Формула углекислого газа и воды: Углекислый газ (диоксид углерода, двуокись углерода) – Что такое Углекислый газ (диоксид углерода, двуокись углерода)?

alexxlab | 05.01.1990 | 0 | Разное

Качественная реакция на углекислый газ. Учебно-методическое пособие Качественные реакции в химии кислород углекислый газ

1 / 5

Оксид углерода(IV) не поддерживает горения . В нём горят только некоторые активные металлы: :

2 M g + C O 2 → 2 M g O + C {\displaystyle {\mathsf {2Mg+CO_{2}\rightarrow 2MgO+C}}}

Взаимодействие с оксидом активного металла:

C a O + C O 2 → C a C O 3 {\displaystyle {\mathsf {CaO+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}}}}

При растворении в воде образует угольную кислоту :

C O 2 + H 2 O ⇄ H 2 C O 3 {\displaystyle {\mathsf {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}}}}

Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:

C a (O H) 2 + C O 2 → C a C O 3 ↓ + H 2 O {\displaystyle {\mathsf {Ca(OH)_{2}+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}\downarrow +H_{2}O}}} (качественная реакция на углекислый газ) K O H + C O 2 → K H C O 3 {\displaystyle {\mathsf {KOH+CO_{2}\rightarrow KHCO_{3}}}}

Биологические

Организм человека выделяет приблизительно 1 кг углекислого газа в сутки .

Этот углекислый газ переносится от тканей, где он образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма, по венозной системе и затем выделяется с выдыхаемым воздухом через лёгкие. Таким образом, содержание углекислого газа в крови велико в венозной системе, и уменьшается в капиллярной сети лёгких, и мало в артериальной крови. Содержание углекислого газа в пробе крови часто выражают в терминах парциального давления, то есть давления, которое бы имел содержащийся в пробе крови в данном количестве углекислый газ, если бы весь объём пробы крови занимал только он .

Углекислый газ (CO 2) транспортируется в крови тремя различными способами (точное соотношение каждого из этих трёх способов транспортировки зависит от того, является ли кровь артериальной или венозной).

Гемоглобин, основной кислород-транспортирующий белок эритроцитов крови, способен транспортировать как кислород, так и углекислый газ . Однако углекислый газ связывается с гемоглобином в ином месте, чем кислород. Он связывается с N-терминальными концами цепей глобина , а не с гемом . Однако благодаря аллостерическим эффектам, которые приводят к изменению конфигурации молекулы гемоглобина при связывании, связывание углекислого газа понижает способность кислорода к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении кислорода, и наоборот – связывание кислорода с гемоглобином понижает способность углекислого газа к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении углекислого газа. Помимо этого, способность гемоглобина к преимущественному связыванию с кислородом или с углекислым газом зависит также и от pH среды. Эти особенности очень важны для успешного захвата и транспорта кислорода из лёгких в ткани и его успешного высвобождения в тканях, а также для успешного захвата и транспорта углекислого газа из тканей в лёгкие и его высвобождения там.

Углекислый газ является одним из важнейших медиаторов ауторегуляции кровотока. Он является мощным вазодилататором . Соответственно, если уровень углекислого газа в ткани или в крови повышается (например, вследствие интенсивного метаболизма – вызванного, скажем, физической нагрузкой, воспалением, повреждением тканей, или вследствие затруднения кровотока, ишемии ткани), то капилляры расширяются, что приводит к увеличению кровотока и соответственно к увеличению доставки к тканям кислорода и транспорта из тканей накопившейся углекислоты. Кроме того, углекислый газ в определённых концентрациях (повышенных, но ещё не достигающих токсических значений) оказывает положительное инотропное и хронотропное действие на миокард и повышает его чувствительность к адреналину , что приводит к увеличению силы и частоты сердечных сокращений, величины сердечного выброса и, как следствие, ударного и минутного объёма крови. Это также способствует коррекции тканевой гипоксии и гиперкапнии (повышенного уровня углекислоты).

Ионы гидрокарбоната очень важны для регуляции pH крови и поддержания нормального кислотно-щелочного равновесия. Частота дыхания влияет на содержание углекислого газа в крови. Слабое или замедленное дыхание вызывает респираторный ацидоз , в то время как учащённое и чрезмерно глубокое дыхание приводит к гипервентиляции и развитию респираторного алкалоза .

Кроме того, углекислый газ также важен в регуляции дыхания. Хотя наш организм требует кислорода для обеспечения метаболизма, низкое содержание кислорода в крови или в тканях обычно не стимулирует дыхание (вернее, стимулирующее влияние нехватки кислорода на дыхание слишком слабо и «включается» поздно, при очень низких уровнях кислорода в крови, при которых человек нередко уже теряет сознание). В норме дыхание стимулируется повышением уровня углекислого газа в крови. Дыхательный центр гораздо более чувствителен к повышению уровня углекислого газа, чем к нехватке кислорода. Как следствие этого, дыхание сильно разрежённым воздухом (с низким парциальным давлением кислорода) или газовой смесью, вообще не содержащей кислорода (например, 100 % азотом или 100 % закисью азота) может быстро привести к потере сознания без возникновения ощущения нехватки воздуха (поскольку уровень углекислоты в крови не повышается, ибо ничто не препятствует её выдыханию). Это особенно опасно для пилотов военных самолётов, летающих на больших высотах (в случае аварийной разгерметизации кабины пилоты могут быстро потерять сознание). Эта особенность системы регуляции дыхания также является причиной того, почему в самолётах стюардессы инструктируют пассажиров в случае разгерметизации салона самолёта в первую очередь надевать кислородную маску самим, прежде чем пытаться помочь кому-либо ещё – делая это, помогающий рискует быстро потерять сознание сам, причём даже не ощущая до последнего момента какого-либо дискомфорта и потребности в кислороде .

Дыхательный центр человека пытается поддерживать парциальное давление углекислого газа в артериальной крови не выше 40 мм ртутного столба. При сознательной гипервентиляции содержание углекислого газа в артериальной крови может снизиться до 10-20 мм ртутного столба, при этом содержание кислорода в крови практически не изменится или увеличится незначительно, а потребность сделать очередной вдох уменьшится как следствие уменьшения стимулирующего влияния углекислого газа на активность дыхательного центра. Это является причиной того, почему после некоторого периода сознательной гипервентиляции легче задержать дыхание надолго, чем без предшествующей гипервентиляции. Такая сознательная гипервентиляция с последующей задержкой дыхания может привести к потере сознания до того, как человек ощутит потребность сделать вдох. В безопасной обстановке такая потеря сознания ничем особенным не грозит (потеряв сознание, человек потеряет и контроль над собой, перестанет задерживать дыхание и сделает вдох, дыхание, а вместе с ним и снабжение мозга кислородом восстановится, а затем восстановится и сознание). Однако в других ситуациях, например, перед нырянием, это может быть опасным (потеря сознания и потребность сделать вдох наступят на глубине, и в отсутствие сознательного контроля в дыхательные пути попадёт вода, что может привести к утоплению). Именно поэтому гипервентиляция перед нырянием опасна и не рекомендуется.

Получение

В промышленных количествах углекислота выделяется из дымовых газов, или как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов (известняк , доломит) или при производстве алкоголя (спиртовое брожение). Смесь полученных газов промывают раствором карбоната калия, которые поглощают углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В современных установках получения углекислого газа вместо гидрокарбоната чаще применяется водный раствор моноэтаноламина , который при определённых условиях способен абсорбировать СО₂, содержащийся в дымовом газе, а при нагреве отдавать его; таким образом отделяется готовый продукт от других веществ.

Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона .

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора , мела или соды с соляной кислотой , используя, например, аппарат Киппа . Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты.

Для приготовления напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.

Применение

В пищевой промышленности углекислота используется как консервант и разрыхлитель , обозначается на упаковке кодом Е290 .

Устройство для подачи углекислого газа в аквариум может включать в себя резервуар с газом. Простейший и наиболее распространенный метод получения углекислого газа основан на конструкции для изготовления алкогольного напитка браги . При брожении, выделяемый углекислый газ вполне может обеспечить подкормку аквариумных растений

Углекислый газ используется для газирования лимонада и газированной воды . Углекислый газ используется также в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его распад с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл . В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний . Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в инертной среде.

Хранение углекислоты в стальном баллоне в сжиженном состоянии выгоднее, чем в виде газа. Углекислота имеет сравнительно низкую критическую температуру +31°С. В стандартный 40-литровый баллон заливают около 30 кг сжиженного углекислого газа, и при комнатной температуре в баллоне будет находиться жидкая фаза, а давление составит примерно 6 МПа (60 кгс/см²). Если температура будет выше +31°С, то углекислота перейдёт в сверхкритическое состояние с давлением выше 7,36 МПа. Стандартное рабочее давление для обычного 40-литрового баллона составляет 15 МПа (150 кгс/см²), однако он должен безопасно выдерживать давление в 1,5 раза выше, то есть 22,5 МПа,- таким образом, работа с подобными баллонами может считаться вполне безопасной.

Твёрдая углекислота – «сухой лёд» – используется в качестве хладагента в лабораторных исследованиях, в розничной торговле, при ремонте оборудования (например: охлаждение одной из сопрягаемых деталей при посадке внатяг) и т. д. Для сжижения углекислого газа и получения сухого льда применяются углекислотные установки .

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях – анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO 2 в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта . Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем . Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф . Для измерения низких концентраций CO 2 (а также ) в технологических газах или в атмосферном воздухе можно использовать газохроматографический метод с метанатором и регистрацией на пламенно-ионизационном детекторе .

Углекислый газ в природе

Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40-70°) широт Северного полушария.

Большое количество углекислоты растворено в океане.

Углекислый газ составляет значительную часть атмосфер некоторых планет Солнечной системы : Венеры , Марса .

Токсичность

Углекислый газ нетоксичен, но по воздействию его повышенных концентраций в воздухе на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам (англ.) русск. . Незначительные повышения концентрации до 2-4 % в помещениях приводят к развитию у людей сонливости и слабости. Опасными концентрациями считаются уровни около 7-10 %, при которых развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и в потере сознания (симптомы, сходные с симптомами высотной болезни), в зависимости от концентрации, в течение времени от нескольких минут до одного часа. При вдыхании воздуха с высокими концентрациями газа смерть наступает очень быстро от удушья .

Хотя, фактически, даже концентрация 5-7 % CO 2 не смертельна, уже при концентрации 0,1 % (такое содержание углекислого газа наблюдается в воздухе мегаполисов) люди начинают чувствовать слабость, сонливость. Это показывает, что даже при высоких содержаниях кислорода большая концентрация CO 2 сильно влияет на самочувствие.

Вдыхание воздуха с повышенной концентрацией этого газа не приводит к долговременным расстройствам здоровья и после удаления пострадавшего из загазованной атмосферы быстро наступает полное восстановление здоровья .

Тема: Простые химические реакции – действие разбавленных кислот на карбонаты, получение и изучение свойств углекислого газа.

Цели обучения: – Изучить действие кислот на карбонаты и сделать общие выводы.

Понимать и выполнять качественное испытание углекислого газа.

Ожидаемые результаты: Посредством химического эксперимента на основании наблюдений, анализа результатов эксперимента учащиеся делают выводы о способах получения углекислого газа, его свойствах, и действии углекислого газа на известковую воду. Путем сравнения способов получения водорода и углекислого газа действием разбавленных кислот на металлы и карбонаты у ченики делают выводы о разных продуктах химических реакциях, полученных действием разбавленных кислот.

Ход урока:

Организационный момент: 1) Приветствие. 2) Определение отсутствующих. 3) Проверка готовности учащихся и кабинета к уроку

Опрос домашнего задания: Презентация видеоролика по теме: « Простые химические реакции, водород». Проведение взаимооценивания домашнего задания, техника «Две звезды и одно пожелание». Цель: Взаимооценивание, повторение изученного материала по теме простые химические реакции; водород способы получения и свойства.

Деление класса на группы. Стратегия: по счёту.

Изучение нового материала . Организует работу в группах для изучения теоретического ресурса по теме простые химические реакции – углекислый газ, получение и изучение свойств углекислого газа. Учитель организует взаимоконтроль изученного, ФО – техника – составить одно предложение, в котором необходимо выразить ответ на поставленный учителем вопрос.

– Что нового вы узнали о свойствах кислот?

Цель: о ценить качество каждого ответа быстро и в целом. Отметить идентифицируют ли ученики основные понятия пройденного материала и их взаимосвязи.

1. Учитель организует повторение правил техники безопасности при работе с кислотами и щелочами (известковой водой) – химический диктант – 4 мин. ФО – техника – самоконтроль по образцу – вставить пропущенные слова, работа с текстом. Цель проверить уровень знаний правил проведения безопасного эксперимента.

Диктант

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С КИСЛОТАМИ

Кислоты вызывают химический ………………….кожи и других тканей.

По быстроте действия и по скорости разрушения тканей тела кислоты располагаются в следующем порядке, начиная с наиболее сильных: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

При разбавлении кислот, ……………… льют по ………………… палочке с предохранительным резиновым кольцом внизу.

Склянку с кислотой нельзя ……………… руками к груди, т.к. возможно ………………… и …………..

Первая помощь. Пораженный кислотой участок кожи ………. струей холодной ………….. в течение ………………. мин. Пос ле ………………… на обожженное место накладывают пропитанную вод ным раствором …………. марлевую повязку или ват ный тампон. Через 10 мин. повязку ……….., кожу …………., и смазывают глицерином для уменьшения болевых ощу щений.

1. Выполнение лабораторного опыта: «Получение углекислого газа и изучение его свойств».

Учащиеся выполняют эксперимент, заполненяют таблицу наблюдений и выводов, производят запись видео наблюдений для размещения в YouTube для того, чтобы их увидели родители.

Рефлексия занятия: учитель просит выразить отношение к формам проведениям урока, высказать свои пожелания уроку. Учащиеся заполняют цветные стикеры –«Светофор»

«Красный» – тема мне не ясна, осталось много вопросов.

«Желтый» – тема мне понятна, но остались вопросы.

«Зеленый» – тема мне понятна.

Домашнее задание : Изучить теоретический ресурс. Письменно сравнить результаты действия разбавленных кислот на металлы и карбонаты, сравнить газы водород и углекислый газ – мини – эссе. Оформить видеоролик и разместить его на YouTube . Группам оценить видеоролики других учащихся ФО – техника – «Две звезды и одно пожелание».

Использованная литература:

Активные методы преподавания и обучения WWW . CPM . KZ

Формативное оценивание в начальной школе. Практическое пособие для учителя/ Сост. О. И. Дудкина, А. А. Буркитова, Р. Х. Шакиров. – Б.: «Билим», 2012. – 89 с.

Оценивание учебных достижений учащихся. Методическое руководство/Сост.Р. Х. Шакиров, А.А. Буркитова, О.И. Дудкина. – Б.: «Билим», 2012. – 80 с.

Приложение 1

Теоретический ресурс

Углекислый газ

Молекула СО 2

Физические свойства

Оксид углерода (IV) – углекислый газ, газ без цвета и запаха, тяжелее воздуха, растворим в воде, при сильном охлаждении кристаллизуется в виде белой снегообразной массы – «сухого льда». При атмосферном давлении он не плавится, а испаряется, минуя жидкое агрегатное состояние – это явление называется сублимация , температура сублимации -78 °С. Углекислый газ образуется при гниении и горении органических веществ. Содержится в воздухе и минеральных источниках, выделяется при дыхании животных и растений. Мало растворим в воде (1 объем углекислого газа в одном объеме воды при 15 °С).

