Моноокси́д углеро́да (уга́рный газ , о́кись углеро́да , оксид углерода(II) ) - бесцветный чрезвычайно токсичный газ без вкуса и запаха, легче воздуха (при нормальных условиях). Химическая формула - CO.
Строение молекулы
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 (d C≡O =0,1128 нм или 1,13 Å ).
Молекула слабо поляризована, её электрический дипольный момент μ = 0,04⋅10 −29 Кл·м . Многочисленные исследования показали, что отрицательный заряд в молекуле CO сосредоточен на атоме углерода C − ←O + (направление дипольного момента в молекуле противоположно предполагавшемуся ранее). Энергия ионизации 14,0 эВ , 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.
| 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 C p | 29,11 Дж/моль·K (г.) (при 298 К) |
| Энтальпия плавления ΔH пл | 0,838 кДж/моль |
| Энтальпия кипения ΔH кип | 6,04 кДж/моль |
| Критическая температура t крит | −140,23 °C |
| Критическое давление P крит | 3,499 МПа |
| Критическая плотность ρ крит | 0,301 г/см³ |
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 , , и других до металлов уже при комнатной температуре. При нагревании восстанавливает и другие металлы, например CO + CuO → Cu + CO 2 . 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, KMnO 4 быстрее всего окисляет СО в присутствии мелкораздробленного серебра , K 2 Cr 2 O 7 - в присутствии солей , KClO 3 - в присутствии OsO 4 . В общем, по своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный водород.
Ниже 830 °C более сильным восстановителем является CO, - выше - водород. Поэтому равновесие реакции
H 2 O + C O ⇄ C O 2 + H 2 {\displaystyle {\mathsf {H_{2}O+CO\rightleftarrows CO_{2}+H_{2}}}}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 (температура начала реакции 700 °C ) на воздухе:
2 C O + O 2 → 2 C O 2 {\displaystyle {\mathsf {2CO+O_{2}\rightarrow 2CO_{2}}}} (ΔG ° 298 = −257 кДж, ΔS ° 298 = −86 Дж/K).Температура горения CO может достигать 2100 °C . Реакция горения 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. В смеси с воздухом взрывоопасен; нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени: от 12,5 до 74 % (по объёму) .
галогенами . Наибольшее практическое применение получила реакция с хлором :
C O + C l 2 → C O C l 2 . {\displaystyle {\mathsf {CO+Cl_{2}\rightarrow COCl_{2}}}.}Реакцией CO с F 2 , кроме карбонилфторида COF 2 , можно получить перекисное соединение (FCO) 2 O 2 . 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 CO 2 , O 2 и COF 2), в кислой среде реагирует с иодидом калия по уравнению:
(F C O) 2 O 2 + 2 K I → 2 K F + I 2 + 2 C O 2 . {\displaystyle {\mathsf {(FCO)_{2}O_{2}+2KI\rightarrow 2KF+I_{2}+2CO_{2}.}}}Оксид углерода(II) реагирует с халькогенами . С серой образует сероксид углерода COS, реакция идёт при нагревании, по уравнению:
C O + S → C O S {\displaystyle {\mathsf {CO+S\rightarrow COS}}} (ΔG ° 298 = −229 кДж, ΔS ° 298 = −134 Дж/K).Получены также аналогичные селеноксид углерода COSe и теллуроксид углерода COTe.
Восстанавливает SO 2:
2 C O + S O 2 → 2 C O 2 + S . {\displaystyle {\mathsf {2CO+SO_{2}\rightarrow 2CO_{2}+S.}}}C переходными металлами образует горючие и ядовитые соединения - карбонилы , такие как , , , , и др. Некоторые из них летучие.
n C O + M e → [ M e (C O) n ] {\displaystyle {\mathsf {nCO+Me\rightarrow }}}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 :
C O + K O H → H C O O K . {\displaystyle {\mathsf {CO+KOH\rightarrow HCOOK.}}}Интересна реакция оксида углерода(II) с металлическим калием в аммиачном растворе. При этом образуется взрывчатое соединение диоксодикарбонат калия :
2 K + 2 C O → K 2 C 2 O 2 . {\displaystyle {\mathsf {2K+2CO\rightarrow K_{2}C_{2}O_{2}.}}} x C O + y H 2 → {\displaystyle {\mathsf {xCO+yH_{2}\rightarrow }}} спирты + линейные алканы.Этот процесс является источником производства таких важнейших промышленных продуктов как метанол , синтетическое дизельное топливо, многоатомные спирты, масла и смазки.
Физиологическое действие
Токсичность
Угарный газ очень токсичен.
Токсическое действие оксида углерода(II) обусловлено образованием карбоксигемоглобина - значительно более прочного карбонильного комплекса с гемоглобином , по сравнению с комплексом гемоглобина с кислородом (оксигемоглобином) . Таким образом, блокируются процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания . Концентрация в воздухе более 0,1 % приводит к смерти в течение одного часа .
- Пострадавшего следует вынести на свежий воздух. При отравлении лёгкой степени достаточно гипервентиляции лёгких кислородом.
- Искусственная вентиляция лёгких.
- Лобелин или кофеин под кожу.
- Карбоксилаза внутривенно.
Мировой медицине неизвестны надежные антидоты для применения в случае отравления угарным газом .
Защита от оксида углерода(II)
Эндогенный монооксид углерода
Эндогенный монооксид углерода вырабатывается в норме клетками организма человека и животных и выполняет функцию сигнальной молекулы. Он играет известную физиологическую роль в организме, в частности, является нейротрансмиттером и вызывает вазодилатацию . Ввиду роли эндогенного угарного газа в организме, нарушения его метаболизма связывают с различными заболеваниями, такими, как нейродегенеративные заболевания, атеросклероз кровеносных сосудов , гипертоническая болезнь , сердечная недостаточность , различные воспалительные процессы .
Эндогенный угарный газ образуется в организме благодаря окисляющему действию фермента гемоксигеназы на гем , являющийся продуктом разрушения гемоглобина и миоглобина , а также других гемосодержащих белков. Этот процесс вызывает образование в крови человека небольшого количества карбоксигемоглобина, даже если человек не курит и дышит не атмосферным воздухом (всегда содержащим небольшие количества экзогенного угарного газа), а чистым кислородом или смесью азота с кислородом.
Вслед за появившимися в 1993 году первыми данными о том, что эндогенный угарный газ является нормальным нейротрансмиттером в организме человека , а также одним из трёх эндогенных газов, которые в норме модулируют течение воспалительных реакций в организме (два других - оксид азота (II) и сероводород), эндогенный угарный газ привлёк значительное внимание клиницистов и исследователей как важный биологический регулятор. Было показано, что во многих тканях все три вышеупомянутых газа являются противовоспалительными веществами, вазодилататорами , а также вызывают ангиогенез . Однако не всё так просто и однозначно. Ангиогенез - не всегда полезный эффект, поскольку он, в частности, играет роль в росте злокачественных опухолей, а также является одной из причин повреждения сетчатки при макулярной дегенерации. В частности, важно отметить, что курение (основной источник угарного газа в крови, дающий в несколько раз большую концентрацию его, чем естественная продукция) повышает риск макулярной дегенерации сетчатки в 4-6 раз.
Существует теория о том, что в некоторых синапсах нервных клеток, где происходит долговременное запоминание информации, принимающая клетка в ответ на принятый сигнал вырабатывает эндогенный угарный газ, который передаёт сигнал обратно передающей клетке, чем сообщает ей о своей готовности и в дальнейшем принимать сигналы от неё и повышая активность клетки-передатчика сигнала. Некоторые из этих нервных клеток содержат гуанилатциклазу, фермент, который активируется при воздействии эндогенного угарного газа.
Исследования, посвящённые роли эндогенного угарного газа как противовоспалительного вещества и цитопротектора, проводились во множестве лабораторий по всему миру. Эти свойства эндогенного угарного газа делают воздействие на его метаболизм интересной терапевтической мишенью для лечения таких разных патологических состояний, как повреждение тканей, вызванное ишемией и последующей реперфузией (а это, например, инфаркт миокарда , ишемический инсульт), отторжение трансплантата, атеросклероз сосудов, тяжёлый сепсис , тяжёлая малярия , аутоиммунные заболевания. Проводились в том числе и клинические испытания на человеке, однако результаты их пока ещё не опубликованы .
Суммируя, то, что известно на 2015 год о роли эндогенного угарного газа в организме, можно изложить следующим образом :
- Эндогенный угарный газ - одна из важных эндогенных сигнальных молекул;
- Эндогенный угарный газ модулирует функции ЦНС и сердечно-сосудистой системы ;
- Эндогенный угарный газ ингибирует агрегацию тромбоцитов и их адгезию к стенкам сосудов;
- Влияние на обмен эндогенного угарного газа в будущем может быть одной из важных терапевтических стратегий при ряде заболеваний.
История открытия
Токсичность дыма, выделяющегося при горении угля, была описана ещё Аристотелем и Галеном .
Оксид углерода(II) был впервые получен французским химиком Жаком де Лассоном в 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 английский химик Вильям Крюйкшенк . Токсичность газа была исследована в 1846 году французским медиком Клодом Бернаром в опытах на собаках .
Оксид углерода(II) вне атмосферы Земли впервые был обнаружен бельгийским учёным М. Мижотом (M. Migeotte) в 1949 году по наличию основной колебательно-вращательной полосы в ИК-спектре Солнца. Оксид углерода(II) в межзвёздной среде был обнаружен в 1970 г.
Получение
Промышленный способ
- Образуется при горении углерода или соединений на его основе (например, бензина) в условиях недостатка кислорода :
- 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» .
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 .
- Смеси оксида углерода(II) 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
- Разложение жидкой муравьиной кислоты под действием горячей концентрированной серной кислоты либо пропускание газообразной муравьиной кислоты над оксидом фосфора P 2 O 5 . Схема реакции:
- Нагревание смеси щавелевой и концентрированной серной кислот . Реакция идёт по уравнению:
- Нагревание смеси гексацианоферрата(II) калия с концентрированной серной кислотой. Реакция идёт по уравнению:
- Восстановлением из карбоната цинка магнием при нагревании:
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:
P d C l 2 + C O + H 2 O → P d ↓ + C O 2 + 2 H C l . {\displaystyle {\mathsf {PdCl_{2}+CO+H_{2}O\rightarrow Pd\downarrow +CO_{2}+2HCl.}}}Эта реакция очень чувствительная. Стандартный раствор: 1 грамм хлорида палладия на литр воды.
Количественное определение оксида углерода(II) основано на иодометрической реакции:
5 C O + I 2 O 5 → 5 C O 2 + I 2 . {\displaystyle {\mathsf {5CO+I_{2}O_{5}\rightarrow 5CO_{2}+I_{2}.}}}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, придаёт им ярко-красный цвет и вид свежести, не изменяя вкуса (технологии Clear smoke и Tasteless smoke ). Допустимая концентрация CO равна 200 мг/кг мяса.
- Оксид углерода(II) является основным компонентом генераторного газа , использовавшегося в качестве топлива в газогенераторных автомобилях .
- Угарный газ от выхлопа двигателей применялся нацистами в годы Второй мировой войны для массового умерщвления людей путём отравления.
Оксид углерода(II) в атмосфере Земли
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. 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 OCH 3 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 . 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 CO 2). 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 -
Рассмотрены физические свойства угарного газа (окиси углерода CO) при нормальном атмосферном давлении в зависимости от температуры при отрицательных и положительных ее значениях.
В таблицах представлены следующие физические свойства CO: плотность угарного газа ρ , удельная теплоемкость при постоянном давлении C p , коэффициенты теплопроводности λ и динамической вязкости μ .
В первой таблице приведены значения плотности и удельной теплоемкости окиси углерода CO в диапазоне температуры от -73 до 2727°С.
Во второй таблице даны значения таких физических свойств угарного газа, как теплопроводность и его динамическая вязкость в интервале температуры от минус 200 до 1000°С.
Плотность угарного газа, как и , существенно зависит от температуры — при нагревании оксида углерода CO его плотность снижается. Например, при комнатной температуре плотность угарного газа имеет значение 1,129 кг/м 3 , но в процессе нагрева до температуры 1000°С, плотность этого газа уменьшается в 4,2 раза — до величины 0,268 кг/м 3 .
При нормальных условиях (температура 0°С) угарный газ имеет плотность 1,25 кг/м 3 . Если же сравнить его плотность с или другими распространенными газами, то плотность угарного газа относительно воздуха имеет меньшее значение — угарный газ легче воздуха. Он также легче и аргона, но тяжелее азота, водорода, гелия и других легких газов.
Удельная теплоемкость угарного газа при нормальных условиях равна 1040 Дж/(кг·град). В процессе роста температуры этого газа его удельная теплоемкость увеличивается. Например, при 2727°С ее значение составляет 1329 Дж/(кг·град).
| t, °С | ρ, кг/м 3 | C p , Дж/(кг·град) | t, °С | ρ, кг/м 3 | C p , Дж/(кг·град) | t, °С | ρ, кг/м 3 | C p , Дж/(кг·град) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -73 | 1,689 | 1045 | 157 | 0,783 | 1053 | 1227 | 0,224 | 1258 |
| -53 | 1,534 | 1044 | 200 | 0,723 | 1058 | 1327 | 0,21 | 1267 |
| -33 | 1,406 | 1043 | 257 | 0,635 | 1071 | 1427 | 0,198 | 1275 |
| -13 | 1,297 | 1043 | 300 | 0,596 | 1080 | 1527 | 0,187 | 1283 |
| -3 | 1,249 | 1043 | 357 | 0,535 | 1095 | 1627 | 0,177 | 1289 |
| 0 | 1,25 | 1040 | 400 | 0,508 | 1106 | 1727 | 0,168 | 1295 |
| 7 | 1,204 | 1042 | 457 | 0,461 | 1122 | 1827 | 0,16 | 1299 |
| 17 | 1,162 | 1043 | 500 | 0,442 | 1132 | 1927 | 0,153 | 1304 |
| 27 | 1,123 | 1043 | 577 | 0,396 | 1152 | 2027 | 0,147 | 1308 |
| 37 | 1,087 | 1043 | 627 | 0,374 | 1164 | 2127 | 0,14 | 1312 |
| 47 | 1,053 | 1043 | 677 | 0,354 | 1175 | 2227 | 0,134 | 1315 |
| 57 | 1,021 | 1044 | 727 | 0,337 | 1185 | 2327 | 0,129 | 1319 |
| 67 | 0,991 | 1044 | 827 | 0,306 | 1204 | 2427 | 0,125 | 1322 |
| 77 | 0,952 | 1045 | 927 | 0,281 | 1221 | 2527 | 0,12 | 1324 |
| 87 | 0,936 | 1045 | 1027 | 0,259 | 1235 | 2627 | 0,116 | 1327 |
| 100 | 0,916 | 1045 | 1127 | 0,241 | 1247 | 2727 | 0,112 | 1329 |
Теплопроводность угарного газа при нормальных условиях имеет значение 0,02326 Вт/(м·град). Она увеличивается с ростом его температуры и при 1000°С становится равной 0,0806 Вт/(м·град). Следует отметить, что величина теплопроводности угарного газа немногим меньше этой величины у .
Динамическая вязкость угарного газа при комнатной температуре равна 0,0246·10 -7 Па·с. При нагревании окиси углерода, ее вязкость увеличивается. Такой характер зависимости динамической вязкости от температуры наблюдается у . Необходимо отметить, что угарный газ более вязкий чем водяной пар и диоксид углерода CO 2 , однако имеет меньшую вязкость по сравнению с окисью азота NO и воздухом.
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/м 3 , что очень близко к удельному весу воздуха 1,25 кг/м 3 . 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 400-500 о С;
- 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.
Физические свойства.
Монооксид углерода представляет собой бесцветный и не имеющий запаха газ, малорастворимый в воде.
t пл. 205 °С,
t кип. 191 °С
критическая температура =140°С
критическое давление = 35 атм.
растворимость СО в воде около 1:40 по объёму.
Химические свойства.
При обычных условиях CO инертен; при нагревании - восстановитель; несолеобразующий оксид.
1) с кислородом
2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2
2) с оксидами металлов
C +2 O + CuO = Сu + C +4 O 2
3) с хлором (на свету)
CO + Cl 2 --hn-> COCl 2 (фосген)
4) реагирует с расплавами щелочей (под давлением)
CO + NaOH = HCOONa (муравьинокислый натрий (формиат натрия))
5) с переходными металлами образует карбонилы
Ni + 4CO =t°= Ni(CO) 4
Fe + 5CO =t°= Fe(CO) 5
Монооксид углерода химически не взаимодействует с водой. Не реагирует СО также со щелочами и кислотами. Он чрезвычайно ядовит.
С химической стороны монооксид углерода характеризуется главным образом склонностью к реакциям присоединения и своими восстановительными свойствами. Однако обе эти тенденции обычно проявляются лишь при повышенных температурах. В этих условиях СО соединяется с кислородом, хлором, серой, некоторыми металлами и т. д. Вместе с тем оксид углерода при нагревании восстанавливает до металлов многие оксиды, что весьма важно для металлургии. Наряду с нагреванием повышение химической активности СО часто вызывается его растворением. Так, в растворе он способен восстанавливать соли Au, Pt и некоторых других элементов до свободных металлов уже при обычных температурах.
При повышенных температурах и высоких давлениях имеет место взаимодействие СО с водой и едкими щелочами: в первом случае образуется НСООН, а во втором - муравьинокислый натрий. Последняя реакция протекает при 120 °С, давлении 5 атм и находит техническое использование.
Легко идущее в растворе восстановление хлористого палладия по суммарной схеме:
PdCl 2 + H 2 O + CO = CO 2 + 2 HCl + Pd
служит наиболее часто применяемой реакцией открытия монооксида углерода в смеси газов. Уже очень небольшие количества СО легко обнаруживаются по лёгкому окрашиванию раствора вследствие выделения мелко раздробленного металлического палладия. Количественное определение СО основывается на реакции:
5 СО + I 2 O 5 = 5 CO 2 + I 2 .
Окисление СО в растворе часто идёт с заметной скоростью лишь в присутствии катализатора. При подборе последнего основную роль играет природа окислителя. Так, KMnO 4 быстрее всего окисляет СО в присутствии мелкораздробленного серебра, K 2 Cr 2 O 7 - в присутствии солей ртути, КСlO 3 - в присутствии OsO 4 . В общем, по своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный водород, причём активность его при обычных условиях выше, чем у последнего. Интересно, что существуют бактерии, способные за счёт окисления СО получать необходимую им для жизни энергию.
Сравнительную активность СО и Н 2 как восстановителей можно оценить путём изучения обратимой реакции:
Н 2 О + СО = СО 2 + Н 2 + 42 кДж,
равновесное состояние которой при высоких температурах устанавливается довольно быстро (особенно в присутствии Fe 2 O 3). При 830 °С в равновесной смеси находятся равные количества СО и Н 2 , т. е. сродство обоих газов к кислороду одинаково. Ниже 830 °С более сильным восстановителем является СО, выше - Н 2 .
Связывание одного из продуктов рассмотренной выше реакции в соответствии с законом действия масс смещает её равновесие. Поэтому, пропуская смесь монооксида углерода и водяного пара над оксидом кальция, можно получить водород по схеме:
Н 2 О + СО + СаО = СаСО 3 + Н 2 + 217 кДж.
Реакция эта идёт уже при 500 °С.
На воздухе СО загорается около 700 °С и сгорает синим пламенем до СО 2:
2 СО + О 2 = 2 СО 2 + 564 кДж.
Сопровождающее эту реакцию значительное выделение тепла делает монооксид углерода ценным газообразным топливом. Однако наиболее широкое применение он находит как исходный продукт для синтеза различных органических веществ.
Сгорание толстых слоёв угля в печах идёт в три стадии:
1) С + О 2 = СО 2 ; 2) СО 2 + С = 2 СО; 3) 2 СО + О 2 = 2 СО 2 .
При преждевременном закрытии трубы в печи создаётся недостаток кислорода, что может вызвать распространение СО по отапливаемому помещению и привести к отравлениям (угар). Следует отметить, что запах "угарного газа" обусловлен не СО, а примесями некоторых органических веществ.
Пламя СО может иметь температуру до 2100 °С. Реакция горения СО интересна тем, что при нагревании до 700-1000 °С она идёт с заметной скоростью только в присутствии следов водяного пара или других содержащих водород газов (NH 3 , H 2 S и т. п.). Обусловлено это цепным характером рассматриваемой реакции, протекающей при посредстве промежуточного образования радикалов ОН по схемам:
Н + О 2 = НО + О, затем О + СО = СО 2 , НО + СО = СО 2 + Н и т. д.
При очень высоких температурах реакция горения СО становится заметно обратимой. Содержание СО 2 в равновесной смеси (под давлением 1 атм) выше 4000 °С может быть лишь ничтожно малым. Сама молекула СО настолько термически устойчива, что не разлагается даже при 6000 °С. Молекулы СО были обнаружены в межзвёздной среде. При действии СО на металлический К при 80 °С образуется бесцветное кристаллическое очень взрывчатое соединение состава К 6 С 6 О 6 . Вещество это с отщеплением калия легко переходит в оксид углерода С 6 О 6 ("трихинон"), который можно рассматривать как продукт полимеризации СО. Строение его отвечает шестичленному циклу, образованному атомами углерода, каждый из которых соединён двойной связью с атомами кислорода.
Взаимодействие СО с серой по реакции:
СО + S = COS + 29 кДж
быстро идёт лишь при высоких температурах. Образующийся тиооксид углерода (О=С=S) представляет собой бесцветный и не имеющий запаха газ (т. пл. -139, т. кип. -50 °С). Монооксид углерода (II) способен непосредственно соединяться с некоторыми металлами. В результате образуются карбонилы металлов , которые следует рассматривать как комплексные соединения.
Оксид углерода(II) образует комплексные соединения также с некоторыми солями. Одни из них (OsCl 2 ·3CO, PtCl 2 ·CO и т. д.) устойчивы только в растворе. С образованием последнего вещества связано поглощение оксида углерода(II) раствором СuСl в крепкой НСl. Подобные же соединения образуются, по-видимому, и в аммиачном растворе CuCl, часто применяемом для поглощения СО при анализе газов.
Получение.
Монооксид углерода образуется при сгорании углерода в недостатке кислорода. Чаще всего он получается в результате взаимодействия углекислого газа с раскалённым углём:
СО 2 + С + 171 кДж = 2 СО.
Реакция эта обратима, причём равновесие её ниже 400 °С практически нацело смещено влево, а выше 1000 °С - вправо (рис. 7). Однако с заметной скоростью оно устанавливается лишь при высоких температурах. Поэтому в обычных условиях СО вполне устойчив.
Рис. 7. Равновесие СО 2 + С = 2 СО.
Образование СО из элементов идёт по уравнению:
2 С + О 2 = 2 СО + 222 кДж.
Небольшие количества СО удобно получать разложением муравьиной кислоты:НСООН = Н 2 О + СО
Реакция эта легко протекает при взаимодействии НСООН с горячей крепкой серной кислотой. Практически это получение осуществляют либо действием конц. серной кислоты на жидкую НСООН (при нагревании), либо пропусканием паров последней над гемипентаоксидом фосфора. Взаимодействие НСООН с хлорсульфоновой кислотой по схеме:
НСООН + СISO 3 H = H 2 SO 4 + HCI + CO
идёт уже при обычных температурах.
Удобным методом лабораторного получения СО могут служить нагревание с конц. серной кислотой щавелевой кислоты или железосинеродистого калия. В первом случае реакция протекает по схеме:Н 2 С 2 О 4 = СО + СО 2 + Н 2 О.
Наряду с СО выделяется и углекислый газ, который может быть задержан пропусканием газовой смеси сквозь раствор гидроксида бария. Во втором случае единственным газообразным продуктом является оксид углерода:
К 4 + 6 H 2 SO 4 + 6 H 2 O = 2 K 2 SO 4 + FeSO 4 + 3 (NH 4) 2 SO 4 + 6 CO.
Большие количества СО могут быть получены путём неполного сжигания каменного угля в специальных печах - газогенераторах. Обычный ("воздушный") генераторный газ содержит в среднем (объёмн. %): СО-25, N2-70, СО 2 -4 и небольшие примеси других газов. При сжигании он даёт 3300-4200 кДж на м 3 . Замена обычного воздуха на кислород ведёт к значительному повышению содержания СО (и увеличению теплотворной способности газа).
Ещё больше СО содержит водяной газ, состоящий (в идеальной случае) из смеси равных объёмов СО и Н 2 и дающий при сгорании 11700 кДж/м 3 . Газ этот получают продувкой водяного пара сквозь слой раскалённого угля, причём около 1000 °С имеет место взаимодействие по уравнению:
Н 2 О + С + 130 кДж = СО + Н 2 .
Реакция образования водяного газа идёт с поглощением тепла, уголь постепенно охлаждается и для поддержания его в раскалённом состоянии приходится пропускание водяного пара чередовать с пропусканием в газогенератор воздуха (или кислорода). В связи с этим водяной газ содержит приблизительно СО-44, Н 2 -45, СО 2 -5 и N 2 -6%. Он широко используется для синтезов различных органических соединений.
Часто получают смешанный газ. Процесс его получения сводится к одновременному продуванию сквозь слой раскалённого угля воздуха и паров воды, т.е. комбинированию обоих описанных выше методов- Поэтому состав смешанного газа является промежуточным между генераторным и водяным. В среднем он содержит: СО-30, Н 2 -15, СО 2 -5 и N 2 -50%. Кубический метр его даёт при сжигании около 5400 кДж.
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 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, 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 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/м 3 .
- Температура кипения и плавления соответственно: 191/205 0 С.
- 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: СО 2 + 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 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
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.
