56.Кислородсодержащие соединения углерода. Оксиды углерода.

Токсичность оксида углерода (ІІ). Роль оксида углерода(ІV) в процессах

жизнедеятельности. Парниковый эффект.

Кислородсодержащие соединения углерода.

В соединениях с кислородом атомы углерода проявляют, как правило, устойчивую положительную степень окисления +4.Наиболее важными в практическом отношении являются диоксид углерода СО₂ и соли несуществующей в свободном состоянии угольной кислоты - карбонаты.

Кроме того, есть небольшая группа килородсодержащих соединений углерода, в которых он имеет степень окисления +2. Это монооксид углерода СО и его производные.

СО - оксид углерода (II), угарный газ. В молекуле СО существует тройная связь. Две из трех связей образованы по обменному механизму, а одна - по донорно-акцепторному.Это самая прочная из всех двухатомных молекул (энергия связи 1069 кДж/моль), поэтому СО является химически малоактивным веществом.

Наличие неподеленных электронных пар у атомов углерода и кислорода обусловливает возможность образования прочных комплексных соединений с d-элементами

При обычной температуре СО - бесцветный газ, без запаха, очень плохо растворяется в воде, лучше - в спирте.

Монооксид углерода - ядовитый газ, разрушает комплекс гемоглобина с кислородом.

1. Промышленные:

С + H₂O → CO + Н₂

СН₄ + Н₂О → СО + ЗН₂

СН₄ + СО₂ → 2СО + 2Н₂ В качестве катализаторов используют Ni, MgO, Al₂О₃.

2СН₄ + 3О₂ → 2СО + 4Н₂О

2С + О₂ = 2СО (горение угля в недостатке О₂)

2. Лабораторные:

HCOOH → CО + Н₂О

Н₂С₂O₄ → CО + CО₂+ Н₂О

При обычных условиях не реагирует с водой, кислотами, щелочами, поэтому относится к типу несо леобразующих оксидов. Однако формально его можно рассматривать как ангидрид муравьиной кислоты. Основанием для этого является его образование при дегидратации НСООН (см. выше), а также получение формиата натрия при пропускании СО через концентрированный раствор NaOH под высоким давлением:

СО + NaOH → HCOONa формиат натрия

1. Взаимодействие с кислородом и галогенами:

2СО + О₂ = 2СО₂

СО + Cl₂ = COCl₂ фосген

2. Восстановление металлов из их оксидов (реакции осуществляются при Т - 300—1500°С):

2СО + SnО₂ → Sn + 2СО₂

4СО + Fe₃O₄ → 3Fe + 4CО₂

3. Восстановление водорода из воды:

СО + Н₂О = Н₂ + CО₂

Эта реакция в присутствии катализаторов, содержащих Pt или Pd, происходит при обычной температуре, что используется для удаления СО из выхлопных газов автомобилей.

4. Восстановление некоторых благородных металлов из солей (при комнатной Т):

СО + PdCl₂ + Н₂О = Pd↓ + СО₂↑ + 2HCl

1. Синтез метанола СО + 2Н₂ → СН₃ОН

2. Синтез метана и его гомологов: СО + 3Н₂ → CН₄ + Н₂О

nCO + (2n + 1)H₂ → С_nН_2n + nН₂O

Молекулы СО довольно легко присоединяются к атомам некоторых d-металлов. В образовании донорно-акцепторных связей участвуют неподеленные электронные пары атомов углерода в молекулах СО и свободные орбитали атомов металлов:

4СО + Ni = [Ni(CO)₄] тетракарбонил никеля

5СО + Fe = [Fe(CO)₅] пентакарбонил железа

СО связывается с ионами Fe²⁺ в гемоглобине (НЬ) подобно О₂. Сродство НЬ человека к СО более чем в 200 раз превышает сродство к О₂, поэтому СО способен вытеснять О₂ из оксигемоглобина НЬО₂:

НЬО₂ + СО → НbСО + О₂

Этим и объясняется высокая токсичность угарного газа.

СО₂ - оксид углерода (IV), углекислый газ, угольный ангидрид, диоксид углерода. В молекуле СО₂ атом углерода связан полярными ковалентными связями с двумя атомами кислорода: O=С=O. Молекула имеет симметричное линейное строение, вследствие чего в целом неполярна (дипольный момент равен O).

