Угарный газ

.

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⁺²O + O₂ = 2C⁺⁴O₂

2) с оксидами металлов

C⁺²O + CuO = Сu + C⁺⁴O₂

3) с хлором (на свету)

CO + Cl₂ --hn-> COCl₂(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:

PdCl₂ + H₂O + CO = CO₂ + 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 + I₂O₅ = 5 CO₂ + I₂.

Окисление СО в растворе часто идёт с заметной скоростью лишь в присутствии катализатора. При подборе последнего основную роль играет природа окислителя. Так, KMnO₄ быстрее всего окисляет СО в присутствии мелкораздробленного серебра, K₂Cr₂O₇ - в присутствии солей ртути, КСlO₃ - в присутствии OsO₄. 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 Н₂ как восстановителей можно оценить путём изучения обратимой реакции:

Н₂О + СО = СО₂ + Н₂ + 42 кДж,

равновесное состояние которой при высоких температурах устанавливается довольно быстро (особенно в присутствии Fe₂O₃). При 830 °С в равновесной смеси находятся равные количества СО и Н₂, т. е. сродство обоих газов к кислороду одинаково. Ниже 830 °С более сильным восстановителем является СО, выше - Н₂.

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:

Н₂О + СО + СаО = СаСО₃ + Н₂ + 217 кДж.

Реакция эта идёт уже при 500 °С.

На воздухе СО загорается около 700 °С и сгорает синим пламенем до СО₂:

2 СО + О₂ = 2 СО₂ + 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 + О₂ = СО₂ ; 2) СО₂ + С = 2 СО; 3) 2 СО + О₂ = 2 СО₂.

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 (NH₃, H₂S и т. п.). Обусловлено это цепным характером рассматриваемой реакции, протекающей при посредстве промежуточного образования радикалов ОН по схемам:

Н + О₂ = НО + О, затем О + СО = СО₂, НО + СО = СО₂ + Н и т. д.

При очень высоких температурах реакция горения СО становится заметно обратимой. Содержание СО₂ 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 К₆С₆О₆. Вещество это с отщеплением калия легко переходит в оксид углерода С₆О₆ ("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 [Fe(CO)₅, Ni(CO)₄, Mo(CO)₆ и др.], которые следует рассматривать как комплексные соединения.

Оксид углерода(II) образует комплексные соединения также с некоторыми солями. Одни из них (OsCl₂·3CO, PtCl₂·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:

СО₂ + 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 СО₂ + С = 2 СО.

Образование СО из элементов идёт по уравнению:

2 С + О₂ = 2 СО + 222 кДж.

Небольшие количества СО удобно получать разложением муравьиной кислоты:НСООН = Н₂О + 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 + СISO₃H = H₂SO₄ + 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:Н₂С₂О₄ = СО + СО₂ + Н₂О.

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:

К₄[Fe(CN)₆] + 6 H₂SO₄ + 6 H₂O = 2 K₂SO₄ + FeSO₄ + 3 (NH₄)₂SO₄ + 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, СО₂-4 и небольшие примеси других газов. При сжигании он даёт 3300-4200 кДж на м³. 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 Н₂ и дающий при сгорании 11700 кДж/м³. Газ этот получают продувкой водяного пара сквозь слой раскалённого угля, причём около 1000 °С имеет место взаимодействие по уравнению:

Н₂О + С + 130 кДж = СО + Н₂.

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, Н₂-45, СО₂-5 и N₂-6%. 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, Н₂-15, СО₂-5 и N₂-50%. Кубический метр его даёт при сжигании около 5400 кДж.

Применение.

Водяной и смешанный газы (в них содержится CO) используются в качестве топлива и исходного сырья химической промышленности. Они важны, например, как один из источников получения азотно-водородной смеси для синтеза аммиака. При пропускании их совместно с водяным паром над нагретым до 500 °С катализатором (главным образом Fe₂O₃) происходит взаимодействие по обратимой реакции:

Н₂О + СО = СО₂ + Н₂ + 42 кДж,

равновесие которой сильно смещено вправо.

Образовавшийся углекислый газ удаляют затем промыванием водой (под давлением), а остаток СО - аммиачным раствором солей меди. В результате остаются почти чистый азот и водород. Соответственно регулируя относительные количества генераторного и водяного газов, можно получать N₂ и Н₂ в требуемом объёмном соотношении. Перед подачей в колонну синтеза газовую смесь подвергают сушке и очистке от отравляющих катализатор примесей.

Молекула CO₂

Молекула СО характеризуется d(СО) = 113 пм, энергия его диссоциации 1070 кДж/моль, что больше, чем у других двухатомных молекул. Рассмотрим электронное строение СО, где атомы связаны между собой двойной ковалентной связью и одной донорно-акцепторной, причём кислород является донором, а углерод акцептором.

Влияние на организм.

Угарный газ очень ядовит. Первыми признаками острого отравления СО являются головная боль и головокружение, в дальнейшем наступает потеря сознания. Предельно допустимая концентрация СО в воздухе промышленных предприятий считается 0,02 мг/л. Основным противоядием при отравлении СО служит свежий воздух. Полезно также кратковременное вдыхание паров нашатырного спирта.

Чрезвычайная ядовитость СО, отсутствие у него цвета и запаха, а также очень слабое поглощение его активированным углём обычного противогаза делают этот газ особенно опасным. Вопрос защиты от него был разрешён изготовлением специальных противогазов, коробка которых заполнялась смесью различных оксидов (в основном MnO₂ и CuO). Действие этой смеси ("гопкалита") сводится к каталитическому ускорению реакции окисления СО до СО₂ кислородом воздуха. На практике гопкалитовые противогазы очень неудобны, так как заставляют дышать нагретым (в результате реакции окисления) воздухом.

Нахождение в природе.

Монооксид углерода входит в состав атмосферы (10-5 объёмн. %). В среднем 0,5% СО содержит табачный дым и 3% - выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания.