Использование межпредметных связей при изучении темы "Газы" на уроках химии (на примере истории открытия углекислого газа)
методическая разработка по химии по теме

Применение углекислого газа

 Г.Кавендиш первый обратил внимание на то, что водный раствор двуокиси углерода имеет хотя и слабый, но приятный кислый вкус. Он продемонстрировал в Королевском обществе стакан “чрезвычайно приятно искрящийся (шипучей) воды, едва ли отличной от сельтерской воды” и получил за это открытие золотую медаль общества. Это было первое практическое применение диоксида углерода, им заинтересовались американские предприниматели (когда Д.Пристли находился уже в эмиграции), после того как один доктор стал прописывать карбонизированную воду с добавкой фруктовых соков своим пациентам. Отсюда и стала развиваться промышленность газированных напитков, которая до сих пор является одним из важнейших потребителей углекислого газа.

 Диоксид углерода применяют для газирования фруктовых и минеральных вод, для производства сахара, пива, в медицине для углекислых ванн. Его наполняют спасательные пояса и плоты из маленьких стальных баллонов с жидкой массой диоксида углерода. Жидкий угольный ангидрид применяют:

 1) в портативных огнетушителях;

 2) в огнетушительных системах самолетов и кораблей, пожарных углекислотных машинах.

 Такое широкое применение в огнетушении связано с тем, что в некоторых случаях вода не годится для тушения, например, при тушении загоревшихся огнеопасных жидкостей или при наличии в помещении невыключенной электропроводки, уникального оборудования, которое от воды может пострадать.

 Применение прессованного твердого угольного ангидрида, который мы называем сухим льдом, тоже достаточно широкое. Так его используют для поддержания низкой температуры в вагонах-холодильниках для транспорта скоропортящихся продуктов, а также при производстве мороженого. Почему, возникает вопрос, нельзя использовать обыкновенный лед. А оказывается сухой лед имеет ряд преимуществ:

 1. позволяет поддерживать в холодильнике, роль которого у продавцов мороженого играет простой картонный короб, гораздо более низкую температуру до -78,2°C;

 2. поглощает при испарении втрое больше теплоты на единицу массы, чем лед при плавлении;

 3. не загрязняет холодильника, как обыкновенный лед, жидким продуктом плавления;

 4. создает в холодильнике атмосферу из диоксида углерода, дополнительно предохраняющую пищевые продукты от порчи.

 Сухой лед применяют также для охлаждения и отвердевания заклепок из алюминиевых сплавов и при надевании бандажей – металлических колец или поясов на части машин.

 Углекислый газ применяется также как теплоноситель в графитовых реакторах.

 Очень интересное применение оксида углерода IV для изменения погоды: при рассеивании порошка сухого льда с самолета, пролетающего над переохлажденным облаком, создается искусственный снегопад над аэродромами (при расходе всего примерно 100 г льда на 1 км3 облака). При этом начинают падать густые мокрые хлопья снега, а вскоре сквозь сплошную облачность начинает просвечивать небо. Просветы быстро расширяются и сливаются в широкое синее небо. В результате сильного охлаждения замерзают лишь немногие водяные капельки. Остальные остаются в переохлажденном состоянии. Но так как при одной и той же температуре переохлажденная вода имеет большую упругость пара, чем лед, тотчас начинается нарастание ледяных кристаллов за счет капелек жидкой воды, что и приводит к снегопаду.

 Во многих случаях угольный ангидрид используют не в готовом виде, а получают в процессе использования. В таких случаях исходные вещества применяют либо раздельно – как серная кислота и дикарбонат натрия в обычных огнетушителях, либо в виде смеси двух сухих порошков (как в некоторых хлебопекарных порошках), например, смесь бикарбоната натрия с кислым виннокислым калием, виннокислым аммонием или хлоридом аммония. Пока такая смесь остается сухой, реакция не происходит. При добавлении воды соли растворяются, диссоциируют, и возникает ионная реакция с выделением диоксида углерода.

 Подобные реакции происходят в результате смешивания хлебопекарных порошков с тестом для разрыхления теста химическим путем, без применения биологических средств – дрожжей и заквасок. В результате тесто “всходит”, наполняясь пузырьками диоксида углерода, и выпеченный из него продукт получается мягким и легче переваривается.

 Углекислый газ выступает как инертная атмосфера.

 Вот такое широкое применение имеет оксид углерода (IV). Здесь показаны лучшие его качества, но не весь углекислый газ бывает полезен человеку и природе.

2.7 Круговорот углекислого газа в природе

 В истории зеленого углерода можно различить несколько этапов. До появления водной оболочки Земли углерод главным образом входил в состав земной атмосферы в виде углекислого газа. Об этом свидетельствует анализ газовых включений в силикатных минералах: кислород в них отсутствует, а содержание углекислого газа достигает 96%. С охлаждением земной коры и появлением жидкой воды, насыщенной углекислым газом, начинается процесс выветривания магматических горных пород, сводящийся в основном к вытеснению кремниевой кислоты из силикатов угольной кислотой, как кислотой более сильной. Нерастворимые продукты разрушения горных пород в виде рыхлых масс остаются на листе, а растворимые соли, в том числе дикарбонаты, увлекаются в мировой океан. Таким образом создается необходимое сочетание условий для возникновения растительной живой материи: углекислый газ, жидкая вода и растворенные в ней соли.

 В мировом океане зародилась жизнь; это начало нового этапа в геохимической жизни углерода. В результате основного процесса жизнедеятельности растений – фотосинтеза – углерод из атмосферы переходит в состав живой массы биосферы, и состав атмосферы постепенно изменяется, углекислый газ в ней сменяется кислородом. Таким образом возникают необходимые предпосылки к возникновению животной жизни: свободный кислород и накопленные растениями органические вещества.

 Рисунок сводит отдельные, рассмотренные выше превращения углекислого газа в природе в единую цельную картину.

 Углекислый газ используется в процессе фотосинтеза для образования органических веществ. Именно благодаря этому процессу замыкается круговорот углерода в биосфере. Как и кислород, углерод входит в состав почв, растений, животных, участвует в многообразных механизмах круговорота веществ в природе. Содержание углекислого газа в воздухе, который мы вдыхаем, примерно одинаково в различных районах планеты. Исключение составляют крупные города, в которых содержание этого газа в воздухе бывает выше нормы.

 Некоторые колебания содержания углекислого газа в воздухе местности зависят от времени суток, сезона года, биомассы растительности. В то же время исследования показывают, что с начала века среднее содержание диоксида углерода в атмосфере, хотя и медленно, но постоянно увеличивается. Ученые связывают этот процесс главным образом с деятельностью человека.

 Как и каждый химический элемент, углерод в земной коре находится в постоянном движении, преобразовании из одной химической формы соединений в другую; эти изменения замыкаются в целую систему взаимно переплетающихся циклов. Исходя из одной определенной формы существования углерода, например из CO2, и последовательно прослеживая его преобразования мы вновь возвратимся в исходную точку – в CO2.

 В минеральной природе главными генераторами углекислого газа являются вулканы, не только действующие, но и давно потухшие; вулканические местности изобилуют выделяющимися из под земли струями углекислого газа и ключами, постоянно выбрасывающими CO2 из земных недр в виде раствора, насыщенного углекислым газом (нередко под большим давлением).

 В минеральной природе диоксид углерода расходуется процессами выветривания. Это крайне медленные химические реакции; мы непосредственно не можем проследить их течение. Но, встречая на поверхности земли полуразрушенные выветриванием глубинные породы, например гранит в окружении продуктов его разрушения – песка и глины, мы легко можем мысленно воссоздать процесс разрушения, всякий раз необходимым участником агрессии, постигшей изверженную породу, окажется углекислый газ. Таким образом, с точки зрения геохимии углерода, процессы выветривания – это процессы связывания углекислого газа. Именно углекислый газ является главным деятелем процессов выветривания, а так как они идут повсеместно, и охватывают неизмеримо большие массы минеральной материи, диоксид углерода извлекается ими из атмосферы в настолько больших количествах, что по расчетам геологов, углекислого газа, содержащегося в данный момент в атмосфере, хватило бы на процессы выветривания не больше чем на 18000 лет.

При извержениях вулканов вместе с лавой из них изливается и углекислый газ в таком изобилии, что после одного извержения Везувия им было задушено тысячи зайцев и других маленьких животных. В то же время колодцы и погреба в Неаполе, далеко отстоящем от вулкана оказались наполненными углекислым газом. Углекислый газ постоянно выделяется сильными струями из почвы даже в таких местностях, где вулканическая деятельность давно прекратилась.

 Сколько столетий функционирует в качестве постоянно действующего генератора углекислого газа неаполитанская “Собачья пещера”, без упоминания о которой не обходился ни один учебник химии и географии, вряд ли можно определить это; “чудо природы” упоминалось не только Ван-Гельмгольтом, но и в “Естественной истории” Плиния, созданной в начале нашей эры. Такие же пещеры существуют в Иеллоустонском заповеднике (США). Птицы и насекомые, залетающие в них в поисках убежища, гибнут. Громадные количества углекислого газа доставляются из недр Земли в атмосферу и ключами, изливающимися в местностях, где действуют или когда-то действовали вулканы.

 Природные источники углекислого газа называются мофетами. Мофеты характерны для последней, поздней стадии затухания вулканов, в которой находится в частности знаменитый кавказский вулкан Эльбрус. Поэтому там наблюдаются многочисленные выходы пробивающихся сквозь снега и льды горячих источников, насыщенных углекислым газом. Наиболее известные из минеральных источников (углекислотных) находятся в Кисловодске (Назран), где они используются в лечебных целях (лечение желудочно-кишечного тракта).

 Вне земного шара углекислый газ обнаружен спектроскопическим путем в атмосфере Венеры. Атмосфера ближайшей к Земле планеты лишена кислорода и водяных паров и полностью состоит из углекислого газа. При атмосферном давлении, составляющем около половины давления, господствующего на нашей планете, и средней температуре около 70°C Венера являет нам, примерный вид Земли, какой она была до появления на ней растительного покрова.