Угарный газ, окись углерода (СО) представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, который является немного менее плотным, чем воздух. Он токсичен для гемоглобинных животных (включая человека), если его концентрации выше примерно 35 частей на миллион, хотя он также производится в обычном метаболизме животных в небольших количествах, и, как полагают, имеет некоторые нормальные биологические функции. В атмосфере, он пространственно переменный и быстрораспадающийся, и имеет определенную роль в формировании озона на уровне земли. Окись углерода состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, связанных тройной связью, которая состоит из двух ковалентных связей, а также одной дативной ковалентной связи. Это самый простой оксид углерода. Он является изоэлектроном с цианидом аниона, нитрозоний катионом и молекулярным азотом. В координационных комплексах, лиганд монооксида углерода называется карбонилом.
История
Аристотель (384-322 до н.э.) впервые описал процесс сжигания углей, который приводит к образованию токсичных паров. В древности существовал способ казни – закрывать преступника в ванной комнате с тлеющими углями. Однако, на тот момент механизм смерти был непонятен. Греческий врач Гален (129-199 гг. н.э.) предположил, что имело место изменение состава воздуха, который причинял человеку вред при вдыхании. В 1776 году французский химик де Лассон произвел СО путем нагревания оксида цинка с коксом, однако ученый пришел к ошибочному выводу, что газообразный продукт был водородом, поскольку он горел синим пламенем. Газ был идентифицирован как соединение, содержащее углерод и кислород, шотландским химиком Уильямом Камберлендом Круикшанком в 1800 году. Его токсичность на собаках была тщательно исследована Клодом Бернаром около 1846 года. Во время Второй мировой войны, газовая смесь, включающая окись углерода, использовалась для поддержания механических транспортных средств, работающих в некоторых частях мира, где было мало бензина и дизельного топлива. Внешний (с некоторыми исключениями) древесный уголь или газогенераторы газа, полученного из древесины, были установлены, и смесь атмосферного азота, окиси углерода и небольших количеств других газов, образующихся при газификации, поступала в газовый смеситель. Газовая смесь, полученная в результате этого процесса, известна как древесный газ. Окись углерода также использовалась в больших масштабах во время Холокоста в некоторых немецких нацистских лагерях смерти, наиболее явно – в газовых фургонах в Хелмно и в программе умерщвления Т4 «эвтаназия».
Источники
Окись углерода образуется в ходе частичного окисления углеродсодержащих соединений; она образуется, когда не хватает кислорода для образования двуокиси углерода (CO2), например, при работе с плитой или двигателем внутреннего сгорания, в замкнутом пространстве. В присутствии кислорода, включая его концентрации в атмосфере, монооксид углерода горит голубым пламенем, производя углекислый газ. Каменноугольный газ, который широко использовался до 1960-х годов для внутреннего освещения, приготовления пищи и нагревания, содержал окись углерода как значительное топливное составляющее. Некоторые процессы в современной технологии, такие как выплавка чугуна, до сих пор производят окись углерода в качестве побочного продукта. Во всем мире наиболее крупными источниками окиси углерода являются естественные источники, из-за фотохимических реакций в тропосфере, которые генерируют около 5 × 1012 кг окиси углерода в год. Другие природные источники СО включают вулканы, лесные пожары и другие формы сгорания. В биологии, окись углерода естественным образом вырабатывается под действием гемоксигеназы 1 и 2 на гем от распада гемоглобина. Этот процесс производит определенное количество карбоксигемоглобина у нормальных людей, даже если они не вдыхают окись углерода. После первого доклада о том, что окись углерода является нормальным нейромедиатором в 1993 году, а также одним из трех газов, которые естественным образом модулируют воспалительные реакции в организме (два других – оксид азота и сероводород), окись углерода получила большое внимание ученых в качестве биологического регулятора. Во многих тканях, все три газа, действуют как противовоспалительные средства, вазодилататоры и промоторы неоваскулярного роста. Продолжаются клинические испытания небольших количеств окиси углерода в качестве лекарственного средства. Тем не менее, чрезмерное количества монооксида углерода вызывает отравление угарным газом.
Молекулярные свойства
Окись углерода имеет молекулярную массу 28,0, что делает его немного легче, чем воздух, чья средняя молекулярная масса составляет 28,8. Согласно закону идеального газа, СО, следовательно, имеет меньшую плотность, чем воздух. Длина связи между атомом углерода и атомом кислорода составляет 112,8 пм. Эта длина связи согласуется с тройной связью, как в молекулярном азоте (N2), который имеет аналогичную длину связи и почти такую же молекулярную массу. Двойные связи углерод-кислород значительно длиннее, например, 120,8 м у формальдегида. Точка кипения (82 К) и температура плавления (68 K) очень похожи на N2 (77 К и 63 К, соответственно). Энергия диссоциации связи 1072 кДж / моль сильнее, чем у N2 (942 кДж / моль) и представляет собой наиболее сильную из известных химическую связь. Основное состояние электрона окиси углерода является синглетным , так как здесь нет неспаренных электронов.