Получение

Получают углекислый газ действием сильных кислот на карбонаты:

metal carbonate + acid → a salt + carbon dioxide + water

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O

карбонат кальция + соляная кислота = углекислый газ + вода

calcium carbonate + hydrochloric acid → calcium chloride + carbon dioxide + water

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + CO 2 + H 2 O

карбонат натрия + соляная кислота = углекислый газ + вода

sodium carbonate + hydrochloric acid → sodium chloride + carbon dioxide + water

Химические свойства

Качественна реакция

Качественной реакцией для обнаружения углекислого газа является помутнение известковой воды:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

известковая вода + углекислый газ = + вода

В начале реакции образуется белый осадок, который исчезает при длительном пропускании CO 2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = С a(HCO 3 ) 2 .

Приложение 2

Лабораторный опыт №7

«Получение углекислого газа и его распознавание»

Цель работы: экспериментально получить углекислый газ и провести опыт, характеризующий его свойства.

Оборудование и реактивы: штатив с пробирками, штатив лабораторный, пробирки, газоотводная трубка с резиновой пробкой, прибор для получения углекислого газа, мел (карбонат кальция),карбонат меди ( II ), карбонат натрия, раствор уксусной кислоты, известковая вода.

Ход работы:

Подготовьте заранее пробирку с 3 мл известковой воды.

Соберите прибор для получения газа (как показано на рисунке 1). Поместите в пробирку несколько кусочков мела, налейте до 1/3 объема пробирки уксусной кислоты и закройте пробкой с газоотводной трубкой, конец которой направлен вниз. Сделайте вывод о способе получения углекислого газа (_______________________?) .

Погрузите газоотводную трубку в пробирку с известковой водой так, чтобы конец газоотводной трубки был ниже уровня раствора. Пропускайте углекислый газ до выпадения осадка. Если продолжать дальше пропускать углекислый газ то осадок исчезнет. Сделайте вывод о химических свойствах углекислого газа.

По итогам проведенных опытов заполните таблицу, сделайте вывод.

Образец выполнения работы

Собрали прибор для получения углекислого газа, поместили в пробирку кусочки мела и прилили соляную кислоту. Наблюдаю: выделение пузырьков газа.

Углекислый газ можно получить действием уксусной кислоты на:

мел (карбонат Вывод: Получили углекислый газ и изучили его свойства.

Прежде чем рассматривать химические свойства углекислого газа, выясним некоторые характеристики данного соединения.

Общие сведения

Является важнейшим компонентом газированной воды. Именно он придает напиткам свежесть, игристость. Данное соединение является кислотным, солеобразующим оксидом. углекислого газа составляет 44 г/моль. Этот газ тяжелее воздуха, поэтому скапливается в нижней части помещения. Данное соединение плохо растворяется в воде.

Химические свойства

Рассмотрим химические свойства углекислого газа кратко. При взаимодействии с водой происходит образование слабой угольной кислоты. Она практически сразу после образования диссоциирует на катионы водорода и анионы карбоната или гидрокарбоната. Полученное соединение вступает во взаимодействие с активными металлами, оксидами, а также со щелочами.

Каковы основные химические свойства углекислого газа? Уравнения реакций подтверждают кислотный характер данного соединения. (4) способен образовывать карбонаты с основными оксидами.

Физические свойства

При нормальных условиях данное соединение находится в газообразном состоянии. При повышении давления можно перевести его до жидкого состояния. Этот газ не имеет цвета, лишен запаха, обладает незначительным кислым вкусом. Сжиженная углекислота является бесцветной, прозрачной, легкоподвижной кислотой, аналогичной по своим внешним параметрам эфиру либо спирту.

Относительная молекулярная масса углекислого газа составляет 44 г/моль. Это практически в 1,5 раза больше, чем у воздуха.

В случае понижения температуры до -78,5 градусов по Цельсию происходит образование Он по своей твердости аналогичен мелу. При испарении данного вещества образуется газообразный оксид углерода (4).

Качественная реакция

Рассматривая химические свойства углекислого газа, необходимо выделить его качественную реакцию. При взаимодействии данного химического вещества с известковой водой происходит образование мутного осадка карбоната кальция.

Кавендишу удалось обнаружить такие характерные физические свойства оксида углерода (4), как растворимость в воде, а также высокий удельный вес.

Лавуазье был проведен в ходе которого он пытался из оксида винца выделить чистый металл.

Выявленные в результате подобных исследований химические свойства углекислого газа стали подтверждением восстановительных свойств данного соединения. Лавуазье при прокаливании окиси свинца с оксидом углерода (4) сумел получить металл. Для того чтобы удостовериться в том, что второе вещество является оксидом углерода (4), он пропустил через газ известковую воду.

Все химические свойства углекислого газа подтверждают кислотный характер данного соединения. В земной атмосфере данное соединение содержится в достаточном количестве. При систематическом росте в земной атмосфере данного соединения возможно серьезное изменение климата (глобальное потепление).

Именно диоксид углерода играет важную роль в живой природе, ведь данное химическое вещество принимает активное участие в метаболизме живых клеток. Именно это химическое соединение является результатом разнообразных окислительных процессов, связанных с дыханием живых организмов.

Углекислый газ, содержащийся в земной атмосфере, является основным источником углерода для живых растений. В процессе фотосинтеза (на свету) происходит процесс фотосинтеза, который сопровождается образованием глюкозы, выделением в атмосферу кислорода.

Диоксид углерода не обладает токсичными свойствами, он не поддерживает дыхания. При повышенной концентрации данного вещества в атмосфере у человека возникает задержка дыхания, появляются сильные головные боли. В живых организмах углекислый газ имеет важное физиологическое значение, к примеру, он необходим для регуляции сосудистого тонуса.

Особенности получения

В промышленных масштабах углекислоту можно выделять из дымового газа. Кроме того, СО2 является побочным продуктом разложения доломита, известняка. Современные установки для производства углекислого газа предполагают использование водного раствора этанамина, адсорбирующего газ, содержащийся в дымовом газе.

В лаборатории диоксид углерода выделяют при взаимодействии карбонатов или гидрокарбонатов с кислотами.

Применение углекислого газа

Данный кислотный оксид применяется в промышленности в качестве разрыхлителя или консерванта. На упаковке продукции данное соединение указывается в виде Е290. В жидком виде углекислоту используют в огнетушителях для тушения пожаров. Оксид углерода (4) используют для получения газированной воды и лимонадных напитков.

Газировка, вулкан, Венера, рефрижератор – что между ними общего? Углекислый газ. Мы собрали для Вас самую интересную информацию об одном из самых важных химических соединений на Земле.

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Углекислый газ в природе: естественные источники

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

• Дыхание животных и растений.
  Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки . Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
• Вулканическая деятельность.
  Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
• Разложение органических веществ.
  Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

Искусственные источники углекислого газа

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

• промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
• автомобильный транспорт.

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Углекислый газ и мы: чем опасен СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых , уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически , мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от , который разрушает клетки нашего организма.

Углекислый газ в атмосфере Земли

В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.

Таблица 6.1 – Растворимость углекислого газа м3/м3 в воде при различных давлениях и температурах / КонсультантПлюс

Таблица 6.1 – Растворимость углекислого газа м³/м³ в воде при различных давлениях и температурах.

Давление, атм.	Температура, °C
	20	35	60	100
25	16,3	–	–	–
30	18,2	10,6	–	–
35	20,1	12,4	–	–
40	22,0	14,2	8,5	–
45	23,9	16,1	9,3	–
50	25,7	18,0	10,2	–
60	–	22,7	12,1	–
70	–	–	14,2	6,5
80	–	–	16,3	7,4
90	–	–	18,8	8,5
100	–	–	21,4	9,7
110	–	–	24,3	10,8
130	–	–	–	12,7
150	–	–	–	15,1

Рисунок 6.1 – Зависимость растворимости попутного газа

в пресной воде от температуры

Рисунок 6.2 – Значение поправочного коэффициента

в зависимости от минерализации воды

Рисунок 6.3 – Растворимость попутного газа

в обводненном метаноле

– с отработанным метанолом:

где,

– коэффициент растворимости попутного газа в обводненном метаноле, м³/(м³ x МПа), определяемый по рисунку 6.3;

V_м – расход метанола, м³;

P – рабочее давление, МПа.

– с отработанным диэтиленгликолем:

где,

V_гл – расход диэтиленгликоля, м³;

P – рабочее давление, МПа;

, – соответственно растворимость углеводородной составляющей попутного газа и углекислого газа в обводненном диэтиленгликоле, м³/(м³ x МПа), определяемая из рисунков 6.4 и 6.5;

– содержание углекислого газа в попутном газе, % объемных.

Рисунок 6.4 – Растворимость попутного газа (без CO₂)

в обводненном диэтиленгликоле.

Рисунок 6.5 – Растворимость углекислого газа

в обводненном диэтиленгликоле.

Общие технологические потери попутного газа при уносе с жидкостью будет определяться по формуле:

П_пг.ж = П_пг.в + П_пг.м + П_пг.гл (6.6)

Открыть полный текст документа

Почему мы до сих пор не умеем делать воду – и как научиться ее беречь

5 августа 2019

Лето – разве не идеальное время, чтобы бросить побольше льда в лимонад, наполнить бассейн и почаще принимать долгий, освежающий душ? Если коротко – то нет.

На самом деле, когда мы все наслаждаемся прекрасной погодой, легко забыть о важности экономии воды. Но разве не было бы проще, если бы мы могли просто делать воду с нуля? В конце концов, сегодня мы можем изготавливать самые разнообразные вещи – от бриллиантов до бургеров.

Н-2-О нет!

Теоретически, сделать воду должно быть легко. Надо лишь взять два атома водорода и соединить с атомом кислорода – разве это может быть сложно? Оказывается, может – и даже очень.

Просто смешав водород с кислородом, воду вы не получите – для того, чтобы их соединить, нужна энергия. Проблема с добавлением в это уравнение энергии заключается в том, что масштабная химическая реакция легковоспламеняющегося водорода и кислорода (который как раз и поддерживает горение) может привести к довольно большому взрыву. Поэтому опасности в этой затее больше, чем пользы.

Если мы не можем просто сделать воду из ее атомов, есть ли другие способы ее создать? В последнее время ученые сосредотачиваются на получении воды из воздуха и использовании для этого влажности. К сожалению, большинство таких исследований находятся на ранних стадиях и проводятся в небольших масштабах. То есть, бороться с нехваткой воды и засухой таким образом сейчас, безусловно, нельзя.

Настоящая жажда

Однако засуха – не единственная причина, почему мы работаем над тем, чтобы научиться делать воду. Население Земли постоянно увеличивается – и спрос на воду также растет.

Кроме того, в мире до сих пор есть места, где нет доступа к чистой воде. Хотя около 71% поверхности Земли – это вода, большая ее часть – это соленая вода, то есть не питьевая. Лишь 2% воды на Земле является пресной и безопасной для питья, и более половины ее находится в полярных ледяных шапках, откуда мы не можем ее получить. В то же время много чистой, питьевой воды мы теряем просто потому, что воспринимаем ее как должное.

Нам так легко получить воду у себя дома и на работе, что мы забываем, что это ограниченный ресурс и однажды он, вполне вероятно, закончится. По всем этим причинам поиск новых способов создания воды становится все более актуальным.

Голубая планета №2?

Підпис до фото,

Можем ли мы добывать воду на других планетах?

Ученые заинтересованы не только в создании и сборе воды на Земле. На самом деле, их исследования распространяются на самые удаленные уголки космоса. Сейчас астронавты NASA полагаются на свою Систему восстановления воды (Water Recovery System) для переработки водорода и углекислого газа в космосе для получения воды (и метана). В космосе у них нет дождя и водоемов, которые есть здесь у нас, поэтому количество воды еще более ограничено. Было бы почти идеально, если бы мы могли брать воду из космоса – но насколько это реально?

В прошлом году ученые обнаружили доказательства наличия льда на так называемой темной стороне Луны. Ранее подобные образования льда находили и на других планетах, например на Меркурии. Не трудно представить, как сильно это взволновало научное сообщество. Возможность брать воду с Луны и других планет не только открывает водные ресурсы за пределами Земли, но также дает возможность дальнейшего исследования космоса.

Но лед – не единственный водный ресурс в космосе. На Марсе есть ряд возможных источников воды – нам просто нужно найти способ ее добычи. Например, воду можно было бы собирать из атмосферы, из почвы или даже добывать из полезных ископаемых – возможности бесконечны. К сожалению, наши технологии еще не настолько развиты.

А может, начать с того, чтобы беречь то, что имеем?

Поэтому, возможно, вода – это не столь ограниченный ресурс, как мы считали изначально. Но пока возможность получать воду в глобальном или даже планетарном масштабе все еще недоступна.

Так что же мы можем сделать для сохранения воды, которая уже есть? Самое главное – не воспринимать воду как должное. Вот пять полезных советов, которые помогут вам уменьшить количество потребляемой воды:

• Не принимайте душ слишком долго. В жаркую погоду понятно желание принимать душ чаще. Однако, когда вы его принимаете, делайте это недолго, или даже замените долгий душ частично наполненной ванной.
• Не оставляйте кран открытым, когда в этом нет необходимости. Чаще всего так происходит, когда вы чистите зубы или умываетесь – но подумайте, что вся эта вода просто стекает в канализацию!
• Используйте стиральную или посудомоечную машины только с полной загрузкой. Одна полная загрузка экономит гораздо больше воды, чем две или три частичных.
• Не поливайте газон и растения избыточно. А также поливайте их в прохладное время суток – например, вечером вода не испаряется на солнце, поэтому расходуется меньше.
• Держите бутылку с водой в холодильнике, а не ждите, пока из крана потечет холодная.

В среднем человек использует около 9 000 литров воды в год – этого достаточно для наполнения двух бензиновых цистерн! Еще страшнее думать, что, по прогнозам, к 2025 году более 60% людей будут иметь ограниченный доступ к пресной воде.

Даже самая незначительная экономия воды может иметь огромное значение – если в ней будет участвовать большое количество людей.

Углекислый газ и карбонатная система воды

Многим аквариумистам известны рекомендации по использованию для размножения рыб воды, более мягкой и кислой, по сравнению с аквариумной. Удобно пользоваться для этой цели дистиллированной водой, мягкой и слабокислой, смешивая ее с водой из аквариума. Но оказывается, что при этом жесткость исходной воды уменьшается пропорционально разведению, а рН практически не изменяется. Свойство сохранять значение показателя рН независимо от степени разведения, называется буферностью. В этой статье мы познакомимся с основными компонентами буферных систем аквариумной воды: кислотностью воды – рН, содержанием углекислого газа – СО₂, карбонатной «жесткостью» – dКН (эта величина показывает содержание в воде гидрокарбонат-ионов НСО₃^–; в рыбохозяйственной гидрохимии этот параметр называют щелочностью), общей жесткостью – dGН (для упрощения принимается, что ее составляют только ионы кальция – Са⁺⁺). Обсудим их влияние на химический состав природной и аквариумной воды, собственно буферные свойства, а также механизм воздействия рассматриваемых параметров на организм рыб. Большинство химических реакций, рассматриваемых ниже, являются обратимыми, поэтому вначале важно познакомиться с химическими свойствами обратимых реакций; это удобно сделать на примере воды и показателя рН.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Далее – смотри вторую часть

• 6. СО₂ и физиология дыхания аквариумных рыб
• 7. Мини-практикум
• 8. Использованная литература

1. О ХИМИЧЕСКИХ РАВНОВЕСИЯХ, ЕДИНИЦАХ ИЗМЕРЕНИЯ И pН

Вода является хотя и слабым, но все же электролитом, т. е. способна к диссоциации, описываемой уравнением

Н₂О↔Н⁺ +ОН^–

Этот процесс обратим, т.е.