При обычных условиях СО₂ - бесцветный негорючий газ, значительно тяжелее воздуха, со слабым кисловатым запахом и вкусом Уже при комнатной температуре под давлением сжижается, а при более низкой температуре превращается в твердую снегообразную массу («сухой лед»). О растворении в воде - см. ниже.

1. Разложение карбонатов и гидрокарбонатов:

СаСО₃ → СаО + CО₂↑

2NaHCО₃ = Na₂CО₃ + CО₂↑ + Н₂O

2. Сжигание угля и других видов топлива:

С_xН_y + О₂ → СО₂ + Н₂O

3. Действие сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:MgCО₃ + 2HCl = MgCl₂ + Н₂O + CО₂↑

4. Спиртовое брожение глюкозы:

С₆Н₁₂O₆ → 2СО₂↑ + 2С₂Н₅ОН

Химически диоксид углерода - довольно инертное вещество. Основной тип взаимодействия СО₂ связан с проявлением свойств кислотного оксида.

1. Взаимодействие с водой.

При растворении углекислого газа в воде небольшая часть его молекул (менее 1 %) соединяется с молекулами Н20, образуя очень слабую угольную кислоту:

СО₂ + Н₂O = Н₂СО₃

2. Взаимодействие со щелочами и основными оксидами.

СО₂ + 2NaOH = Na₂CО₃ карбонат натрия

СО₂ + NaOH = NaHCО₃ гидрокарбонат натрия

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃↓ + Н₂O

Эта реакция используется как качественная для обнаружения СО₂↑.

3. Взаимодействие с водными растворами солей, образованных очень слабыми кислотами (слабее угольной):

Na₂SiО₃ + СО₂ + Н₂O = H₂SiО₃↓ + Na₂CО₃

С₆Н₅ОК + СО₂ + Н₂O = С₆Н₅ОН + КНСО₃

СО₂ - биохимически активное вещество. В листьях растений на свету из СО₂ и Н₂O образуются углеводы и кислород:

_nСО₂ + _mН₂O → С_n(Н₂O)_m + _nО₂

При высокой температуре диоксид углерода реагирует с очень активными металлами, а также с другими сильными восстановителями (С, Н₂, NH₃). Примеры реакций:

СО₂ + 2Мg = 2МgО + С

СО₂ + С = 2СО

СО₂ + ЗН₂ → СН₃ОН + Н₂O

а) Синтез мочевины (карбамида):

СО₂ + 2NH₃ → CO(NH₂)₂ + Н₂O

б) Получение питьевой соды по методу Сольвэ:

NaCl + NH₃ + СО₂ + Н₂O = NaHCO₃ + NH₄Cl

Растворимость угольного ангидрида в воде при обычных условиях сравнительно невелика (в 1 л воды - 1 л СО₂), при этом только очень небольшая его часть (менее 1 %) соединяется с водой, образуя непрочную угольную кислоту:

СО₂ + Н₂O → Н₂СО₃

Будучи 2-основной кислотой, Н₂СО₃ диссоциирует ступенчато с образованием гидрокарбонат- и карбонат-анионов:

Н₂СО₃ → Н⁺ + НСО₃^-

НСО₃^- → Н⁺ + СО₃^2-

Угольная кислота существует только в водных растворах, где количество ее молекул и анионов в сотни раз меньше, чем количество растворенных молекул СО₂.

Н₂СО₃ как индивидуальное вещество не имеет никакого значения, но ее соли очень устойчивы и весьма распространены.

Растворимыми в воде солями являются карбонаты щелочных металлов и аммония. Вследствие высокой степени гидролиза их водные растворы имеют сильнощелочную реакцию и в целом ряде случаев ведут себя как основания средней силы.

Na₂СО₃ + Н₂O = NaOH + NaHСО₃

СО₃^2- + Н₂O = ОН^- + НСО₃^-

Карбонаты щелочных Me при нагревании до т. пл. (~ 800 - 1000°С) не разлагаются. Все остальные карбонаты разлагаются, не достигнув т. пл., образуя углекислый газ и соответствующий оксид МеО. Термическое разложение СаСО₃ широко используется для получения негашеной извести и СО₂:

СаСО₃ = СаО + СО₂↑

При температуре от 700 до 900"С эта реакция обратима, ее равновесие смещают путем изменения давления СО₂. Особенно легко разлагается карбонат аммония:

(NH₄)2CО₃ = 2NH₃↑ + СО₂↑ + Н₂O

Почти все кислоты, даже такие слабые, как уксусная, легко разлагают карбонаты, вытесняя из них угольную кислоту в виде СО₂ и Н₂O:

