Угарный газ формула
Угарный газ: формула и свойства
Многие газообразные вещества, существующие в природе и получаемые при производствах, являются сильными отравляющими соединениями. Известно, что хлор использовался как биологическое оружие, пары брома обладают сильно разъедающим действием на кожу, сероводород вызывает отравление и так далее.
Одним из таких веществ является и монооксид углерода или угарный газ, формула которого имеет свои особенности в структуре. О нем и пойдет речь дальше.
Химическая формула угарного газа
Эмпирический вид формулы рассматриваемого соединения следующий: СО. Однако такая форма дает характеристику лишь о качественном и количественном составе, но не затрагивает особенности строения и порядок соединения атомов в молекуле. А он отличается от такового во всех прочих подобных газах.
Именно эта особенность влияет на проявляемые соединением физические и химические свойства. Какая же это структура?
Строение молекулы
Во-первых, по эмпирической формуле видно, что валентность углерода в соединении равна II. Так же, как и у кислорода. Следовательно, каждый из них может сформировать по две связи. Химическая формула угарного газа СО это наглядно подтверждает.
Так и происходит. Между атомом углерода и кислорода по механизму обобществления неспаренных электронов происходит образование двойной ковалентной полярной связи. Таким образом, структурная формула угарного газа принимает вид С=О.
Однако на этом особенности молекулы не заканчиваются. По донорно-акцепторному механизму в молекуле происходит формирование третьей, дативной или семиполярной связи. Чем это объясняется? Так как после образования ковалентных связей по обменному порядку у кислорода остается две пары электронов, а у атома углерода - пустая орбиталь, то последний выступает в роли акцептора одной из пар первого. Другими словами, пара электронов кислорода размещается на свободной орбитали углерода и происходит образование связи.
Так, углерод - акцептор, кислород - донор. Поэтому формула угарного газа в химии принимает следующий вид: С≡О. Такая структуризация сообщает молекуле дополнительную химическую стабильность и инертность в проявляемых свойствах при обычных условиях.
Итак, связи в молекуле монооксида углерода:
- две ковалентные полярные, образованные по обменному механизму за счет обобществления неспаренных электронов;
- одна дативная, сформированная по донорно-акцепторному взаимодействию между парой электронов и свободной орбиталью;
- всего связей в молекуле - три.
Физические свойства
Есть ряд характеристик, которыми, как и любое другое соединение, обладает угарный газ. Формула вещества четко дает понять, что кристаллическая решетка молекулярная, состояние при обычных условиях газообразное. Отсюда вытекают следующие физические параметры.
- С≡О - угарный газ (формула), плотность - 1,164 кг/м3.
- Температура кипения и плавления соответственно: 191/205 0С.
- Растворяется в: воде (незначительно), эфире, бензоле, спирте, хлороформе.
- Не имеет вкуса и запаха.
- Бесцветен.
С биологической точки зрения крайне опасен для всех живых существ, кроме определенных видов бактерий.
Химические свойства
С точки зрения химической активности, одно из самых инертных веществ при обычных условиях - это угарный газ. Формула, в которой отражены все связи в молекуле, подтверждает это. Именно из-за такой прочной структуры данное соединение при стандартных показателях окружающей среды практически не вступает ни в какие взаимодействия.
Однако следует хотя бы немного нагреть систему, как дативная связь в молекуле рушится, как и ковалентные. Тогда монооксид углерода начинает проявлять активные восстановительные свойства, причем достаточно сильные. Так, он способен взаимодействовать с:
- кислородом;
- хлором;
- щелочами (расплавы);
- с оксидами и солями металлов;
- с серой;
- незначительно с водой;
- с аммиаком;
- с водородом.
Поэтому, как уже оговаривалось выше, свойства, которые проявляет угарный газ, формула его во многом объясняет.
Нахождение в природе
Основной источник СО в атмосфере Земли - лесные пожары. Ведь главный способ образования данного газа естественным путем - это неполное сгорание различного вида топлива, в основном органической природы.
Антропогенные источники загрязнения воздуха монооксидом углерода так же немаловажны и дают по массовой доле такой же процент, как и природные. К ним относятся:
- дым от работы фабрик и заводов, металлургических комплексов и прочих промышленных предприятий;
- выхлопные газы из двигателей внутреннего сгорания.
В природных условиях угарный газ легко окисляется кислородом воздуха и парами воды до углекислого газа. На этом основана первая помощь при отравлении этим соединением.
Получение
Стоит указать одну особенность. Угарный газ (формула), углекислый газ (строение молекулы) соответственно выглядят так: С≡О и О=С=О. Разница на один атом кислорода. Поэтому промышленный способ получения монооксида основан на реакции между диоксидом и углем: СО2 + С = 2СО. Это самый простой и распространенный способ синтеза данного соединения.
В лаборатории используют различные органические соединения, соли металлов и комплексные вещества, так как выход продукта не ожидают слишком большим.
Качественный реагент на наличие в воздухе или растворе угарного газа - хлорид палладия. При их взаимодействии формируется чистый металл, который вызывает потемнение раствора или поверхности бумаги.
Биологическое действие на организм
Как уже оговаривалось выше, угарный газ - это очень ядовитый бесцветный, опасный и смертоносный вредитель для человеческого организма. Да и не только именно человеческого, а вообще любого живого. Растения, которые находятся под воздействием выхлопных газов автомобилей, гибнут очень быстро.
В чем же именно заключается биологическое воздействие монооксида углерода на внутреннюю среду животных существ? Все дело в формировании прочных комплексных соединений белка крови гемоглобина и рассматриваемого газа. То есть вместо кислорода захватываются молекулы яда. Клеточное дыхание мгновенно блокируется, газообмен становится невозможным в нормальном его течении.
В результате происходит постепенная блокировка всех молекул гемоглобина и, как следствие, смерть. Достаточно поражения всего на 80%, чтобы исход отравления стал летальным. Для этого концентрация угарного газа в воздухе должна составлять 0,1 %.
Первыми признаками, по которым можно определить наступление отравления этим соединением, являются:
- головная боль;
- головокружение;
- потеря сознания.