Н⁺+ОН^–↔Н₂О

C химической точки зрения ион водорода Н⁺ всегда является кислотой. Ионы, способные связывать, нейтрализовывать кислоту (Н⁺), являются основаниями. В нашем примере это – гидроксил-ионы (ОН^–), но в аквариумной практике, как будет показано ниже, доминирующим основанием является гидрокрабонат-ион НСО₃^–, ион карбонатной «жесткости». Обе реакции протекают с вполне измеримыми скоростями, определяемыми концентрацией: скорости химических реакций пропорциональны произведению концентраций реагирующих веществ. Так для обратной реакции диссоциации воды Н⁺+ОН^–>Н₂О ее скорость выразится следующим образом:

V_обр = К_обр[Н⁺][OH^–]

К – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции.
[ ]-квадратные скобки обозначают молярную концентрацию вещества, т.е. количество молей вещества в 1 литре раствора. Моль можно определить как вес в граммах (или объем в литрах – для газов) 6•10²³ частиц (молекул, ионов) вещества – число Авогадро. Число, показывающее вес 6•10²³ частиц в граммах равно числу, показывающему вес одной молекулы в дальтонах.

Так, например, выражение [H₂O] обозначает молярную концентрацию водного раствора … воды. Молекулярный вес воды составляет 18 дальтон (два атома водорода по 1д, плюс атом кислорода 16д), соответственно 1 моль (1М) Н₂О – 18 грамм. Тогда 1 литр (1000 грамм) воды содержит 1000:18=55,56 молей воды, т.е. [H₂O]=55,56М=const.

Поскольку диссоциация – процесс обратимый (Н₂О-Н⁺+ОН^–), то при условии равенства скоростей прямой и обратной реакции (V_пр=V_обр), наступает состояние химического равновесия, при котором продукты реакции и реагирующие вещества находятся в постоянных и определенных соотношениях: К_пр[H₂O] = K_обр[H⁺][OН^–]. Если константы объединить в одной части уравнения, а реагенты в другой, то получим

К_пр/К_обр = [H⁺][OH^–]/[H₂O] = К

где К также является постоянной величиной и называется константой равновесия.

Последнее уравнение является математическим выражением т.н. закона действия масс: в состоянии химического равновесия отношение произведений равновесных концентраций реагентов является постоянной величиной. Константа равновесия показывает, при каких пропорциях реагентов наступает химическое равновесие. Зная значение К, можно предсказать направление и глубину протекания химической реакции. Если К>1, реакция протекает в прямом направлении, если К<1 – в обратном. Используя константу равновесия, с химическими уравнениями можно обращаться как с алгебраическими и производить соответствующие вычисления. Точность их не очень высока, но они относительно просты и наглядны, что позволяет глубже понять смысл рассматриваемых процессов. Численное значение константы равновесия индивидуально и постоянно для каждой обратимой химической реакции. Оно определяется экспериментально, и эти значения приводятся в химических справочниках.

В нашем примере К_{= [H⁺][OН^–]/[H2O] = 1,8•10^-16}. Поскольку [H₂O] =55,56 =const, то ее можно объединить с К в левой части уравнения. Тогда:

К[H₂O]=[H⁺][OH^–]=(1,8•10^-16)•(55,56)=1•10^-14= const. = К_w

Преобразованное в такую форму уравнение диссоциации воды называется ионным произведением воды и обозначается К_w. Значение К_w остается постоянным при любых значениях концентраций Н⁺ и ОН^–, т.е. с увеличением концентрации ионов водорода Н⁺, уменьшается концентрация ионов гидроксила – ОH^– и наоборот. Так, например, если [H⁺] = 10^-6, то [OH^–] = K_w/[H⁺] = (10^-14)/(10^-6)=10^-8. Но К_w = (10^-6)^.(10^-8) =10^-14 = const. Из ионного произведения воды следует, что в состоянии равновесия [H⁺] = [OH^–] = √К_w = √1•10^-14 = 10^-7М.

Однозначность связи между концентрацией ионов водорода и гидроксила в водном растворе позволяет для характеристики кислотности или щелoчности среды пользоваться одной из этих величин. Принято пользоваться величинoй концентрации ионов водорода Н⁺. Поскольку величинами порядка 10^-7 оперировавть неудобно, в 1909 году шведский химик К.Серензен предложил использовать для этой цели отрицательный логарифм концентрации водородных ионов Н⁺ и обозначил его рН, от лат. potentia hydrogeni – сила водорода: рН = -lg[H⁺]. Тогда выражение [H⁺]=10^–7 можно записать коротко как pH=7. Т.к. предложенный параметр не имеет единиц измерения, он называется показателем (рН). Удобство предложения Серензона вроде бы очевидно, но он подвергался критике современников за непривычную обратную зависимость между концентрацией ионов водорода Н⁺ и значением показателя рН: с увеличением концентрации Н⁺, т.е. с увеличением кислотности раствора, значение показателя рН уменьшается. Из ионного произведения воды следует, что показатель рН может принимать значения от 0 до 14 с точкой нейтральности рН=7. Органы вкуса человека начинают различать кислый вкус со значения показателя рН=3,5 и ниже.

Для аквариумистики актуален диапазон рН 4,5-9,5 (ниже будет рассматриваться только он) и традиционно принята следующая шкала с непостоянной ценой деления:

• рН<6-кислая
• рН 6,0-6,5 – слабокислая
• рН 6,5-6,8 – очень слабокислая
• рН 6,8-7,2 –нейтральная

• рН 7,2-7,5 – очень слабощелочная

• рН 7,5-8,0 – слабощелочная

• рН>8 – щелочная

На практике в большинстве случаев гораздо информативнее оказывается более грубая шкала с постоянной ценой деления:

• рН=5±0,5 – кислая
• рН=6±0,5 – слабокислая
• рН=7±0,5 – нейтральная
• рН=8±0,5 – слабощелочная
• рН>8,5 – щелочная

Среды с рН<4,5 и рН>9,5 являются биологически агрессивными, и их следует считать непригодными для жизни обитателей аквариума. Поскольку показатель рН является логарифмической величиной, то изменение рН на 1 единицу означает изменение концентрации ионов водорода в 10 раз, на 2 – в 100 раз и т.д.. Изменение концентрации Н⁺ вдвое приводит к изменению значения показателя рН лишь на 0,3 единицы.

Многие аквариумные рыбы без особого вреда для здоровья переносят и 100-кратные (т.е. на 2 единицы рН) изменения кислотности воды. Разводчики харациновых и других т.н. мягководных рыб, перекидывают производителей из общего аквариума (часто со слабощелочной водой) в нерестовик (со слабокислой) и обратно без промежуточной адаптации. Практика также показывает, что большинство обитателей биотопов с кислой водой в неволе лучше чувствует себя в воде с рН 7,0-8,0. С. Спотт считает рН 7,1-7,8 оптимальным для пресноводного аквариума.

Дистиллированная вода имеет рН 5,5–6,0, а не ожидаемое рН=7. Чтобы разобраться с этим парадоксом, необходимо познакомиться с «благородным семейством»: СО₂ и его производными.

2. СО2 СО ТОВАРИЩИ, pН, И СНОВА ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Согласно закону Генри содержание газа воздушной смеси в воде пропорционально его доле в воздухе (парциальному давлению) и коэффициенту абсорбции. Воздух содержит до 0,04% СО₂, что соответствует его концентрации до 0,4 мл/л. Коэффициент абсорбции СО₂ водой=12,7. Тогда 1 литр воды может растворить 0,6 – 0,7 мл СО₂ (мл, а не мг!). Для сравнения, его биологический антипод – кислород, при 20%-ном содержании в атмосфере и коэффициенте абсорбции 0,05 обладает растворимостью 7 мл/л. Сравнение коэффициентов абсорбции показывает, что при прочих равных растворимость СО₂ значительно превышает растворимость кислорода. Попробуем разобраться, за что же такая несправедливость.

В отличие от кислорода и азота, углекислый газ – СО₂, является не простым веществом, а химическим соединением – оксидом. Как и другие оксиды, он взаимодействует с водой с образованием гидратов оксидов и, как и у других неметаллов, его гидроксидом является кислота (угольная):

СО₂+Н₂О = Н₂СО₃.

В итоге большей относительной растворимостью углекислый газ обязан химическому связыванию его водой, чего не происходит ни с кислородом, ни с азотом. Рассмотрим внимательнее кислотные свойства угольной кислоты, применив закон действия масс и приняв во внимание, что [H₂O] = const:

СО₂+Н₂О=Н⁺+НСО₃^–;  К₁ = [Н⁺][HCO₃^–]/[CO₂] = 4•10^-7
НСО₃^–=Н⁺+СО₃^—;  К₂ = [H⁺][CO₃^—]/[HCO₃^–] = 5,6•10^-11

здесь К₁ и К₂ – константы диссоциации угольной кислоты по 1 и 2-ой ступени.

Ионы НСО₃^– называются гидрокарбонатами (в старой литературе бикарбонатами), а ионы СО₃^— – карбонатами. Порядок величин К₁ и К₂ говорит о том, что угольная кислота является весьма слабой кислотой (К₁<1 и К₂ <1), а сравнение величин К₁ и К₂ – о том, что в ее растворе доминируют гидрокарбонат-ионы (К₁>К₂).

Из уравнения К₁ можно рассчитать концентрацию ионов водорода Н⁺:

[H⁺] = K₁[CO₂]/[HCO₃^–]

Если выразить концентрацию Н⁺ через рН, как это в свое время сделали Хендерсон и Хассельбальх для теории буферных растворов, то получим:

рН = рК₁ – lg[CO₂]/[HCO₃^–]
или удобнее
рН = рК₁ + lg[HCO₃^–]/[CO₂]

где, по аналогии с рН, рК₁ = -lgК₁ =-lg4•10^-7 = 6,4 = const. Тогда pH=6,4 + lg[HCO₃^–]/[CO₂]. Последнее уравнение известно как уравнение Хендерсона – Хассельбальха. Из уравнения Хендерсона – Хассельбальха следуют по крайней мере два важных вывода. Во-первых, для анализа величины показателя рН необходимо и достаточно знания концентраций компонентов только СО₂-системы. Во-вторых, значение показателя рН определяется отношением концентраций [HCO₃^–]/[CO₂], а не наоборот.

Поскольку содержание [HCO₃^–] неизвестно, для вычисления концентрации Н⁺ в дистиллированной воде можно воспользоваться принятой в аналитической химии формулой [H⁺] = √K₁[CO₂]. Тогда рН = -lg√K₁[CO₂]. Чтобы оценить интересующую нас величину показателя рН, вернемся к единицам измерения. Из закона Генри известно, что концентрация СО₂ в дистиллированной воде составляет 0,6мл/л. Выражение [CO₂] означает молярную концентрацию (см. выше) углекислого газа. 1М СО₂ весит 44 грамма, и при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Тогда для решения задачи необходимо определить, какую долю от 1М, т.е. от 22,4 литров, составляют 0,6 мл. Если концентрация СО₂ выражена не в объемных, а в весовых единицах, т.е. в мг/л, то искомую долю необходимо считать от молярного веса СО₂ – от 44 грамм. Тогда искомая величина составит:

[CO₂] = x•10^-3/22,4 = y•10^-3/44

где х – объемная (мл/л), у – весовая (мг/л) концентрация СО₂. Простейшие вычисления дают приблизительную величину 3•10^-5М СО_2, или 0,03mM. Тогда

рН = -lg√K₁[CO₂] = -lg√(4•10^-7)(3•10^-5) = -lg√12•10^-12 = -lg(3,5•10^-6) = 5,5

что вполне согласуется с измеряемыми значениями.

Из уравнения Хендерсона-Хассельбальха видно, как величина показателя рН зависит от отношения [НСO₃^–]/[СО₂]. Приблизительно можно считать, что если концентрация одного компонента превышает концентрацию другого в 100 раз, то последней можно пренебречь. Тогда при [НСО₃^–]/[СО₂] = 1/100   рН = 4,5, что можно считать нижним пределом для СО₂-системы. Меньшие значения показателя рН обусловлены присутствием не угольной, а других минеральных кислот, например серной, соляной. При [НСО₃^–]/[СО₂] = 1/10, рН = 5,5. При [НСО₃^–]/[СО₂] = 1, или [НСО₃^–] = [СО₂], рН = 6,5. При [НСО₃^–]/[СО₂] = 10, рН = 7,5. При [НСО₃^–]/[СО₂] =100, рН = 8,5. Считается, что при рН>8,3 (точка эквивалентности фенолфталеина) свободная углекислота в воде практически отсутствует.

3. ПРИРОДНАЯ ВОДА И УГЛЕКИСЛОТНОЕ РАВНОВЕСИЕ

В природе атмосферная влага, насыщаясь СО₂ воздуха и выпадая с осадками, фильтруется через геологическую кору выветривания. Принято считать, что там она, взаимодействуя с минеральной частью коры выветривания, обогащается т.н. типоморфными ионами: Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, Na⁺, SO₄^—, Сl^– и формирует свой химический состав.

Однако работами В.И. Вернадского и Б.Б. Полынова показано, что химический состав поверхностных и грунтовых вод регионов с влажным и умеренно влажным климатом формирует в первую очередь почва. Влияние же коры выветривания связано с ее геологическим возрастом, т.е. со степенью выщелоченности. Разлагающиеся растительные остатки поставляют в воду СО₂, НСО₃^– и зольные элементы в пропорции, соответствующей их содержанию в живом растительном веществе: Cа>Na>Mg. Любопытно, что практически во всем мире питьевая вода, используемая и в аквриумистике, в качестве доминирующего аниона содержит гидрокарбонат-ион НСО₃^–, а из катионов – Ca⁺⁺, Na⁺, Mg⁺⁺, нередко с некоторой долей Fe. А поверхностные воды влажных тропиков вообще удивительно однообразны по химическому составу, отличаясь лишь степенью разведения. Жесткость таких вод крайне редко достигает значений (8° dGH), удерживаясь обычно на уровне до 4°dGН. Ввиду того, что в таких водах [CO₂]=[HCO₃^–], они имеют слабокислую реакцию и значение показателя рН 6,0-6,5. Обилие листового опада и активно идущее его разрушение при большом количестве осадков могут приводить к весьма высокому содержанию в таких водах СО₂ и гумусовых веществ (фульвокислот) при почти полном отсутствии зольных элементов. Таковы т.н. «черные воды» Амазонии, в которых значение показателя рН может опускаться до 4,5 и дополнительно удерживаться т.н. гуматным буфером.