Na2CО₃ + 2HCl = 2NaCl + Н₂O + CО₂↑

СаСО₃ + 2HNO₃ = Са(NO₃)2 + Н₂O + CО₂↑ (NH₄)₂CО₃ + 2СН₃СООН = 2CH₃COONH₄ + CО₂ + Н₂O

При пропускании СО₂ в растворы карбонатов или при постепенном добавлении к ним кислот происходит образование кислых солей - гидрокарбонатов:

Na₂C₃ + СО₂ + Н₂O = 2NaHC₃

Na₂C₃ + HCI = NaHCO₃ + NaCl

В природе происходит медленное растворение известняков под действием атмосферных осадков и СО₂:

СаСО₃ + Н₂O + СО₂ = Са(НСO₃)₂

Катионы NH₄⁺, щелочных и щелочноземельных Me, а также некоторые другие 2-зарядные катионы образуют с анионами НСО₃^- соли - гидрокарбонаты. Все они легко растворяются в воде, за исключением NaHCО₃.

При кипячении растворов гидрокарбонатов происходит их превращение в карбонаты или гидроксиды металлов с отщеплением СО₂:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃↓ + Н₂O + СО₂↑

Mg(HCО₃)₂ = Мg(ОН)₂↓ + Н₂O + 2СО₂↑

Водные растворы гидрокарбонатов также имеют щелочную среду вследствие гидролиза, но рН значительно меньше, чем у растворов карбонатов. Гидролиз аниона НСО₃^- протекает по схеме:НСО₃^- + Н₂O → ОН^- + Н₂СО₃Сода - один из главных продуктов неорганического синтеза. В промышленности ее получают ам миачно-хлоридным способом, основанном на малой растворимости NaHCО₃ в воде (метод Сольвэ):

NH₃ + CО₂ + Н₂O = NH₄HCО₃ NH₄HCО₃ + NaCl = NaHCО₃ + NH₄Cl

NH₃ + CО₂ + Н₂O + NaCI = NaHCО₃ + NH₄Cl

При прокаливании NaHCО₃ разлагается с образованием Na₂CО₃, СО₂ и воды.

1. Распознавание карбонатов в виде твердых веществ производится с помощью HCl или H₂SО₄ (разбавленных растворов) Выделяющийся при их взаимодействии СО₂ определяют по помутнению известковой воды:

СО₃^2- + 2Н⁺ = СО₂↑ + Н₂O

СО₂ + Са(ОН)2 = СаСО₃↓ + Н₂O

При избытке СО₂ помутнение исчезает и раствор вновь становится прозрачным:

СаСО₃ + Н₂O + СО₂ = Са(НСО₃)₂

2. Распознавание карбонат-анионов в растворе можно осуществить введением катионов Са²⁺ , что приводит к выпадению в осадок нерастворимого СаСО₃.

Na₂CО₃•10Н₂O - Кристаллическая сода

Na₂CО₃ - Кальцинированная сода

NaHCО₃ - Питьевая сода

К₂СО₃ - ПоташСаСО₃ - Кальцит, известняк, мел, мрамор

MgCО₃ – Магнезит СаСО₃•МgСО₃ - Доломит

(СиОН)₂СО₃ - Малахит, основной карбонат меди

FeCО₃ - Шпатовый железняк

Токсичность оксида углерода (ІІ).

Оксид углерода (СО) – газ без цвета, запаха и вкуса; горит синим пламенем до образования углекислого газа – диоксида углерода (СО₂). В бытовых условиях (в деревне, на даче) синее пламя на углях в печи всегда являлось признаком присутствия угарного газа. При неисправном дымоходе или преждевременном закрывании печной заслонки наблюдались случаи отравления этим газом (угар). Отсюда произошло его бытовое название - угарный газ. По токсичности угарный газ близок к синильной кислоте.

 

Механизм биологического воздействия СО.

Воздействие на кровь. Поступая с воздухом в лёгкие, СО проникает в кровь, где соединяется с гемоглобином, одним из белков крови. Образуется устойчивое соединение карбоксигемоглобин (НbСО). Реакции образования комплексов кислорода и оксида углерода с гемоглобином (Нb) являются обратимыми:

Нb + О₂ = НbО₂ (образование оксигемоглобина);

Нb + СО = НbСО (образование карбоксигемоглобина);

НbО₂ + СО = НbСО + О₂ (вытеснение кислорода оксидом углерода).

