Новые катализаторы помогут превратить диоксид углерода в топливо.
Чтобы получить энергию, как правило, необходимо что-нибудь сжечь: обычные автомобили сжигают топливо в двигателях внутреннего сгорания, электромобили заряжают свои батареи от электричества, поступающего, например, на ТЭЦ, где сжигают природный газ, и даже нам для мышечной или умственной работы надо «сжечь» внутри себя съеденный завтрак.
В любом органическом топливе, будь то бензиновые углеводороды или углеводы из шоколадки, содержатся атомы углерода, которые в конце своего энергетического пути превращаются в углекислый газ. Ну а газ, в свою очередь, отправляется в атмосферу, где он может накапливаться и вызывать всякие нехорошие эффекты вроде глобального потепления.
С энергетической точки зрения углекислый газ абсолютно бесполезен, поскольку углерод в нём полностью «сгорел», прочно и неразрывно связав себя с двумя атомами кислорода. Гореть он уже не горит, и единственное что с ним можно сделать - утопить или закопать. Утопить его можно, растворив в океане – и это действительно один из способов утилизации СО 2 . Другой способ – закачать его под высоким давлением под землю, желательно там, где есть нефтяные месторождения; это позволит повысить отдачу нефтяных пластов и поможет добыть больше нефти. Однако химики всё же нашли способ «сварить кашу из топора» – существует третий путь утилизации СО 2 , когда его превращают в топливо.
Чтобы превратить СО 2 в топливо, нужно «похимичить» с молекулой углекислого газа, например, отобрать у неё один атом кислорода. Тогда углекислый газ превратится в угарный газ СО. Несмотря на то, что для большинства угарный газ – это «тот газ, от которого периодически погибают неаккуратные пользователи дровяных печей», в промышленности его используют в самых разных процессах: во-первых, его можно сжечь и получить энергию, во-вторых, его можно использовать в металлургических процессах, а в-третьих, из него можно синтезировать различные органические молекулы, в том числе и жидкое топливо. Как раз последний пункт и открывает перед углекислым газом нефтехимические перспективы.
Однако стоит заметить, что использование угарного газа в химических целях не есть что-то совсем новое. Ещё на заре ХХ века германские химики Франц Фишер и Ганс Тропш разработали способ, как из обычного угля получить жидкое топливо: сначала из каменного угля и воды получают синтез-газ – так называется смесь угарного газа и водорода, а затем с помощью катализатора из синтез-газа получают различные углеводороды. Этот способ был востребован, когда обычной нефти не хватало, однако со временем, во второй половине двадцатого века метод получения топлива из угля стала просто дорогой альтернативой «классическим» нефтеперерабатывающим технологиям. Но если в процессе Фишера-Тропша в качестве сырья используют каменный уголь, который сам по себе есть полезное ископаемое, то химики из для той же цели – получения синтез-газа – разработали способ, позволяющий делать его из «ненужного» углекислого газа.
Такие вещи невозможны без использования катализаторов, и, чтобы получить работающий катализатор, химикам порой приходится идти на самые разные хитрости. Дело в том, что, кроме определённого химического состава, для катализатора очень важна его внутренняя структура. Если говорить упрощённо, катализатор, нанесённый на ровную поверхность, может оказаться нерабочим, а вот если его нанести на пористую поверхность, и если у пор при этом будет определённый размер, то тогда он сможет заработать в полную силу.
Для того чтобы создать такой катализатор, химики взяли электропроводящий материал в качестве подложки и нанесли на него слой из полистирольных шариков диаметром около 200 нанометров. После чего пустоты, оставшиеся в пространстве между шариками, заполнили атомами серебра. (В качестве аналогии можно представить, что мы насыпали на пол слой из бильярдных шаров, а потом всё сверху залили ровным слоем расплавленного парафина.) Теперь, чтобы получить пористый субстрат, нужно каким-то образом убрать из материала все шарики, оставив в целости оставшуюся структуру. В случае с бильярдными шарами это было бы весьма проблематично, а вот в случае с полистирольными шариками все оказалось намного проще – и в итоге после удаления полистирола на поверхности электрода получилась ячеистая структура из серебра с «сотами» определённого размера.