Первая помощь - выйти на свежий воздух, где угарный газ под влиянием кислорода превратится в углекислый, то есть обезвредится. Случаи смертей от действия рассматриваемого вещества очень часты, особенно в домах с печным отоплением. Ведь при сгорании дров, угля и другого вида топлива в качестве побочного продукта обязательно образуется этот газ. Соблюдение правил техники безопасности крайне важно для сохранения жизни и здоровья человека.
Также много случаев отравления в гаражных помещениях, где собрано много работающих двигателей автомобилей, но недостаточно подведен приток свежего воздуха. Смерть при превышении допустимой концентрации наступает уже через час. Ощутить присутствие газа физически невозможно, ведь ни запаха, ни цвета у него нет.
Использование в промышленности
В металлургической промышленности для реакций восстановления металлов из их оксидов или солей используется часто именно угарный газ. Формула образующегося в результате соединения - СО2. Также формируется чистое вещество - металл.
Кроме того, монооксид углерода применяют:
- для обработки мясных и рыбных продуктов, что позволяет придать им свежий вид;
- для синтезов некоторых органических соединений;
- как компонент генераторного газа.
Поэтому это вещество является не только вредоносным и опасным, но еще и весьма полезным для человека и его хозяйственной деятельности.
Угарный газ: формула, вред, датчик
О том, насколько опасен угарный газ для человека, знают все, кому приходилось сталкиваться с работой отопительных систем, — печек, котлов, бойлеров, водогрейных колонок, рассчитанных на бытовое топливо в любой его форме. Нейтрализовать его в газовом состоянии довольно сложно, эффективных домашних способов бороться с угарным газом не существует, поэтому большая часть защитных мероприятий направлена на предупреждение и своевременное выявление угара в воздухе.
Свойства токсичного вещества
В природе и свойствах угарного газа нет ничего необычного. По сути, это продукт частичного окисления угля или угольсодержащих видов топлива. Формула угарного газа проста и незамысловата – СО, в химических терминах — монооксид углерода. Один атом углерода соединен с атомом кислорода. Так уж устроена природа процессов горения органического топлива, что угарный газ является неотъемлемой частью любого пламени.
Угли, родственные им виды топлива, торф, дрова при нагреве в топке газифицируются в угарный газ, и только потом дожигаются притоком воздуха. Если угар просочился из камеры горения в помещение, то он будет оставаться в стабильном состоянии до момента, когда вентиляцией угарный поток будет вынесен из комнаты или накапливаться, заполняя все пространство, от пола до потолка. В последнем случае спасти положение может только электронный датчик угарного газа, реагирующий на малейшее повышение концентрации токсичного угара в атмосфере помещения.
Что необходимо знать об угарном газе:
- В стандартных условиях плотность угарного газа – 1,25 кг/м3, что очень близко к удельному весу воздуха 1,25 кг/м3. Горячий и даже теплый монооксид легко поднимается под потолок, по мере остывания оседает и перемешивается с воздухом;
- Угарный газ не имеет вкуса, цвета и запаха, даже в условиях высокой концентрации;
- Для начала образования угарного газа достаточно нагреть металл, контактирующий с углеродом, до температуры в 400-500оС;
- Газ способен гореть в воздухе с выделением большого количества тепла, примерно 111 кДж/моль.
Опасно не только вдыхание угарного газа, газовоздушная смесь способна взрываться при достижении объемной концентрации от 12,5% до 74%. В этом смысле газовая смесь похожа на бытовой метан, но гораздо опаснее сетевого газа.
Метан легче воздуха и менее токсичен при вдыхании, кроме того, благодаря добавке в газовый поток специальной присадки – меркаптана, его наличие в помещении легко уловить по запаху. При небольшой загазованности кухни можно без последствий для здоровья войти в помещение и проветрить его.
С угарным газом все сложнее. Близкое родство СО и воздуха препятствует эффективному удалению токсичного газового облака. По мере охлаждения облако газа будет постепенно оседать в области пола. Если сработал датчик угарного газа, или обнаружилась утечка продуктов горения из печи или котла на твердом топливе, необходимо немедленно принимать меры к проветриванию, иначе первыми пострадают дети и домашние питомцы.
Подобное свойство угарного облака ранее широко использовалось для борьбы с грызунами и тараканами, но эффективность газовой атаки значительно ниже современных средств, а риск заработать отравление несоизмеримо выше.
К сведению! Газовое облако СО, при отсутствии вентиляции, способно сохранять свои свойства без изменений длительное время.При наличии подозрения в накоплении угарного газа в подвальных помещения, подсобках, котельных, погребах первым делом необходимо обеспечить максимальное проветривание с кратностью газообмена 3-4 единицы в течение часа.
Условия появления угара в помещении
Монооксид углерода можно получить с помощью десятков вариантов химических реакций, но для этого необходимы специфические реактивы и условия их взаимодействия. Риск заработать отравление газом таким способом практически равен нулю. Основными причинами появления угарного газа в котельной или в помещении кухни остаются два фактора:
- Плохая тяга и частичное перетекание продуктов горения из очага горения в помещение кухни;
- Неправильная эксплуатация котельного, газового и печного оборудования;
- Пожары и локальные очаги возгорания пластика, проводки, полимерных покрытий и материалов;
- Отходящие газы из канализационных коммуникаций.
Источником угарного газа может стать вторичное горение золы, рыхлых отложений сажи в дымоходах, копоть и смола, въевшиеся в кирпичную кладку каминных полок и сажегасителей.
Чаще всего источником газового СО становятся тлеющие угли, догорающие в топке при закрытой задвижке. Особенно много выделяется газа при термическом разложении дров в отсутствии воздуха, примерно половину газового облака занимает угарный газ. Поэтому любые эксперименты с копчением мяса и рыбы на дымке, получаемом от тлеющей стружки, должны выполняться только на открытом воздухе.
Незначительное количество угарного газа может появляться и в процессе приготовления пищи. Например, все, кто сталкивался с установкой на кухне газовых отопительных котлов с закрытой топкой, знают, как реагируют датчики угарного газа на жареную картошку или любые продукты, приготовленные в кипящем масле.
Коварный характер угарного газа
Главная опасность монооксида углерода заключается в том, что невозможно ощутить и почувствовать его присутствие в атмосфере помещения до того момента, как газ попадет с воздухом в органы дыхания и растворится в крови.
Последствия от вдыхания СО зависят от концентрации газа в воздухе и длительности пребывания в помещении:
- Головная боль, недомогание и развитие сонливого состояния начинается при объемном содержании газа в воздухе 0,009-0,011%. Физически здоровый человек способен выдержать до трех часов пребывания в загазованной атмосфере;
- Тошнота, сильная боль в мышцах, судороги, обмороки, потеря ориентации могут развиться при концентрации 0,065-0,07%. Время пребывания в помещении до момента наступления неотвратимых последствий всего1,5-2 ч;
- При концентрации угарного газа выше 0,5% даже несколько секунд пребывания в загазованном пространстве означают летальный исход.
Даже если человек благополучно самостоятельно выбрался из помещения с высокой концентрацией угарного газа, все равно потребуется медицинская помощь и использование антидотов, так как последствия отравления кровеносной системы и нарушения кровообращения мозга все равно проявятся, только чуть позже.
Молекулы угарного газа хорошо поглощаются водой и солевыми растворами. Поэтому в качестве первого подручного средства защиты нередко используются обычные полотенца, салфетки, смоченные любой доступной водой. Это позволяет остановить попадание угарного газа в организм на несколько минут, пока появится возможность покинуть помещение.
Нередко этим свойством монооксида углерода злоупотребляют некоторые владельцы отопительной аппаратуры, в которой встроены датчики СО. При срабатывании чувствительного сенсора, вместо проветривания помещения, зачастую прибор просто накрывают мокрым полотенцем. Как результат, после десятка подобных манипуляций датчик угарного газа выходит из строя, и на порядок возрастает риск заработать отравление.
Технические системы регистрации угарного газа
По сути, сегодня существует только один способ успешно бороться с угарным газом, использовать специальные электронные приборы и датчики, регистрирующие превышение концентрации СО в помещении. Можно, конечно, поступить проще, например, обустроить мощную вентиляцию, как это делают любители отдыха у настоящего кирпичного камина. Но в подобном решении есть определенный риск заработать отравление угарным газом при смене направления тяги в трубе, а кроме того, жить под сильным сквозняком тоже не очень полезно для здоровья.
Устройство датчиков наличия угарного газа
Проблема контроля над содержанием угарного газа в атмосфере жилых и подсобных помещений на сегодня настолько же злободневна, как и наличие пожарной или охранной сигнализации.
В специализированных салонах отопительного и газового оборудования можно приобрести несколько вариантов приборов контроля над содержанием газа:
- Химические сигнализаторы;
- Инфракрасные сканеры;
- Твердотельные датчики.
Чувствительный сенсор прибора обычно комплектуется электронной платой, обеспечивающей питание, калибровку и преобразование сигнала в понятную форму индикации. Это могут быть просто зеленые и красные светодиоды на панели, звуковая сирена, цифровая информация для выдачи сигнала в компьютерную сеть или управляющий импульс для автоматического клапана, перекрывающего подачу бытового газа к отопительному котлу.
Понятно, что использование датчиков с управляемым запирающим клапаном является вынужденной мерой, но зачастую производители отопительного оборудования намеренно встраивают «защиту от дурака», чтобы избежать всевозможных манипуляций с безопасностью газового оборудования.
Химические и твердотельные приборы контроля
Наиболее дешевая и доступная версия датчика с химическим индикатором изготавливается в виде сетчатой колбы, легко проницаемой для воздуха. Внутри колбы находится два электрода, разделенных пористой перегородкой, пропитанной раствором щелочи. Появление угарного газа приводит к карбонизации электролита, проводимость сенсора резко падает, что немедленно считывается электроникой в качестве сигнала тревоги. После установки прибор находится в неактивном состоянии и не срабатывает до тех пор, пока в воздухе не появятся следы угарного газа, превышающие допустимую концентрацию.
В твердотельных датчиках вместо пропитанного щелочью куска асбеста используются двухслойные пакеты из диоксидов олова и рутения. Появление газа в воздухе вызывает пробой между контактами сенсорного устройства и автоматически запускает сигнал тревоги.
Сканеры и электронные сторожа
Инфракрасные датчики, работающие по принципу сканирования окружающего воздуха. Встроенный инфракрасный сенсор воспринимает свечение лазерного светодиода, и по изменению интенсивности поглощения газом теплового излучения срабатывает триггерное устройство.
СО очень хорошо поглощает тепловую часть спектра, поэтому подобные приборы работают в режиме сторожа или сканера. Результат сканирования может выдаваться в виде двухцветного сигнала или индикации величины содержания угарного газа в воздухе на цифровой или линейной шкале.
Какой датчик лучше
Для правильного подбора сенсора наличия угарного газа необходимо учитывать режим работы и характер помещения, в котором предстоит установить сенсорное устройство. Например, химические датчики, считающиеся устаревшими, прекрасно работают в условиях котельных и подсобных помещений. Недорогой прибор для обнаружения угарного газа можно установить на даче или в мастерской. На кухне сетка быстро покрывается пылью и жировыми отложениями, что резко снижает чувствительность химической колбочки.
Полупроводниковые сенсоры угарного газа работают одинаково хорошо в любых условиях, но для их функционирования требуется мощный внешний источник питания. Стоимость прибора выше, чем цена на химические сенсорные системы.
Инфракрасные датчики на сегодня наиболее распространены. Они активно используются для комплектации систем безопасности квартирных котлов индивидуального отопления. При этом чувствительность системы контроля практически не меняется с течением времени из-за пыли или температуры воздуха. Мало того, такие системы, как правило, имеют встроенные механизмы тестирования и калибровки, что позволяет периодически проверять их работоспособность.
Установка приборов контроля над содержанием угарного газа
Сенсоры, осуществляющие контроль над содержанием угарного газа, должны устанавливаться и обслуживаться исключительно профильными специалистами. Периодически приборы подлежат проверке, калибровке, обслуживанию и замене.
