДж на 1 моль СО). Суміші з повітрям вибухають при його вмісті від 12 до 74%; на щастя, практично такі суміші зустрічаються виключно рідко. У промисловості для отримання ЗІ проводять газифікацію твердого палива. Наприклад, продування водяної пари через шар розпеченого до 1000o З вугілля призводить до утворення водяного газу: З + Н2О → СО + Н2, що має дуже високу теплотворну здатність. Однак спалювання - далеко не найвигідніше використання водяного газу. З нього, наприклад, можна одержати (у присутності різних каталізаторів під тиском) суміш твердих, рідких та газоподібних вуглеводнів – цінну сировину для хімічної промисловості (Реакція Фішера – Тропша). З тієї ж суміші, збагативши її воднем і застосувавши необхідні каталізатори, можна отримати спирти, альдегіди, кислоти. p align="justify"> Особливе значення має синтез метанолу: СО + 2Н2 → СН3ОН - найважливішої сировини для органічного синтезу, тому цю реакцію проводять у промисловості у великих масштабах.

Реакції, у яких СО є відновником, можна продемонструвати на прикладі відновлення заліза з руди під час доменного процесу: Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2. Відновлення оксидів металів оксидом вуглецю(II) має велике значення у металургійних процесах.

Для молекул СО характерні реакції приєднання до перехідних металів та їх сполук з утворенням комплексних сполук – карбонілів. Прикладами можуть служити рідкі або тверді карбоніли металів Fe(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, Ni(CO)4, Cr(CO)6 та ін. Це дуже отруйні речовини, які при нагріванні знову розпадаються на метал та СО. Так можна одержати порошкоподібні метали високої чистоти. Іноді на конфорці газової плити видно «підтікання» металу, це – наслідок утворення та розпаду карбонілу заліза. В даний час синтезовано тисячі різноманітних карбонілів металів, що містять, крім СО, неорганічні та органічні ліганди, наприклад, PtCl2(CO), K3, Cr(C6H5Cl)(CO)3.

Для СО характерна також реакція з'єднання з хлором, яка на світлі йде вже при кімнатній температурі з утворенням отруйного фосгену: CO + Cl2 → COCl2. Реакція ця ланцюгова, вона йде радикальним механізмом за участю атомів хлору і вільних радикалів COCl. Незважаючи на отруйність, фосген широко застосовується для синтезу багатьох органічних сполук.

Оксид вуглецю(II) – сильна отрута, оскільки утворює з металовмісними біологічно активними молекулами міцні комплекси; при цьому порушується тканинне дихання. Особливо страждають клітини центральної нервової системи. Зв'язування СО з атомами Fe(II) у гемоглобіні крові перешкоджає утворенню оксигемоглобліну, який переносить кисень з легень до тканин. Вже при вмісті в повітрі 0,1% цей газ витісняє з оксигемоглобіну половину кисню. У присутності СО може настати смерть від ядухи навіть за наявності великої кількості кисню. Тому СО отримав назву чадного газу. У людини, яка «пригоріла», в першу чергу страждають головний мозок і нервова система. Для порятунку необхідне перш за все чисте повітря, що не містить СО (а ще краще - чистий кисень), при цьому пов'язаний з гемоглобіном СО поступово заміщається молекулами О2 і проходить задуха. Гранично допустима середньодобова концентрація в атмосферному повітрі становить 3 мг/м3 (близько 3.10–5%), у повітрі робочої зони – 20 мг/м3.

Зазвичай в атмосфері вміст не перевищує 10–5%. Цей газ потрапляє у повітря у складі вулканічних і болотних газів, із виділеннями планктону та інших мікроорганізмів. Так, із поверхневих шарів океану в атмосферу щорічно виділяється 220 млн тонн СО. Висока концентрація СО у вугільних шахтах. Багато чадного газу утворюється під час лісових пожеж. Виплавка кожного мільйона тонн сталі супроводжується утворенням 300 – 400 т. У сумі техногенне виділення СО повітря сягає 600 млн тонн на рік, їх понад половину посідає автотранспорт. При невідрегульованому карбюраторі у вихлопних газах може бути до 12% СО! Тому в більшості країн запроваджено жорсткі норми на утримання СО у вихлопі автомобілів.

Утворення СО завжди відбувається при згоранні вуглецевмісних сполук, у тому числі деревини, при недостатньому доступі кисню, а також при зіткненні розжареного вугілля з вуглекислим газом: + СО2 → 2СО. Такі процеси відбуваються і в сільських печах. Тому передчасне закриття димаря печі для збереження тепла часто призводить до отруєння чадним газом. Не слід думати, що городяни, які не топлять печі, застраховані від отруєння СО; їм, наприклад, легко отруїтися в гаражі, що погано провітрюється, де стоїть автомобіль з працюючим мотором. Міститься СО та в продуктах згоряння природного газу на кухні. Багато авіаційних катастроф у минулому сталися через знос двигунів або погане їх регулювання: в кабіну пілотів проникав СО і отруював екіпаж. Небезпека посилюється тим, що СО неможливо виявити запахом; у цьому відношенні чадний газ небезпечніший за хлор!

Оксид вуглецю(II) мало сорбується активним вугіллям і тому звичайний протигаз не рятує від цього газу; для його поглинання необхідний додатковий гопкалітовий патрон, що містить каталізатор, який «допалює» до СО2 за допомогою кисню повітря. Каталізаторами допалювання постачається зараз дедалі більше легкових автомобілів, незважаючи на високу вартість цих каталізаторів на основі платинових металів.

Про те, наскільки небезпечний чадний газ для людини, знають усі, кому доводилося стикатися з роботою опалювальних систем, — печей, казанів, бойлерів, водогрійних колонок, розрахованих на побутове паливо у будь-якій його формі. Нейтралізувати його в газовому стані досить складно, ефективних домашніх способів боротися з чадним газом не існує, тому більшість захисних заходів спрямована на попередження і своєчасне виявлення чаду в повітрі.