На содержание СО₂ в природных водах оказывает влияние и их подвижность. Так в проточных водах СО₂ содержится в концентрации 2 – 5 мг/л (до 10), тогда как в стоячих водах болот и прудов эти величины достигают значения 15 – 30 мг/л .

В засушливых и бедных растительностью регионах на формирование ионного состава поверхностных вод заметное влияние оказывает геологический возраст горных пород, слагающих кору выветривания и их химический состав. В них рН и пропорции типоморфных ионов будут отличаться от приведенных выше. В результате формируются воды с заметным содержанием SО₄^— и Сl^–, а из катионов могут преобладать Nа⁺ с заметной долей Mg⁺⁺. Возрастает и общее содержание солей – минерализация. В зависимости от содержания гидрокарбонатов, значение показателя рН таких вод колеблется в среднем от рН 7±0,5 до рН 8±0,5, а жесткость всегда выше 10°dGH. В стабильно щелочных водах, при рН>9, основными катионами всегда будут Mg⁺⁺ и Na⁺ с заметным содержанием калия, поскольку Са⁺⁺ осаждается в форме известняка. В этом плане особенно интересны воды Великой Африканской рифтовой долины, которая характеризуется т.н. содовым засолением. При этом даже воды таких гигантов, как озера Виктория, Малави и Танганьика отличаются повышенной минерализацией и таким высоким содержанием гидрокарбонатов, что карбонатная «жесткость» в их водах превышает жесткость общую: dKH>dGH.

Содержащиеся в воде СО₂ и его производные – гидрокарбонаты и карбонаты, связаны между собой т.н. углекислотным равновесием:

СО₂ + Н₂О↔Н⁺+НСО₃^–↔2Н⁺ + СО₃^—

 В тех регионах, где кора выветривания молодая и содержит известняк (СаСО₃), углекислотное равновесие выражается уравнением

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Cа⁺⁺ + 2НСО₃^–

Применив к этому уравнению закон действия масс (см. выше) и приняв во внимание, что [H₂O]=const и [CaCO₃]=const (твердая фаза), получаем:

[Ca⁺⁺][HCO₃^–]²/[CO₂] = К_СО2

где К_СО2 – константа углекислотного равновесия.

Если концентрации действующих веществ выражены в миллимолях (mM,10^-3М), то К_СО2 = 34,3. Из уравнения К_СО2 видна неустойчивость гидрокарбонатов: в отсутствие СО_2, т.е. при [CO₂]=0, уравнение не имеет смысла. При отсутствии углекислого газа гидрокарбонаты разлагаются до СО₂ и подщелачивают воду: НСО₃^–→ОН^–+СО₂. Содержание свободной СО₂ (для «неживой» воды весьма незначительное), которое обеспечивает устойчивость данной концентрации гидрокарбонатов при неизменном рН, называется равновесной углекислотой – [CO₂]_р. Она связана как с содержанием углекислого газа в воздухе так и с dКН воды: с ростом dКН увеличивается и количество [СО₂]_р. Содержание СО₂ в природных водах как правило близко к равновесной и именно эта их особенность, а не значения dKH, dGН и рН чаще всего отличает состояние природных вод от аквариумной воды. Решив уравнение К_СО2 относительно СО₂, можно определить концентрацию равновесной углекислоты:

[CO₂]_р = [Ca⁺⁺][HCO₃^–]²/К_СО2

Поскольку в пресноводной аквариумистике понятия общей жесткости, карбонатной «жесткости» и кислотности являются культовыми, то интересно, что уравнения:

К₁ = [H⁺][HCO₃^–]/[CO₂]
и
К_СО2 = [Ca⁺⁺][HCO₃^–]²/[CO₂]

объединяют их в одну систему. Разделив К_СО2 на К_1, получим обобщенное уравнение:

К_СО2/К₁=[Ca⁺⁺][HCO₃^–]/[H⁺]

Напомним, что [H⁺] и рН объединяет обратнопропорциональная зависимость. Тогда последнее уравнение показывает, что параметры: dGH, dKH и рН связаны прямопропорционально. Это значит, что в состоянии, близком к газовому равновесию, увеличение концентрации одного компонента приведет к увеличению концентрации остальных. Данное свойство хорошо заметно при сравнении химического состава природных вод разных регионов: более жесткие воды отличаются более высокими значениями рН и dКН.

Для рыб оптимальное содержание СО₂ составляет 1–5мг/л. Концентрации более 15мг/л опасны для здоровья многих видов аквариумных рыб (см. ниже).

Таким образом, с точки зрения углекислотного равновесия, содержание СО₂ в природных водах всегда близко к [CO₂]р.

4. ОБ АКВАРИУМНОЙ ВОДЕ И ПРОИЗВЕДЕНИИ РАСТВОРИМОСТИ

Аквариумная вода не бывает равновесной по содержанию СО₂ в принципе. Измерение содержания углекислоты с помощью СО₂-теста позволяет определить общее содержание углекислого газа – [CO₂]_общ, значение которого, как правило, превышает концентрацию равновесной углекислоты – [CO₂]_общ>[CO₂]_р. Это превышение называется неравновесной углекислотой – [CO₂]_нер. Тогда

[CO₂]_нер = [CO₂]_общ – [CO₂]_р

Обе формы углекислоты – и равновесная и неравновесная, являются не измеряемыми, а только расчетными параметрами. Именно неравновесный углекислый газ обеспечивает активный фотосинтез водных растений и с другой стороны, может создавать проблемы при содержании отдельных видов рыб. В хорошо сбалансированном аквариуме естественные суточные колебания содержания углекислого газа не приводят к падению его концентрации ниже [CО₂]_ри не превышают возможностей буфера аквариумной воды. Как будет показано в следующей главе, амплитуда этих колебаний не должна превышать ±0,5[CO₂]_р. Но при увеличении содержания углекислого газа на более, чем 0,5[CO₂]_р, динамика заявленных компонентов СО₂-системы – dGH, dKH и рН, будет сильно отличаться от природной: общая жесткость (dGH) в такой ситуации возрастает на фоне падения значений рН и dКН. Именно такая ситуация в корне может отличать аквариумную воду от природной. Происходит повышение dGH в результате растворения известняка грунта. В такой воде могут затрудняться жизненно важные процессы газообмена в организме рыб, в частности – выведение СО₂, а формирующиеся ответные патологические процессы часто приводят к ошибкам при оценке ситуации (см ниже). В морских рифовых аквариумах такая вода может растворять свежеосажденный СаСО₃ скелета жестких кораллов, в том числе на месте травмы, что может приводить к отслоению тела полипа от скелета и гибели животного при благополучии аквариума по другим параметрам.

При обилии водных растений, на свету возможна ситуация, когда [CO₂]_общ<[CO₂]р. В этом случае растения будут влачить жалкое существование, а вода будет склонна к отложению СаСО₃, особенно на зрелых листьях. Поэтому в аквариумах для выращивания водных растений рекомендуется поддерживать [CO₂]_нер< 3 – 5 мг/л. Последнее неравенство также характерно для морских вод коралловых рифов. В океанологии данная ситуация описывается т.н. индексом насыщенности вод карбонатом кальция. В такой обстановке фотосинтез симбионтных зооксантелл в телах коралловых полипов еще больше усиливает приведенное неравенство, что в итоге приводит к отложению СаСО₃ и росту скелета полипа. К сожалению, в морской аквариумистике этот параметр применения пока не нашел. Ввиду такого важного значения растворимости известняка СаСО₃, познакомимся с химией этого процесса подробнее.

Как известно, осаждение из раствора кристаллов любого вещества начинается при его т.н. насыщенных концентрациях, когда вода больше не способна вмещать в себе это вещество. Водный раствор над осадком (твердой фазой) всегда будет насыщен ионами вещества, независимо от его растворимости и будет находиться в состоянии химического равновесия с твердой фазой. Для известняка это выразится уравнением: СаСО_3(тв.)=Са⁺⁺+СО₃^—_(р-р). Применив закон действия масс, получим: [Ca⁺⁺][CO₃^—]_(р-р)/[CaCO₃]_(тв.)=К. Поскольку [CaCO₃]_(тв.)=const (твердая фаза), то тогда [Ca⁺⁺][CO₃^—]_(р-р)=К. Т.к. последнее уравнение характеризует способность вещества растворяться, то такое произведение насыщенных концентраций ионов трудно растворимых веществ назвали произведением растворимости – ПР (ср. с ионным произведением воды К_w).

ПР_СаСО3 = [Ca⁺⁺][CO₃^—] = 5•10^-9. Как и ионное произведение воды, ПР_СаСО3 остается постоянным, независимо от изменения концентраций ионов кальция и карбонатов. Тогда при наличии в аквариумном грунте известняка, в воде всегда будут присутствовать карбонат-ионы в количестве, определяемом ПР_СаСО3 и общей жесткостью:

[CO₃^—] = ПР_СаСО3/[Ca⁺⁺]

В присутствии в воде неравновесного углекислого газа происходит реакция:

СО₃^—+СО₂+Н₂О=2НСО₃^–

которая понижает насыщающую концентрацию карбонат-ионов [СО₃^—]. В результате в соответствии с произведением растворимости, в воду будут поступать компенсаторные количества СО₃^— из СаСО₃, т.е. известняк начнет растворяться. Поскольку СО₂+Н₂О=Н⁺+НСО₃^–, смысл приведенного выше уравнения можно сформулировать точнее: СО₃^—+Н⁺=НСО₃^–. Последнее уравнение говорит о том, что карбонаты, находящиеся в воде в соответствии с ПР_СаСО3, нейтрализуют кислоту (Н⁺), образующуюся при растворении СО₂, в результате чего рН воды сохраняется неизменным. Таким образом, мы постепенно пришли к тому, с чего начинали разговор:

5. КАРБОНАТНАЯ БУФЕРНАЯ СИСТЕМА

Растворы называют буферными, если они обладают двумя свойствами:

А: Значение показателя рН растворов не зависит от их концентрации, или от степени их разведения.

Б: При добавлении кислоты (Н⁺), или щелочи (ОН^–), величина их показателя рН мало изменяется, пока концентрация одного из компонентов буферного раствора не изменится более, чем наполовину.

Указанными свойствами обладают растворы, состоящие из слабой кислоты и ее соли. В аквариумной практике такой кислотой является углекислота, а ее доминирующей солью – гидрокарбонат кальция – Са(НСО₃)₂. С другой стороны, повышение содержания СО₂ выше равновесного эквивалентно добавлению в воду кислоты – Н⁺, а понижение его концентрации ниже равновесного – равносильно добавлению щелочи – ОН^– (разложение гидрокарбонатов – см. выше). Количество кислоты или щелочи, которое необходимо внести в буферный раствор (аквариумную воду), чтобы значение показателя рН изменилось на 1 единицу, называется буферной емкостью. Отсюда следует, что рН аквариумной воды начинает изменяться раньше, чем исчерпывается ее буферная емкость, но по исчерпании буферной емкости, рН изменяется уже эквивалентно количеству внесенной кислоты, или щелочи. В основе работы буферной системы лежит т.н. принцип Ле Шателье: химическое равновесие всегда смещается в сторону, противоположную приложенному воздействию. Рассмотрим свойства А и Б буферных систем.

А. Независимость рН буферных растворов от их концентрации выводится из уравнения Хендерсона-Хассельбальха: рН = рК₁ +lg[HCO₃^–]/[CO₂]. Тогда при разных концентрациях НСО₃^– и СО₂ их отношение [HCO₃^–]/[CO₂] может быть неизменным. Так, например, [HCO₃^–]/[CО₂] = 20/8 = 10/4 = 5/2 = 2,5/1 = 0,5/0,2 = 2,5, – т.е. разные воды, отличающиеся значением карбонатной «жесткости» dКН и содержанием СО₂, но содержащие их в одинаковой пропорции, будут иметь одинаковое значение показателя рН (см.также гл.2). Уверенно отличаться такие воды будут по своей буферной емкости: чем выше концентрация компонентов буферной системы, тем больше ее буферная емкость и наоборот.

Аквариумисты сталкиваются с данным свойством буферных систем обычно в периоды весеннего и осеннего паводка, если станции водозабора снабжаются поверхностной, а не артезианской водой. В такие периоды буферная емкость воды может уменьшаться настолько, что некоторые виды рыб не выдерживают традиционной плотной посадки. Тогда начинают появляться истории о загадочных болезнях, выкосивших например, скалярий, или меченосцев и против которых бессильны все лекарства.

Б. Можно говорить о трех буферных системах аквариумной воды, каждая из которых устойчива в своем диапазоне рН:

1. рН<8,3 СО₂/НСО₃^– гидрокарбонатный буфер

2. рН=8,3 НСО₃^– гидрокарбонатный буфер

3. рН>8,3 НСО₃^–/СО₃^— карбонатный буфер.

Рассмотрим свойсво Б в двух вариантах: вар. Б1 – при возрастании содержания СО₂ и вар. Б2 – при уменьшении его содержания.

Б1. Концентрация СО₂ увеличивается (плотная посадка, очень старая вода, перекорм).

Кислотные свойства СО₂ проявляются в образовании ионов водорода Н⁺ при взаимодействии его с водой: СО₂+Н₂О→Н⁺+НСО₃^–. Тогда увеличение концентрации СО₂ равносильно увеличению концентрации ионов водорода Н⁺. Согласно принципа Ле Шателье это приведет к нейтрализации Н⁺. В этом случае буферные системы работают следующим образом.

Карбонатный буфер 3: при наличии карбонатного грунта ионы водорода будут поглощаться присутствующими в воде карбонатами: Н⁺+СО₃^—→НСО₃^–. Следствием этой реакции будет растворение СаСО₃ грунта (см. выше).

Гидрокарбонатный буфер 1 – 2: по реакции Н⁺+НСО₃^–→CO₂↑+Н₂О. Стабильность рН будет достигнута за счет уменьшения карбонатной «жесткости» dКН, а удаление образующегося СО₂ – либо за счет фотосинтеза, либо за счет диффузии его в воздух (при надлежащей аэрации).

Если источник избытка СО₂ не будет устранен, то при уменьшении значения dКН вдвое от исходного, рН воды начнет понижаться при сопутствующем падении буферной емкости и увеличении общей жесткости. Когда величина показателя рН уменьшится на 1 единицу, емкость буферной системы будет исчерпана. При значении рН=6,5 содержание оставшихся гидрокарбонатов [HCO₃^–]=[CO₂], а при рН<6 гидрокарбонаты будут присутствовать лишь в виде следа.

В итоге стабильность рН будет оплачена ценой понижения dКН, увеличения dGH и расходования буферной емкости воды. Такая вода уже будет сильно отличаться от природной (см. выше) и не всякая рыба сможет в ней выжить. В аквариумной практике принято считать нижней границей нормы количество гидрокарбонатов, соответствующее 4°dКН. Можно добавить, что для ряда видов аквариумных рыб (живородки, скалярии, атерины и др.) понижение карбонатной «жесткости» ниже 2°dКН может закончится трагично. Но в то же время, многие мелкие харациновые, расборы, радужницы такую воду переносят.

Б2. Противоположные процессы – подщелачивание воды вследствие уменьшения содержания СО₂ в аквариуме ниже равновесного – возможны либо при активном фотосинтезе растений, либо при искусственном внесении в воду гидрокарбонатов в виде пищевой соды – NаНСО₃. Тогда, согласно принципу Ле Шателье, это приведет к следующему противодействию со стороны буферных систем аквариумной воды.

Гидрокарбонатный буфер 1: стабильность рН будет удерживаться за счет диссоциации гидрокарбонатов: НСО₃^–→Н⁺+СО₃^—. Тогда вслед за понижением содержания

СО₂, будет пропорционально понижаться и количество гидрокарбонатов, а значение отношения [НСО₃^–]/[CO₂] сохраняться постоянным (см. свойство А, уравнение Хендерсона-Хассельбальха). При падении содержания углекислоты менее 0,5[CO₂]_р, значение показателя рН начнет увеличиваться и может возрасти до рН=8,3. По достижении этого значения, гидрокарбонатный буфер 1 свои возможности исчерпывает, поскольку в такой воде СО₂ практически отсутствует.

Гидрокарбонатный буфер 2 удерживает значение рН=8,3. Эта цифра следует из формулы [Н⁺]=√К₁К₂, где К₁ и К₂ – 1 и 2-ая константы диссоциации угольной кислоты (см. выше). Тогда:

рН = -lg√К₁К₂ = -lg√(4•10^-7)(5,6•10^-11) = 8,3

Т.е. значение рН растворов любых гидрокарбонатов постоянно, не превышает рН=8,3 и является следствием самой химической природы этих веществ.

В отсутствие СО₂ гидрокарбонаты разлагаются по уравнению:

НСО₃^– →СО₂+ОН^–, подщелачивая воду и выделяя СО₂, который потребляют растения. Но, тот же гидрокарбонат нейтрализует ОН^– по схеме: НСО₃^–→СО₃^—+Н⁺; и Н⁺+ОН^–→Н₂О. Поэтому значение показателя рН будет сохраняться стабильным, что отражает суммарное уравнение:

2НСО₃^–→СО₃^—+СО₂+Н₂О

Стабильность рН достигается опять же за счет уменьшения количества гидрокарбонатов, т.е. за счет понижения буферной емкости воды. Однако аквариумный тест dКН это уменьшение не чувствует в силу особенностей самого метода анализа.

Поскольку гидрокарбонат-ион обладает способностью к диссоциации как по кислотному, так и по основному типу, т.е: НСО₃^– →Н⁺+СО₃^—и НСО₃^– →ОН^–+СО₂, то карбонатная «жесткость» dКН (содержание гидрокарбонатов), также является буферной системой.

Искусственное внесение в воду гидрокарбонатов (обычно в виде пищевой соды) иногда практикуется при содержании цихлид из Великих Африканских озер и в морской аквариумистике. При этом реализуются две стратегии: увеличение буферной емкости аквариумной воды и повышение значения показателя рН до 8,3.

Если количество СО₂ в аквариумной воде будет уменьшаться и далее, то при падении его содержания вдвое, по сравнению с равновесным, рН воды начнет возрастать. По превышении показателем рН значения рН=8,3, углекислый газ из воды исчезает, и неорганический углерод представлен только гидрокарбонатами и карбонатами.

Карбонатный буфер 3. По превышении карбонатами концентрации, соответствующей произведению растворимости [CO₃^—]=ПР_СаСО3/[Cа⁺⁺], в воде начнут образовываться кристаллы СаСО₃. Поскольку основным и единственным потребителем СО₂ в пресноводном аквариуме являются водные растения, то рассматриваемые процессы происходят преимущественно на поверхности зеленого листа. При возрастании рН>8,3 поверхность зрелых листьев начнет покрываться известковой коркой, которая является замечательным субстратом для роста водорослей. Связывая карбонаты СО₃^—, образующийся СаСО₃ также поддерживает стабильность рН. Однако в отсутствие ионов Са⁺⁺ (в очень мягкой воде), при активном фотосинтезе рост концентрации карбонатов будет повышать значение показателя рН вследствие гидролиза карбонатов: СО₃^—+Н₂О→ОН^–+НСО₃^–.

При увеличении значения показателя рН на 1 единицу, по сравнению с исходным, буферная емкость воды будет исчерпана, и при продолжающемся падении содержания СО₂, значение показателя рН может быстро повыситься до рискованного рН>8,5. В итоге падение содержания СО₂ в аквариумной воде приведет к росту значения показателя рН при некотором уменьшении общей жесткости. В такой воде (также сильно неравновесной, как и в варианте Б1) весьма дискомфортно будут себя чувствовать многие мягководные рыбы.

Таким образом карбонатная буферная система воды объединяет в себе традиционные аквариумные гидрохимические параметры: жесткость общую и карбонатную, рН, а также содержание СО₂. В ряду dGH – pH – dKH – CO₂самым консервативным параметром является dGH, а самым изменчивым – СО₂. По степени изменения dGH, pH и особенно dKH по сравнению с отстоянной, проаэрированной водопроводной водой можно судить о степени напряженности процессов дыхания и фотосинтеза в аквариуме. Исчерпание буферной емкости аквариумной воды как в ту, так и в другую сторону, настолько изменяет ее способность поглощать СО₂, что именно это свойство зачастую превращает ее в сильно неравновесную по содержанию СО₂ и кардинально отличает от природной. Изменение способности аквариумной воды поглощать выдыхаемый рыбами СО₂, может превышать физиологические возможности организма рыб по его выведению. Поскольку это отражается на здоровье рыбного населения аквариума, то следует познакомиться с особенностями физиологического действия СО₂ на организм рыб.

(Продолжение – Часть 2 >>)

 

© Аква Лого
Александр Яночкин

Поля, отмеченные знаком *, обязательны для заполнения.

Угарный газ – воздействие на человека, и приборы, его контролирующие

Из статьи вы узнаете, как образуется угарный газ, его формулу, где встречается, каким образом им можно отравиться в быту и на производстве, а также познакомитесь с признаками и симптомами отравления.

Общие сведения о СО

Окись углерода, монооксид углерода, или всем известный угарный газ (формула СО) – это не имеющий запаха, цвета или вкуса очень токсичное и опасное для здоровья человека газообразное соединение.

Угарный газ образуется при горении любых материалов, в состав которых входит углерод – это бензин, природный газ солярка, угли, дрова и прочие органические материалы, в том числе мебель и предметы обихода. Процесс горения приводит к окислению органических веществ и сопровождается выделением двуокиси углерода (углекислого газа) и воды. В идеале, полное сгорание ограничивается этими двумя веществами. Однако в нормальных условиях при горении наблюдается недостаток кислорода (особенно в замкнутом или плохо проветриваемом пространстве), что приводит к неполному окислению углеродов и образованию угарного газа.

Немного печальной статистики – при пожаре основная причина гибели людей это, как вы могли бы предположить, не обширные ожоговые поражения и смерть в огне, а именно отравление угарным газом.

Действие угарного газа заключается в следующем – попадая в дыхательные пути молекулы этого соединения быстро всасываются в кровь и связываются с молекулами гемоглобина. При этом образуется карбоксигемоглобин, вещество, препятствующее транспортировке кислорода по организму человека и очень быстро вызывающее кислородную недостаточность.

Небольшая концентрация угарного газа (не более 0,08%) вызывает удушье и головную боль, при превышении до 0,32% наблюдается паралич и потеря сознания. При воздействии такой концентрации в течение 25-30 минут наиболее вероятен смертельный исход.

В зависимости от симптомов отравления от угарного газа различают три степени тяжести:

• Легкая степень тяжести. Эта стадия характеризуется такими признаками угарного газа как: общая слабость, головная боль, отдающая в лобную долю и виски и височной областях, головокружения и шум в ушах, а также нарушение зрительных функций. Отравление сопровождается сухим кашлем, нехваткой воздуха, одышкой, слезотечением, тошнотой и тахикардией.
• Тяжесть средней степени. В данном случае все вышеперечисленные признаки не просто сохраняются, но и усугубляются. Так, чувство тошноты переходит в рвоту, возникает затуманенность сознания и кратковременная потеря сознания, галлюцинации, боли в груди давящего характера.
• Тяжелая степень. Как уже говорилось выше, главное свойство угарного газа – это способность вызывать кислородную недостаточность в организме человека. При относительно длительном воздействии (15-25 минут), наступает необратимое изменение биологических и физических показателей в крови, сопровождающееся параличом, долговременной потерей сознания, вплоть до коматозного состояния. Также наблюдаются судороги, непроизвольное мочеиспускание и опорожнение кишечника, посинение кожных покровов и слизистых оболочек. Дыхание человека при этом, вследствие дефицита кислорода, становится поверхностным и прерывистым. Далее наступает смерть.

Как обнаружить угарный газ 

Утечка угарного газа в быту чаще всего связана с неправильной установкой или эксплуатацией отопительных бытовых приборов. В зоне риска находятся дома с печным отоплением и каминами, бани и сауны. Оставленная в заведенном состоянии в гараже машина также выделяет угарный газ и делает длительное нахождение в помещении опасным для здоровья. Также работающая машина в гараже, прилегающем к дому, становится потенциальным источников опасности для всех его жителей.

Повышенный риск образования угарного газа имеют закрытые помещения, такие как лифт, подсобки и прочие небольшие или имеющие затрудненный выход пространства.

Образование угарного газа и достижение его смертельных концентраций часто возникает и на объектах производства. Так, работа большинства отраслей промышленности сопровождается технологическими процессами, связанными с горением. Особому риску подвержены шахты, разведочные буровые установки, эксплуатационные платформы, наземные нефте- и газохранилища, нефтеперерабатывающие заводы и т.д.

Утечку угарного газа невозможно обнаружить без применения специальных приборов, так как отсутствует изменение цвета, вкуса и запаха воздуха. С этой целью выпускают специальные системы обнаружения угарного газа, помогающие сделать бытовую жизнь и производственные процессы безопасными, сократить риски для здоровья.

В состав системы входят датчики угарного газа (газоанализаторы угарного газа или сигнализаторы угарного газа), а также контроллеры и устройства оповещения. В совокупности эти приборы позволяют быстро обнаружить угарный газ и предупредить о развитие опасной ситуации еще на ранних стадиях.

Мы собрали ТОП-10 газоанализаторов угарного газа, разделенных по сфере применения и наличию дополнительных функций.

ТОП-10 газоанализаторов угарного газа

Модель	Внешний вид	Характеристики
Domino B10-DM03G газоанализаторы угарного газа стационарные		Тип: Стационарный/Одноканальный. Режим работы: Непрерывный. Область применения: Производственные помещения, котельные, административный и жилой сектор. Особенности: Настенный монтаж. Съемный электрохимическим сенсор. Высокая степень надежности и малое энергопотребление. Ударопрочный эргономичный корпус.
Testo-317-3 течеискатели угарного газа портативные		Тип: Портативный (индивидуальный). Режим работы: Периодический. Область применения: Котельные, кухни, прачечные, системы вентиляции и кондиционирования воздуха, промышленный сектор, склады, мониторинг газового отопительного оборудования. Особенности: Выдача оптический и акустический сигнал тревоги при превышении предельных значений. Функция самодиагностики.
Testo-315-3 анализаторы угарного и углекислого газов		Тип: Стационарный/Одноканальный. Режим работы: Непрерывный. Область применения: Котельные, кухни, прачечные, системы вентиляции и кондиционирования воздуха, промышленный сектор, склады, мониторинг газового отопительного оборудования. Особенности: Параллельное измерение СО и CO2. Опциональное измерение относительной влажности и температуры воздуха. Возможность печати данных непосредственно на объекте с помощью опционального принтера.
СЗ-2Е сигнализаторы загазованности угарным газом		Тип: Стационарный/Одноканальный. Режим работы: Непрерывный. Область применения: Котельные и других коммунально-бытовые и производственные помещения. Особенности: Возможность управления клапаном. Порт RS485 или радиоканал. Питание от сети ~230В или внешнего источника.
ОКА исп. И11 газоанализаторы переносные с выносным блоком датчиков		Тип: Переносной. Режим работы: Периодический. Область применения: Подвалы, подземные коммуникации, туннели канализации и связи, емкости и подобные труднодоступные места. Особенности: Одновременный контроль до 5 газов. Малые масса и габариты. Работоспособность при отрицательных температурах (до -40°С). Предусмотрен контроль разряда аккумулятора. Электронная установка “нуля”.
ОКА исп. И22Д2 газоанализаторы стационарные с графическим дисплеем		Тип: Стационарный/Многоканальный. Режим работы: Непрерывный. Область применения: Производственные помещения, колодцы, подвалы, подземные коммуникации и другие объекты, где возможно опасное изменение состава воздуха рабочей зоны. Особенности: Одновременный контроль до 4 газов. Малогабаритный корпус с устройствами крепления на DIN-рейку. Блок индикации имеет графический дисплей.
Хоббит-Т исп. И11 газоанализаторы переносные с выносным блоком датчиков		Тип: Переносной. Режим работы: Периодический. Область применения: Подвалы, подземные коммуникации, туннели канализации и связи, емкости и подобные труднодоступные места. Особенности: Одновременный контроль до 5 газов. Блок индикации оснащен жидкокристаллическим дисплеем для индикации показаний и имеет встроенную световую и звуковую сигнализацию.
Хоббит-Т стационарный многоканальный газоанализатор исп. И21		Тип: Стационарный/Многоканальный Режим работы: Непрерывный. Область применения: Производственные помещения, колодцы, подвалы, подземные коммуникации и другие объекты, где возможно опасное изменение состава воздуха рабочей зоны. Особенности: Одновременный контроль до 12 газов. Выносной блок датчиков. Предусмотрена возможность связи с компьютером с помощью последовательного интерфейса. Для каждого канала измерения имеется светодиодная сигнализация неисправности, дублируемая звуковым сигналом.
ОКА исп. И21 газоанализаторы стационарные многоканальные		Тип: Стационарный/Многоканальный Режим работы: Непрерывный Область применения: Производственные помещения, колодцы, подвалы, подземные коммуникации и другие объекты, где возможно опасное изменение состава воздуха рабочей зоны. Особенности: Одновременный контроль до 16 газов. Жидкокристаллический дисплей. Высокая степень защиты корпуса.
СОУ-1 сигнализатор оксида углерода		Тип: Стационарный/Одноканальный Режим работы: Непрерывный Область применения: Коммунальное хозяйство и индивидуальный жилой сектор, помещения котельных, колодцы, шахты, гаражи, крытые автостоянки и помещения других объектов, где существует опасность выделения и скопления угарного газа. Особенности: Наличие «сухих» контактов реле с повышенной нагрузочной способностью, позволяющих включать (отключать) вентиляцию, сирену и другие исполнительные устройства. Наличие внешнего входа «авария», что позволяет соединять приборы в шлейф совместно с газосигнализаторами или подключать их к пожарной или охранной сигнализации.

Чтобы правильно подобрать газоанализаторы угарного газа, узнать их стоимость или приобрести, вам достаточно позвонить по телефону +7 (4812) 209-311 или написать по электронной почте [email protected].

Избыток углекислого газа в атмосфере: леса быстрее растут и быстрее умирают | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW

Не будь на нашей планете лесов и океанов, содержание углекислого газа в земной атмосфере было бы гораздо выше, чем сегодня. Примерно половина всего антропогенного углекислого газа, то есть тех выбросов, источником которых являются промышленность, транспорт, энергетика, сельское хозяйство и прочая деятельность человека, из года в год поглощается морями и биосферой суши. Причем на суше – прежде всего, конечно, природными лесами, которые порой выспренне именуют “зелеными легкими планеты”.

Про один важный процесс забыли

Для фотосинтеза (процесса, в ходе которого образуется кислород) деревьям необходим углекислый газ. Рост содержания углекислого газа в атмосфере способствует росту деревьев, он для них своего рода дополнительное удобрение. Все верно, но вот какой вывод из этого следует? “Если содержание СО2 в атмосфере будет и дальше увеличиваться, то это, надеются многие, приведет к разрастанию лесов, что, в свою очередь, поможет биосфере поглощать еще больше СО2, – говорит Харальд Бугман (Harald Bugmann), профессор Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе, специалист в области экологии леса. – То есть эти люди считают, что сам рост эмиссии углекислого газа позволит нам справиться с ростом эмиссии углекислого газа”.

Конечно, это было бы замечательно. Тем более, что удобрение углекислым газом действительно оказывает воздействие на вегетацию – это не вызывает никаких сомнений. Со спутников видны регионы с пышно разрастающимися лесами, поглощающими все больше и больше углекислого газа. Вот только этот эффект может оказаться очень недолговечным, – предостерегает ученый: “Выполненные мною исследования указывают на то, что в наших расчетах и оценках мы забыли учесть один важный процесс, который способен существенно снизить или даже вовсе свести на нет такую функцию биосферы как поглощение углекислого газа”.

Чем быстрее рост, тем хуже древесина

Процесс, о котором говорит и пишет в своих научных статьях швейцарский эколог, – это преждевременное старение деревьев. Усиленный рост ведет к сокращению продолжительности жизни. “Это связано с тем, что у деревьев, растущих в атмосфере, пересыщенной углекислым газом, снижается качество древесины, – объясняет профессор. – Соответственно, они хуже противостоят болезням, вредителям, экстремальным погодным явлениям, и раньше умирают. При этом накопленный было углекислый газ ускоренными темпами выделяется обратно в атмосферу”.

По крайней мере, так это выглядит в компьютерных расчетах цюрихского ученого. Профессор Бугман смоделировал процессы, протекающие в шести различных видах лесов, типичных для Швейцарии, под влиянием удобрения углекислым газом и ускоренным на 10-30 процентов ростом. Результаты этого исследования вполне репрезентативны для всех природных лесов Европы, – подчеркивает ученый: “Нынешние оценки экспертов исходят из предположения, что никакого ускоренного умирания лесов нет. При этом, вполне естественно, получается, что деревья накапливают все больше и больше углекислого газа. А мои данные говорят о том, что леса начнут умирать раньше. И если это так, то мы получим то, что в математике называется игрой с нулевой суммой. То есть удобрение углекислым газом в начале цикла круговорота не даст нам ровным счетом ничего”.

Если модель нельзя проверить, лучше перестраховаться

Расчеты швейцарского исследователя вызвали интерес у коллег. Американский эколог Хэнк Шугарт (Hank Shugart), профессор Вирджинского университета в Шарлоттсвилле, говорит: “Должен сказать, что мои работы подтверждают ряд полученных им данных. Про то, что в искусственных лесопосадках быстрый рост означает и быструю смерть, мы знали давно. Этот эффект связан с тем, что деревья более жестко конкурируют друг с другом. Исследование профессора Бугмана обогащает наши знания в этой области: оно свидетельствует о том, что сходный эффект имеет место и в природных лесах. То есть там, где масштабы поглощения углекислого газа из атмосферы наиболее велики – например, во влажных тропических лесах Амазонки”.

Впрочем, сам профессор Бугман признает, что у его модели имеется один весьма существенный недостаток: она практически не поддается проверке. Ведь для того, чтобы выяснить, насколько получаемые с ее помощью расчетные данные соответствуют реальным, нужно проследить за жизненным циклом, по крайней мере, одного поколения деревьев – от начала до (возможно, преждевременного) конца. Такой эксперимент едва ли возможен: он продлился бы несколько веков. В этой ситуации рецепт может быть один – осторожность и осмотрительность, – говорит швейцарский эколог: “На горизонте просматривается некий фактор. Есть основания полагать, что он реально существует. И действует так, что отменяет дополнительное поглощение биосферой СО2, на которое мы все так надеялись. Значит, не надо питать иллюзий, лучше перестраховаться. Не надо делать ставку на это дополнительное поглощение, когда речь заходит, скажем, о квотировании выбросов парниковых газов и о международных обязательствах по снижению уровня их эмиссии. То есть в этом деле есть и политическая составляющая”.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман

Растворимость газов в воде ⇆ Растворенные газы в воде

Растворимость газов в воде. Растворенные газы в воде и их коэффициенты растворимости.

Нам известно, что многие газы могут растворяться в воде. К примеру, рыбы, как и множество других водных обитателей, дышат растворенным в воде кислородом. Морские водоросли особенно активно разрастаются в прибрежных зонах, насыщенных растворенным в воде углекислым газом, который необходим для протекания фотосинтеза. Взгляните на газы, растворимые в воде. В таблице приведен коэффициент рсрастворимости Растворенный в воде газ присутствует в жизни практически какждого из нас, ведь сложно найти человека, который откажется от охлажденного газированного напитка, в котором любезно растворили CO2. Подобных глобальных примеров растворения газа в воде очень много, как и газов, которые немедленно начнут растворятся в воде при контакте с ней.

 

Таблица №1 «Коэффициенты растворимости газов в воде»

 

В данной таблице приводятся коэффициенты растворимости (в литрах газа на литр воды) Числовое значение коэффициента выражает степень растворимости определенного газа в воде при давлении 1 бар (0,1 МПа)и температуре 20 °C. и является основным критерием оценки растворимости.

Растворимость – это такой баланс, при котором количество растворенного газа пропорционально парциальному давлению в газообразной фазе над поверхностью воды. Если нам известно атмосферное давление и соответствующая концентрация газа, то можно вычислить максимальную концентрацию растворенного в воде газа, умножив значение парциального давления газа на расчетный коэффициент растворимости из таблици №1.

Пример №1 «Колличественная оценка содержания кислорода и азота, растворенных в воде»:

 

Классический пример, когда атмосферный воздух вступает с водой в реакцию, сопровождающуюся растворением основных его компоенетов.

1. Подсчитываем кислород O₂:  концентрация 20.9 объемн. % кислорода с атмосферным давлением 1000 мбар (750 мм. ртутного столба) создают парциальное давление 0.209 бар (0.0209 МПа),  таким образом, получаем числовое значение:

0.031 x 0.209 = 0.00648 литра или 6.5 мл кислорода O₂ растворены в 1 литре воды.

 

 

 

2. Подсчитываем азот N₂: при создаваемом парциальном давление 0.791 бар N₂) азот растворяется хуже кислорода, выражение:

 

0.016 x 0.791 = 0.01266 л или 12.7 мл. азота N2 содеожится в 1 л. воды.

 

Мы только что получили данные по составу и насущению кислродом большиснва пресных водемво и рек россиии.

 

 

Пример №2 «Расчет содержания растворенного углекислого газа в газированной воде»:

Газировка производится посредством растворения в воде CO₂ под давлением около 2 бара (0,2 МПа). Этих данных достаточно, что бы вычислить содержание CO₂ в заданной жидкости, принятой за минеральную воду.

 

0.879 x 2 = 1.75 л CO₂ растворенны в 1 литре газированной воды.

 

 

Как вы могли заметить, из таблицы и примеров, некоторые газы растворяются в воде очень быстро и эффективно. Именно поэтому в качестве мер безопасности широко распространено использование водяных распылителей, создание “водяных завес”, например, для снижения угрозы здоровью при выбросах значительных объемов аммиака, HCl и других токсичных газов.

 

Помните, что растворимость во многом зависит от температуры. Чем выше температура воды, тем меньше газа можно в ней растворить. По этой причине для растворения загрязняющих газов в воздухе их пропускают сквозь холодную техническую воду,  Нагревание такого раствора с газами, сопровождается десорбцией и высвобождением всех растворенных газообразных компонентов до полного испарения основы (воды).Обладая подобной информацией, проектировщики систем безопасности выбирают наиболее подходящие для комплектации модели приборов, обозначая на схеме их предварительные места установки и требуемое количество.

 

Отсюда вывод: избегайте условий образования конденсата при монтаже датчиков! Влага внутри прибора коварна даже в небольших малозметных колличествах. Применяйте специальные аксессуары и опции для дополнительной защиты газоанализатора от внешних воздействий – брызгозащитные комлекты, антибликовые козырьки, термокожухи, модули защиты от насекомых и т.д.

угольная кислота | Формула, использование и факты

угольная кислота , (H ₂ CO ₃ ), соединение элементов водорода, углерода и кислорода. Он образуется в небольших количествах при растворении его ангидрида, двуокиси углерода (CO ₂ ), в воде.

CO ₂ + H ₂ O ⇌ H ₂ CO ₃ Преобладающими видами являются просто свободно гидратированные молекулы CO ₂ . Угольную кислоту можно рассматривать как двухосновную кислоту, из которой могут быть образованы два ряда солей, а именно гидрокарбонаты, содержащие HCO ₃ ⁻ , и карбонаты, содержащие CO ₃ ²⁻ .H ₂ CO ₃ + H ₂ O ⇌ H ₃ O ⇌ H ₃ O ⁺ + HCO ₃ ^–
HCO ₃ ^– + H ₂ O ⇌ H ₃ O ⁺ + CO ₃ ²⁻ Однако кислотно-щелочное поведение угольной кислоты зависит от различных скоростей некоторых вовлеченных реакций, а также от их зависимости от pH системы. Например, при pH менее 8 основные реакции и их относительная скорость следующие: CO ₂ + H ₂ O ⇌ H ₂ CO ₃ (медленная)
H ₂ CO ₃ + OH ^– ⇌ HCO ₃ ^– + H ₂ o (быстро) выше pH 10 Следующие реакции важны: CO ₂ + ОН ^– ⇌ HCO ₃ ^– (медленно)
HCO ₃ ⁻ + OH ⁻ ⇌ CO ₃ ²⁻ + H ₂ O (быстро) Между значениями pH выше 8 и 10 значимы все равновесные реакции .

Подробнее по этой теме

оксикислота: угольная кислота и карбонатные соли

Углекислота (h3CO3) образуется в небольших количествах при растворении ее ангидрида, двуокиси углерода (CO2), в…

Углекислота играет роль в формировании пещер и пещерных образований, таких как сталактиты и сталагмиты. Самые большие и наиболее распространенные пещеры образуются в результате растворения известняка или доломита под действием воды, богатой углекислотой, полученной в результате недавних дождей.Кальцит в сталактитах и ​​сталагмитах происходит из вышележащего известняка вблизи границы раздела коренной породы и почвы. Дождевая вода, просачивающаяся через почву, поглощает углекислый газ из богатой углекислым газом почвы и образует разбавленный раствор угольной кислоты. Когда эта кислая вода достигает основания почвы, она вступает в реакцию с кальцитом в известняковой породе и переводит часть его в раствор. Вода продолжает свой нисходящий поток через узкие трещины и трещины в ненасыщенной зоне с незначительной дальнейшей химической реакцией.Когда вода выходит из свода пещеры, углекислый газ теряется в атмосфере пещеры, а часть карбоната кальция выпадает в осадок. Проникающая вода действует как кальцитовый насос, удаляя его с верхней части коренной породы и повторно откладывая в пещере внизу.

Угольная кислота играет важную роль в переносе углекислого газа кровью. Углекислый газ поступает в кровь в тканях, потому что его местное парциальное давление больше, чем его парциальное давление в крови, протекающей через ткани.Когда углекислый газ попадает в кровь, он соединяется с водой с образованием угольной кислоты, которая диссоциирует на ионы водорода (H ⁺ ) и ионы бикарбоната (HCO ₃ ^– ). Высвобождаемые ионы водорода минимально влияют на кислотность крови, поскольку белки крови, особенно гемоглобин, являются эффективными буферными агентами. (Буферный раствор сопротивляется изменению кислотности за счет соединения с добавленными ионами водорода и, по существу, их инактивации.) Естественное превращение двуокиси углерода в угольную кислоту — относительно медленный процесс; однако карбоангидраза, белковый фермент, присутствующий внутри эритроцита, катализирует эту реакцию с достаточной скоростью, чтобы она выполнялась всего за долю секунды.Поскольку фермент присутствует только внутри эритроцита, бикарбонат накапливается в нем в гораздо большей степени, чем в плазме. Способность крови переносить углекислый газ в виде бикарбоната усиливается за счет системы переноса ионов внутри мембраны эритроцитов, которая одновременно перемещает ион бикарбоната из клетки в плазму в обмен на ион хлорида. Одновременный обмен этих двух ионов, известный как хлоридный сдвиг, позволяет использовать плазму в качестве места хранения бикарбоната без изменения электрического заряда ни плазмы, ни эритроцита.Только 26 процентов общего содержания углекислого газа в крови находится в виде бикарбоната внутри эритроцита, а 62 процента существует в виде бикарбоната в плазме; однако основная масса ионов бикарбоната сначала образуется внутри клетки, а затем транспортируется в плазму. Обратная последовательность реакций возникает, когда кровь достигает легких, где парциальное давление углекислого газа ниже, чем в крови.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена ​​Эриком Грегерсеном.

Самое важное уравнение биологии: «углекислый газ + вода → глюкоза + кислород».

Недавно мой коллега доктор Итан Сигел написал статью, объясняющую, почему F = ma — то есть сила = масса x ускорение — является самым важным уравнением в физике. Это, казалось бы, скромное уравнение, известное как второй закон движения Ньютона, полезно физикам всех уровней и даже дает намеки на специальную теорию относительности.

Это заставило меня задуматься: в каждой области науки есть такое уравнение? Уравнение настолько важное, что без него не может существовать сама тема или область? Я как микробиолог задумался над этим и пришел к выводу, что да, есть такое уравнение для биологии: CO ₂ + H ₂ O → C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ .(Это несбалансированная версия. Сбалансированная версия: 6CO ₂ + 6H ₂ O → C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ .) + вода → глюкоза + кислород. Это фотосинтез, и без него, скорее всего, не было бы ни растений, ни животных.

Почему в мире господствует фотосинтез

По причинам, которые я подробнее опишу позже, каждому живому существу нужны три вещи: источник энергии, источник углерода и источник электронов.Растения (и фотосинтезирующие микробы) получают свою энергию от солнечного света, свой углерод от CO ₂ и свои электроны от H ₂ O. Тем не менее, как бы ни был важен фотосинтез, обратите внимание, что он , а не необходим для самой жизни. . Микроорганизмы нашли способ выжить практически в любой точке Земли. Например, некоторые выживают в глубинах океана (где нет света), получая энергию из сернистых химикатов. Свет хорошо иметь, но он не необходим для развития жизни.

Хотя фотосинтез не особенно энергоэффективен, он является высшей формой самодостаточности. Первые сложные клетки (называемые эукариотами), развившие способность к фотосинтезу, поглотили бактерии, у которых уже была такая способность, образуя взаимовыгодные отношения — меньшая фотосинтезирующая клетка получила хороший дом внутри более крупной клетки, которая получила «ренту» в форму пищи и энергии. Отношения сложились чудесным образом, поскольку эти амальгамации предков в конечном итоге превратились в широкое разнообразие растений, которые мы имеем сегодня.В результате фотосинтезируют все растения (за исключением некоторых паразитических).

Объяснение «двуокись углерода + вода → глюкоза + кислород»

Уравнение, представляющее фотосинтез, обманчиво простое: Дайте растению CO ₂ и воду, и оно создаст пищу (сахар) и кислород. Но за кулисами скрывается умопомрачительно сложная серия биохимических реакций и, возможно, даже немного квантовой механики.

Начнем с воды. Вода является источником электронов, необходимых растениям для запуска процесса.Когда свет (источник энергии) попадает на хлорофилл (внутри сложной структуры, известной как фотосистема, которая сама встроена в мембрану, называемую тилакоидом), молекула отдает электроны, которые продолжают совершать удивительные вещи. Но хлорофилл хочет вернуть свои электроны, поэтому крадет их у молекулы воды, которая затем распадается на два протона (H ⁺ ) и атом кислорода. Это делает атом кислорода одиноким и несчастным, поэтому он объединяется с другим атомом кислорода, образуя O ₂ , молекулярную форму кислорода, которым мы дышим.

Авторы и права: Рао А., Райан К., Таг А., Флетчер С. и Хокинс А. Факультет биологии Техасского университета A&M / OpenStax

Теперь вернемся к удивительным электронам. Подобно игре в «горячую картошку», электроны передаются от белка к белку. Когда они путешествуют, они заставляют протоны (H ⁺ ) перекачиваться на другую сторону мембраны, создавая мощный электрохимический градиент, похожий на батарею. Когда эта «батарея» разряжается, она создает богатую энергией молекулу под названием АТФ. Если бы у клеток были деньги, этими деньгами была бы АТФ.

Но это не единственное, что делают эти путешествующие электроны. Когда они заканчивают играть в горячую картошку, они прыгают на борт молекулы НАДФН, которую можно представить как электронный челнок. По сути, НАДФН — это молекула, которая может переносить электроны куда-то еще, обычно с целью создания чего-либо.

Давайте сделаем паузу, чтобы подытожить, чего достигло растение: оно поглощало свет и использовало эту энергию, чтобы отрывать электроны от воды, производя кислород (O ₂ ) в качестве побочного продукта.Затем он использовал эти электроны для создания «денег» (АТФ), после чего электроны сели в автобус (НАДФН). Теперь пришло время потратить эти деньги и снова использовать эти электроны в процессе, называемом циклом Кальвина.

Авторы и права: Рао, А., Райан, К., Таг, А., Флетчер, С. и Хокинс, А. Факультет биологии, Техасский университет A&M / OpenStax CO ₂ ) выходит на сцену. Это процесс, который «фиксирует» углекислый газ в твердой форме, объединяя его с пятиуглеродным сахаром, чтобы создать шестиуглеродный сахар.(Фермент, который осуществляет эту реакцию, называемый рубиско, вероятно, является самым распространенным белком на Земле.) Обратите внимание, что клетка должна использовать АТФ и НАДФН, которые она произвела ранее, чтобы поддерживать цикл. Конечным результатом цикла является молекула под названием G3P, которую клетка может использовать для самых разных целей — от производства пищи (например, сахарной глюкозы) до построения структурных молекул, необходимых для роста растений.

Спасибо, фотосинтез!

Каждая часть уравнения фотосинтеза теперь учтена.Растительная клетка использует углекислый газ (CO ₂ ) и воду (H ₂ O) в качестве исходных материалов — первую для превращения углерода в твердую форму, а вторую в качестве источника электронов — и создает глюкозу (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) и кислород (O ₂ ) в качестве выходов. Кислород является своего рода побочным продуктом в этом процессе, но на самом деле это не так. В конце концов, растению нужно «съесть» только что произведенную им глюкозу, и для этого ему нужен кислород.

Кредит: Кредит: Рао, А., Ryan, K., Fletcher, S., Hawkins, A. and Tag, A. Техасский университет A&M / OpenStax

Несмотря на то, что некоторые микробы живут без света или фотосинтеза, большая часть жизни на Земле полностью зависит от него. Фотосинтез обеспечивает энергоемкие формы жизни кислородом, необходимым нам для выживания, а также твердыми углеродсодержащими молекулами, которые мы потребляем для получения энергии и роста. Без фотосинтеза нас бы здесь не было. Как следствие, планеты, которые не получают достаточного количества солнечного света для поддержки фотосинтеза, почти наверняка не являются носителями сложных форм жизни.

Жизнь и область биологии во многом обязаны своим существованием фотосинтезу. Обнимите свое домашнее растение сегодня.

Границы | Электролиз углекислого газа и воды с использованием новых анионных мембран, устойчивых к щелочам

Введение

За последнее десятилетие растущий интерес был направлен на использование двуокиси углерода для производства жидкого топлива и химикатов в качестве средства для создания устойчивой экономики, основанной на нулевом выбросе углерода. Эффективное производство энергоемких продуктов на основе углерода из уловленного и антропогенного CO ₂ с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра, ядерная энергия и гидроэлектроэнергия, обеспечивает основу для получения устойчивого химического сырья, которое не получено из ископаемого топлива ( Halmann, 1993; Aresta and Dibenedetto, 2007; Aresta, 2010; Whipple and Kenis, 2010; Quadrelli et al., 2011; Санкаранараянан и Шринивасан, 2012 г.; Ху и др., 2013; Масел и др., 2014а, 2016а; Ареста и др., 2016).

Эффективное производство окиси углерода (CO) из CO ₂ является одним из ключевых направлений в производстве устойчивого химического сырья. Это промышленно ценный химикат, который обычно производится из метана с образованием различных соотношений смеси CO и водорода, называемого синтетическим газом. Синтез-газ используется в производстве топлива, такого как дизельное топливо и бензин, а также других химических веществ с помощью химии Фишера-Тропша (Ф-Т) с использованием выбранных катализаторов и рабочих условий (Appel, 2013; Costentin et al., 2014; Масел и др., 2014а, 2016а; Лю и др., 2015).

Производство возобновляемого водорода является еще одной ключевой областью производства возобновляемых источников энергии. Водород используется во многих промышленных процессах и является составной частью концепции «водородной экономики». Это способ хранения и производства возобновляемой энергии, которую можно использовать в качестве топлива для автомобилей и других приложений (Ursua et al., 2012; Министерство энергетики США (DOE), 2018).

Новые щелочно-стабильные анионные мембраны

Компания

Dioxide Materials (DM) разработала группу новых мембран, функционализированных имидазолом, с использованием основной цепи на основе полистирола, которые удивительно стабильны в сильных щелочных растворах (Masel et al., 2017а,б,в). Эти мембраны теперь доступны исследователям для разработки других технологических приложений. Подробная информация об этих мембранах представлена ​​в следующих разделах.

Sustainion

^® Преполимер и анионная мембрана Описание

Анионообменные мембраны Sustanion ^® основаны на дешевом и широко распространенном, но, что более важно, на щелочестойкой полистирольной основе. Синтез полимера и последующее изготовление мембраны подробно описаны в нескольких предыдущих публикациях (Masel et al., 2016б, 2017г; Куц и др., 2017; Лю и др., 2017а; Саджад и др., 2017). Синтез включает двухстадийный процесс (рис. 1) сополимеризации с последующей функционализацией. Мембрана может быть отлита в виде пленки или в виде армированной мембраны с использованием различных армирующих материалов. Затем хлоридная форма мембраны обычно преобразуется в гидроксидную форму с помощью КОН.

Рисунок 1 . Синтетический путь форполимера при изготовлении анионообменных мембран Sustainion ^® .

Вкратце, сополимер стирола и винилбензилхлорида получают методом свободнорадикальной аддитивной полимеризации. Затем сополимерный продукт промывают и осаждают в этаноле. После этого его фильтруют, сушат и последовательно функционализируют 1,2,4,5-тетраметилимидазолом в растворителе Dowanol ^® PM (1-метокси-2-пропанол). Дивинилбензол также добавляется в качестве сшивающего агента для повышения прочности мембраны. Затем отлитую мембрану активируют в течение 8–16 часов в 1 М растворе гидроксида калия для преобразования в гидроксидную форму.

Расширение производства мембран

Процесс синтеза иономера, показанный на рис. 1, был расширен до реакторов промышленного размера и переведен в пилотную установку для нанесения покрытий промышленного размера для производства мембран. Производственный цикл мембраны обычно производит от нескольких сотен до тысячи футов мембраны шириной около 24 см. Окончательная ширина и общий метраж мембраны могут быть изменены в соответствии с требованиями заказчика.

Свойства анионной мембраны

Анионообменные мембраны обычно поставляются в сухой хлоридной форме на полиэтилентерефталатной (ПЭТ) подкладке.Следовательно, они должны быть преобразованы в форму гидроксида путем воздействия на них сильного основания. DM рекомендует замачивать мембрану в большой ванне с 1 М KOH на 24–48 ч, чтобы преобразовать хлоридную форму мембраны в гидроксидную. Эта активация также помогает укрепить мембрану за счет перекрестного связывания с КОН, как было установлено в недавнем исследовании ядерно-магнитной спектроскопии (ЯМР) (Pellerite et al., 2017). Кроме того, в ходе этого процесса мембрана набухает и отделяется от ПЭТ-вкладыша, который выбрасывается.

Мембрана имеет ионообменную емкость (IEC) ~1,1 ммоль/г, рассчитанную с помощью стандартного метода обратного титрования (Vengatesan et al., 2015). Еще более впечатляющим является удельное сопротивление (ASR) мембраны. Таблица 1 показывает, что измеренное нормализованное сопротивление для Sustanion ^® 37–50 в тех же щелочных условиях более чем на порядок ниже, чем у других коммерчески доступных мембран. Анионообменная мембрана продемонстрировала превосходные рабочие характеристики при многократном запуске ячейки продолжительностью 1000–3000 часов и более при тестировании электрохимической ячейки в широком диапазоне pH, как показано в опубликованных экспериментальных данных по электролизу углекислого газа и щелочной воды (Masel et al., 2016б; Куц и др., 2017; Лю и др., 2017a,b; Саджад и др., 2017). Некоторые из последних результатов выделены в последующих разделах этой статьи.

Таблица 1 . Измерение удельного сопротивления площади (ASR) Sustanion ^® 37-50 и других коммерческих ионообменных мембран в 1M KOH при 60°C.

Анионообменные мембраны Sustainion ^® претерпевают умеренное набухание, около 5 % в поперечном направлении и около 50 % по толщине при преобразовании в гидроксидную форму с использованием 1M KOH.Это набухание мембраны или высокое поглощение воды (~ 80%) объясняет значения измерения низкого удельного сопротивления (ASR) (т. Е. Высокая ионная проводимость), поскольку поглощение воды кажется важным механизмом транспорта ионов гидроксида. Признавая потребность в более стабильных по размерам и прочных мембранах, DM теперь также производит более прочные усиленные версии анионообменных мембран Sustanion ^® , подходящие для использования в больших электролизёрах и более требовательных электрохимических устройствах.Армирующая основа делает эти мембраны прочнее как во влажном, так и в сухом состоянии.

Электрохимическая конверсия CO

₂ в муравьиную кислоту

Многочисленные исследователи за последние 30 лет изучали эффективность различных катализаторов в процессе электрохимического восстановления превращения CO ₂ в формиат/муравьиную кислоту. В различных статьях содержатся превосходные сводные обзоры предыдущих экспериментальных работ (Jitaru, 2007; Rosen et al., 2011; Lu et al., 2014; Qiao et al., 2014; Плетчер, 2015; Du, 2017) и далее здесь описываться не будет. Совсем недавно ряд исследователей сделали еще один шаг вперед, проводя и сообщая об исследованиях, предоставляющих данные о производительности полной электрохимической конверсии CO ₂ в ячейке при производстве формиата/муравьиной кислоты (Mahmood et al., 1987; Li and Oloman, 2005, 2006, 2007; Oloman and Li, 2008; Whipple et al., 2010; Agarwal et al., 2011; Alvarez-Guerra et al., 2012, 2014; Kopljar ​​et al., 2014; White et al., 2014; Du и др., 2016; Сен и др., 2016).

DM удалось успешно произвести высокие концентрации чистой муравьиной кислоты непосредственно в электрохимической ячейке в результате электрохимического восстановления CO ₂ (Kaczur et al., 2017; Yang et al., 2017a,b). Это снижает потребность в кислотной конверсии продуктов на основе формиата щелочного металла (например, формиата калия), которые обычно производятся с использованием этих альтернативных конфигураций электрохимической ячейки и процесса.

Конструкция ячейки для муравьиной кислоты (FA)

Конфигурация электрохимической ячейки DM для муравьиной кислоты основана на трехкамерной конструкции, состоящей из анодного отделения, центрального проточного отделения, содержащего катионно-ионообменную среду, где продукт муравьиной кислоты собирается и удаляется из ячейки, и катодного отделения, где происходит электрохимическое восстановление CO ₂ до ионов формиата (Kaczur et al., 2017; Ян и др., 2017a,b).

Общая конфигурация электрохимической ячейки с муравьиной кислотой показана на рисунке 2А. В анодном отсеке используется титановый анод с покрытием из MMO (смешанного оксида металла), в котором деионизированная вода подвергается электролизу с образованием ионов кислорода и водорода (H ⁺ ). Катионионообменная мембрана, примыкающая к анодному отделению, используется для блокировки переноса анионов формиата к аноду, где они окисляются до CO ₂ . Образовавшиеся ионы водорода проходят через катионообменную мембрану в центральную проточную камеру.Катионитовая мембрана предпочтительной конструкции представляет собой мембрану типа перфторированной сульфоновой кислоты, которая одновременно устойчива к окислению и эффективно блокирует транспорт анионов формиата. В анолите используется анолит деионизированной воды, поскольку анодная мембрана имеет контактную схему с нулевым зазором.

Рисунок 2 . Конфигурация электрохимической трехсекционной ячейки для муравьиной кислоты показана в (A) . Экспериментальная операционная система ячейки с муравьиной кислотой и краткое описание производительности показаны в (B) .

В катодном отсеке CO ₂ эффективно восстанавливается при низких перенапряжениях до формиата с использованием комбинации покрытия из наночастиц олова и иономерного катализатора на основе имидазола в структуре углеродного ГДЭ (газодиффузионного электрода). Образовавшиеся ионы формиата, а также образующиеся ионы гидроксида и бикарбоната/карбоната затем проходят через примыкающую анионообменную мембрану Sustainion ^® в отделение центрального потока.

