Где образуется углекислый газ

Происхождение и открытие углекислого газа, круговорот его в природе и промышленности.

Статья ставит перед собой цель довести до сведения людей информацию о газе, который необходим человеку для жизнедеятельности и поддержания важных процессов в природе на земле. Но его воздействие, при увеличении, дестабилизирует окружающую среду и может привести к глобальным и необратимым процессам разрушения для планеты. В настоящее время мы уже можем наблюдать изменение климатических условий на разных континентах, связанные с одним из значимых газов на земле – диоксидом углерода.

Происхождение

Образование диоксида углерода носит естественный характер. Основная часть углерода на Земле миллионы лет хранится в надежных кладовых карбонатных горных пород, вроде той, из которых состоят известные «Белые Скалы Дувра» на побережье Ла-Манша.

В создании этих скал участвовали существа, в тысячу раз меньше булавочной головки. Триллионы подобных, микроскопических существ — одноклеточные водоросли.

Вулканы, горячие источники и гейзеры выбрасывали CO₂ в атмосферу, а океаны осуществляли его медленное поглощение. Сотни миллионов лет одноклеточные водоросли растворяли в себе двуокись углерода и формировали из нее крошечные раковины. Обилие этих раковин образовывало огромные залежи мела или известняка на дне океана. В результате смещения тектонических плит, земля подняла морское дно из глубины и высекла из него большие «Белые Скалы Дувра». Полипы и водоросли, которые умеют из воды извлекать известь, использовали двуокись углерода для постройки гигантских коралловых рифов. Сами же океаны превращали в известняк поглощенный диоксид углерода, без помощи со стороны живых существ.

С течением времени в атмосфере планеты остались едва заметные следы CO₂, концентрация углекислого газа на данный момент составляет около 0,04 процента от общего объема воздуха. Сейчас наряду с азотом (N₂), кислородом (O₂) и аргоном (Ar) диоксид углерода образует составную часть воздуха планеты, которым мы дышим.

В массовом эквиваленте на кубометр воздуха приходится 760 миллиграмм CO₂. Однако в этом и заключается разница между бесплодной пустошью и буйством жизни в земном саду. При полном отсутствии углекислого газа Земля превратилась бы в ледяной шар. При увеличении его в 2 раза, а именно при 8 молекулах на каждые 10000, нам стало бы не комфортно при такой жаре.

Открытие

Первооткрывателем углекислого газа является шотландский физик и химик, Джозеф Блэк (Joseph Black). В 1756 году ученный проводил эксперимент, нагревая белую магнезию (MgCO₃). В результате нагрева он выявил, что карбонат магния разложился до жженой магнезии (оксида магния) с потерей массы и образованием так называемого «связанного воздуха». Этим воздухом, как не трудно догадаться, был диоксид углерода.

Впервые, при детальном изучении CO₂, Джозеф Блэк доказал что, окружающий нас воздух, это не единая субстанция, а смесь газов. До этого момента все ученные считали воздух одним газом.

Круговорот в природе

Организмам и растениям для поддержания жизненных процессов необходим углерод, круговорот которого в углеродном цикле планеты осуществляется двуокисью углерода. Регулирование концентрации CO₂, с конца докембрийского периода (540 млн. лет назад) и до начала индустриально-промышленной эпохи, производится происходящими в земной коре геологическими процессами и производящими фотосинтез организмами. Одни из них образуют и выбрасывают, другие поглощают и вдыхают.

Энергия света, попадая на растительные организмы, водоросли и некоторые виды бактерий, активирует процессы, производящие сложные органические соединения (углеводы) из простых неорганических (CO₂ и вода). При этом кислород образуется в качестве побочного продукта. Двуокись углерода также является побочным продуктом организмов, для дыхания которым необходим кислород. Газ попадает в воду через жабры рыб и в воздух через легкие людей и животных. Углекислый газ появляется в результате распада органики (гниение) и в процессе брожения. Вулканы производят выброс углекислого газа, океаны осуществляют его поглощение. Сжигая дрова и другие органические материалы, ископаемые виды топлива, также происходит выделение углекислоты.

Промышленность и CO₂

Диоксид углерода — востребованный промышленный материал, который используется во многих отраслях в твердом, жидком и газообразном состоянии.

• В качестве инертного газа при сварке.
• Является наполнителем для углекислотных огнетушителей.
• В качестве газа наддува в авиационных пушках и при добыче нефти.
• Его добавляют в питьевую воду, вино и газированные напитки.
• В твердом состоянии используется как хладагент.

Влияние на атмосферу

Наличие углекислоты регулировалось в течение длительного срока естественными процессами, происходящими на поверхности земли. К искусственным процессам увеличения содержания CO₂, в охватывающих весь земной шар масштабах, наша цивилизация приступила в середине 20 века. Человечество, сжигая уголь, нефть и природный газ, производит огромные выбросы диоксида углерода, как отработанного и ненужного продукта в крупномасштабных процессах окисления.

Увеличение населения земли за последние сто лет в 5 раз (1900 год — 1,6 миллиарда человек, 2018 год – 7,6 миллиарда человек) также вносит существенный вклад в накопление этого газа. Производство и использование транспорта увеличивается с ростом населения. Вместе с возрастанием промышленности это приводит к значительной эмиссии CO₂ в окружающий воздух. Естественные фильтровальные насосы (океаны и растения) не справляются с увеличением углекислого газа. Об этом говорят измерения, производимые постоянно в разных уголках земли. Так, наличие CO₂ в доиндустриальную эпоху составляло 280 ppm, в наше время 406 ppm.

Усугубляет ситуацию вырубка и горение лесов. Пропуская ультрафиолетовое и поглощая инфракрасное (отраженное от земли) излучение углекислота способствует нагреванию океанов и атмосферы земли, образуется парниковый эффект. Увеличение и хорошее проникновение в верхние слои океанов, приводит к образованию угольной кислоты. Данный процесс вызывает окисление, что в совокупности с повышенной температурой, приводит к гибели фитопланктона, важнейшего поставщика кислорода на земле и утилизатора CO₂.

Заключение

Хоть немного узнав об углекислом газе, вы осознаете его значимость практически во всей биосфере земли. Сформировав эти не большие, но важные знания, можете ознакомиться с остальными взаимодействиями диоксида углерода в других статьях. Рассказать об этом своим родственникам, знакомым и друзьям и быть может мы, все вместе продлим существование нашей планеты. Что вы об этом думаете?

Что такое CO2

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Углекислый газ в природе: естественные источники

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

• Дыхание животных и растений.
  Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки приточной вентиляции. Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
• Вулканическая деятельность.
  Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
• Разложение органических веществ.
  Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

Искусственные источники углекислого газа

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

• промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
• автомобильный транспорт.

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

Углекислый газ в организме человека

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Углекислый газ и мы: чем опасен СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед гипоксии – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых исследований, уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически снижается работоспособность, мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш эксперимент в школе показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.

Углекислый газ в организме

Содержание

Транспорт углекислого газа Править

Углекислый газ образуется в процессе обмена веществ примерно в таком же количестве, в каком потребляется кислород. В покое это количество равно примерно 3 мл/мин/кг, а при тяжелой физической нагрузке может резко увеличиваться. Углекислый газ легко диффундирует из клеток в кровь. Здесь он частично растворяется в Плазме, частично превращается в бикарбонат и, наконец, частично связывается с гемоглобином и белками плазмы. РСО₂ в смешанной венозной крови равно примерно 6 кПа (46 мм рт. ст). Далее углекислый газ переносится в легкие и удаляется с выдыхаемым воздухом. Скорость удаления углекислого газа равна скорости его образования. В альвеолах и артериальной крови РСО₂ равно 5,2 кПа (40 мм рт. ст.). Повышение РαСО₂ вызывает дыхательный ацидоз. Это состояние может возникать при гиповентиляции или вдыхании углекислого газа. Напротив, при гипервентиляции возникает снижение РαСО₂ и дыхательный алкалоз. Поскольку углекислый газ легко диффундирует, то изменение РαСО₂ и pH крови вскоре приводит к изменению РСО₂ и pH в клетках.