Подобный материал, как оказалось, хорошо превращает углекислый газ в синтез-газ, причём эффективность и селективность катализатора управляется за счёт размера сот: если на этапе синтеза катализатора взять полистирольные шарики покрупнее, то после реакции получится один состав продуктов, а если помельче – то другой. Подробно результаты исследований опубликованы в журнале Angewandte Chemie .
И вроде бы всё хорошо, и человечество должно бы праздновать победу над выбросами парниковых газов, а каждую трубу, чадящую в атмосферу продуктами сгорания, нужно оборудовать подобным серебряным катализатором, но всё-таки стоит сделать одно замечание. Один из важных законов, по которому живёт окружающий нас мир – закон сохранения: масса и энергия не возникают ниоткуда и не пропадают в никуда. Это справедливо и для атомов химических элементов, и для тепла, вырабатываемого при сжигании топлива, и для электрической энергии. Поэтому сколько энергии получается при сжигании угарного газа до углекислого, как минимум, столько же энергии нужно затратить (упрощённо), чтобы превратить молекулу углекислого газа обратно в молекулу угарного. И очевидно, что для такой, в общем-то, «зелёной» технологии по утилизации парникового газа нужен свой источник энергии, который как минимум не «начадил» бы в атмосферу столько СО 2 , сколько можно было бы превратить в полезный продукт.
Откуда взять энергию для превращения одного газа в другой? Например, от ветряных или солнечных энергоустановок, которые производят энергию, но не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания топлива – в результате это позволило бы уменьшить общее количество углекислого газа.
Забавно, что похожей деятельностью занимались древние растения и бактерии, поглощавшие находившийся тогда в избытке в атмосфере углекислый газ, и преобразовывшие его в органические вещества, ставшие потом ископаемым топливом. Возможно, что человечеству в будущем придётся заниматься чем-то похожим, но только уже с использованием химических технологий.
Вы уже знаете, что при выдохе из легких выходит углекислый газ. А вот что вам известно об этом веществе? Наверное, немного. Сегодня я отвечу на все вопросы, касающиеся углекислого газа.
Определение
Это вещество в нормальных условиях является бесцветным газом. Во многих источниках его могут называть по-разному: и оксидом углерода (IV), и угольным ангидридом, и двуокисью углерода, и диоксидом углерода.
Свойства
Углекислый газ (формула СО 2) является бесцветным газом, имеющим кислые запах и вкус, растворимым в воде веществом. Если его как следует охладить, то образуется снегообразная масса, называемая сухим льдом (фотография ниже), которая сублимирует при температуре -78 о С.
Является одним из продуктов гниения или горения любого органического вещества. Растворяется в воде только при температуре 15 о С и только в том случае, если отношение вода:углекислый газ равно 1:1. Плотность углекислого газа может быть разной, но в стандартных условиях она равняется 1,976 кг/м 3 . Это если он находится в газообразном виде, а в других состояниях (жидком/газообразном) значения плотности тоже будут другими. Данное вещество является кислотным оксидом, его добавление в воду приводит к получению угольной кислоты. Если соединить углекислый газ с любой щелочью, то в результате последующей реакции образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот оксид не может поддерживать горение, кроме некоторых исключений. Это активные металлы, и при реакции такого вида они забирают у него кислород.
Получение
Углекислый и еще некоторые газы в больших количествах выделяются, когда производят алкоголь или разлагаются природные карбонаты. Затем полученные газы проходят промывание растворенным карбонатом калия. Далее следует поглощение ими углекислого газа, продуктом данной реакции является гидрокарбонат, при нагревании раствора которого получают искомый оксид.
Но сейчас его с успехом заменяет растворенный водой этаноламин, который абсорбирует содержащийся в дымовом газе оксид углерода и отдает его при нагревании. Также этот газ является побочным продуктом тех реакций, при которых получают чистые азот, кислород и аргон. В лаборатории немного углекислоты получается, когда карбонаты и гидрокарбонаты взаимодействуют с кислотами. Еще она образуется, когда реагируют пищевая сода и лимонный сок или тот же гидрокарбонат натрия и уксус (фото).