Скорости этих реакций различны: соединение гемоглобина с СО происходит в 10 раз медленнее, чем с О₂ , но обратная реакция диссоциации (разрушения) карбоксигемоглобина в крови происходит тоже значительно медленнее, чем оксигемоглобина (по некоторым данным – в 3600 раз). Это обусловливает быстрое накопление НbСО даже при небольшом содержании СО в воздухе. Нарушается механизм переноса кислорода из лёгких к тканям в виде НbО₂ и из тканей к лёгким в виде комплекса гемоглобина с углекислым газом (НbСО₂ ). А так как образовавшееся соединение НbСО перестает участвовать в обменных процессах; в организме возникает дефицит кислорода, удушье.

Кроме того, в присутствии СО в крови ухудшается способность НbО₂ к диссоциации, т.е. замедляется отдача тканям кислорода. Если концентрация НbСО в крови млекопитающих достигает 50% и выше, то это грозит их гибелью.

Воздействие на ткани. СО в организме в основном связывается с железом гемоглобина, но при хроническом отравлении молекулы СО фиксируются негемоглобиновым железом плазмы. СО переходит из крови в ткани и соединяется с железосодержащими ферментами и миоглобином. Миоглобин – это внутриклеточный пигмент, обусловливающий красный цвет мышц; выполняет роль краткосрочного резерва кислорода. Аналогично образованию карбоксигемоглобина (НbСО) миоглобин образует карбоксимиоглобин (МbСО) – до 30% при остром отравлении.

Симптомы отравления. При аварийных ситуациях, при пожаре, при вдыхании выхлопных газов, и даже при курении следует учитывать, что угарный газ воздействует на человека даже в небольших концентрациях, так как он обладает способностью накапливаться в организме (суммироваться в виде карбоксигемоглобина), при этом тормозятся защитные реакции организма. Человек обычно не чувствует, когда он начинает вдыхать токсичный газ, однако через некоторое время появляется головная боль, ослабление зрения, головокружение, тошнота. При дальнейшем воздействии угарного газа теряется реальное чувство времени, нарушается ориентация в пространстве и, если потерпевший срочно не покинет помещение, возможен летальный исход. Кроме того, воздействие СО притупляет ощущение боли от полученных ожогов, и это еще один фактор неадекватного поведения человека, например, при пожаре.

Индивидуальная восприимчивость.Индивидуальные различия в чувствительности к острым и хроническим отравлениям СО довольно велики. Обнаруживаются половые и возрастные особенности реакции организма на воздействие СО: женщины более устойчивы чем мужчины к токсическому действию этого яда, а маленькие дети более устойчивы, чем пожилые люди. Зарегистрированы случаи, когда при бытовых отравлениях СО погибали родители, а их грудные дети оставались живы. Особенно чувствительны подростки и беременные женщины (при отравлении в первые 3 месяца беременности возможны уродства плода или развитие тяжелой энцефалопатии).

Тяжело переносят отравление алкоголики, курящие люди, а также лица, страдающие бронхитом и астмой, сердечными заболеваниями, болезнями легких, диабетом, анемией, болезнями печени, кровообращения и некоторыми другими.

Понижение и повышение температуры воздуха, уменьшение концентрации кислорода, а также повышенная физическая нагрузка, шум, вибрация усиливают токсическое действие СО. Примеси некоторых химических веществ могут усиливать или незначительно снижать действие СО.

Роль оксида углерода(IV) в процессах жизнедеятельности.

Как влияет диоксид углерода на организм человека

Как пищевая добавка углекислый газ признан «условно безопасным» и разрешен к использованию практически во всех странах мира, в том числе и в России. Тем не менее, по утверждению специалистов, чрезмерное употребление, например в составе газированных напитков, диоксида углерода, вред которого заключается в способности увеличивать всасываемость кишечника, может привести к следующим неприятным последствиям:

• быстрое опьянение в результате употребления газированных алкогольных напитков;

• вздутие живота и отрыжка;

• существуют данные, что сильногазированные напитки способны вымывать кальций из костей.

Читайте также:  Хлорид водорода(соляная кислота) влияние на человека

Медики настоятельно рекомендуют отказаться от употребления газированных напитков людям, страдающим заболеваниями желудочно-кишечного тракта.

Несмотря на то, что углекислый газ нетоксичен, повышение его концентрации во вдыхаемом воздухе может быть опасным. При незначительном увеличении уровня углекислого газа человек ощущает слабость и сонливость, если же наблюдаются такие симптомы как удушье, головокружение, расстройства слуха или даже потеря сознания – концентрация двуокиси углерода в воздухе чрезмерна. Вред диоксида углерода в этом случае будет заключаться в гиперкапнии (состоянии, когда концентрация углекислого газа в крови резко возрастает), что может привести даже к смерти от удушья.

Вред угольного ангидрида

Дети и взрослые очень любят разнообразные шипучие напитки за содержащиеся в них воздушные пузырьки. Эти скопления воздуха — чистый углекислый газ, выделяющийся при откручивании колпачка бутылки. Используемый в таком качестве, он не приносит организму человека никакой пользы. Попадая в желудочно-кишечный тракт, угольный ангидрид раздражает слизистые оболочки, провоцирует повреждение эпителиальных клеток.

Для человека с заболеваниями желудка крайне нежелательно употребление газированных напитков, так как под их воздействием усиливается воспалительный процесс и изъязвление внутренней стенки органов пищеварительной системы.

Гастроэнтерологи запрещают пить лимонады и минеральную воду пациентам с такими патологиями:

• острый, хронический, катаральный гастрит;

• язва желудка и двенадцатиперстной кишки;

• дуоденит;

• снижение перистальтики кишечника;

• доброкачественные и злокачественные новообразования желудочно-кишечного тракта.

Следует учесть, что по статистическим данным ВОЗ более половины жителей планеты Земля страдают от той или иной формы гастрита. Основные симптомы заболевания желудка: кислая отрыжка, изжога, вздутие живота и боли в эпигастральной области.

Если человек не в силах отказаться от употребления напитков с углекислым газом, то ему следует остановить выбор на слабогазированной минеральной воде.

Специалисты советуют исключить лимонады из повседневного рациона. После проведенных статистических исследований у людей, которые длительно пили сладкую воду с углекислым газом, были выявлены такие заболевания:

• кариес;

• эндокринные нарушения;

• повышенная хрупкость костной ткани;

• жировая дистрофия печени;

• образование конкрементов в мочевом пузыре и почках;

• нарушения метаболизма углеводов.

Читайте также:  Технический углерод: структура и воздействие

Сотрудники офисных помещений, не оборудованных кондиционерами, часто испытывают мучительные головные боли, тошноту, слабость. Это состояние у человека возникает при избыточном скоплении в комнате углекислого газа. Постоянное нахождение в такой обстановке приводит к ацидозу (повышению кислотности крови), провоцирует снижение функциональной активности всех систем жизнедеятельности.

Польза углекислого газа

Оздоровляющее действие двуокиси углерода на организм человека широко используется в медицине в терапии различных заболеваний. Так, в последнее время пользуются огромной популярностью сухие углекислые ванны. Процедура заключается в воздействии углекислого газа на тело человека при отсутствии посторонних факторов: давления воды и температуры окружающей среды.

Косметические салоны и лечебные учреждения предлагают клиентам проведение необычных врачебных манипуляций:

• пневмопунктуру;

• карбокситерапию.

Под сложными терминами скрываются газовые уколы или инъекции углекислым газом. Такие процедуры можно отнести как к разновидностям мезотерапии, так и к методикам реабилитации после перенесенных тяжелых заболеваний.

Перед проведением этих процедур следует посетить лечащего врача для консультации и тщательной диагностики. Как и все методики терапии, уколы с углекислым газом имеют противопоказания к применению.

Полезные свойства двуокиси углерода используются в терапии сердечно-сосудистых заболеваний, артериальной гипертензии. А сухие ванны снижают содержание свободных радикалов в организме, обладают омолаживающим действием. Углекислый газ увеличивает сопротивляемость человека вирусным и бактериальным инфекциям, укрепляет иммунитет, повышает жизненный тонус.

Парниковый эффект.

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар^[9]. При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 ^Вт⁄_м², средняя температура на поверхности должна составлять -19,5 °C. В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +14 °C, то есть, парниковый эффект приводит к её увеличению на 34 °C^[10]. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO₂ является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания молекулы). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту^[2].

Кроме инфракрасных свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO₂ — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности^[11]. Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO₂ приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере^[12][13][14]. Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm (в октябре 2020 уже 415 ppm в среднем за год^[15]) эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты^[16]. Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго.