В первом приближении воздух состоит из азота и кислорода. Но всё же 1–2 % атмосферы занимают другие вещества, и одним из них является углекислый газ (оксид углерода (II), диоксид углерода СО2) – продукт дыхания животных и растений и конечный результат сгорания углеродсодержащих веществ.
Как получить углекислый газ?
В принципе, нет ничего проще: что-нибудь сжечь или подышать. Но если вам нужно много углекислого газа, столько вы не надышите.
В быту можно получить его из пищевой соды и уксуса. Реакцию соды с кислотой известна всем хозяйкам. Чтобы разрыхлить тесто, в него добавляют «погашенную», т. е. политую уксусом соду.
Вам нужно эту же реакцию провести в обычной пластиковой бутылке из-под любой воды. Аккуратно насыпаем соду в бутылку – достаточно насыпать небольшую горку, чтобы она закрывала дно. Затем наливаем уксус, слегка взбалтываем и через несколько секунд (около 10) прикрываем крышкой (неплотно, не завинчивая). Теперь бутылка заполнена углекислым газом.
Как в этом убедиться? Углекислый газ не поддерживает горение. Осторожно (чтобы не поджечь и не расплавить бутылку!) внесем внутрь тлеющую лучину (неглубоко). Она должна погаснуть. Если же бутылка ещё не заполнена, т. е. углекислый газ не вытеснит воздух, лучинка продолжит тлеть – тогда доливаем уксус.
Время для фокусов
Раз мы получили углекислый газ, нужно как-то его использовать. Например, показать товарищам фокус.
Существует устойчивое выражение «переливать из пустого в порожнее», то есть заниматься ерундой. Но иногда, переливая из пустого в порожнее, мы получаем неожиданный результат! Аккуратно и плавно наклоняя бутылку, «нальем» газ в стаканчик (лучше всего взять высокий стакан). Затем проверим с помощью лучины, есть ли углекислый газ в стаканчике. Как ни странно, есть! Хотя стаканчик кажется пустым и порожним. При надлежащей сноровке возможно сделать еще одно переливание: из большого стакана в маленький.
В чем секрет этого фокуса? Углекислый газ намного тяжелее воздуха (в полтора раза), поэтому он стекает вниз. Близ Неаполя есть так называемая Собачья пещера, куда человек может зайти свободно, а собаки погибают. Это объясняется высокой концентрацией углекислого газа в приземном слое воздуха. Сильное отличие плотности углекислого газа от воздуха приводит к тому, что его можно переливать, как жидкость.
Кислый ли углекислый газ?
Как и все компоненты атмосферы, углекислый газ бесцветен, прозрачен и ничем не пахнет. Имеет ли он вкус? Сам по себе – нет, но не случайно его называют углекислым. При растворении в воде он частично превращается в угольную кислоту, а она, само собой, кислая.
Но полученный раствор почти не кислый. Во-первых, растворимость СО2 невелика: всего 0,88 л в 1 л воды (0,04 моль/л) при обычных условиях. Во-вторых, в кислоту превращается лишь 3 молекулы из 1000, равновесие реакции смещено влево. А в-третьих, угольная кислота очень слабая.
Можно заставить углекислый газ растворяться в воде лучше. Для этого надо увеличить давление. Так и поступают при производстве газированной воды: закачивают его в воду с сиропом и без. В 1 л среднегазированной воды под давлением «запихивается» 18 л газа (примерно 0,8 моль/л), а в сильногазированную – ещё больше.
Когда мы открываем бутылку «газировки», то её внутренность соединяется с атмосферой, и давление падает. Поэтому пузырьки СО2 выделяются из раствора наружу и приятно щекочут язык. Если не дожидаться, пока весь газ выйдет, а отпить сразу, то можно заметить, что «газировка» действительно немного кислая (только если вода не содержит подсластителей; сладость перебьёт кислый вкус).
Реакция со щёлочью
Главное свойство кислоты – это реакция со щёлочью. Значит, и углекислый газ, раз он кислый, должен вступать в такую реакцию. Её можно проделать в той же бутылке, где его получали.
Для начала убедимся, что углекислого газа в бутылке достаточно (применяем лучину!). Если бутылка заполнена не полностью, в неё придется добавить соды или уксуса и проверить снова. Теперь быстро всыплем в бутылку гидроксид натрия (можно использовать средство для очистки труб "Крот" в порошке или гранулах), плотно завинтим крышку и встряхнём бутылку. Примерно через одну минуту бутылка начнёт съёживаться и сплющиваться. В чём дело?
Углекислый газ взаимодействует со щёлочью. При этом, как и положено в реакции между щёлочью и кислотой, образуется соль. А газ расходуется, поглощаясь гидроксидом натрия. Бутылка закрыта, и создающееся разрежение схлопывает её.
Бывает ли СО2 жидким?
У железа есть температура плавления и температура кипения. У воды – тоже (хотя температуру плавления этого вещества мы обычно зовём температурой замерзания, ведь с нашей точки зрения жидкая вода замерзает при охлаждении, а не плавится при нагревании). Есть такие температуры и у азота, и у кислорода. А у углекислого газа – нет! Если его охлаждать, он не превратится в жидкость, а сразу станет твёрдым. И наоборот, если твёрдый СО2 погреть, он перейдет не в жидкое, а в газообразное состояние – происходит сублимация (возгонка). Температура сублимации углекислого газа –78 оС
Разумеется, такое замечательное свойство не могло остаться без применения. Твёрдые кубики СО2 («сухой лёд») использовали, например, для охлаждения мороженого, когда не было электрических холодильников. Очень удобно: «сухой лёд» превращается в газ, минуя жидкое состояние, и мороженое не мокнет. Применяют его как хладагент и в лаборатории, и везде, где нужны такие температуры.
Но если потрясти углекислотный огнетушитель, то в нём что-то плещется. Что это? Жидкий СО2. Как, почему? Углекислый газ нельзя сжижить при охлаждении. Но это можно сделать даже при комнатной температуре, увеличивая давление (при 20 оС для этого потребуется 60 атм). Когда огнетушитель срабатывает, давление падает, при переходе углекислого газа из жидкого состояния в газообразное объём увеличивается в 400–500 раз, происходит сильное охлаждение и частичная кристаллизация.
Горит ли углекислый газ?
Углекислый газ нельзя было бы использовать в огнетушителях, если бы он поддерживал горение. Но он сам – продукт горения, окисления органических веществ, и окисляться дальше не может.
Однако некоторые вещества горят даже в углекислом газе. Например, магний. Он отбирает у СО2 кислород, при этом выделяется энергия, и горение продолжается. Так что тушить загоревшийся магний углекислотным огнетушителем нельзя.
Реакции на воздухе
Хоть в воздухе и мало углекислого газа, на его присутствии, в частности, основано действие современных отбеливателей и силикатного клея.
Силикатный клей – это раствор силиката натрия. Детали, приклеиваемые друг к другу, мы намазываем клеем и оставляем на воздухе. Постепенно углекислый газ из воздуха вытесняет из силиката натрия нерастворимую кремниевую кислоту, и клей застывает.
В отбеливателях «Асе» и подобных ему главное действующее вещество – гипохлорит натрия. Углекислый газ точно так же вытесняет неустойчивую хлорноватистую кислоту, и она разлагается с образованием атомарного кислорода, который активно окисляет красители, выступая отбеливающим агентом.
Вреден ли углекислый газ?
Углекислый газ очень не любят «зелёные». Воспринимают как зло: мол, такой-сякой, загрязняет атмосферу, вызывает парниковый эффект. Призывают ограничить его выбросы, грозятся ввести налог на производство СО2. Ну, давайте представим себе, какое «светлое будущее» наступит, если содержание углекислого газа сильно уменьшится.
Во-первых, заметно упадёт парниковый эффект. Хорошо? Не очень. Когда такое произошло в протерозое из-за взаимодействия углекислого газа с горными породами, случилось великое Гуронское оледенение, которое усугубилось из-за расхода другого парникового газа – метана, реагирующего с появившимся кислородом. Земля замёрзла на 300 миллионов лет, спасли вулканы, постепенно восполнившие недостаток СО2, и возросшая активность Солнца. Кто хочет в ледниковый период? Тем более что мы и так, помимо наших желаний, к нему движемся.
Во-вторых, углекислый газ необходим для фотосинтеза. На самом деле сейчас содержание СО2 для растений неоптимально. У некоторых растений (например, кукуруза, сахарный тростник, просо) эволюция выработала специальные приспособления к низкому уровню углекислого газа, но остальные страдают. Увеличение концентрации СО2 ведёт к приросту биомассы, повышению урожайности. Если же процент СО2 будет уменьшаться, нас ждёт голод.
Конечно, это не значит, что надо собраться и дружно производить углекислый газ. Для человека он не так хорош, как для растений: 8 % СО2 во вдыхаемом воздухе приводит к отравлению со смертельным исходом, при 0,2–0,5 % появляется сонливость и слабость из-за угнетения дыхания. Но до этого ещё очень далеко: современная концентрация углекислого газа в атмосфере 0,04 %. В общем, нет причин ни для паники, ни для бравады.[