Властивості токсичної речовини

У природі та властивостях чадного газу немає нічого незвичайного. По суті, це продукт часткового окислення вугілля або вугільних видів палива. Формула чадного газу проста і нехитра - СО, в хімічних термінах - монооксид вуглецю. Один атом вуглецю з'єднаний із атомом кисню. Так влаштована природа процесів горіння органічного палива, що чадний газ є невід'ємною частиною будь-якого полум'я.

Вугілля, споріднені з ним види палива, торф, дрова при нагріванні в топці газифікуються в чадний газ, і тільки потім допалюються припливом повітря. Якщо чад просочився з камери горіння в приміщення, то він залишатиметься в стабільному стані до моменту, коли вентиляцією чадний потік буде винесений з кімнати або накопичуватися, заповнюючи весь простір від підлоги до стелі. В останньому випадку врятувати положення може лише електронний датчик чадного газу, який реагує на найменше підвищення концентрації токсичного чаду в атмосфері приміщення.

Що необхідно знати про чадний газ:

• У стандартних умовах щільність чадного газу - 1,25 кг/м3, що дуже близько до питомої ваги повітря 1,25 кг/м3. Гарячий і навіть теплий монооксид легко піднімається під стелю, у міру остигання осідає і перемішується з повітрям;
• Чадний газ не має смаку, кольору та запаху, навіть в умовах високої концентрації;
• Для початку утворення чадного газу достатньо нагріти метал, що контактує з вуглецем, до температури 400-500 про С;
• Газ здатний горіти у повітрі з виділенням великої кількості тепла, приблизно 111 кДж/моль.

Небезпечним є не тільки вдихання чадного газу, газоповітряна суміш здатна вибухати при досягненні об'ємної концентрації від 12,5% до 74%. У цьому сенсі газова суміш схожа на побутовий метан, але набагато небезпечніший за мережевий газ.

Метан легший за повітря і менш токсичний при вдиханні, крім того, завдяки додаванню до газового потоку спеціальної присадки – меркаптану, його наявність у приміщенні легко вловити по запаху. При невеликій загазованості кухні можна без наслідків для здоров'я увійти в приміщення і провітрити його.

З чадним газом все складніше. Близька спорідненість ЗІ та повітря перешкоджає ефективному видаленню токсичної газової хмари. У міру охолодження хмара газу поступово осідатиме в області підлоги. Якщо спрацював датчик чадного газу, або виявився витік продуктів горіння з печі або котла на твердому паливі, необхідно негайно вживати заходів до провітрювання, інакше першими постраждають діти та домашні вихованці.

Подібна властивість чадної хмари раніше широко використовувалася для боротьби з гризунами і тарганами, але ефективність газової атаки значно нижча за сучасні засоби, а ризик заробити отруєння незрівнянно вище.

До відома! Газова хмара СО, за відсутності вентиляції, здатна зберігати свої властивості без змін тривалий час.

За наявності підозри у накопиченні чадного газу в підвальних приміщеннях, підсобках, котельнях, льохах насамперед необхідно забезпечити максимальне провітрювання з кратністю газообміну 3-4 одиниці протягом години.

Умови появи чаду в приміщенні

Монооксид вуглецю можна отримати за допомогою десятків варіантів хімічних реакцій, але для цього необхідні специфічні реактиви та умови їхньої взаємодії. Ризик заробити отруєння газом у такий спосіб практично дорівнює нулю. Основними причинами появи чадного газу в котельні або в приміщенні кухні залишаються два фактори:

• Погана тяга та часткове перетікання продуктів горіння з вогнища горіння до приміщення кухні;
• Неправильна експлуатація котельного, газового та пічного обладнання;
• Пожежі та локальні осередки займання пластику, проводки, полімерних покриттів та матеріалів;
• Гази, що відходять з каналізаційних комунікацій.

Джерелом чадного газу може стати вторинне горіння золи, пухких відкладень сажі в димарях, кіптява і смола, що в'їлися в цегляну кладку камінних полиць і сажогасників.

Найчастіше джерелом газового ЗІ стають вугілля, що тліє, догоряють в топці при закритій засувці. Особливо багато виділяється газу при термічному розкладанні дров без повітря, приблизно половину газової хмари займає чадний газ. Тому будь-які експерименти з копченням м'яса та риби на серпанку, що отримується від тліючої стружки, повинні виконуватися тільки на відкритому повітрі.

Незначна кількість чадного газу може з'являтися і в процесі приготування їжі. Наприклад, усі, хто стикався з установкою на кухні газових опалювальних котлів із закритою топкою, знають, як реагують датчики чадного газу на смажену картоплю або будь-які продукти, приготовані в киплячому маслі.

Підступний характер чадного газу

Головна небезпека монооксиду вуглецю полягає в тому, що неможливо відчути та відчути його присутність в атмосфері приміщення до того моменту, як газ потрапить з повітрям до органів дихання та розчиниться у крові.

Наслідки від вдихання ЗІ залежать від концентрації газу в повітрі та тривалості перебування у приміщенні:

• Головний біль, нездужання та розвиток сонливого стану починається при об'ємному вмісті газу в повітрі 0,009-0,011%. Фізично здорова людина здатна витримати до трьох годин перебування у загазованій атмосфері;
• Нудота, сильний біль у м'язах, судоми, непритомність, втрата орієнтації можуть розвинутися при концентрації 0,065-0,07%. Час перебування у приміщенні досі настання невідворотних наслідків всього1,5-2 год;
• При концентрації чадного газу вище 0,5%, навіть кілька секунд перебування в загазованому просторі означають летальний кінець.