Физиологические эффекты углекислого газа Править

Изменение РСО₂ и pH крови влияет на функцию многих систем — особенно дыхательной, сердечно-сосудистой и ЦНС (подробнее см. руководства по физиологии, например Nunn, 1993а).

Дыхательная система. Углекислый газ оказывает быстрое и выраженное действие на легочную вентиляцию. Это действие находится в прямой зависимости от его концентрации во вдыхаемой смеси. Ингаляция 10% углекислого газа вызывает увеличение МОД до 75 л/мин. Углекислый газ оказывает стимулирующее действие на дыхание через центральные (в продолговатом мозге) и периферические (в аортальных и каротидных тельцах) хеморецепторы. Импульсы от них идут к дыхательным нейронам в стволе мозга. Действие углекислого газа на хеморецепторы, по-видимому, опосредовано изменением pH (Nattie, 1999; Drysdale et al., 1981). Повышение PCО₂ вызывает бронходилатацию, а снижение — наоборот. Возможно, этот эффект играет роль в поддержании вентиляционно-перфузионного отношения (Duane et al., 1979).

Сердечно-сосудистая система. Углекислый газ оказывает на кровообращение как прямое (местное), так и центральное (обусловленное изменением активности вегетативных нервов) действие. Прямое действие углекислого газа на сердце приводит к снижению сократимости в результате изменения pH (van den Bos et al., 1979); прямое действие на сосуды сопровождается их расширением. Центральное же действие углекислого газа проявляется повышением симпатического тонуса и концентрации в крови адреналина, норадреналина, ангиотензина и других вазоактивных пептидов (Staszewska-Barczak and Dusting, 1981). Повышение симпатического тонуса вызывает увеличение частоты и силы сокращений сердца и сужение сосудов, то есть эффекты, противоположные местным.

Реакция сердечно-сосудистой системы на действие углекислого газа определяется соотношением между его прямым и центральным действием. Сердечный выброс, ЧСС и АД растут. В сосудах преобладает прямое действие углекислого газа, проявляющееся в их расширении и уменьшении ОПСС. Углекислый газ вызывает выраженное расширение коронарных сосудов (Ely etal., 1982). Аритмогенное действие гиперкапнии обусловлено высвобождением катехоламинов.

Гипокапния оказывает противоположное действие: АД снижается, а сосуды кожи, кишечника, головного мозга, почек и сердца сужаются. Это действие гипокапнии используют в клинике, например проводят ИВЛ с гипервентиляцией при внутричерепной гипертензии.

ЦНС. При гиперкапнии снижается возбудимость коры головного мозга и (также за счет центрального действия углекислого газа) порог болевой чувствительности кожи. Тормозящее действие углекислого газа на ЦНС имеет важное клиническое значение. Так, при гиповентиляции, вызванной средствами для общей анестезии или наркотическими анальгетиками, накапливающийся углекислый газ через тормозящее влияние на ЦНС может вызвать еще большее угнетение дыхательного центра.

В результате образуется порочный круг, способный стать причиной смерти. Ингаляция газовой смеси с высокой концентрацией углекислого газа (до 50%) вызывает выраженное угнетение коры головного мозга и подкорковых структур, напоминающее действие средств для общей анестезии. С другой стороны, при определенных условиях вдыхание углекислого газа в концентрации 25—30% может вызвать возбуждение подкорковых структур и эпилептические припадки.

В США углекислый газ в чистом виде или в смеси с кислородом (карбоген) продают в металлических баллонах серого цвета. Ингаляцию 5—10% углекислого газа в смеси с кислородом проводят с помощью маски. Другой метод — повторное вдыхание углекислого газа, например через дыхательный контур при отключенном адсорбере или просто дыхание в бумажный мешок. Следует помнить, что баллоны с чистым углекислым газом и с карбогеном имеют одинаковый цвет, а неосторожное обращение с кислородсодержащей смесью (например, вблизи электрокоагулятора при лапароскопической операции) может привести к пожару или взрыву.