Датчик должен устанавливаться на удалении от источника газа от 1 до 4 м, корпус или выносные сенсоры крепятся на высоте 150 см над уровнем пола и обязательно калибруются по верхнему и нижнему порогу чувствительности.
Срок службы квартирных датчиков угарного газа составляет 5 лет.
Заключение
Борьба с образованием угарного газа требует аккуратности и ответственного отношения к установленной аппаратуре. Любые эксперименты с сенсорами, особенно полупроводникового типа, резко снижают чувствительность прибора, что в конечном итоге приводит к увеличению содержания угарного газа в атмосфере кухни и всей квартиры, медленному отравлению всех ее обитателей. Проблема контроля угарного газа настолько серьезна, что, возможно, использование сенсоров в будущем могут сделать обязательным для всех категорий индивидуального отопления.
Оксид углерода(II) - это... Что такое Оксид углерода(II)?
Оксид углерода (II) (угарный газ, окись углерода, монооксид углерода) — бесцветный ядовитый газ (при нормальных условиях) без вкуса и запаха. Химическая формула — CO. Нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени: от 12,5 до 74 % (по объёму)[1].
Строение молекулы
Молекула CO имеет тройную связь, как и молекула азота N2. Так как эти молекулы сходны по строению (изоэлектронны, двухатомны, имеют близкую молярную массу), то и свойства их также схожи — очень низкие температуры плавления и кипения, близкие значения стандартных энтропий и т. п.
В рамках метода валентных связей строение молекулы CO можно описать формулой :C=O:.
Согласно методу молекулярных орбиталей электронная конфигурация невозбуждённой молекулы CO σ²Oσ²zπ4x, yσ²C. Тройная связь образована σ—связью, образованной за счёт σz электронной пары, а электроны дважды вырожденного уровня πx, y соответствуют двум π—связям. Электроны на несвязывающих σC—орбитали и σO—орбитали соответствуют двум электронным парам, одна из которых локализована у атома углерода, другая — у атома кислорода.
Благодаря наличию тройной связи молекула CO весьма прочна (энергия диссоциации 1069 кДж/моль, или 256 ккал/моль, что больше, чем у любых других двухатомных молекул) и имеет малое межъядерное расстояние (dC≡O=0,1128 нм или 1,13Å).
Молекула слабо поляризована, электрический момент её диполя μ = 0,04·10−29Кл·м. Многочисленные исследования показали, что отрицательный заряд в молекуле CO сосредоточен на атоме углерода C−←O+ (направление дипольного момента в молекуле противоположно предполагавшемуся ранее). Ионизационный потенциал 14,0 в, силовая константа связи k = 18,6.
Свойства
Оксид углерода (II) представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха. Горюч. Так называемый «запах угарного газа» на самом деле представляет собой запах органических примесей.
Основными типами химических реакций, в которых участвует оксид углерода (II), являются реакции присоединения и окислительно-восстановительные реакции, в которых он проявляет восстановительные свойства.
При комнатных температурах CO малоактивен, его химическая активность значительно повышается при нагревании и в растворах (так, в растворах он восстанавливает соли Au, Pt, Pd и других до металлов уже при комнатной температуре. При нагревании восстанавливает и другие металлы, например CO + CuO → Cu + CO2↑. Это широко используется в пирометаллургии. На реакции CO в растворе с хлоридом палладия основан способ качественного обнаружения CO, см. ниже).
Окисление СО в растворе часто идёт с заметной скоростью лишь в присутствии катализатора. При подборе последнего основную роль играет природа окислителя. Так, KMnO4 быстрее всего окисляет СО в присутствии мелкораздробленного серебра, K2Cr2O7 — в присутствии солей ртути, KClO3 — в присутствии OsO4. В общем, по своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный водород.
Ниже 830 °C более сильным восстановителем является CO, — выше — водород. Поэтому равновесие реакции:
до 830 °C смещено вправо, выше 830 °C влево.
Интересно, что существуют бактерии, способные за счёт окисления СО получать необходимую им для жизни энергию.
Оксид углерода (II) горит пламенем синего цвета[2] (температура начала реакции 700 °C) на воздухе:
ΔG°298 = −257 кДж, ΔS°298 = −86 Дж/KТемпература горения CO может достигать 2100 °C, она является цепной, причём инициаторами служат небольшие количества водородсодержащих соединений (вода, аммиак, сероводород и др.)
Благодаря такой хорошей теплотворной способности, CO является компонентом разных технических газовых смесей (см., например генераторный газ), используемых, в том числе, для отопления.
Оксид углерода (II) реагирует с галогенами. Наибольшее практическое применение получила реакция с хлором:
Реакция экзотермическая, её тепловой эффект 113 кДж, в присутствии катализатора (активированный уголь) она идёт уже при комнатной температуре. В результате реакции образуется фосген — вещество, получившее широкое распространение в разных отраслях химии (а также как боевое отравляющее вещество). По аналогичным реакцииям могут быть получены COF2 (карбонилфторид) и COBr2 (карбонилбромид). Карбонилиодид не получен. Экзотермичность реакций быстро снижается от F к I (для реакций с F2 тепловой эффект 481 кДж, с Br2 — 4 кДж). Можно также получать и смешанные производные, например COFCl (подробнее см. галогенпроизводные угольной кислоты).
Реакцией CO с F2, кроме карбонилфторида можно получить перекисное соединение (FCO)2O2. Его характеристики: температура плавления −42 °C, кипения +16 °C, обладает характерным запахом (похожим на запах озона), при нагревании выше 200 °C разлагается со взрывом (продукты реакции CO2, O2 и COF2), в кислой среде реагирует с иодидом калия по уравнению:
Оксид углерода (II) реагирует с халькогенами. С серой образует сероксид углерода COS, реакция идёт при нагревании, по уравнению:
ΔG°298 = −229 кДж, ΔS°298 = −134 Дж/KПолучены также аналогичные селеноксид углерода COSe и теллуроксид углерода COTe.
Восстанавливает SO2:
C переходными металлами образует очень летучие, горючие и ядовитые соединения — Карбонилы, такие как Cr(CO)6, Ni(CO)4, Mn2CO10, Co2(CO)9 и др.