Применение
Пищевая промышленность не может обойтись без использования углекислоты, где она известна в качестве консерванта и разрыхлителя, имеющего код E290. Ее в виде жидкости содержит любой огнетушитель.
Также оксид четырехвалентного углерода, который выделяется в процессе брожения, служит хорошей подкормкой аквариумным растениям. Он содержится и во всем известной газировке, которую многие довольно часто покупают в продуктовом магазине. Сварка проволокой происходит в углекислой среде, но если температура данного процесса очень высока, то он сопровождается диссоциацией углекислоты, при которой выделяется кислород, окисляющий металл. Тогда сварка не обходится без раскислителей (марганца или кремния). Углекислым газом накачивают велосипедные колеса, он присутствует и в баллончиках пневматического оружия (такая его разновидность называется газобаллонной). Также данный оксид в твердом состоянии, называемый сухим льдом, нужен как хладагент в торговле, научных исследованиях и при починке некоторой техники.
Вот до чего полезен для человека углекислый газ. И не только в промышленности, он играет и важную биологическую роль: без него не может происходить газообмен, регуляция сосудистого тонуса, фотосинтез и многие другие природные процессы. Но его переизбыток или недостача в воздухе некоторое время могут негативно влиять на физическое состояние всех живых организмов.
Угарный газ (CO) – это бесцветный, очень легкий газ (легче воздуха), не имеющий запаха. А вот «запах угарного газа» чувствуется из-за примесей органических элементов в топливе. Угарный газ дома появляется каждый раз при сжигании дров. Основная причина возникновения угарного газа — недостаточное количество кислорода в области горения.
Возникновение угара
Угарный газ дома возникает при горении углерода из-за недостатка кислорода. Сгорание в печах топлива происходит в несколько этапов:
- Сначала углерод сгорает, выделяя углекислый газ CO2;
- Потом углекислый газ контактирует с раскаленными остатками кокса или угля, создавая угарный газ;
- Затем, угарный газ сгорает (синее пламя) с появлением углекислого газа, который выходит через дымоход.
Без тяги в печи (дымоход забит, нет для горения приточного воздуха, заслонка закрыта преждевременно), угли продолжают тлеть без слабой подачи кислорода, поэтому угарный газ не сгорает и может рассеяться по отапливаемому помещению, оказывая токсичный эффект на организм и отравление (угар).
Факторы отравления угаром
У угарного ядовитого газа нет запаха и цвета, что делает его очень опасным. Причинами отравления угаром могут стать:
- Неисправная работа печки-камина и дымохода (забитый дымоход, трещины в печи).
- Нарушение (закрытие печной заслонки несвоевременно, плохая тяга, недостаточный доступ в топливник свежего воздуха).
- Присутствие человека в самом очаге пожара.
- Техобслуживание автомашины в помещении с низкой вентиляцией.
- Применение некачественного воздуха в аппаратах для дыхания и аквалангах.
- Сон в автомашине с включенным двигателем.
- Применение гриля с низкой вентиляцией.
Сигналы и признаки отравления
При малой концентрации газа могут образоваться первые признаки токсичного воздействия и отравления: слезотечение, головокружение и боль, тошнота и слабость, спутанность сознания, сухой кашель, бывают слуховые и зрительные галлюцинации. Ощутив симптомы отравления, нужно как можно быстрее выйти на свежий воздух.
При большом промежутке времени нахождения в помещении с низкой плотностью угарного газа, возникают симптомы отравления: тахикардия, нарушение дыхания, нарушение координации, сонливость, зрительные галлюцинации, посинение кожи лица и слизистых оболочек, рвота, потеря сознания, могут быть судороги.
При повышенной концентрации — происходит потеря сознания и коматоз с судорогой. Без первой медицинской помощи, пострадавший может умереть от отравления угаром.
Воздействие угарного газа в доме на человеческий организм
Угарный газ заходит через легкие, контактирует в крови с гемоглобином и препятствует передачи кислорода органам и тканям. От кислородного голодания нарушается нервная система и работа головного мозга. Чем выше концентрат угарного газа и больше период нахождения в комнате, тем сильнее отравление и больше вероятности смерти.
После отравления нужно медицинское наблюдение в течение нескольких дней, т. к. часто наблюдаются осложнения. Пострадавших с тяжелым отравлением нужно госпитализировать. Проблемы с нервной системой и легкими возможны даже через недели после происшествия. Любопытно, но на женщин угарный газ влияет меньше, чем на мужчин.
Датчик угарного газа для дома
Отравление или угар можно предотвратить, используя автономный сигнализатор угарного газа или датчик. Если объем угарного газа в жилом или техническом помещении перейдет допустимый уровень, датчик просигнализирует, предупреждая об угрозе. Сигнализаторы выявления угарного газа – это такие электрохимические датчики, разработанные для беспрестанного контроля уровня содержания CO в помещении и реагирующие световыми и звуковыми сигналами на высокий уровень концентрации в воздухе угарного газа.
Когда решите купить для дома сигнализатор угарного газа, обратите внимание на особенности (при внешнем сходстве) приборов: датчик открытого огня и сигнализатор дыма, датчик угарных газов и углекислого газа реагирует на разные элементы в воздухе комнаты. Датчики угарного газа для дома устанавливают на высоте полтора метра от пола (некоторые рекомендуют ставить от потолка на 15–20 см). Аппарат обнаружения углекислого газа ставится около панели приборов или на уровне пола (углекислый газ намного тяжелее чем воздух), а дымовой датчик должен быть на потолке.
Во многих странах применение вышеперечисленных датчиков — обязательное условие, предусмотренное законодательством для обеспечения безопасности и здоровья населения. В Европе – обязателен только дымовой датчик. У нас, установка датчика угарного газа пока что — дело добровольное. Такие датчики в целом недорогой прибор, поэтому лучше не рисковать своей жизнью и купить сигнализатор угарного газа для дома.
Как не отравится угарным газом в доме
Соблюдая правила безопасности, отравление угаром можно предупредить:
— Не используйте приборы, сжигающие топливо, без достаточных навыков, знаний и инструментов.
— Не жгите древесный уголь в комнате с плохой вентиляцией.
— Убедитесь в исправной работе печи, вытяжной и приточной вентиляции и дымохода.
— На дымовых каналах дровяных печей, следует предусмотреть монтаж последовательно 2 плотных задвижек, а на каналах печек, функционирующих на угле или торфе, лишь одной задвижки с отверстием 15 мм.
— Не оставляйте в гараже автомобиль с работающим двигателем.
Датчики, сигнализирующие об увеличении концентрации угарн.газа, могут дополнительно защитить от отравления, но они не должны заменять прочие профилактические работы.
Угарный газ при печном отоплении
Камин или печь с закрытой задвижкой и остатками недогоревшего топлива - источник угарного газа и невидимый отравитель. Предполагая, что топливо полностью сгорело, владельцы печек закрывают заслонку дымохода для сохранности тепла. Тлеющие угольки при недостатке воздуха создают угарный газ, проникающий в помещение через негерметичные зоны печной системы.
Также и в дымоходе, при слабой тяге и без подачи воздуха возникает химический недожог топлива, и в итоге — возникновение и накопление угарного газа дома.
Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?
Углекислый газ и его физические свойства
Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.
Рис. 1. Молекула углекислого газа.
Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.
Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».
Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.
Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.
Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.
Чтобы вычислить массовые доли элементов в углекислом газе необходимо следовать формулерасчета массовых долей каждого химического элемента в веществе.
n
– число атомов или молекул.
Ar
– относительная атомная масса химического элемента.
Mr
– относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.
Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27 % Так как в формулу углекислого газа входит два атома кислорода, то n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73 %
Ответ: w(C) = 0,27 или 27 %; w(O) = 0,73 или 73 %
Химические и биологические свойства углекислого газа
Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:
CO₂+H₂O=H₂CO₃
Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.
При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:
2CO₃=2CO+O₃.
Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:
СaO+Co₃=CaCO₃.
Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.
Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.