Связующий и дипольный момент
Углерод и кислород вместе имеют, в общей сложности, 10 электронов в валентной оболочке. Следуя правилу октета для углерода и кислорода, два атома образуют тройную связь, с шестью общими электронами в трех связывающих молекулярных орбиталях, а не обычную двойную связь, как у органических карбонильных соединений. Так как четыре из общих электронов поступают из атома кислорода и только два из углерода, одна связующая орбиталь занята двумя электронами из атомов кислорода, образуя дативную или дипольную связь. Это приводит к C ← O поляризации молекулы, с небольшим отрицательным зарядом на углероде и небольшим положительным зарядом на кислороде. Две других связывающих орбитали занимают каждая один электрон из углерода и один из кислорода, образуя (полярные) ковалентные связи с обратной C → O поляризацией, так как кислород является более электроотрицательным, чем углерод. В свободной окиси углерода, чистый отрицательный заряд δ- остается в конце углерода, и молекула имеет небольшой дипольный момент 0,122 D. Таким образом, молекула асимметрична: кислород имеет больше плотности электронов, чем углерод, а также небольшой положительный заряд, по сравнению с углеродом, который является отрицательным. В противоположность этому, изоэлектронная молекула диазота не имеет дипольного момента. Если окись углерода действует в качестве лиганда, полярность диполя может меняться с чистым отрицательным зарядом на конце кислорода, в зависимости от структуры координационного комплекса.
Полярность связи и состояние окисления
Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что, несмотря на большую электроотрицательность кислорода, дипольный момент исходит из более отрицательного конца углерода к более положительному концу кислорода. Эти три связи представляют собой фактически полярные ковалентные связи, которые сильно поляризованы. Рассчитанная поляризация к атому кислорода составляет 71% для σ-связи и 77% для обоих π -связей. Степень окисления углерода в окись углерода в каждой из этих структур составляет +2. Она рассчитывается так: все связующие электроны считаются принадлежащими к более электроотрицательным атомам кислорода. Только два несвязывающих электрона на углероде относятся к углероду. При таком подсчете, углерод имеет только два валентных электрона в молекуле по сравнению с четырьмя в свободном атоме.
Биологические и физиологические свойства
Токсичность
Отравление угарным газом является наиболее распространенным типом смертельного отравления воздуха во многих странах. Окись углерода представляет собой бесцветное вещество, не имеющее запаха и вкуса, но очень токсичное. Оно соединяется с гемоглобином с получением карбоксигемоглобина, который «узурпирует» участок в гемоглобине, который обычно переносит кислород, но неэффективен для доставки кислорода к тканям организма. Столь низкие концентрации, как 667 частей на миллион, могут вызвать преобразования до 50% гемоглобина в организме в карбоксигемоглобин. 50% уровень карбоксигемоглобина может привести к судорогам, коме и смерти. В Соединенных Штатах, Министерство труда ограничивает долгосрочные уровни воздействия окиси углерода на рабочем месте до 50 частей на миллион. В течение короткого периода времени, поглощение окиси углерода является накопительным, так как период его полувыведения составляет около 5 часов на свежем воздухе. Наиболее распространенные симптомы отравления угарным газом могут быть похожи на другие виды отравлений и инфекций, и включают такие симптомы, как головная боль, тошнота, рвота, головокружение, усталость и чувство слабости. Пострадавшие семьи часто считают, что они являются жертвами пищевого отравления. Младенцы могут быть раздражительными и плохо питаться. Неврологические симптомы включают спутанность сознания, дезориентацию, нарушение зрения, обмороки (потерю сознания) и судороги. Некоторые описания отравления угарным газом включают геморрагию сетчатки глаза, а также аномальный вишнево-красный оттенок крови. В большинстве клинических диагнозов, эти признаки наблюдаются редко. Одна из трудностей, связанных с полезностью этого «вишневого» эффекта, связана с тем, что она корректирует, или маскирует, в обратном случае нездоровый внешний вид, так как главный эффект удаления венозного гемоглобина связан с тем, что задушенный человек кажется более нормальным, или мертвый человек кажется живым, подобно эффекту красных красителей в составе для бальзамирования. Такой эффект окрашивания в бескислородной CO-отравленной ткани связан с коммерческим использованием монооксида углерода при окрашивании мяса. Оксид углерода также связывается с другими молекулами, такими как миоглобин и митохондриальная цитохромоксидаза. Воздействие окиси углерода может привести к значительному повреждению сердца и центральной нервной системы, особенно в бледном шаре, часто это связано с длительными хроническими патологическими состояниями. Окись углерода может иметь серьезные неблагоприятные последствия для плода беременной женщины.
Нормальная физиология человека
Окись углерода вырабатывается естественным образом в организме человека в качестве сигнальной молекулы. Таким образом, окись углерода может иметь физиологическую роль в организме в качестве нейротрансмиттера или релаксанта кровеносных сосудов. Из-за роли окиси углерода в организме, нарушения в её метаболизме связаны с различными заболеваниями, в том числе нейродегенерацией, гипертонией, сердечной недостаточностью и воспалениями.
CO функционирует в качестве эндогенной сигнальной молекулы.
СО модулирует функции сердечно-сосудистой системы
CO ингибирует агрегацию и адгезию тромбоцитов
CO может играть определенную роль в качестве потенциального терапевтического средства
Микробиология
Окись углерода является питательной средой для метаногенных архей, строительным блоком для ацетилкофермента А. Это тема для новой области биоорганометаллической химии. Экстремофильные микроорганизмы могут, таким образом, метаболизировать окись углерода в таких местах, как тепловые жерла вулканов. У бактерий, окись углерода производится путем восстановления двуокиси углерода ферментом дегидрогеназы монооксида углерода, Fe-Ni-S-содержащего белка. CooA представляет собой рецепторный белок окиси углерода. Сфера его биологической активности до сих пор неизвестна. Он может быть частью сигнального пути у бактерий и архей. Его распространенность у млекопитающих не установлена.
Распространенность
Окись углерода встречается в различных природных и искусственных средах.
Окись углерода присутствует в небольших количествах в атмосфере, главным образом, как продукт вулканической активности, но также является продуктом естественных и техногенных пожаров (например, лесные пожары, сжигание растительных остатков, а также сжигание сахарного тростника). Сжигание ископаемого топлива также способствует образованию окиси углерода. Окись углерода встречается в растворенном виде в расплавленных вулканических породах при высоких давлениях в мантии Земли. Поскольку природные источники окиси углерода переменны, чрезвычайно трудно точно измерить природные выбросы газа. Окись углерода является быстрораспадающимся парниковым газом, а также проявляет косвенное радиационное воздействие путем повышения концентрации метана и тропосферного озона в результате химических реакций с другими компонентами атмосферы (например, гидроксильный радикал, ОН), что, в противном случае, разрушило бы их. В результате естественных процессов в атмосфере, он, в конечном счете, окисляется до двуокиси углерода. Окись углерода является одновременно недолговечной в атмосфере (сохраняется в среднем около двух месяцев) и имеет пространственно переменную концентрацию. В атмосфере Венеры, окись углерода создается в результате фотодиссоциации двуокиси углерода электромагнитным излучением с длиной волны короче 169 нм. Из-за своей длительной жизнеспособности в средней тропосфере, окись углерода также используется в качестве трассера транспорта для струй вредных веществ.
Загрязнение городов
Окись углерода является временным загрязняющим веществом в атмосфере в некоторых городских районах, главным образом, из выхлопных труб двигателей внутреннего сгорания (в том числе транспортных средств, портативных и резервных генераторов, газонокосилок, моечных машин и т.д.), а также от неполного сгорания различных других видов топлива (включая дрова, уголь, древесный уголь, нефть, парафин, пропан, природный газ и мусор). Большие загрязнения CO могут наблюдаться из космоса над городами.
Роль в формировании приземного озона
Окись углерода, наряду с альдегидами, является частью серии циклов химических реакций, которые образуют фотохимический смог. Он вступает в реакцию с гидроксильным радикалом ( ОН) с получением радикального интермедиата HOCO, который быстро передает радикальный водород О2 с образованием перекисного радикала (НО2 ) и диоксида углерода (CO2). Перекисной радикал затем вступает в реакцию с оксидом азота (NO) с образованием диоксида азота (NO2) и гидроксильного радикала. NO 2 дает O (3P) через фотолиз, тем самым образуя O3 после реакции с O2. Так как гидроксильный радикал образуется в процессе образования NO2, баланс последовательности химических реакций, начиная с окиси углерода, приводит к образованию озона: CO + 2O2 + hν → CO2 + O3 (Где hν относится к фотону света, поглощаемому молекулой NO2 в последовательности) Хотя создание NO2 является важным шагом, приводящим к образованию озона низкого уровня, это также увеличивает количество озона другим, несколько взаимоисключающим, образом, за счет уменьшения количества NO, которое доступно для реакции с озоном.
Загрязнение воздуха внутри помещений
В закрытых средах, концентрация окиси углерода может легко увеличиться до летального уровня. В среднем, в Соединенных Штатах ежегодно от неавтомобильных потребительских товаров, производящих окись углерода, умирает 170 человек. Тем не менее, в соответствии с данными Департамента здравоохранения Флориды, «ежегодно более 500 американцев умирают от случайного воздействия окиси углерода и еще тысячи человек в США требуют неотложной медицинской помощи при несмертельном отравлении угарным газом». Эти продукты включают в себя неисправные топливные приборы сжигания, такие как печи, кухонные плиты, водонагреватели и газовые и керосиновые комнатные обогреватели; оборудование с механическим приводом, такое как портативные генераторы; камины; и древесный уголь, который сжигается в домах и других закрытых помещениях. Американская ассоциация центров контроля отравлений (AAPCC) сообщила о 15769 случаях отравления угарным газом, которые привели к 39 смертям в 2007 году. В 2005 году, CPSC сообщила о 94 смертях, связанных с отравлением моноксидом углерода от генератора. Сорок семь из этих смертей имели место во время перебоев в подаче электроэнергии из-за суровых погодных условий, в том числе, из-за урагана Катрина. Тем не менее, люди умирают от отравления угарным газом, производимым непродовольственными товарами, такими как автомобили, оставленные работающими в гаражах, прилегающих к дому. Центры по контролю и профилактике заболеваний сообщают, что ежегодно несколько тысяч человек обращаются в больницу скорой помощи при отравлении угарным газом.
Наличие в крови
Окись углерода поглощается через дыхание и попадает в кровоток через газообмен в легких. Она также производится в ходе метаболизма гемоглобина и поступает в кровь из тканей, и, таким образом, присутствует во всех нормальных тканях, даже если она не попадает в организм при дыхании. Нормальные уровни окиси углерода, циркулирующие в крови, составляют от 0% до 3%, и выше у курильщиков. Уровни окиси углерода нельзя оценить с помощью физического осмотра. Лабораторные испытания требуют наличия образца крови (артериальной или венозной) и лабораторного анализа на СО-оксиметр. Кроме того, неинвазивный карбоксигемоглобин (SPCO) с импульсной СО-оксиметрией является более эффективным по сравнению с инвазивными методами.