Оксид углерода (II) незначительно растворяется в воде, однако не реагирует с ней. Также он не вступает в реакции с растворами щелочей и кислот. Однако реагирует с расплавами щелочей с образованием соответствующих формиатов:
Интересна реакция оксида углерода (II) с металлическим калием в аммиачном растворе. При этом образуется взрывчатое соединение диоксодикарбонат калия:
Реакцией с аммиаком при высоких температурах можно получить важное для промышленности соединение — циановодород HCN. Реакция идёт в присутствии катализатора (диоксид тория ThO2) по уравнению:
Важнейшим свойством оксида углерода (II) является его реакции с водородом (процесс синтеза Фишера-Тропша):
спирты + линейные алканыЭтот процесс является источником производства таких важнейших промышленных продуктов как метанол, синтетическое дизельное топливо, многоатомные спирты, масла и смазки.
С d-металлами образует карбонильные соединения:
Физиологическое действие, токсичность
TLV (предельная пороговая концентрация, США): 25 ppm; 29 мг/м³ (как TWA — среднесменная концентрация, США) (ACGIH 1994—1995). MAC (максимальная допустимая концентрация, США): 30 ppm; 33 мг/м³; Беременность: B (вредный эффект вероятен даже на уровне MAK) (1993). ПДКр.з. по Гигиеническим нормативам ГН 2.2.5.1313—03 составляет 20 мг/м³ (около 0,0017%).
В выхлопе бензинового автомобиля допускается до 1,5-3 %.
По классификации ООН оксид углерода (II) относится к классу опасности 2,3, вторичная опасность по классификации ООН: 2,1.
Угарный газ очень опасен, так как не имеет запаха и вызывает отравление и даже смерть. Признаки отравления: головная боль и головокружение; отмечается шум в ушах, одышка, сердцебиение, мерцание перед глазами, покраснение лица, общая слабость, тошнота, иногда рвота; в тяжёлых случаях судороги, потеря сознания, кома[3][2].
Токсическое действие оксида углерода (II) обусловлено образованием карбоксигемоглобина - значительно более прочного карбонильного комплекса с гемоглобином, в сравнении с комплексом гемоглобина с кислородом (оксигемоглобином)[3], блокируя, таким образом, процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания. Концентрация в воздухе более 0,1 % приводит к смерти в течение одного часа[3].
Опытами на молодых крысах выяснено, что 0,02 % (возможно — 0,02 г/м³, то есть ПДК?) концентрация CO в воздухе замедляет их рост и снижает активность по сравнению с контрольной группой. Интересно то, что крысы, живущие в атмосфере с повышенным содержанием CO, предпочитали воде и раствору глюкозы спиртовой раствор в качестве питья (в отличие от контрольной группы, особи в которой предпочитали воду).
Помощь при отравлении оксидом углерода (II)[3]
Соединение окиси углерода с гемоглобином обратимо.
- Пострадавшего следует вынести на свежий воздух. При отравлении лёгкой степени достаточно гипервентиляции лёгких кислородом.
- Искусственная вентиляция лёгких.
- Лобелин или кофеин под кожу.
- Карбоксилаза внутривенно.
- Ацизол внутримышечно.
Защита от оксида углерода (II)
CO очень слабо поглощается активированным углём обычных фильтрующих противогазов, поэтому для защиты от него применяется специальный фильтрующий элемент (он может также подключаться дополнительно к основному) — гопкалитовый патрон. Гопкалит представляет собой катализатор, способствующий окислению CO в CO2 при нормальных температурах. Недостатком использования гопкалита является то, что при его применении приходится вдыхать нагретый в результате реакции воздух. Обычный способ защиты — использование изолирующего дыхательного аппарата[2].
История открытия
Оксид углерода (II) был впервые получен французским химиком Жаком де Лассоном в 1776 при нагревании оксида цинка с углём, но первоначально его ошибочно приняли за водород, так как он сгорал синим пламенем.
То, что в состав этого газа входит углерод и кислород, выяснил в 1800 английский химик Вильям Крукшэнк. оксид углерода (II) вне атмосферы Земли впервые был обнаружен бельгийским ученым М. Мижотом (M. Migeotte) в 1949 году по наличию основной колебательно-вращательной полосы в ИК спектре Солнца.
Получение
Промышленный способ
Влияние температуры на равновесие реакции :: (тепловой эффект этой реакции 220 кДж),- или при восстановлении диоксида углерода раскалённым углём:
Эта реакция происходит при печной топке, когда слишком рано закрывают печную заслонку (пока окончательно не прогорели угли). Образующийся при этом оксид углерода (II), вследствие своей ядовитости, вызывает физиологические расстройства («угар») и даже смерть (см. ниже), отсюда и одно из тривиальных названий — «угарный газ»[2].
Реакция восстановления диоксида углерода обратимая, влияние температуры на состояние равновесия этой реакции приведено на графике. Протекание реакции вправо обеспечивает энтропийный фактор, а влево — энтальпийный. При температуре ниже 400 °C равновесие практически полностью сдвинуто влево, а при температуре выше 1000 °C вправо (в сторону образования CO). При низких температурах скорость этой реакции очень мала, поэтому оксид углерода (II) при нормальных условиях вполне устойчив. Это равновесие носит специальное название равновесие Будуара.
Лабораторный способ
Можно также обработать муравьиную кислоту хлорсульфоновой. Эта реакция идёт уже при обычной температуре по схеме:- Нагревание смеси щавелевой и концентрированной серной кислот. Реакция идёт по уравнению:
Определение оксида углерода (II)
Качественно можно определить наличие CO по потемнению растворов хлорида палладия (или пропитанной этим раствором бумаги). Потеменение связано с выделением мелкодисперсного металлического палладия по схеме:
Эта реакция очень чувствительная. Стандартный раствор: 1 грамма хлорида палладия на литр воды.
Количественное определение оксида углерода (II) основано на иодометрической реакции:
Применение
- Оксид углерода (II) является промежуточным реагентом, используемым в реакциях с водородом в важнейших промышленных процессах для получения органических спиртов и неразветвлённых углеводородов.
- Оксид углерода (II) применяется для обработки мяса животных и рыбы, придает им ярко красный цвет и вид свежести, не изменяя вкуса (en:Clear smoke или en:Tasteless smoke технология). Допустимая концентрация CO равна 200 мг/кг мяса.
- Угарный газ от выхлопа двигателей применялся нацистами в годы Второй мировой войны для массового умерщвления людей путём отравления.
- Газовая камера
- Газенваген
Оксид углерода (II) в атмосфере Земли
Содержание CO в атмосфере Земли по данным MOPITTРазличают природные и антропогенные источники поступления в атмосферу Земли. В естественных условиях, на поверхности Земли, CO образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений и при сгорании биомассы, в основном в ходе лесных и степных пожаров. Оксид углерода (II) образуется в почве как биологическим путём (выделение живыми организмами), так и небиологическим. Экспериментально доказано выделение оксида углерода (II) за счёт обычных в почвах фенольных соединений, содержащих группы OCh4 или OH в орто- или пара-положениях по отношению к первой гидроксильной группе.
Общий баланс продуцирования небиологического CO и его окисления микроорганизмами зависит от конкретных экологических условий, в первую очередь от влажности и значения pH. Например, из аридных почв оксид углерода (II) выделяется непосредственно в атмосферу, создавая таким образом локальные максимумы концентрации этого газа.
В атмосфере СО является продуктом цепочек реакций с участием метана и других углеводородов (в первую очередь, изопрена).
Основным антропогенным источником CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Оксид углерода образуется при сгорании углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха (подается недостаточное количество кислорода для окисления CO в CO2). В прошлом значительную долю антропогенного поступления CO в атмосферу обеспечивал светильный газ, использовавшийся для освещения помещений в XIX веке. По составу он примерно соответствовал водяному газу, то есть содержал до 45 % оксида углерода (II). В коммунальной сфере не применяется в виду наличия значительно более дешёвого и энергоэффективного аналога - природного газа.
Поступление CO от природных и антропогенных источников примерно одинаково.
Оксид углерода (II) в атмосфере находится в быстром круговороте: среднее время его пребывания составляет около 0,1 года. Основной канал потери CO — окисление гидроксилом до диоксида углерода.
См. также
Примечания
- ↑ Баратов А. Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочное издание: в 2-х книгах. — М.: Химия, 1990. — Т. Книга 2. — С. 384.
- ↑ 1 2 3 4 Оксид углерода. // Российская энциклопедия по охране труда: В 3 т. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС,2007. Архивировано из первоисточника 22 июня 2012. Проверено 5 июня 2012.
- ↑ 1 2 3 4 Справочник фельдшера, под ред. А. Н. Шабанова М.: «Медицина», 1984.
- Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. 5-е изд., испр. — М.: Высш. шк.; 2003 ISBN 5-06-003363-5
- Некрасов Б. В. Основы общей химии. Т. I, изд. 3-е, испр. и доп. Изд-во «Химия», 1973 г. Стр. 495—497, 511—513
- Химия: Справ. из./В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Перс. с нем. 2-е изд., стереотип. — М.:Химия, 2000 ISBN 5-7245-0360-3 (рус.)
- Баратов А. Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочное издание: в 2-х книгах; Книга 2. - М.: Химия, 1990 - 384с.
- Международная карта химической безопасности для монооксида углерода
Угарный газ - это... Что такое Угарный газ?
Монооксид углерода (лат. Carbon monoxide; другие названия — уга́рный газ, окись углерода, моноокись углерода, оксид углерода (II)) — бесцветный газ без вкуса и запаха. Химическая формула CO.
Регистрационные номера:
- ICSC 0023
- RTECS FG3500000
- ООН 1016
- EC 006-001-00-2
Классификация ООН
- Класс опасности ООН 2,3
- Вторичная опасность по классификации ООН 2,1
Строение молекулы
Молекула CO, так же, как и изоэлектронная ей молекула азота, имеет тройную связь. Так как эти молекулы сходны по строению, то и свойства их также схожи — очень низкие температуры плавления и кипения, близкие значения стандартных энтропий и т. п.
В рамках метода валентных связей строение молекулы CO можно описать формулой :C≡O:, причём третья связь образована по донорно-акцепторному механизму, где углерод является акцептором электронной пары, а кислород — донором.
Согласно методу молекулярных орбиталей электронная конфигурация невозбуждённой молекулы CO σ2Oσ2zπ4x, yσ2C. Тройная связь образована σ—связью, образованной за счёт σz электронной пары, а электроны дважды вырожденного уровня πx, y соответствуют двум σ—связям. Электроны на несвязывающих σC—орбитали и σO—орбитали соответствуют двум электронным парам, одна из которых локализована у атома углерода, другая — у атома кислорода.
Благодаря наличию тройной связи молекула CO весьма прочна (энергия диссоциации 1069 кДж/моль, или 256 ккал/моль, что больше, чем у любых других двухатомных молекул) и имеет малое межъядерное расстояние (dC≡O=0,1128 нм или 1,13Å).
Молекула слабо поляризована, электрический момент её диполя μ = 0,04·10-29Кл·м (направление дипольного момента O-→C+). Ионизационный потенциал 14,0 в, силовая константа связи k = 18,6.
История открытия
Монооксид углерода был впервые получен французским химиком Жаком де Лассоном в 1776 при нагревании оксида цинка с углём, но первоначально его ошибочно приняли за водород, так как он сгорал синим пламенем. То, что в состав этого газа входит углерод и кислород, выяснил в 1800 английский химик Вильям Крукшэнк. Моноксид углерода вне атмосферы Земли впервые был обнаружен бельгийским ученым М. Мижотом (M. Migeotte) в 1949 году по наличию основной колебательно-вращательной полосы в ИК спектре Солнца.
Монооксид углерода в атмосфере Земли
Содержание CO в атмосфере Земли по данным MOPITT
Различают природные и антропогенные источники поступления в атмосферу Земли. В естественных условиях, на поверхности Земли, CO образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений и при сгорании биомассы, в основном в ходе лесных и степных пожаров. Монооксид углерода образуется в почве как биологическим путём (выделение живыми организмами), так и небиологическим. Экспериментально доказано выделение монооксида углерода за счёт обычных в почвах фенольных соединений, содержащих группы OCh4 или OH в орто- или пара-положениях по отношению к первой гидроксильной группе.