Навіть якщо людина благополучно самостійно вибралася з приміщення з високою концентрацією чадного газу, все одно знадобиться медична допомога та використання антидотів, оскільки наслідки отруєння кровоносної системи та порушення кровообігу мозку все одно виявляться, лише трохи пізніше.

Молекули чадного газу добре поглинаються водою та сольовими розчинами. Тому як перший підручний засіб захисту нерідко використовуються звичайні рушники, серветки, змочені будь-якою доступною водою. Це дозволяє зупинити попадання чадного газу в організм на кілька хвилин, доки з'явиться можливість залишити приміщення.

Нерідко цією властивістю монооксиду вуглецю зловживають деякі власники опалювальної апаратури, в якій вбудовані датчики. При спрацьовуванні чутливого сенсора замість провітрювання приміщення часто прилад просто накривають мокрим рушником. Як результат, після десятка подібних маніпуляцій датчик чадного газу виходить з ладу, і на порядок зростає ризик заробити отруєння.

Технічні системи реєстрації чадного газу

По суті, сьогодні існує лише один спосіб успішно боротися з чадним газом, використовувати спеціальні електронні прилади та датчики, що реєструють перевищення концентрації СО у приміщенні. Можна, звичайно, зробити простіше, наприклад, облаштувати потужну вентиляцію, як це роблять любителі відпочинку біля справжнього цегляного каміна. Але в подібному рішенні є певний ризик заробити отруєння чадним газом при зміні напрямку тяги в трубі, а крім того, жити під сильним протягом теж не дуже корисно здоров'ю.

Влаштування датчиків наявності чадного газу

Проблема контролю за вмістом чадного газу в атмосфері житлових та підсобних приміщень на сьогодні настільки ж злободенно, як і наявність пожежної чи охоронної сигналізації.

У спеціалізованих салонах опалювального та газового обладнання можна придбати кілька варіантів приладів контролю за вмістом газу:

• хімічні сигналізатори;
• Інфрачервоні сканери;
• Твердотільні датчики.

Чутливий сенсор приладу зазвичай комплектується електронною платою, що забезпечує живлення, калібрування та перетворення сигналу на зрозумілу форму індикації. Це можуть бути просто зелені та червоні світлодіоди на панелі, звукова сирена, цифрова інформація для видачі сигналу в комп'ютерну мережу або імпульс для автоматичного клапану, що перекриває подачу побутового газу до опалювального котла.

Зрозуміло, що використання датчиків з керованим замикаючим клапаном є вимушеним заходом, але найчастіше виробники опалювального обладнання навмисно вбудовують захист від дурня, щоб уникнути всіляких маніпуляцій з безпекою газового обладнання.

Хімічні та твердотільні прилади контролю

Найбільш дешева та доступна версія датчика з хімічним індикатором виготовляється у вигляді сітчастої колби, що легко проникне для повітря. Усередині колби знаходиться два електроди, розділені пористою перегородкою, просоченою розчином лугу. Поява чадного газу призводить до карбонізації електроліту, провідність сенсора різко падає, що негайно зчитується електронікою як сигнал тривоги. Після встановлення прилад знаходиться в неактивному стані і не спрацьовує доти, доки в повітрі не з'являться сліди чадного газу, що перевищують допустиму концентрацію.

У твердотільних датчиках замість просоченого лугом шматка азбесту використовуються двошарові пакети з діоксидів олова та рутенію. Поява газу в повітрі викликає пробій між контактами сенсорного пристрою та автоматично запускає сигнал тривоги.

Сканери та електронні сторожа

Інфрачервоні датчики, що працюють за принципом сканування навколишнього повітря. Вбудований інфрачервоний сенсор сприймає світіння лазерного світлодіода, і зміни інтенсивності поглинання газом теплового випромінювання спрацьовує тригерное пристрій.

СО дуже добре поглинає теплову частину спектра, тому подібні прилади працюють у режимі сторожа чи сканера. Результат сканування може видаватися у вигляді двоколірного сигналу або індикації величини вмісту чадного газу повітря на цифровій або лінійній шкалі.

Який датчик краще

Для правильного підбору сенсора наявності чадного газу необхідно враховувати режим роботи та характер приміщення, в якому необхідно встановити сенсорний пристрій. Наприклад, хімічні датчики, які вважаються застарілими, чудово працюють в умовах котелень та підсобних приміщень. Недорогий прилад для виявлення чадного газу можна встановити на дачі або майстерні. На кухні сітка швидко покривається пилом та жировими відкладеннями, що різко знижує чутливість хімічної колбочки.

Напівпровідникові сенсори чадного газу працюють однаково добре в будь-яких умовах, але для їх функціонування потрібне потужне зовнішнє джерело живлення. Вартість приладу вища за ціну на хімічні сенсорні системи.

Інфрачервоні датчики сьогодні найбільш поширені. Вони активно використовують для комплектації систем безпеки квартирних котлів індивідуального опалення. При цьому чутливість системи контролю практично не змінюється з часом через пил або температуру повітря. Мало того, такі системи, як правило, мають вбудовані механізми тестування та калібрування, що дозволяє періодично перевіряти їхню працездатність.

Встановлення приладів контролю за вмістом чадного газу

Сенсори, які здійснюють контроль за вмістом чадного газу, повинні встановлюватися та обслуговуватися виключно профільними фахівцями. Періодично прилади підлягають перевірці, калібруванні, обслуговуванню та заміні.

Датчик повинен встановлюватися на відстані від джерела газу від 1 до 4 м, корпус або виносні сенсори кріпляться на висоті 150 см над рівнем підлоги і обов'язково калібруються по верхньому і нижньому порозі чутливості.

Термін служби квартирних датчиків чадного газу становить 5 років.