Ингаляцию углекислого газа в настоящее время назначают все реже из-за появления более эффективных методов лечения. Ее применяли для ускорения вводной анестезии и пробуждения после ингаляционной анестезии, так как под действием углекислого газа возрастают МОД и мозговой кровоток. Однако при ингаляции углекислого газа возникает более или менее выраженный дыхательный ацидоз. При проведении анестезии иногда вызывают, напротив, гипокапнию. Она приводит к дыхательному алкалозу, спазму мозговых сосудов и некоторому уменьшению объема мозга; это облегчает проведение нейрохирургических операций. Хотя углекислый газ стимулирует дыхание, его не следует применять в случаях, когда угнетение дыхания сопровождается гиперкапнией или ацидозом, — из-за опасности еще большего торможения дыхательного центра.

Углекислый газ обычно используют для вдувания в брюшную полость во время лапароскопических операций, так как он хорошо растворим в воде и не огнеопасен. При случайной эмболии пузырьки углекислого газа легко растворяются, и он выводится через легкие.

Недавно углекислый газ стали применять при операциях на открытом сердце для заполнения операционного поля. Благодаря большей плотности углекислый газ вытесняет воздух, окружающий сердце, так что любые пузырьки газа в полостях сердца вместо нерастворимого азота содержат углекислый газ (Na-dolny and Svensson, 2000). По тем же соображениям углекислый газ используют для удаления пузырьков воздуха из аппарата искусственного кровообращения и экстракорпорального мембранного оксигенатора. Его применяют также для коррекции pH во время коронарного шунтирования на фоне гипотермии.

Углекислый газ

Углекислый газ, или диоксид углерода, или CO₂ — одно из самых распространенных на Земле газообразных веществ. Он окружает нас в течение всей нашей жизни. Углекислый газ не имеет цвета, вкуса и запаха и никак не ощущается человеком.

Он является важным участником обмена веществ живых организмов. Газ сам по себе не ядовит, но не поддерживает дыхание, поэтому превышение его концентрации ведет к ухудшению снабжения тканей организма кислородом и к удушью. Углекислый газ широко применяется в быту и в промышленности.

Что такое диоксид углерода

При атмосферном давлении и комнатной температуре диоксид углерода находится в газообразном состоянии. Это наиболее часто встречающаяся его форма, в ней он участвует в процессах дыхания, фотосинтеза и обмена веществ живых организмов.

При охлаждении до -78 °С он, минуя жидкую фазу, кристаллизуется и образует так называемый «сухой лед», широко применяемый как безопасный хладагент в пищевой и химической промышленности и в уличной торговле и рефрижераторных перевозках.

При особых условиях — давлении в десятки атмосфер — углекислота переходит в жидкое агрегатное состояние. Это происходит на морском дне, на глубине свыше 600 м.

Свойства углекислого газа

В 17 веке Жан-Батист Ван Гельмонт из Фландрии открыл углекислый газ и определил его формулу. Подробное исследование и описание было сделано столетие спустя шотландцем Джозефом Блэком. Он исследовал свойства углекислого газа и провел серию опытов, в которых доказал, что он выделяется при дыхании животных.

В состав молекулы вещества входит один атом углерода и два атома кислорода. Химическая формула углекислого газа записывается как CO₂

В нормальных условиях не обладает вкусом, цветом и запахом. Только вдыхая большое его количество, человек ощущает кислый привкус. Его дает угольная кислота, образующаяся в малых дозах при растворении углекислого газа в слюне. Эта особенность применяется для приготовления газированных напитков. Пузырьки в шампанском, просекко, пиве и лимонаде — это и есть углекислый газ, образовавшийся в результате естественных процессов брожения или добавленный в напиток искусственно.

Физические свойства углекислого газа

Плотность углекислого газа больше плотности воздуха, поэтому при отсутствии вентиляции он скапливается внизу. Он не поддерживает окислительные процессы, такие, как дыхание и горение.