Астрофизика
За пределами Земли, окись углерода является второй наиболее распространенной молекулой в межзвездной среде, после молекулярного водорода. Из-за своей асимметрии, молекула окиси углерода производит гораздо более яркие спектральные линии, чем молекула водорода, благодаря чему СО гораздо легче обнаружить. Межзвёздный CO был впервые обнаружен с помощью радиотелескопов в 1970 году. В настоящее время он является наиболее часто используемым индикатором молекулярного газа в межзвездной среде галактик, а молекулярный водород может быть обнаружен только с помощью ультрафиолетового света, что требует наличия космических телескопов. Наблюдения за окисью углерода обеспечивают большую часть информации о молекулярных облаках, в которых образуется большинство звезд. Beta Pictoris, вторая по яркости звезда в созвездии Pictor, демонстрирует избыток инфракрасного излучения по сравнению с нормальными звездами ее типа, что обусловлено большим количеством пыли и газа (в том числе окиси углерода) вблизи звезды.
Производство
Было разработано множество методов для производства окиси углерода.
Промышленное производство
Основным промышленным источником CO является генераторный газ, смесь, содержащая, в основном, окись углерода и азот, образовавшийся при сгорании углерода в воздухе при высокой температуре, когда имеется избыток углерода. В печи, воздух пропускают через слой кокса. Первоначально произведенный СО2 уравновешивается с оставшимся горячим углем с получением СО. Реакция СО2 с углеродом с получением CO описывается как реакция Будуара. При температуре выше 800°C, CO является преобладающим продуктом:
СО2 + С → 2 CO (ΔH = 170 кДж / моль)
Другой источник «водяной газ», смесь водорода и монооксида углерода, полученного с помощью эндотермической реакции пара и углерода:
H2O + C → Н2 + СО (ΔH = +131 кДж / моль)
Другие подобные «синтетические газы» могут быть получены из природного газа и других видов топлива. Оксид углерода также является побочным продуктом восстановления руд оксида металла с углеродом:
MO + C → M + CO
Окись углерода также получают путем прямого окисления углерода в ограниченном количестве кислорода или воздуха.
2C (s) + O 2 → 2СО (g)
Поскольку СО представляет собой газ, восстановительный процесс может управляться путем нагревания, используя положительную (благоприятную) энтропию реакции. Диаграмма Эллингама показывает, что образованию СО отдается предпочтение по сравнению с СО2 при высоких температурах.
Подготовка в лаборатории
Окись углерода удобно получать в лаборатории путем дегидратации муравьиной кислоты или щавелевой кислоты, например, с помощью концентрированной серной кислоты. Еще одним способом является нагревание однородной смеси порошкообразного металлического цинка и карбоната кальция, который высвобождает CO и оставляет оксид цинка и оксид кальция:
Zn + CaCO3 → ZnO + CaO + CO
Нитрат серебра и иодоформ также дают окись углерода:
CHI3 + 3AgNO3 + H2O → 3HNO3 + CO + 3AgI
Координационная химия
Большинство металлов образуют координационные комплексы, содержащие ковалентно присоединенную окись углерода. Только металлы в низших степенях окисления будут соединяться с лигандами окиси углерода. Это связано с тем, что необходима достаточная плотность электронов, чтобы облегчить обратное пожертвование от металлической DXZ-орбитали, к π * молекулярной орбитали из СО. Неподеленная пара на атоме углерода в СО также жертвует электронную плотность в dx²-y² на металле для формирования сигма-связи. Это пожертвование электрона также проявляется цис-эффектом, или лабилизацией СО лигандов в цис-положении. Карбонил никеля, например, образуется путем прямого сочетания окиси углерода и металлического никеля:
Ni + 4 CO → Ni (CO) 4 (1 бар, 55 ° C)
По этой причине, никель в трубке или ее части не должен вступать в длительный контакт с окисью углерода. Карбонил никеля легко разлагается обратно до Ni и СО при контакте с горячими поверхностями, и этот метод используется для промышленной очистки никеля в процессе Монда. В карбониле никеля и других карбонилах, электронная пара на углероде взаимодействует с металлом; окись углерода жертвует электронную пару металлу. В таких ситуациях, окись углерода называется карбонильным лигандом. Одним из наиболее важных карбонил металлов является пентакарбонил железа, Fe (CO) 5. Многие комплексы металл-CO получают путем декарбонилирования органических растворителей, а не из СО. Например, трихлорид иридия и трифенилфосфин реагируют в кипящем 2-метоксиэтаноле или ДМФ, с получением IrCl (CO) (PPh3) 2. Карбонилы металлов в координационной химии обычно изучаются с помощью инфракрасной спектроскопии.
Органическая химия и химия основных групп элементов
В присутствии сильных кислот и воды, окись углерода вступает в реакцию с алкенами с образованием карбоновых кислот в процессе, известном как реакции Коха-Хаафа. В реакции Гаттермана-Коха, арены преобразуются в бензальдегидные производные в присутствии AlCl3 и HCl. Литийорганические соединения (например, бутиллитий) вступают в реакцию с окисью углерода, но эти реакции мало научно применимы. Несмотря на то, что CO реагирует с карбокатионами и карбанионами, он относительно нереакционноспособен к органическим соединениям без вмешательства металлических катализаторов. С реагентами из основной группы, СО проходит несколько примечательных реакций. Хлорирование СО является промышленным процессом, приводящим к образованию важного соединения фосгена. С бораном, СО образует аддукт, H3BCO, который является изоэлектронным с катионом ацилия +. СО вступает в реакцию с натрием, создавая продукты, полученные из связи С-С. Соединения циклогексагегексон или триквиноил (C6O6) и циклопентанепентон или лейконовая кислота (C5O5), которые до сих пор получали лишь в следовых количествах, можно рассматривать как полимеры окиси углерода. При давлении более 5 ГПа, окись углерода превращается в твердый полимер углерода и кислорода. Это метастабильное вещество при атмосферном давлении, но оно является мощным взрывчатым веществом.
Использование
Химическая промышленность
Окись углерода представляет собой промышленный газ, который имеет множество применений в производстве сыпучих химических веществ. Большие количества альдегидов получают путем реакции гидроформилирования алкенов, окиси углерода и Н2. Гидроформилирование в процессе Шелла дает возможность создавать предшественники моющих средств. Фосген, пригодный для получения изоцианатов, поликарбонатов и полиуретанов, производится путем пропускания очищенного монооксида углерода и газообразного хлора через слой пористого активированного угля, который служит в качестве катализатора. Мировое производство этого соединения в 1989 году оценивалось в 2,74 млн тонн.
CO + Cl2 → COCl2
Метанол получают путем гидрогенизации окиси углерода. В родственной реакции, гидрирование окиси углерода связано с образованием связи С-С, как в процессе Фишера-Тропша, где окись углерода гидрогенизируется до жидких углеводородных топлив. Эта технология позволяет преобразовывать уголь или биомассы в дизельное топливо. В процессе Монсанто, окись углерода и метанол реагируют в присутствии катализатора на основе родия и однородной иодистоводородной кислоты с образованием уксусной кислоты. Этот процесс отвечает за большую часть промышленного производства уксусной кислоты. В промышленных масштабах, чистая окись углерода используется для очистки никеля в процессе Монда.
Окраска мяса
Окись углерода используется в модифицированных атмосферных системах упаковки в США, в основном, при упаковке свежих мясных продуктов, таких как говядина, свинина и рыба, чтобы сохранять их свежий внешний вид. Окись углерода соединяется с миоглобином с образованием карбоксимиоглобина, ярко-вишнево-красного пигмента. Карбоксимиоглобин является более стабильным, чем окисленная форма миоглобина, оксимиоглобин, который может окислиться до коричневого пигмента метмиоглобина. Этот стабильный красный цвет может сохраняться гораздо дольше, чем обычное упакованное мясо. Типичные уровни окиси углерода, используемые в установках, использующих этот процесс, составляют от 0,4% до 0,5%. Эта технология впервые признана «в целом безопасной» (GRAS) Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) в 2002 году для использования в качестве вторичной упаковочной системы, и не требует маркировки. В 2004 году FDA одобрило CO в качестве основного метода упаковки, заявив, что CO не скрывает запаха порчи. Несмотря на это постановление, остается спорным вопрос о том, маскирует ли этот метод порчу продуктов. В 2007 году, в Палате представителей США был предложен законопроект, предлагающий называть модифицированный процесс упаковки с использованием окиси углерода цветовой добавкой, но законопроект не был принят. Такой процесс упаковки запрещен во многих других странах, включая Японию, Сингапур и страны Европейского Союза.
Медицина
В биологии, окись углерода естественным образом вырабатывается под действием гемоксигеназы 1 и 2 на гем от распада гемоглобина. Этот процесс производит определенное количество карбоксигемоглобина у нормальных людей, даже если они не вдыхают окись углерода. После первого доклада о том, что окись углерода является нормальным нейромедиатором в 1993 году, а также одним из трех газов, которые естественным образом модулируют воспалительные реакции в организме (два других – оксид азота и сероводород), окись углерода получила большое клиническое внимание как биологический регулятор. Во многих тканях, все три газа, как известно, действуют как противовоспалительные средства, вазодилататоры и усилители неоваскулярного роста. Тем не менее, эти вопросы являются сложными, поскольку неоваскулярный рост не всегда полезен, так как он играет определенную роль в росте опухоли, а также в развитии влажной макулодистрофии, заболевания, риск которого увеличивается от 4 до 6 раз при курении (главный источник окиси углерода в крови, в несколько раз больше, чем естественное производство). Существует теория, что в некоторых синапсах нервных клеток, когда откладываются долгосрочные воспоминания, принимающая клетка вырабатывает окись углерода, которая обратно передается к передающей камере, заставляющей её передаваться более легко в будущем. Некоторые такие нервные клетки, как было показано, содержат гуанилатциклазу, фермент, который активируется окисью углерода. Во многих лабораториях по всему миру были проведены исследования с участием монооксида углерода относительно его противовоспалительных и цитопротекторных свойств. Эти свойства могут быть использованы для предотвращения развития ряда патологических состояний, в том числе, ишемического реперфузионного повреждения, отторжения трансплантата, атеросклероза, тяжелого сепсиса, тяжелой малярии или аутоиммунных заболеваний. Были проведены клинические испытания с участием людей, однако их результаты еще не были выпущены.
Углерод образует два чрезвычайно устойчивых оксида (СО и СO 2), три значительно менее устойчивых оксида (С 3 O 2 , С 5 O 2 и С 12 O 9), ряд неустойчивых или плохо изученных оксидов (С 2 O, С 2 O 3 и др.) и нестехиометрический оксид графита. Среди перечисленных оксидов особую роль играют СО и СO 2 .
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Монооксид углерода при обычных условиях горючий газ без цвета и запаха.
Он довольно токсичен из-за его способности образовывать комплекс с гемоглобином, который примерно в 300 раз устойчивее, чем комплекс кислород-гемоглобин.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Диоксид углерода при обычных условиях - бесцветный газ, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, благодаря чему его можно переливать, как жидкость, из одного сосуда в другой.
Масса 1 л CO 2 при нормальных условиях составляет 1,98 г. Растворимость диоксида углерода в воде невелика: 1 объем воды при 20 o С растворяет 0,88 объема CO 2 , а при 0 o С - 1,7 объема.
Прямое окисление углерода при недостатке кислорода или воздуха приводит к образованию СО, при достаточном их количестве образуется СO 2 . Некоторые свойства этих оксидов представлены в табл. 1.
Таблица 1. Физические свойства оксидов углерода.
Получение оксида углерода
Чистый СО может быть получен в лаборатории дегидратированием муравьиной кислоты (НСООН)концентрированной серной кислотой при ~140 °С:
HCOOH = CO + H 2 O.
В небольших количествах диоксид углерода можно легко получить действием кислот на карбонаты:
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 .
В промышленном масштабе CO 2 получают главным образом как побочный продукт в процессе синтеза аммиака:
CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 ;
CO + H 2 O = CO 2 + H 2 .
Большие количества углекислого газа получают при обжиге известняка:
CaCO 3 = CaO + CO 2 .
Химические свойства оксида углерода
Монооксид углерода химически активен при высоких температурах. Он проявляет себя как сильный восстановитель. Реагирует с кислородом, хлором, серой, аммиаком, щелочами, металлами.
CO + NaOH = Na(HCOO) (t = 120 - 130 o C, p);
CO + H 2 = CH 4 + H 2 O (t = 150 — 200 o C, kat. Ni);
CO + 2H 2 = CH 3 OH (t = 250 — 300 o C, kat. CuO/Cr 2 O 3);
2CO + O 2 = 2CO 2 (kat. MnO 2 /CuO);
CO + Cl 2 = CCl 2 O(t = 125 — 150 o C, kat. C);
4CO + Ni = (t = 50 — 100 o C);
5CO + Fe = (t = 100 — 200 o C, p).
Диоксид углерода проявляет кислотные свойства: реагирует со щелочами, гидратом аммиака. Восстанавливается активными металлами, водородом, углеродом.
CO 2 + NaOH dilute = NaHCO 3 ;
CO 2 + 2NaOH conc = Na 2 CO 3 + H 2 O;
CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 + H 2 O;
CO 2 + BaCO 3 + H 2 O = Ba(HCO 3) 2 ;
CO 2 + NH 3 ×H 2 O = NH 4 HCO 3 ;
CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O (t = 200 o C, kat. Cu 2 O);
CO 2 + C = 2CO (t > 1000 o C);
CO 2 + 2Mg = C + 2MgO;
2CO 2 + 5Ca = CaC 2 + 4CaO (t = 500 o C);
2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2 .
Применение оксида углерода
Монооксид углерода широко используется как топливо в виде генераторного газа или водяного газа и образуется также привыделении многих металлов из их оксидов восстановлением углем. Генераторный газ получают, пропуская воздух черезраскаленный уголь. В его состав входит около 25% СО, 4% СO2 и 70% N 2 со следами Н 2 и СН 4 62.
Применение диоксида углерода чаще всего обусловлено его физическими свойствами. Его используют как охлаждающий агент, для газирования напитков, при получении облегченных(вспененных) пластмасс, а также как газ для создания инертной атмосферы.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Определите во сколько раз тяжелее воздуха оксид углерода (IV)CO 2 . |
| Решение | Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. D air (CO 2) = M r (CO 2) / M r (air); D air (CO 2) = 44 / 29 = 1,517. M r (CO 2) = A r (C) + 2×A r (O) = 12 + 2× 16 = 12 + 32= 44. |
| Ответ | Оксид углерода (IV)CO 2 тяжелее воздуха в 1,517 раз. |
Монооксид углерода, также известный как угарный газ, имеет очень прочный молекулярный состав, является инертным по своим химическим свойствам и плохо растворяется в воде. Это соединение также невероятно токсично, при попадании в органы дыхания оно соединяется с гемоглобином крови, и тот перестает переносить кислород к тканям и органам.
Химические названия и формула
Монооксид углерода известен также под другими названиями, в том числе оксид углерода II. В быту его принято именовать угарным газом. Эта окись углерода является ядовитым бесцветным и безвкусным газом, не имеющим запаха. Его химическая формула - CO, а масса одной молекулы составляет 28,01 г/моль.
Воздействие на организм
Угарный газ соединяется с гемоглобином с образованием карбоксигемоглобина, который не имеет пропускной способности кислорода. Вдыхание его паров вызывает повреждение ЦНС (центральной нервной системы) и удушье. Результирующая нехватка кислорода вызывает головную боль, головокружение, снижение пульса и частоты дыхания, приводит к обмороку и последующей гибели организма.
Токсичный газ
Монооксид углерода получается путем частичного сгорания веществ, содержащих углерод, например, в двигателях внутреннего сгорания. В соединение входит 1 атом углерода, ковалентно связанный с 1 атомом кислорода. Угарный газ очень ядовит, и это один из наиболее распространенных причин смертельных отравлений во всем мире. Воздействие может привести к поражению сердца и других органов.
В чем польза угарного газа?
Несмотря на свою серьезную токсичность, монооксид углерода чрезвычайно полезен - благодаря современным технологиям из него создается целый ряд жизненно важных продуктов. Окись углерода хотя сегодня и считается загрязнителем, всегда присутствовала в природе, однако не в таком количестве, как, например, углекислый газ.
Ошибаются те, кто считает, что не существует соединения монооксид углерода в природе. CO растворяется в расплавленной вулканической породе при высоких давлениях в земной мантии. Содержание оксидов углерода в вулканических газах варьируется от менее 0,01% до 2%, в зависимости от вулкана. Поскольку природные этого соединения не являются величиной постоянной, точно измерить естественные выбросы газа не представляется возможным.
Химические свойства
Монооксид углерода (формула CO) относится к несолеобразующим или безразличным оксидам. Однако, при температуре +200 o С он вступает в реакцию с гидроксидом натрия. Во время этого химического процесса происходит образование формиата натрия:
NaOH + CO = HCOONa (соль муравьиной кислоты).
Свойства монооксида углерода основаны на его восстановительной способности. Монооксид углерода:
Структура молекулы
Два атома, из которых, собственно, и состоит молекула окиси углерода (СО), связаны между собой тройной связью. Две из них образованы путем слияния p-электронов атомов углерода с кислородом, а третья - благодаря особому механизму за счет свободной 2р-орбитали углерода и 2р-электронной пары кислорода. Такая структура обеспечивает молекуле высокую прочность.
Немного истории
Еще Аристотель из древней Греции описывал токсичные пары, производимые Сам механизм смерти известен не был. Однако одним из древних методов казни было запирание преступившего закон в парной, где находились тлеющие угли. Греческий врач Гален предположил, что в составе воздуха происходят определенные изменения, которые причиняют вред при вдыхании.
Во время Второй мировой войны газовая смесь с примесями монооксида углерода, была применена в качестве топлива для автотранспортных средств в тех частях мира, где было ограниченное количество бензина и дизельного топлива. Были установлены внешние (за некоторыми исключениями) генераторы древесного угля или древесного газа, а смесь атмосферного азота, моноксида углерода и небольшого количества других газов подавалась в газовый смеситель. Это был так называемый древесный газ.
Окисление монооксида углерода
Окись углерода образуется при частичном окислении углеродсодержащих соединений. СО образуется, когда кислорода недостаточно для производства двуокиси углерода (CO 2), например, при работе печи или двигателя внутреннего сгорания в замкнутом пространстве. Если присутствует кислород, а также некоторые другие атмосферные концентрации, окись углерода горит, излучая синий свет, образуя двуокись углерода, известную как углекислый газ.
Угольный газ, широко применяемый до 1960 годов прошлого века для внутреннего освещения помещений, приготовления пищи и отопления, имел СО в составе в качестве преимущественного компонента топлива. Некоторые процессы в современных технологиях, таких как выплавка железа, все еще производят монооксид углерода в качестве побочного продукта. Само соединение СО окисляется в СО 2 при комнатной температуре.
Есть ли СО в природе?
Существует ли монооксид углерода в природе? Одним из его естественных по происхождению источников являются фотохимические реакции, происходящие в тропосфере. Эти процессы, как предполагается, способны генерировать около 5×10 12 кг вещества е;егодно. Среди других источников, как уже было сказано выше, находятся вулканы, лесные пожары и другие
Молекулярные свойства
Монооксид углерода имеет молярную массу 28,0, что делает его немного менее плотным, чем воздух. Длина связи между двумя атомами - 112,8 микрометров. Это достаточно близко, что обеспечивает одну из самых сильных химических связей. Оба элемента в соединении СО вместе имеют около 10 электронов в одной валентной оболочке.
Как правило, в органических карбонильных соединениях возникает двойная связь. Характерной СО является то, что между атомами возникает прочная тройная связь с 6 общими электронами в 3 связанных молекулярных орбиталях. Поскольку 4 из общих электронов происходят от атома кислорода и только 2 от углерода, одна связанная орбиталь занята двумя электронами из О 2 , образуя дательную или дипольную связь. Это вызывает поляризацию C ← O молекулы с маленьким зарядом "-" на углероде и небольшим зарядом "+" на кислороде.
Остальные две связанные орбитали занимают одну заряженную частицу от углерода и одну от кислорода. Молекула является асимметричной: кислород имеет большую плотность электронов, чем углерод, и также слегка положительно заряжен по сравнению с отрицательным углеродом.
Получение
В промышленности получение монооксид углерода СО осуществляется путем нагревания без доступа воздуха углекислого газа или водяных паров с углем:
СО 2 + С = 2СО;
Н 2 О + С = СО + Н 2.
Последнюю получившуюся смесь еще называют водяным или синтез-газом. В лабораторных условиях оксид углерода II путем воздействия на органические кислоты концентрированной серной кислоты, которая выступает в качестве водоотнимающего средства:
НСООН = СО + Н 2 О;
Н 2 С 2 О 4 = СО 2 + Н 2 О.
Основные симптомы и помощь при отравлении СО
Вызывает ли монооксид углерода отравление? Да, и очень сильное. является наиболее частым явлением во всем мире. Наиболее распространенные симптомы:
- чувство слабости;
- тошнота;
- головокружение;
- усталость;
- раздражительность;
- плохой аппетит;
- головная боль;
- дезориентация;
- нарушение зрения;
- рвота;
- обморок;
- судороги.
Воздействие этого токсичного газа может привести к значительным повреждениям, которые зачастую могут привести к длительными хроническим патологическим состояниям. Монооксид углерода способен причинить серьезный ущерб плоду беременной женщины. Пострадавшим, например, после пожара, следует оказать незамедлительную помощь. необходимо срочно вызвать скорую помощь, дать доступ свежего воздуха, убрать стесняющую дыхание одежду, успокоить, согреть. Сильное отравление, как правило, лечится только под присмотром врачей, в стационаре.
Применение
Угарный газ, как уже было сказано, ядовит и опасен, однако он является одним из базовых соединений, которые применяются в современной промышленности для органического синтеза. СО используют для получения чистых металлов, карбонилов, фосгена, сероокиси углерода, метилового спирта, формамида, ароматических кислоты. Это вещество также применяется в качестве горючего. Несмотря на его токсичность и ядовитость, его часто используют в качестве сырья для получения различных веществ в химической промышленности.
Угарный газ и углекислый газ: в чем разница?
Монооксид и диоксид углерода (СО и CO 2) часто ошибочно принимают друг за друга. Оба газа без запаха и цвета, и оба негативно воздействуют на сердечно-сосудистую систему. Оба газа могут проникать в организм через вдыхание, кожу и глаза. Эти соединения при воздействии на живой организм имеют ряд общих симптомов - головные боли, головокружение, судороги и галлюцинации. Большинство людей с трудом определяют разницу и не понимают, что выхлопные газы автомобилей испускают как CO, так и CO 2 . В помещении увеличение концентрации этих газов может быть опасным для здоровья и безопасности человека, подверженного их воздействию. В чем же разница?
При высоких концентрациях оба могут быть смертельными. Разница заключается в том, что CO 2 является общим природным газом, необходимым для всей растительной и животной жизни. CO не является обычным явлением. Это побочный продукт бескислородного сжигания топлива. Критическое химическое различие заключается в том, что CO 2 содержит один атом углерода и два атома кислорода, тогда как у CO их всего по одному. Углекислый газ является негорючим, в то время как монооксид имеет большую вероятность к воспламенению.
Двуокись углерода, естественно, встречается в атмосфере: люди и животные дышат кислородом и выдыхают углекислый газ, то есть живые существа способны выдерживать его в небольшом количестве. Этот газ необходим также для осуществления растениями фотосинтеза. Однако монооксид углерода не возникает естественным образом в атмосфере и может вызвать проблемы со здоровьем даже в низких концентрациях. Плотность обоих газов также различна. Углекислый газ тяжелее и плотнее воздуха, в то время как монооксид углерода немного легче. Эту их особенность стоит учитывать при установлении в домах соответствующих датчиков.
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.
Окись углерода, или угарный газ (CO) - газ без цвета, запаха и вкуса. Горит синим пламенем, как водород. Из-за этого в 1776 году химики перепутали его с водородом, когда впервые получили угарный газ путем нагревания оксида цинка с углеродом. Молекула этого газа имеет сильную тройную связь, подобно молекуле азота. Вот почему обнаруживается некоторое сходство между ними: температуры плавления и кипения практически одинаковы. Молекула окиси углерода обладает высоким значением потенциала ионизации.
Окисляясь, угарный газ образует углекислый газ. При этой реакции выделяется большое количество тепловой энергии. Вот почему окись углерода применяется в отопительных системах.
Угарный газ при низких температурах почти не вступает в реакции с другими веществами, в случае высоких температур дело обстоит иначе. Очень быстро проходят реакции присоединения различных органических веществ. Смесь CO и кислорода в определенных соотношениях весьма опасна из-за возможности ее взрыва.
Получение окиси углерода
В лабораторных условиях окись углерода получают путем разложения . Оно происходит под влиянием горячей концентрированной серной кислоты, либо при пропускании ее через оксид фосфора. Еще один способ заключается в том, что смесь муравьиной и щавелевой кислот нагревают до определенной температуры. Выделяющийся CO можно удалить из этой смеси, пропустив ее через баритовую воду (насыщенный раствор ).
Опасность угарного газа
Угарный газ чрезвычайно опасен для человека. Он вызывает сильное отравление, нередко может стать причиной смерти. Все дело в том, что окись углерода обладает способностью реагировать с гемоглобином крови, выполняющим перенос кислорода всем клеткам тела. В результате такой реакции образуется карбогемоглобин. Из-за недостатка кислорода клетки испытывают голодание.
Можно выделить следующие симптомы отравления: тошнота, рвота, головная боль, потеря цветоощущения, расстройство дыхания и другие. Человеку, отравившемуся угарным газом, необходимо как можно скорее оказать первую помощь. Сначала его нужно вытащить на свежий воздух и приставить к носу ватку, смоченную в нашатырном спирте. Далее растереть грудь пострадавшего и приложить к его ногам грелки. Рекомендуется обильное теплое питье. Нужно сразу же после обнаружения симптомов вызвать врача.