Общий баланс продуцирования небиологического CO и его окисления микроорганизмами зависит от конкретных экологических условий, в первую очередь от влажности и значения pH. Например, из аридных почв монооксид углерода выделяется непосредственно в атмосферу, создавая таким образом локальные максимумы концентрации этого газа.
В атмосфере СО является продуктом цепочек реакций с участием метана и других углеводородов (в первую очередь, изопрена).
Основным антропогенным источником CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Оксид углерода образуется при сгорании углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха (подается недостаточное количество кислорода для окисления CO в CO2). В прошлом значительную долю антропогенного поступления CO в атмосферу обеспечивал светильный газ, использовавшийся для освещения помещений в XIX веке. По составу он примерно соответствовал водяному газу, то есть содержал до 45 % монооксида углерода. В настоящее время в коммунальной сфере этот газ вытеснен гораздо менее токсичным природным газом (низшие представители гомологического ряда алканов — пропан и др.)
Поступление CO от природных и антропогенных источников примерно одинаково.
Монооксид углерода в атмосфере находится в быстром круговороте: среднее время его пребывания составляет около 0,1 года, окисляясь гидроксилом до диоксида углерода.
Получение
Промышленный способ
1. Образуется при горении углерода или соединений на его основе (например, бензина) в условиях недостатка кислорода:
2C + O2 → 2CO↑ (тепловой эффект этой реакции 22 кДж),
2. или при восстановлении диоксида углерода раскалённым углём:
CO2 + C ↔ 2CO↑ (ΔH=172 кДж, ΔS=176 Дж/К).
Эта реакция часто происходит при печной топке, когда слишком рано закрывают печную заслонку (пока окончательно не прогорели угли). Образующийся при этом монооксид углерода, вследствие своей ядовитости, вызывает физиологические расстройства («угар») и даже смерть (см. ниже), отсюда и одно из тривиальных названий — «угарный газ». Картина протекающих в печи реакций приведена на схеме.
Реакция восстановления диоксида углерода обратимая, влияние температуры на состояние равновесия этой реакции приведено на графике. Протекание реакции вправо обеспечивает энтропийный фактор, а влево — энтальпийный. При температуре ниже 400°C равновесие практически полностью сдвинуто влево, а при температуре выше 1000°C вправо (в сторону образования CO). При низких температурах скорость этой реакции очень мала, поэтому монооксид углерода при нормальных условиях вполне устойчив. Это равновесие носит специальное название равновесие Будуара.
3. Смеси монооксида углерода с другими веществами получают при пропускании воздуха, водяного пара и т. п. сквозь слой раскалённого кокса, каменного или бурого угля и т. п. (см. генераторный газ, водяной газ, смешанный газ, синтез-газ).
Лабораторный способ
1. Разложение жидкой муравьиной кислоты под действием горячей концентрированной серной кислоты, либо пропуская муравьиную кислоту над оксидом фосфора P2O5. Схема реакции:
HCOOH →(t, h3SO4) h3O + CO↑
Можно также обработать муравьиную кислоту хлорсульфоновой. Эта реакция идёт уже при обычной температуре по схеме:
HCOOH + ClSO3H → h3SO4 + HCl + CO↑.
2. Нагревание смеси щавелевой и концентрированной серной кислот. Реакция идёт по уравнению:
h3C2O4 →(t, h3SO4) CO↑ + CO2↑ + h3O.
Выделяющийся совместно с CO диоксид углерода можно удалить, пропустив смесь через баритовую воду.
3. Нагревание смеси гексацианоферрата (II) калия с концентрированной серной кислотой. Реакция идёт по уравнению:
K4[Fe(CN)6] + 6h3SO4 →(t) 2K2SO4 + FeSO4 + 3(Nh5)2SO4 + 6CO↑.
Токсическое действие CO на человека
Физиологическое действие, токсичность
Угарный газ очень опасен, так как не имеет запаха и вызывает отравление и даже смерть. Признаками отравления служат головная боль, головокружение и потеря сознания. Токсическое действие монооксида углерода основано на том, что он связывается с гемоглобином крови прочнее, чем кислород (при этом образуется карбоксигемоглобин), таким образом, блокируя процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания. Предельно допустимая концентрация монооксида углерода в воздухе промышленных предприятий составляет 0,02 мг/л. Концентрация более 0,1 % — смертельна. В выхлопе бензинового автомобиля допускается до 1,5-3 %.
Опытами на молодых крысах выяснено, что 0,02-процентная концентрация CO в воздухе замедляет их рост и снижает активность по сравнению с контрольной группой. Интересно то, что крысы, живущие в атмосфере с повышенным содержанием CO, предпочитали воде и раствору глюкозы спиртовой раствор в качестве питья (в отличие от контрольной группы, особи в которой предпочитали воду).
Помощь при отравлении монооксидом углерода: пострадавшего следует вынести на свежий воздух, полезно также кратковременное вдыхание паров нашатырного спирта.
TLV (предельная пороговая концентрация, США): 25 ПДКр.з. по Гигиеническим нормативам ГН 2.2.5.1313—03 составляет 20 мг/м³
Защита от монооксида углерода
CO очень слабо поглощается активированным углём обычных фильтрующих противогазов, поэтому для защиты от него применяется специальный фильтрующий элемент (он может также подключаться дополнительно к основному) — гопкалитовый патрон. Гопкалит представляет собой катализатор, способствующий окислению CO в CO2 при нормальных температурах. Недостатком использования гопкалита является то, что при его применении приходится вдыхать нагретый в результате реакции воздух.