Висновок

Боротьба з утворенням чадного газу вимагає акуратності та відповідального ставлення до встановленої апаратури. Будь-які експерименти з сенсорами, особливо напівпровідникового типу, різко знижують чутливість приладу, що зрештою призводить до збільшення вмісту чадного газу в атмосфері кухні та всієї квартири, повільному отруєнню всіх її мешканців. Проблема контролю чадного газу є настільки серйозною, що, можливо, використання сенсорів у майбутньому можуть зробити обов'язковим для всіх категорій індивідуального опалення.

Чадний газ, окис вуглецю (СО) є безбарвним газом без запаху і смаку, який є трохи менш щільним, ніж повітря. Він токсичний для гемоглобінних тварин (включаючи людину), якщо його концентрації вище приблизно 35 частин на мільйон, хоча він також виробляється у звичайному метаболізмі тварин у невеликих кількостях, і, як вважають, має деякі нормальні біологічні функції. В атмосфері він просторово змінний і швидкорозпадний, і має певну роль у формуванні озону на рівні землі. Окис вуглецю складається з одного атома вуглецю та одного атома кисню, пов'язаних потрійним зв'язком, який складається з двох ковалентних зв'язків, а також одного дативного ковалентного зв'язку. Це найпростіший оксид вуглецю. Він є ізоелектроном з ціанідом аніону, нітрозоній катіоном та молекулярним азотом. У координаційних комплексах ліганд монооксиду вуглецю називається карбонілом.

Історія

Аристотель (384-322 до н.е.) вперше описав процес спалювання вугілля, що призводить до утворення токсичних парів. У давнину існував спосіб страти - закривати злочинця у ванній кімнаті з вугіллям, що тліє. Однак на той момент механізм смерті був незрозумілий. Грецький лікар Гален (129-199 рр. н.е.) припустив, що мала місце зміна складу повітря, який завдавав людині шкоди при вдиханні. У 1776 році французький хімік де Лассон виробив СО шляхом нагрівання оксиду цинку з коксом, проте вчений дійшов помилкового висновку, що газоподібний продукт був воднем, оскільки він горів синім полум'ям. Газ був ідентифікований як сполука, що містить вуглець і кисень, шотландським хіміком Вільямом Камберлендом Круїкшанком у 1800 році. Його токсичність на собаках була ретельно досліджена Клодом Бернаром близько 1846 року. Під час Другої світової війни газова суміш, що включає окис вуглецю, використовувалася для підтримки механічних транспортних засобів, що працюють у деяких частинах світу, де було мало бензину та дизельного палива. Зовнішнє (з деякими винятками) деревне вугілля або газогенератори газу, отриманого з деревини, були встановлені, і суміш атмосферного азоту, окису вуглецю і невеликих кількостей інших газів, що утворюються при газифікації, надходила газовий змішувач. Газова суміш, отримана внаслідок цього процесу, відома як деревний газ. Окис вуглецю також використовувався у великих масштабах під час Голокосту в деяких німецьких нацистських таборах смерті, найбільш явно – у газових фургонах у Хелмно та у програмі умертвіння Т4 «евтаназія».

Джерела

Окис вуглецю утворюється в ході часткового окислення вуглецевмісних сполук; вона утворюється, коли не вистачає кисню для утворення двоокису вуглецю (CO2), наприклад, при роботі з плитою або двигуном внутрішнього згоряння у замкнутому просторі. У присутності кисню, включаючи його концентрації в атмосфері, монооксид вуглецю світиться блакитним полум'ям, виробляючи вуглекислий газ. Кам'яновугільний газ, який широко використовувався до 1960-х років для внутрішнього освітлення, приготування їжі та нагрівання, містив окис вуглецю як значну паливну складову. Деякі процеси в сучасній технології, такі як виплавка чавуну, досі виробляють окис вуглецю як побічний продукт. У всьому світі найбільшими джерелами окису вуглецю є природні джерела через фотохімічні реакції в тропосфері, які генерують близько 5 × 1012 кг окису вуглецю на рік. Інші природні джерела включають вулкани, лісові пожежі та інші форми згоряння. У біології, окис вуглецю природно виробляється під дією гемоксигенази 1 і 2 на гем від розпаду гемоглобіну. Цей процес виробляє певну кількість карбоксигемоглобіну у нормальних людей, навіть якщо вони не вдихають окис вуглецю. Після першої доповіді про те, що окис вуглецю є нормальним нейромедіатором у 1993 році, а також одним із трьох газів, які природним чином модулюють запальні реакції в організмі (два інших – оксид азоту та сірководень), окис вуглецю отримав велику увагу вчених як біологічний регулятора. У багатьох тканинах, всі три газу, діють як протизапальні засоби, вазодилататори та промотори неоваскулярного зростання. Продовжуються клінічні випробування невеликих кількостей окису вуглецю як лікарський засіб. Тим не менш, надмірна кількість монооксиду вуглецю викликає отруєння чадним газом.

Молекулярні властивості

Окис вуглецю має молекулярну масу 28,0, що робить його трохи легшим, ніж повітря, чия середня молекулярна маса становить 28,8. Відповідно до закону ідеального газу, СО, отже, має меншу щільність, ніж повітря. Довжина зв'язку між атомом вуглецю та атомом кисню становить 112,8 пм. Ця довжина зв'язку узгоджується з потрійним зв'язком, як у молекулярному азоті (N2), який має аналогічну довжину зв'язку і майже таку ж молекулярну масу. Подвійні зв'язки вуглець-кисень значно довші, наприклад, 120,8 м у формальдегіду. Точка кипіння (82 К) і температура плавлення (68 K) дуже схожі на N2 (77 К та 63 К відповідно). Енергія дисоціації зв'язку 1072 кДж/моль сильніша, ніж у N2 (942 кДж/моль) і являє собою найбільш сильний з відомих хімічний зв'язок. Основний стан електрону окису вуглецю є синглетним, тому що тут немає неспарених електронів.

Сполучний та дипольний момент

Вуглець та кисень разом мають, загалом, 10 електронів у валентній оболонці. Дотримуючись правила октету для вуглецю та кисню, два атоми утворюють потрійний зв'язок, з шістьма загальними електронами в трьох зв'язуючих молекулярних орбіталях, а не звичайний подвійний зв'язок, як у органічних карбонильных сполук. Так як чотири із загальних електронів надходять з атома кисню і тільки два з вуглецю, одна сполучна орбіталь зайнята двома електронами з атомів кисню, утворюючи дативний або дипольний зв'язок. Це призводить до C ← O поляризації молекули, з невеликим негативним зарядом на вуглеці та невеликим позитивним зарядом на кисні. Дві інші зв'язувальні орбіталі займають кожна один електрон з вуглецю і один з кисню, утворюючи (полярні) ковалентні зв'язки зі зворотною C → O поляризацією, оскільки кисень є більш негативним, ніж вуглець. У вільному окисі вуглецю чистий негативний заряд δ- залишається в кінці вуглецю, і молекула має невеликий дипольний момент 0,122 D. Таким чином, молекула асиметрична: кисень має більше щільності електронів, ніж вуглець, а також невеликий позитивний заряд, порівняно з вуглецем, який є негативним. На противагу цьому, ізоелектронна молекула діазоту не має дипольного моменту. Якщо окис вуглецю діє як ліганд, полярність диполя може змінюватися з чистим негативним зарядом на кінці кисню, залежно від структури координаційного комплексу.

Полярність зв'язку та стан окислення

Теоретичні та експериментальні дослідження показують, що, незважаючи на велику електронегативність кисню, дипольний момент виходить з негативного кінця вуглецю до більш позитивного кінця кисню. Ці три зв'язки є фактично полярними ковалентними зв'язками, які сильно поляризовані. Розрахована поляризація до атома кисню становить 71% для σ-зв'язку та 77% для обох π-зв'язків. Ступінь окислення вуглецю в окис вуглецю в кожній із цих структур становить +2. Вона розраховується так: всі сполучні електрони вважаються такими, що належать до більш негативних атомів кисню. Тільки два незв'язуючих електрона на вуглеці відносяться до вуглецю. При такому підрахунку, вуглець має лише два валентні електрони в молекулі в порівнянні з чотирма у вільному атомі.

Біологічні та фізіологічні властивості

Токсичність

Отруєння чадним газом є найпоширенішим типом смертельного отруєння повітря у багатьох країнах. Окис вуглецю є безбарвною речовиною, що не має запаху і смаку, але дуже токсична. Воно з'єднується з гемоглобіном з отриманням карбоксигемоглобіну, який «узурпує» ділянку в гемоглобіні, яка зазвичай переносить кисень, але неефективна для доставки кисню до тканин організму. Такі низькі концентрації, як 667 частин на мільйон, можуть викликати перетворення до 50% гемоглобіну в організмі на карбоксигемоглобін. 50% рівень карбоксигемоглобіну може призвести до судом, коми та смерті. У Сполучених Штатах Міністерство праці обмежує довгострокові рівні впливу окису вуглецю на робочому місці до 50 частин на мільйон. Протягом короткого періоду часу поглинання окису вуглецю є накопичувальним, так як період його напіввиведення становить близько 5 годин на свіжому повітрі. Найбільш поширені симптоми отруєння чадним газом можуть бути схожі на інші види отруєнь та інфекцій, і включають такі симптоми, як головний біль, нудота, блювання, запаморочення, втома та почуття слабкості. Постраждалі сім'ї часто вважають, що є жертвами харчового отруєння. Немовлята можуть бути дратівливими та погано харчуватися. Неврологічні симптоми включають сплутаність свідомості, дезорієнтацію, порушення зору, непритомність (втрату свідомості) та судоми. Деякі описи отруєння чадним газом включають геморагію сітківки ока, а також аномальний вишнево-червоний відтінок крові. У більшості клінічних діагнозів ці ознаки спостерігаються рідко. Одна з труднощів, пов'язаних із корисністю цього «вишневого» ефекту, пов'язана з тим, що вона коригує, або маскує, у протилежному випадку нездоровий зовнішній вигляд, оскільки головний ефект видалення венозного гемоглобіну пов'язаний з тим, що задушена людина здається нормальнішою, або мертва людина здається живою, подібно до ефекту червоних барвників у складі для бальзамування. Такий ефект фарбування у безкисневій CO-отруєній тканині пов'язаний з комерційним використанням монооксиду вуглецю при фарбуванні м'яса. Оксид вуглецю також зв'язується з іншими молекулами, такими як міоглобін та мітохондріальна цитохромоксидаза. Вплив окису вуглецю може призвести до значного пошкодження серця та центральної нервової системи, особливо в блідій кулі, часто це пов'язано із тривалими хронічними патологічними станами. Окис вуглецю може мати серйозні несприятливі наслідки для плоду вагітної жінки.

Нормальна фізіологія людини

Окис вуглецю виробляється природним чином в організмі людини як сигнальна молекула. Таким чином, окис вуглецю може мати фізіологічну роль в організмі як нейротрансмітер або релаксант кровоносних судин. Через роль окису вуглецю в організмі, порушення в її метаболізмі пов'язані з різними захворюваннями, зокрема нейродегенерацією, гіпертонією, серцевою недостатністю та запаленнями.

CO функціонує як ендогенна сигнальна молекула.

СО модулює функції серцево-судинної системи

CO інгібує агрегацію та адгезію тромбоцитів

CO може відігравати певну роль як потенційний терапевтичний засіб

Мікробіологія

Окис вуглецю є живильним середовищем для метаногенних архей, будівельним блоком для ацетилкоферменту А. Це тема для нової галузі біоорганометалевої хімії. Екстремофільні мікроорганізми можуть таким чином метаболізувати окис вуглецю в таких місцях, як теплові жерла вулканів. У бактерій, окис вуглецю виробляється шляхом відновлення двоокису вуглецю ферментом дегідрогенази монооксиду вуглецю, Fe-Ni-S-білка, що містить. CooA є рецепторний білок окису вуглецю. Сфера його біологічної активності досі невідома. Він може бути частиною сигнального шляху у бактерій та архей. Його поширеність у ссавців не встановлено.

Поширеність

Окис вуглецю зустрічається в різних природних та штучних середовищах.

Окис вуглецю присутній у невеликих кількостях в атмосфері, головним чином як продукт вулканічної активності, але також є продуктом природних та техногенних пожеж (наприклад, лісові пожежі, спалювання рослинних залишків, а також спалювання цукрової тростини). Спалювання викопного палива також сприяє утворенню окису вуглецю. Окис вуглецю зустрічається у розчиненому вигляді у розплавлених вулканічних породах при високих тисках у мантії Землі. Оскільки природні джерела окису вуглецю змінні, дуже важко точно виміряти природні викиди газу. Окис вуглецю є парниковим газом, що швидко розпадається, а також проявляє непрямий радіаційний вплив шляхом підвищення концентрації метану і тропосферного озону в результаті хімічних реакцій з іншими компонентами атмосфери (наприклад, гідроксильний радикал, ВІН), що, в іншому випадку, зруйнувало б їх. В результаті природних процесів в атмосфері, він, зрештою, окислюється до двоокису вуглецю. Окис вуглецю є одночасно недовговічним в атмосфері (зберігається в середньому близько двох місяців) і має просторово змінну концентрацію. В атмосфері Венери, окис вуглецю створюється в результаті фотодисоціації двоокису вуглецю електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі коротше 169 нм. Через свою тривалу життєздатність у середній тропосфері, окис вуглецю також використовується як трассер транспорту для струменів шкідливих речовин.

Забруднення міст

Окис вуглецю є тимчасовою забруднювальною речовиною в атмосфері в деяких міських районах, головним чином, з вихлопних труб двигунів внутрішнього згоряння (у тому числі транспортних засобів, портативних та резервних генераторів, газонокосарок, мийних машин тощо), а також від неповного згоряння різних видів палива (включаючи дрова, вугілля, деревне вугілля, нафту, парафін, пропан, природний газ і сміття). Великі забруднення CO можуть спостерігатися з космосу над містами.

Роль у формуванні приземного озону

Окис вуглецю, поряд з альдегідами, є частиною серії циклів хімічних реакцій, що утворюють фотохімічний смог. Він вступає в реакцію з гідроксильним радикалом (ОН) з отриманням радикального інтермедіату HOCO, який швидко передає радикальний водень О2 з утворенням перекисного радикалу (НО2) та діоксиду вуглецю (CO2). Перекисний радикал потім вступає в реакцію з оксидом азоту (NO) з утворенням діоксиду азоту (NO2) та гідроксильного радикалу. NO 2 дає O (3P) через фотоліз, утворюючи тим самим O3 після реакції з O2. Так як гідроксильний радикал утворюється в процесі утворення NO2, баланс послідовності хімічних реакцій, починаючи з окису вуглецю, призводить до утворення озону: CO + 2O2 + hν → CO2 + O3 (Де hν відноситься до фотону світла, що поглинається молекулою NO2 в послідовності) Хоча створення NO2 є важливим кроком, що призводить до утворення озону низького рівня, це також збільшує кількість озону іншим, дещо взаємовиключним чином, за рахунок зменшення кількості NO, яке доступне для реакції з озоном.

Забруднення повітря всередині приміщень

У закритих середовищах концентрація окису вуглецю може легко збільшитися до летального рівня. У середньому, у Сполучених Штатах щороку від неавтомобільних споживчих товарів, що виробляють окис вуглецю, вмирає 170 людей. Проте, згідно з даними Департаменту охорони здоров'я Флориди, «щороку понад 500 американців помирають від випадкового впливу окису вуглецю і ще тисячі людей у ​​США вимагають невідкладної медичної допомоги при отруєнні чадним газом». Ці продукти включають несправні паливні прилади спалювання, такі як печі, кухонні плити, водонагрівачі та газові та гасові кімнатні обігрівачі; обладнання з механічним приводом, як портативні генератори; каміни; та деревне вугілля, яке спалюється у будинках та інших закритих приміщеннях. Американська асоціація центрів контролю отруєнь (AAPCC) повідомила про 15769 випадків отруєння чадним газом, які призвели до 39 смертей у 2007 році. У 2005 році CPSC повідомила про 94 смерті, пов'язані з отруєнням моноксидом вуглецю від генератора. Сорок сім із цих смертей мали місце під час перебоїв у подачі електроенергії через суворі погодні умови, у тому числі через ураган Катріна. Тим не менш, люди помирають від отруєння чадним газом, що виробляється непродовольчими товарами, такими як автомобілі, які залишаються працюючими в гаражах, що прилягають до будинку. Центри з контролю та профілактики захворювань повідомляють, що щороку кілька тисяч людей звертаються до лікарні швидкої допомоги при отруєнні чадним газом.

Наявність у крові

Окис вуглецю поглинається через дихання і потрапляє у кровотік через газообмін у легенях. Вона також виробляється в ході метаболізму гемоглобіну і надходить у кров із тканин, і, таким чином, є у всіх нормальних тканинах, навіть якщо вона не потрапляє в організм при диханні. Нормальні рівні окису вуглецю, що циркулюють у крові, становлять від 0% до 3%, і вище курців. Рівні окису вуглецю не можна оцінити фізичним оглядом. Лабораторні випробування вимагають наявності зразка крові (артеріальної чи венозної) та лабораторного аналізу на СО-оксиметр. Крім того, неінвазивний карбоксигемоглобін (SPCO) з імпульсною СО-оксиметрією є більш ефективним у порівнянні з інвазивними методами.

Астрофізика

За межами Землі, окис вуглецю є другою найпоширенішою молекулою в міжзоряному середовищі, після молекулярного водню. Через свою асиметрію, молекула окису вуглецю виробляє набагато яскравіші спектральні лінії, ніж молекула водню, завдяки чому СО набагато легше виявити. Міжзоряний CO був уперше виявлений за допомогою радіотелескопів у 1970 році. В даний час він є найчастіше використовуваним індикатором молекулярного газу в середовищі галактик, а молекулярний водень може бути виявлений тільки за допомогою ультрафіолетового світла, що вимагає наявності космічних телескопів. Спостереження за окисом вуглецю забезпечують більшу частину інформації про молекулярні хмари, у яких утворюється більшість зірок. Beta Pictoris, друга за яскравістю зірка у сузір'ї Pictor, демонструє надлишок інфрачервоного випромінювання порівняно з нормальними зірками її типу, що обумовлено великою кількістю пилу та газу (у тому числі окису вуглецю) поблизу зірки.

Виробництво

Було розроблено безліч методів для окису вуглецю.

Промислове виробництво

Основним промисловим джерелом CO є генераторний газ, суміш, що містить, в основному, окис вуглецю та азот, що утворився при згорянні вуглецю в повітрі при високій температурі, коли є надлишок вуглецю. У печі повітря пропускають через шар коксу. Спочатку вироблений СО2 врівноважується з гарячим вугіллям, що залишилося, з отриманням СО. Реакція СО2 з вуглецем з одержанням CO описується як реакція Будуара. При температурі вище 800°C CO є переважним продуктом:

СО2 + С → 2 CO (ΔH = 170 кДж/моль)

Інше джерело «водяний газ», суміш водню та монооксиду вуглецю, отриманого за допомогою ендотермічної реакції пари та вуглецю:

H2O + C → Н2 + СО (ΔH = +131 кДж/моль)

Інші подібні «синтетичні гази» можуть бути отримані з газу та інших видів палива. Оксид вуглецю також є побічним продуктом відновлення руд оксиду металу з вуглецем:

MO + C → M + CO

Окис вуглецю також одержують шляхом прямого окислення вуглецю в обмеженій кількості кисню або повітря.

2C (s) + O 2 → 2СО (g)

Оскільки СО є газ, відновний процес може керуватися шляхом нагрівання, використовуючи позитивну (сприятливу) ентропію реакції. Діаграма Елінгама показує, що утворенню СО надається перевага в порівнянні з СО2 при високих температурах.

Підготовка до лабораторії

Окис вуглецю зручно одержувати в лабораторії шляхом дегідратації мурашиної або щавлевої кислоти, наприклад, за допомогою концентрованої сірчаної кислоти. Ще одним способом є нагрівання однорідної суміші порошкоподібного металевого цинку та карбонату кальцію, який вивільняє CO і залишає оксид цинку та оксид кальцію:

Zn+CaCO3 → ZnO+CaO+CO

Нітрат срібла та йодоформ також дають окис вуглецю:

CHI3 + 3AgNO3 + H2O → 3HNO3 + CO + 3AgI

Координаційна хімія

Більшість металів утворюють координаційні комплекси, що містять ковалентно приєднаний окис вуглецю. Тільки метали в нижчих ступенях окислення з'єднуватимуться з лігандами окису вуглецю. Це з тим, що необхідна достатня щільність електронів, щоб полегшити зворотне пожертвування від металевої DXZ-орбіталі, до π * молекулярної орбіталі з СО. Неподілена пара на атомі вуглецю в СО також жертвує електронну щільність dx²-y² на металі для формування сигма-зв'язку. Ця пожертва електрона також проявляється цис-ефектом, або лабілізацією СО лігандів в цис-положенні. Карбоніл нікелю, наприклад, утворюється шляхом прямого поєднання окису вуглецю та металевого нікелю:

Ni + 4 CO → Ni (CO) 4 (1 бар, 55 ° C)

З цієї причини нікель у трубці або її частині не повинен вступати в тривалий контакт з окисом вуглецю. Карбоніл нікелю легко розкладається назад до Ni і CO при контакті з гарячими поверхнями, і цей метод використовується для промислового очищення нікелю в процесі Монда. У карбонілі нікелю та інших карбонілах, електронна пара на вуглеці взаємодіє з металом; окис вуглецю жертвує електронну пару металу. У таких ситуаціях окис вуглецю називається карбонільним лігандом. Одним з найбільш важливих карбоніл металів є пентакарбоніл заліза, Fe (CO) 5. Багато комплексів метал-CO отримують шляхом декарбонілування органічних розчинників, а не СО. Наприклад, трихлорид іридію та трифенілфосфін реагують у киплячому 2-метоксиетанолі або ДМФ, з отриманням IrCl (CO) (PPh3) 2. Карбоніли металів у координаційній хімії зазвичай вивчаються за допомогою інфрачервоної спектроскопії.