Поэтому углекислоту применяют в огнетушителях. Это свойство углекислого газа иллюстрируют с помощью фокуса — горящую свечу опускают в «пустой» стакан, где она и гаснет. В действительности стакан заполнен CO₂.

Углекислый газ в природе естественные источники

К таким источникам относятся окислительные процессы разной интенсивности:

• Дыхание живых организмов. Из школьного курса химии и ботаники все помнят, что в ходе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Но не все помнят, что это происходит только днем, при достаточном уровне освещения. В темное время суток растения наоборот, поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Так что попытка улучшить качество воздуха в комнате, превращая ее в заросли фикусов и герани может сыграть злую шутку.
• Извержения и другая вулканическая активность. CO₂ выбрасывается из глубин мантии Земли вместе с вулканическими газами. В долинах рядом с источниками извержений газа настолько много, что, скапливаясь в низинах, он вызывает удушье животных и даже людей. Известны несколько случаев в Африке, когда задыхались целые деревни.
• Горение и гниение органики. Горение и гниение — это одна и та же реакция окисления, но протекающая с разной скоростью. Богатые углеродом разлагающиеся органические остатки растений и животных, лесные пожары и тлеющие торфяники — все это источники диоксида углерода.
• Самым же большим природным хранилищем CO₂ являются воды мирового океана, в которых он растворен.

Углекислый газ в природе

За миллионы лет эволюции основанной на углеродных соединениях жизни на Земле в различных источниках накопились многие миллиарды тонн углекислого газа. Его одномоментный выброс в атмосферу приведет к гибели всего живого на планете из-за невозможности дыхания. Хорошо, что вероятность такого одномоментного выброса стремится к нулю.

Искусственные источники углекислого газа

Углекислый газ попадает в атмосферу и в результате человеческой жизнедеятельности. Самыми активными источниками в наше время считаются:

• Индустриальные выбросы, происходящие в ходе сгорания топлива на электростанциях и в технологических установках
• Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания транспортных средств: автомобилей, поездов, самолетов и судов.
• Сельскохозяйственные отходы — гниение навоза в больших животноводческих комплексах

Кроме прямых выбросов, существует и косвенное воздействие человека на содержание CO₂ в атмосфере. Это массовая вырубка лесов в тропической и субтропической зоне, прежде всего в бассейне Амазонки.

Искусственный источник углекислого газа

Несмотря на то, что в атмосфере Земли содержится менее процента диоксида углерода, он оказывает все возрастающее действие на климат и природные явления. Углекислый газ участвует в создании так называемого парникового эффекта путем поглощения теплового излучения планеты и удерживания этого тепла в атмосфере. Это ведет к постепенному, но весьма угрожающему повышению среднегодовой температуры планеты, таянию горных ледников и полярных ледяных шапок, росту уровня мирового океана, затоплению прибрежных регионов и ухудшению климата в далеких от моря странах.

Знаменательно, что на фоне общего потепления на планете происходит значительное перераспределение воздушных масс и морских течений, и в отдельных регионах среднегодовая температура не повышается, а понижается. Это дает козыри в руки критикам теории глобального потепления, обвиняющим ее сторонников в подтасовке фактов и манипуляции общественным мнением в угоду определенным политическим центрам влияния и финансово-экономическим интересам

Человечество пытается взять под контроль содержание углекислого газа в воздухе, были подписаны Киотский и Парижский протоколы, накладывающие на национальные экономики определенные обязательства. Кроме того, многие ведущие автопроизводители автомобилей объявили о сворачивании к 2020-25 годам выпуска моделей с двигателями внутреннего сгорания и переходе на гибриды и электромобили. Однако некоторые ведущие экономики мира, такие, как Китай и США, не торопятся выполнять старые и брать на себя новые обязательства, мотивируя это угрозой уровню жизни в своих странах.

Углекислый газ и мы: чем опасен CO₂

Углекислый газ — один из продуктов обмена веществ в организме человека. Он играет большую роль в управлении дыханием и снабжением кровью органов. Рост содержания CO₂ в крови вызывает расширение сосудов, способных таким образом транспортировать больше кислорода к тканям и органам. Аналогично и система дыхания понуждается к большей активности, если концентрация углекислоты в организме растет. Это свойство используют в аппаратах искусственной вентиляции легких, чтобы подстегнуть собственные органы дыхания пациента к большей активности.

Кроме упомянутой пользы, превышение концентрации СO₂ может принести организму и вред. Повышенное содержание во вдыхаемом воздухе приводит к тошноте, головной боли, удушью и даже к потере сознания. Организм протестует против углекислого газа и подает человеку сигналы. При дальнейшем увеличении концентрации развивается кислородное голодание, или гипоксия. Co₂ мешает кислороду присоединяться к молекулам гемоглобина, которые и осуществляют перемещение связанных газов по кровеносной системе. Кислородное голодание ведет к снижению работоспособности, ослаблению реакции и способностей к анализу ситуации и принятию решений, апатии и может привести к смерти.

Общие симптомы отравления углекислым газом

Такие концентрации углекислого газа, к сожалению, достижимы не только в тесных шахтах, но и в плохо проветриваемых школьных классах, концертных залах, офисных помещениях и транспортных средствах — везде, где в замкнутом пространстве без достаточного воздухообмена с окружающей средой скапливается большое количество людей.

Основное применение

CO₂ широко применяется в промышленности и в быту – в огнетушителях и для изготовления газировки, для охлаждения продуктов и для создания инертной среды при сварке.

Основное применение углекислого газа

Применение углекислого газа отмечено в таких отраслях, как:

• для чистки поверхностей сухим льдом.

Фармацевтика

• для химического синтеза компонентов лекарственных средств;
• создания инертной атмосферы;
• нормализация индекса pH отходов производства.

Углекислый газ в фармацевтике

Пищевая отрасль

• производство газированных напитков;
• упаковка продуктов питания в инертной атмосфере для продления срока годности;
• декаффеинизация кофейных зерен;
• замораживание или охлаждение продуктов.

Углекислый газ в пищевой отрасли

Медицина, анализы и экология

• Создание защитной атмосферы при полостных операциях.
• Включение в дыхательные смеси в качестве стимулятора дыхания.
• В хроматографических анализах.
• Поддержание уровня pH в жидких отходах производства.

Углекислый газ и экология

Электроника

• Охлаждение электронных компонентов и устройств при тестировании на температурную стойкость.
• Абразивная очистка в микроэлектронике (в твердой фазе).
• Очищающее средство в производстве кремниевых кристаллов.

Химическая отрасль

Широко применяется в химическом синтезе в качестве реагента и в качестве регулятора температур в реакторе. CO₂ отлично подходит для обеззараживания жидких отходов с низким индексом pH.

Использование углекислого газа

Применяется также для осушения полимерных веществ, растительных или животных фиброматериалов, в целлюлозном производстве для нормализации уровня pH как компонентов основного процесса, так и его отходов.

Металлургическая отрасль

В металлургии CO₂ в основном служит делу экологии, защиты природы от вредных выбросов путем их нейтрализации:

Применение углекислого газа в металлургии

• В черной металлургии — для нейтрализации плавильных газов и для донного перемешивания расплава.
• В цветной металлургии при производстве свинца, меди, никеля и цинка — для нейтрализации газов при транспортировке ковша с расплавом или горячих слитков.
• В качестве восстановительного агента при организации оборота кислотных шахтных вод.

Сварка в углекислой среде

Процесс сварки с применением углекислого газа

Разновидность сварки под флюсом является сварка в углекислой среде. Операции сварочных работ с углекислым газом осуществляется плавящимся электродом и распространен в процессе монтажных работ, устранении дефектов и исправления деталей с тонкими стенками.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Физические и химические свойства углекислого газа

Формула – СО₂. Молярная масса – 44 г/моль.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ относится к классу кислотных оксидов, т.е. при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется угольная. Угольная кислота химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие, т.е. реакция взаимодействия углекислого газа с водой носит обратимый характер:

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

Как и для всех кислотных оксидов, для углекислого газа характерны реакции взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:

Углекислый газ не поддерживает горения, в нем горят только активные металлы:

CO₂ + 2Mg = C + 2MgO (t);

CO₂ + 2Ca = C + 2CaO (t).

Углекислый газ вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами, такими как водород и углерод:

CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O (t, kat = Cu₂O);

CO₂ + C = 2CO (t).

При взаимодействии углекислого газа с пероксидами активных металлов образуются карбонаты и выделяется кислород:

Качественной реакцией на углекислый газ является реакция его взаимодействия с известковой водой (молоком), т.е. с гидроксидом кальция, в которой образуется осадок белого цвета – карбонат кальция:

Физические свойства углекислого газа

Углекислый газ – газообразное вещество без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Термически устойчив. При сжатии и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое состояния. Углекислый газ в твердом агрегатном состоянии носит название «сухой лед» и легко возгоняется при комнатной температуре. Углекислый газ плохо растворим в воде, частично реагирует с ней. Плотность – 1,977 г/л.

Получение и применение углекислого газа

Выделяют промышленные и лабораторные способы получения углекислого газа. Так, в промышленности его получают обжигом известняка (1), а в лаборатории – действием сильных кислот на соли угольной кислоты (2):

CaCO₃ = CaO + CO₂ (t) (1);

Углекислый газ используется в пищевой (газирование лимонада), химической (регулировка температур при производстве синтетических волокон), металлургической (защита окружающей среды, например, осаждение бурого газа) и других отраслях промышленности.

Примеры решения задач

Запишем уравнение растворения известняка в азотной кислоте:

Содержание чистого (без примесей) карбоната кальция в известняке:

ω(CaCO₃)_cl = 100% — ω_admixture = 100% — 8% = 92% = 0,92.

Тогда, масса чистого карбоната кальция:

Количество вещества карбоната кальция равно:

n(CaCO₃) = 82,8 / 100 = 0,83 моль.

Масса азотной кислоты в растворе будет равна:

m(HNO₃) = 200 × 10 / 100% = 20 г.

Количество вещества азотной кислоты кальция равно:

n(HNO₃) = 20 / 63 = 0,32 моль.

Сравнивая количества веществ, вступивших в реакцию, определяем, что азотная кислота находится в недостатке, следовательно дальнейшие расчеты производим по азотной кислоте. Согласно уравнению реакции n(HNO₃): n(CO₂) = 2:1, следовательно n(CO₂) = 1/2×n(HNO₃) = 0,16 моль. Тогда, объем углекислого газа будет равен:

Польза углекислого газа для организма

Большинство людей считает, что углекислый газ вреден. Это и неудивительно, ведь о негативных свойствах CO₂ нам рассказывали еще в школе на уроках биологии и химии. Представляя углекислый газ исключительно как вредное вещество, учителя обычно умалчивали о его положительной роли внутри нашего организма.

Она между тем велика, ведь углекислый газ, или двуокись углерода, – это важный участник процесса дыхания. Как углекислый газ действует на наш организм и чем он полезен?

Углекислый газ в организме человека

Когда мы делаем вдох, наши легкие наполняются кислородом, при этом в нижней части органа – альвеолах – образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород переходит в кровь, а углекислый газ выделяется из нее. И мы выдыхаем.

Повторяющееся около 15-20 раз за минуту дыхание запускает всю жизнедеятельность организма,
а образующийся при этом углекислый газ влияет сразу на множество жизненно важных функций. Чем же полезен углекислый газ для человека?

CO ₂ регулирует возбудимость нервных клеток, влияет на проницаемость клеточных мембран и активность ферментов, стабилизирует интенсивность продукции гормонов и степень их эффективности, участвует
в процессе связывания белками ионов кальция и железа.

Помимо этого углекислый газ – конечный продукт метаболизма. Выдыхая мы удаляем ненужные компоненты, возникшие во время обмена веществ и очищаем свой организм. Процесс обмена веществ при этом непрерывен, поэтому удалять конечные продукты нам необходимо постоянно.

Важно не только наличие, но и количество CO ₂ в организме. Нормальный уровень содержания – 6-6,5%. Этого достаточно для того, чтобы все «механизмы» в организме работали правильно, а вы чувствовали себя хорошо.

Недостаток же или избыток углекислого газа в организме приводит к двум состояниям: гипокапнии
и гиперкапнии.

Гипокапния — это нехватка углекислого газа в крови. Возникает при глубоком учащенном дыхании, когда организм выделяет слишком большое количество углекислого газа. Например, после интенсивных занятий спортом. Гипокапния может привести к легкому головокружению или потере сознания.

Гиперкапния — это переизбыток углекислого газа в крови. Возникает в помещениях с плохой вентиляцией. Если концентрация CO₂ в помещении будет превышать норму, то его уровень в организме также станет выше.

Из-за этого может заболеть голова, появиться тошнота и сонливость. Особенно часто гиперкапния возникает зимой у офисных работников, а также в больших очередях. Например, на почте или в поликлинике.

Переизбыток углекислого газа может возникнуть и в экстремальных ситуациях, например при задержке дыхания под водой.

Польза углекислого газа для организма

Подробнее о последствиях гиперкапнии и способах борьбы с ней мы расскажем в одной из следующих статей. Сегодня же остановимся на гипокапнии и ее лечении.

Как уже говорилось выше, углекислый газ влияет на многие процессы в нашем организме, поэтому так важно, чтобы его уровень держался в пределах нормы. А привести содержание CO ₂ в норму поможет один из видов дыхательной гимнастики.

Но подобные фразы выглядят не очень убедительно, особенно, когда мы хотим решить какую-то конкретную проблему или избавиться от определенной болезни. Давайте же разберемся, как помогает углекислый газ
и дыхательная гимнастика в конкретных случаях.

Начнем с того, что в процессе занятий на тренажере или стандартных дыхательных практик, кровь человека насыщается углекислым газом, кровоснабжение всех органов улучшается, вследствие чего и появляется положительный эффект.

Организм начинает лечить себя изнутри, оказывая разное воздействие на разные группы органов. Например, улучшение кровоснабжения и повышение уровня CO ₂ приводит к нормализации тонуса гладкой мускулатуры желудка и кишечника. Это положительно сказывается на работе кишечника, восстанавливает его основные функции и помогает в борьбе с различными заболеваниями желудочно-кишечного тракта.

Углекислый газ положительно сказывается и на проницаемости мембран, что нормализует возбудимость нервных клеток. Это помогает легче переносить стрессы, избегать нервного перевозбуждения и, как следствие, избавляет от бессонницы и мигрени.

Помогает CO₂ и при аллергии: углекислый газ снижает вязкость цитоплазмы, которая заполняет клетки. Это положительно влияет на обмен веществ и повышает активность защитных систем организма.

Активизируются защитные системы и в борьбе с вирусными заболеваниями. Регулярные занятия дыхательной гимнастикой помогают избежать ОРВИ и ОРЗ за счет повышения местного иммунитета.

Помогает углекислый газ при бронхите и астме: он снижает спазм сосудов, что позволяет избавиться от мокроты и слизи в бронхах, а соответственно и самой болезни.

За счет нормализации просвета сосудов идут на поправку и больные гипотонией. Занятия дыхательной гимнастикой помогают им постепенно справиться с низким артериальным давлением.

Несмотря на все положительные изменения, возникающие в нашем организме при нормализации уровня углекислого газа, он не является панацеей от всех болезней. Это скорее помощь, которую вы оказываете своему организму, занимаясь дыхательной гимнастикой.

Поверьте, после нескольких месяцев занятий, организм обязательно отблагодарит вас хорошим самочувствием. Прежде чем начать занятия, обязательно проверьте уровень CO₂ в организме и убедитесь, что дыхательная гимнастика или тренажер «Самоздрав» помогут при вашем заболевании.

А чтобы не пропустить материал о гиперкапнии и получать наши новые статьи на почту, подпишитесь на наш блог. Будем присылать материалы раз в неделю.