Свойства
Монооксид углерода представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха. Так называемый «запах угарного газа» на самом деле представляет собой запах органических примесей.
| Стандартная энергия Гиббса образования ΔG | −137,14 кДж/моль (г) (при 298 К) |
| Стандартная энтропия образования S | 197,54 Дж/моль·K (г) (при 298 К) |
| Стандартная мольная теплоёмкость Cp | 29,11 Дж/моль·K (г) (при 298 К) |
| Энтальпия плавления ΔHпл | 0,838 кДж/моль |
| Энтальпия кипения ΔHкип | 6,04 кДж/моль |
| Критическая температура tкрит | −140,23°C |
| Критическое давление Pкрит | 3,499 МПа |
| Критическая плотность ρкрит | 0,301 г/см3 |
Основными типами химических реакций, в которых участвует монооксид углерода, являются реакции присоединения и окислительно-восстановительные реакции, в которых он проявляет восстановительные свойства.
При комнатных температурах CO малоактивен, его химическая активность значительно повышается при нагревании и в растворах (так, в растворах он восстанавливает соли Au, Pt, Pd и других до металлов уже при комнатной температуре. При нагревании восстанавливает и другие металлы, например CO + CuO → Cu + CO2↑. Это широко используется в пирометаллургии. На реакции CO в растворе с хлоридом палладия основан способ качественного обнаружения CO, см. ниже).
Окисление СО в растворе часто идёт с заметной скоростью лишь в присутствии катализатора. При подборе последнего основную роль играет природа окислителя. Так, KMnO4 быстрее всего окисляет СО в присутствии мелкораздробленного серебра, K2Cr2O7 — в присутствии солей ртути, KClO3 — в присутствии OsO4. В общем, по своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный водород.
Ниже 830°C более сильным восстановителем является CO, — выше — водород. Поэтому равновесие реакции:
h3O + CO ↔ CO2 + h3 + 42 кДж
до 830°С смещено вправо, выше 830°C влево.
Интересно, что существуют бактерии, способные за счёт окисления СО получать необходимую им для жизни энергию.
Монооксид углерода горит синим пламенем (температура начала реакции 700°C) на воздухе:
CO + 1/2O2 → 2CO2 ΔG°298 = −257 кДж, ΔS°298 = −86 Дж/K
Температура горения CO может достигать 2100°C, она является цепной, причём инициаторами служат небольшие количества водородсодержащих соединений (вода, аммиак, сероводород и др.)
Благодаря такой хорошей теплотворной способности, CO является компонентом разных технических газовых смесей (см., например генераторный газ), используемых, в том числе, для отопления.
Монооксид углерода реагирует с галогенами. Наибольшее практическое применение получила реакция с хлором:
CO + Cl2 → COCl2
Реакция экзотермическая, её тепловой эффект 113 кДж, в присутствии катализатора (активированный уголь) она идёт уже при комнатной температуре. В результате реакции образуется фосген — вещество, получившее широкое распространение в разных отраслях химии (а также как боевое отравляющее вещество). По аналогичным реакцииям могут быть получены COF2 (карбонилфторид) и COBr2 (карбонилбромид). Карбонилиодид не получен. Экзотермичность реакций быстро снижается от F к I (для реакций с F2 тепловой эффект 481 кДж, с Br2 — 4 кДж). Можно также получать и смешанные производные, например COFCl (подробнее см. галогенпроизводные угольной кислоты).
Реакцией CO с F2, кроме карбонилфторида можно получить перекисное соединение (FCO)2O2. Его характеристики: температура плавления −42°C, кипения +16°C, обладает характерным запахом (похожим на запах озона), при нагревании выше 200°C разлагается со взрывом (продукты реакции CO2, O2 и COF2), в кислой среде реагирует с иодидом калия по уравнению:
(FCO)2O2 + 2KI → 2KF + I2 + 2CO2↑
Монооксид углерода реагирует с халькогенами. С серой образует сероксид углерода COS, реакция идёт при нагревании, по уравнению:
CO + S → COS ΔG°298 = −229 кДж, ΔS°298 = −134 Дж/K
Получены также аналогичные селеноксид COSe и теллуроксид COTe.
Восстанавливает SO2:
SO2 + 2CO → 2CO2 + S
C переходными металлами образует очень летучие, горючие и ядовитые соединения — карбонилы, такие как Cr(CO)6, Ni(CO)4, Mn2CO10, Co2(CO)9 и др.
Как указано выше, монооксид углерода незначительно растворяется в воде, однако не реагирует с ней. Также он не вступает в реакции с растворами щелочей и кислот. Однако с расплавами щелочей вступает в реакцию:
CO + KOH → HCOOK
Интересна реакция монооксида углерода с металлическим калием в аммиачном растворе. При этом образуется взрывчатое соединение диоксодикарбонат калия:
2K + 2CO → K+O-—C2—O-K+
Реакцией с аммиаком при высоких температурах можно получить важное для промышленности соединение — циановодород HCN. Реакция идёт в присутствии катализатора (оксид тория ThO2) по уравнению:
CO + Nh4 → h3O + HCN
Определение монооксида углерода
Качественно можно определить наличие CO по потемнению растворов хлорида палладия (или пропитанной этим раствором бумаги). Потеменение связано с выделением мелкодисперсного металлического палладия по схеме:
PdCl2 + h3O + CO → CO2 + 2HCl + Pd↓
Эта реакция очень чувствительная. Стандартный раствор 1 грамма хлорида палладия на литр воды.
Количественное определение монооксида углерода основано на иодометрической реакции:
5CO + I2O5 → 5CO2 + I2
Применение
- Моноксид углерода применяется для обработки мяса животных и рыбы, придает им ярко красный цвет и вид свежести, не изменяя вкуса (en:Clear smoke или en:Tasteless smoke технология). Допустимая концентрация CO равна 200 мг/кг мяса.
- Инсульт (ОНМК) - новые методы лечения.
См. также
Литература
- Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. 5-е изд., испр. — М.: Высш. шк.; 2003 ISBN 5-06-003363-5
- Некрасов Б. В. Основы общей химии. Т. I, изд. 3-е, испр. и доп. Изд-во «Химия», 1973 г. Стр. 495—497, 511—513
- Химия: Справ. из./В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Перс. с нем. 2-е изд., стереотип. — М.:Химия, 2000 ISBN 5-7245-0360-3 (рус.)
Ссылки
- Международная карта химической безопасности для монооксида углерода
Wikimedia Foundation. 2010.