Органічна хімія та хімія основних груп елементів

У присутності сильних кислот і води оксид вуглецю вступає в реакцію з алкенами з утворенням карбонових кислот у процесі, відомому як реакції Коха-Хаафа. У реакції Гаттермана-Коха, арени перетворюються на бензальдегідні похідні в присутності AlCl3 та HCl. Літійорганічні сполуки (наприклад, бутиллітій) вступають у реакцію з окисом вуглецю, але ці реакції мало науково застосовні. Незважаючи на те, що CO реагує з карбокатіонами та карбаніонами, він відносно нереакційно здатний до органічних сполук без втручання металевих каталізаторів. З реагентами з основної групи СО проходить кілька примітних реакцій. Хлорування є промисловим процесом, що призводить до утворення важливого з'єднання фосгену. З бораном, утворює аддукт, H3BCO, який є ізоелектронним з катіоном ацилія +. ЗІ вступає у реакцію з натрієм, створюючи продукти, отримані зі зв'язку С-С. Сполуки циклогексагегексон або триквіноїл (C6O6) та циклопентанепентон або лейконова кислота (C5O5), які досі отримували лише у слідових кількостях, можна розглядати як полімери окису вуглецю. При тиску більше 5 ГПа, окис вуглецю перетворюється на твердий полімер вуглецю та кисню. Це метастабільна речовина при атмосферному тиску, але вона є потужною вибуховою речовиною.

Використання

Хімічна промисловість

Окис вуглецю є промисловим газом, який має безліч застосувань у виробництві сипких хімічних речовин. Великі кількості альдегідів отримують шляхом реакції гідроформілювання алкенів, окису вуглецю та Н2. Гідроформілювання у процесі Шелла дає можливість створювати попередники миючих засобів. Фосген, придатний для отримання ізоціанатів, полікарбонатів і поліуретанів, проводиться шляхом пропускання очищеного монооксиду вуглецю та газоподібного хлору через пористий шар активованого вугілля, який служить в якості каталізатора. Світове виробництво цієї сполуки у 1989 році оцінювалося у 2,74 млн тонн.

CO + Cl2 → COCl2

Метанол одержують шляхом гідрогенізації окису вуглецю. У спорідненій реакції, гідрування окису вуглецю пов'язане з утворенням зв'язку С-С, як у процесі Фішера-Тропша, де оксид вуглецю гідрогенізується до рідких вуглеводневих палив. Ця технологія дозволяє перетворювати вугілля або біомаси на дизельне паливо. У процесі Монсанто, окис вуглецю та метанол реагують у присутності каталізатора на основі родію та однорідної йодистоводневої кислоти з утворенням оцтової кислоти. Цей процес відповідає за більшу частину промислового виробництва оцтової кислоти. У промислових масштабах чистий окис вуглецю використовується для очищення нікелю в процесі Монда.

Забарвлення м'яса

Окис вуглецю використовується в модифікованих атмосферних системах упаковки в США, в основному при упаковці свіжих м'ясних продуктів, таких як яловичина, свинина та риба, щоб зберігати їх свіжий вигляд. Окис вуглецю з'єднується з міоглобіном з утворенням карбоксиміоглобіну, яскраво-вишнево-червоного пігменту. Карбоксіміоглобін є більш стабільним, ніж окислена форма міоглобіну, оксиміоглобіну, який може окислитися до коричневого пігменту метміоглобіну. Цей стабільний червоний колір може зберігатися набагато довше, ніж звичайне упаковане м'ясо. Типові рівні окису вуглецю, що використовуються в установках, що використовують цей процес, становлять від 0,4 до 0,5%. Ця технологія вперше визнана «загалом безпечною» (GRAS) Управлінням з контролю за продуктами та ліками США (FDA) у 2002 році для використання як вторинна пакувальна система, і не вимагає маркування. У 2004 році FDA схвалило CO як основний метод упаковки, заявивши, що CO не приховує запаху псування. Незважаючи на цю постанову, залишається спірним питання про те, чи маскує цей метод псування продуктів. У 2007 році в Палаті представників США було запропоновано законопроект, що пропонує називати модифікований процес упаковки з використанням окису вуглецю кольоровою добавкою, але законопроект не був прийнятий. Такий процес упаковки заборонено у багатьох інших країнах, включаючи Японію, Сінгапур та країни Європейського Союзу.

Медицина

У біології, окис вуглецю природно виробляється під дією гемоксигенази 1 і 2 на гем від розпаду гемоглобіну. Цей процес виробляє певну кількість карбоксигемоглобіну у нормальних людей, навіть якщо вони не вдихають окис вуглецю. Після першої доповіді про те, що окис вуглецю є нормальним нейромедіатором у 1993 році, а також одним із трьох газів, які природно модулюють запальні реакції в організмі (два інших – оксид азоту та сірководень), окис вуглецю отримав велику клінічну увагу як біологічний регулятор . У багатьох тканинах, всі три газу, як відомо, діють як протизапальні засоби, вазодилататори та підсилювачі неоваскулярного зростання. Тим не менш, ці питання є складними, оскільки неоваскулярне зростання не завжди корисне, оскільки він відіграє певну роль у зростанні пухлини, а також у розвитку вологої макулодистрофії, захворювання, ризик якого збільшується від 4 до 6 разів при курінні (головне джерело окису вуглецю у крові, у кілька разів більше, ніж природне виробництво). Існує теорія, що в деяких синапсах нервових клітин, коли відкладаються довгострокові спогади, клітина, що приймає, виробляє окис вуглецю, яка назад передається до передавальної камери, що змушує її передаватися легше в майбутньому. Деякі такі нервові клітини, як було показано, містять гуанілатциклазу, фермент, який активується окисом вуглецю. У багатьох лабораторіях по всьому світу були проведені дослідження за участю монооксиду вуглецю щодо його протизапальних та цитопротекторних властивостей. Ці властивості можуть бути використані для запобігання розвитку низки патологічних станів, у тому числі ішемічного реперфузійного ушкодження, відторгнення трансплантату, атеросклерозу, тяжкого сепсису, тяжкої малярії або аутоімунних захворювань. Були проведені клінічні випробування за участю людей, проте їх результати ще не було випущено.