В отделении центрального потока используется катионообменная среда для обеспечения проводимости раствора, необходимой для муравьиной кислоты, образующейся в отделении.Ионы формиата, образующиеся в катодном отделении, проходят через прилегающую анионную мембрану Sustainion ^® и объединяются с ионами водорода, транспортируемыми через катионообменную мембрану из анодного отделения, с образованием чистой муравьиной кислоты. Деионизированная вода, дозированная в отделение центрального потока, используется для сбора и удаления продукта муравьиной кислоты из отделения. Концентрация муравьиной кислоты зависит от расхода воды на входе в центральное отделение потока и тока рабочей ячейки, образуя конечный продукт муравьиной кислоты в концентрациях, которые могут варьироваться от 2 до 30 мас.% и при высокой фарадеевской эффективности от 85 до 95%.Любые гидроксид-ионы, поступающие в центральную проточную камеру, реагируют с ионами водорода с образованием воды, а любой перенос ионов бикарбоната/карбоната будет реагировать с ионами водорода с образованием CO ₂ , выходя с муравьиной кислотой в виде газообразного CO ₂ . Используемая в конструкции катионообменная среда Amberlite ^® IR120 с водородной формой катионообменной смолы обеспечивает улучшенную ионную проводимость в центральном отделении потока, поскольку растворы муравьиной кислоты имеют значительно более низкую проводимость.Катионообменная среда обеспечивала более низкое рабочее напряжение ячейки (Yang et al., 2017a).

Экспериментальная операционная система ячейки муравьиной кислоты

На рис. 2B показана схема экспериментальной операционной системы ячейки с муравьиной кислотой, а также краткое описание рабочих характеристик ячейки. Концентрация муравьиной кислоты в ячейке составляла от 5 до 30% в зависимости от однократной скорости потока деионизированной воды, подаваемой в центральное отделение. Диапазон рабочей плотности тока ячейки ТВС составляет от 140 до 200 мА см ^-2 при соответствующем напряжении ячейки 3.5 и 4,0 вольта при комнатной температуре. Эффективность ячейки Фарадея составляла от 80 до 95% при использовании катионообменной мембраны Nafion ^® 324 и анионообменной мембраны Sustainion ^® 37-50 в конфигурации ячейки (Yang et al., 2017a).

Химия клеток муравьиной кислоты

Ячейка с муравьиной кислотой (FA) имеет сложный набор реакций, которые происходят на аноде, катоде GDE и центральном отделении потока, ограниченном катионообменной мембраной со стороны анода и анионообменной мембраной со стороны катода. .На рис. 3 показаны предлагаемые основные и вторичные реакции, а также транспорт ионов, которые могут происходить во время работы ячейки.

Рисунок 3 . Конфигурация ячейки DM с 3 отсеками для муравьиной кислоты, показывающая предполагаемые реакции и перенос ионов.

Основные реакции клеток с муравьиной кислотой

Электрохимическое восстановление CO ₂ происходит в присутствии воды на катоде с образованием ионов формиата (HCOO ⁻ ) и гидроксида (OH ⁻ ):

CO2+h3O+2e-→HCOO-+OH-    (1)

Одновременно на аноде происходит окисление воды с образованием газообразного кислорода и ионов водорода (H ⁺ ).Ионы водорода на самом деле представляют собой катионы гидроксония или оксония (H ₃ O ⁺ ) в водных растворах, и в этой статье мы используем H ⁺ вместо ионов гидроксония.

2h3O→4H++4e−+O2    (2)

Ионы формиата и ионы гидроксида мигрируют через анионообменную мембрану в центральную проточную камеру, где они объединяются с ионами водорода, образующимися в анодной камере, проходя через катионную мембрану, с образованием воды и муравьиной кислоты следующим образом:

H++OH−→h3O    (3) H++HCOO−→HCOOH    (4)

Побочные реакции клеток с муравьиной кислотой

Побочные реакции, которые могут протекать на катоде и католите, следующие:

CO2+h3O+2e−→CO+2OH−    (5) 2h3O+2e−→h3+2OH−    (6) CO2+OH-→HCO3-    (7)

Анионы бикарбоната (HCO3-), образующиеся в катодном слое, мигрируют через анионообменную мембрану в отделение центрального потока, реагируя с ионами водорода, поступающими в отделение центрального потока из анодного отделения через примыкающую катионную мембрану, с образованием CO ₂ :

H++HCO3−→CO2+h3O    (8)

Продукт муравьиной кислоты будет потерян, если он пройдет через катионную мембрану в отделение для анолита, окисляясь впоследствии на аноде до CO ₂ :

HCOOH→CO2+2H++2e−    (9)

Производительность ячейки с муравьиной кислотой

Ссылка (Yang et al., 2017a) предоставляет подробную информацию о производительности 3-камерной ячейки для муравьиной кислоты. На рис. 4 показаны рабочие характеристики трехкамерной ячейки ² длиной 5 см, в которой используется анод из спеченного титанового волокна с покрытием IrO ₂ на титановом поле потока, катионная мембрана Nafion ^® 324 и катионная мембрана Sustanion. ^® 37–50 анионообменная мембрана, работающая при плотности тока 140 мА/см ² . В таблице 2 представлена ​​подробная информация о конфигурации соты.Ячейка работала в течение примерно 142 ч, производя концентрацию продукта муравьиной кислоты, увеличивающуюся примерно с 8,1 до 9,4% мас.%, и работала с фарадеевским КПД 80% в начале и 94% ближе к концу цикла, пока не было достигнуто отключение для проверки. Не было отмечено износа компонентов анода/катода ячейки. Ключом к получению высокой фарадеевской эффективности FA было использование катионной мембраны Nafion ^® 324, которая минимизировала перенос ионов формиата/муравьиной кислоты в отделение для анолита.

Рисунок 4 . Данные о производительности ячейки с муравьиной кислотой для конфигурации ячейки приведены в таблице 2 с использованием анода из титанового спеченного волокна с покрытием IrO ₂ , катионной мембраны Nafion ^® 324 и анионообменной мембраны Sustanion ^® 37-50.

Таблица 2 . Ячейка с муравьиной кислотой 142 ч. Конфигурация электролизера увеличенного цикла.

Расчетное расчетное энергопотребление ячейки для муравьиной кислоты находится в диапазоне 4.3–4,7 постоянного тока кВтч/кг ТВС при данных условиях эксплуатации. Это соответствует эксплуатационным расходам на электроэнергию в размере 214–232 долл. США на тонну ТВС при стоимости электроэнергии 0,05 долл. США/кВтч.

Будущее масштабирование и применение муравьиной кислоты

Мировой рынок муравьиной кислоты и маршрут коммерческого химического производства, а также применение некоторых продуктов показаны на рисунке 5А.

Рисунок 5 . Мировой рынок муравьиной кислоты (2013 г.), показывающий текущий химический коммерческий технологический процесс путем карбонилирования метанола и некоторые новые применения FA, показан в (A) .Устойчивый путь получения муравьиной кислоты с использованием возобновляемых источников энергии и производства продуктов различных категорий показан в (B) .

Устойчивый способ производства муравьиной кислоты из возобновляемых источников энергии показан на рисунке 5B. Различные применения продукта FA включают силос/пищевые продукты, химикаты, хранение энергии и топливо. Использование муравьиной кислоты в качестве сырья в биологических реакторах, заменяющих сахар и/или сельскохозяйственное зерно, является еще одним многообещающим направлением получения сырья.

DM в настоящее время работает с промышленными партнерами над расширением технологии электрохимической муравьиной кислоты.

Электрохимический CO

₂ Электролиз: преобразование CO ₂ в CO

За последние 20 лет возрос интерес к разработке технологических методов преобразования CO ₂ в коммерчески полезный и ценный продукт, такой как CO. CO в сочетании с водородом является основой процесса Фишера-Тропша (Ф-Т), который позволяет производить самые разные виды топлива и химикатов.Одной из важных областей исследований является использование электрохимической обработки для преобразования CO ₂ в CO. Некоторые исследования в этой области были обобщены в нескольких обзорных статьях (Appel, 2013; Costentin et al., 2014; Masel et al. , 2014а, 2016б).

Разработка технологии электролизера CO ₂ на основе ДМ для эффективного производства CO с высокой селективностью основана на трех технологических усовершенствованиях. Это:

• Разработка катодной структуры ГДЭ, включающей иономер на основе имидазола в качестве сокатализатора с наночастицами Ag, снижающий потенциал на катоде для реакции восстановления СО ₂ до СО.

• Разработка анионной мембраны с высокой проводимостью и щелочеустойчивостью (мембрана Sustainion ^® ), которая может проводить OH ⁻ и ионы бикарбоната/карбоната.

• Разработка анодной структуры ГДЭ, содержащей катализатор IrO в виде наночастиц ₂ , который стабилен в течение более 3000 часов работы.

Все эти разработки помогли создать электрохимическую технологию CO ₂ , которая может одновременно работать при высокой плотности тока, высокой селективности по CO и низком потенциале ячейки.Большая часть последних работ по технологии электролиза CO ₂ обобщена в различных статьях и патентах (Masel et al., 2014b, 2015; 2016c Masel and Rosen, 2014; Masel and Chen, 2015). Некоторые аспекты конструкции электролизера CO ₂ , усовершенствования технологии и рабочие характеристики описаны в следующих нескольких разделах.

CO

₂ Конструкция электролизера

Базовая конфигурация электролизера DM CO ₂ показана на рисунке 6A.В конструкции ячейки используется титановый змеевидный анодный токосъемник и змеевидный катодный токосъемник из графита или нержавеющей стали 316L. В аноде GDE используется катализатор на основе наночастиц IrO ₂ на подложке из копировальной бумаги. В катоде GDE используются наночастицы Ag с комбинацией иономерных катализаторов на основе имидазола Sustainion ^® на подложке из углеродной бумаги, которая подавляет образование водорода на катоде, таким образом обеспечивая очень высокую селективность от 95 до 99% CO ₂ до CO .

Рисунок 6 . Конфигурация электрохимической ячейки DM CO ₂ показана на (A) . Предлагаемая электрохимическая внутренняя химия ячейки CO ₂ , показывающая основные реакции и пути прохождения ионных частиц, показана в (B) .

CO

₂ Химия клеток

На рис. 6В показаны основные сложные пути ионных потоков в электрохимической ячейке CO ₂ . Ячейка CO ₂ работает с использованием разбавленного анолита 10 мМ раствора бикарбоната калия и потока увлажненного газового католита CO ₂ .Высокие концентрации анолита KHCO ₃ могут привести к осаждению солей калия в катодном ГДЭ, что приведет к закупорке газового потока CO ₂ в змеевидном канале катодного потока.

CO

₂ Катодные реакции ячейки

Ниже представлены предлагаемые катодные реакции в ячейке CO ₂ . CO ₂ восстанавливается до CO на катализаторе из наночастиц Ag, и образовавшиеся гидроксид-ионы переносятся через анионообменную мембрану или реагируют с CO ₂ с образованием карбонатных/бикарбонатных анионов, которые также проходят через анионообменную мембрану.

а. CO ₂ реакция восстановления на катализаторе из наночастиц Ag с образованием CO и ионов гидроксида:

CO2+h3O+2e−→CO+2OH−−0,52 В по сравнению с SHE @pH7    (5)

б. CO ₂ реакция с гидроксид-ионами с образованием карбонат-анионов:

CO2+2OH−→CO3−2+h3O    (10)

в. CO ₂ реакция с ионами гидроксида с образованием анионов бикарбоната:

CO2+OH-→HCO3-    (11)

д. Дальнейшая реакция ионов карбоната с CO ₂ с образованием анионов бикарбоната:

CO3-2+CO2+h3O→2HCO3-    (12)

эл.Побочная реакция электролиза восстановления воды с образованием газообразного водорода и ионов гидроксида:

2h3O+2e−→h3+2OH−    (13)

CO

₂ Анодные реакции ячейки

Ниже представлены предлагаемые анодные реакции в ячейке CO ₂ . Анодные реакции сложны и могут представлять собой набор смешанных реакций. Вода может подвергаться электролизу на катализаторе окисления наночастиц IrO ₂ с образованием ионов кислорода и водорода с альтернативной возможной анодной реакцией, представляющей собой электролиз ионов гидроксида на катализаторе с образованием кислорода и воды.Присутствие ионов карбоната/бикарбоната в анолите и их преобразование в CO ₂ обеспечивает сложную буферизацию объемного раствора в отделении анолита.

а. Электролиз воды на анодном катализаторе с получением ионов кислорода и водорода при pH 7 и pH 0:

2h3O→O2+4H++4e-  0,815 В vs SHE @ pH 7    (11) 2h3O→O2+4H++4e−  1,23 В vs SHE @ pH 0    (13)

б. Электролиз гидроксид-ионов на анодном катализаторе с образованием кислорода и электронов:

4OH-→O2+2h3O+2e- 0,40 В по сравнению с SHE @ pH    (14)

в.Разложение бикарбоната ионами водорода с образованием CO ₂ и воды:

HCO3−+H+→CO2+h3O    (14)

д. Разложение карбоната ионами водорода с образованием CO ₂ и воды:

CO3−2+2H+→CO2+h3O    (15)

эл. Ионы гидроксида, реагирующие с ионами водорода с образованием воды:

H++OH−→h3O    (16)

Общий CO

₂ Клеточные реакции — определение того, являются ли бикарбонаты и карбонаты преобладающими видами мобильных переносчиков ионного тока

Предполагается, что транспорт комплексных ионов в ячейке CO ₂ в основном состоит из бикарбонатных и карбонатных анионов в качестве преобладающих носителей тока, а также любых анионов гидроксида, которые не прореагировали с газом CO ₂ в католитных реакциях на GDE. катод.Экспериментальные исследования соотношения транспорта этих форм анионов в клетке и через мембрану еще полностью не исследованы. Испытания ячейки DM 250 см ² в LanzaTech (Скоки, Иллинойс) предоставили важные данные о составе анолитного газа ячейки с помощью ГХ. В таблице 3 показаны некоторые потенциальные реакции, основанные на переносе (A) бикарбоната или (B) карбонат-аниона соответственно в клетку. Суммарная анодная реакция (17) в таблице 3A предполагает, что состав анодного газа должен иметь соотношение CO ₂ к O ₂ 4:1 или состав газа, состоящий из 80% CO ₂ и 20% O ₂ , если бикарбонат был единственным переносчиком анионного тока в клетке.В качестве альтернативы, суммарная анодная реакция (20) в таблице 3B будет предсказывать соотношение 2:1 CO ₂ к O ₂ или состав газа, состоящий из 67% CO ₂ и 33% O ₂ , если карбонат был единственный носитель анионного тока в клетке.

Таблица 3 . Краткое изложение реакций с использованием бикарбоната (A) или карбоната (B) в качестве выбранного подвижного аниона через анионную мембрану в ячейке CO ₂ .

Измерение состава анодного газа электролизера с помощью

DM в прошлом показало вариабельность содержания CO ₂ в диапазоне от 30 до 60% в зависимости от условий эксплуатации электролизера.Один набор газовых анализов ГХ с работающей ячейкой 250 см ² CO ₂ в LanzaTech показал следующий состав газа:

Ячейка CO ₂ обычно имеет pH основного анолита около 6,0 при работе с 10 мМ электролитом KHCO ₃ , что эквивалентно смеси угольной кислоты в соотношении 50:50 (H ₂ CO ₃ ) и бикарбонат. Эти результаты по газообразному анолиту указывают на то, что ионы карбоната потенциально являются основным носителем заряда, поскольку молярное соотношение CO ₂ :O ₂ составляло примерно 2:1.Таким образом, окончательный ответ на преобладающие ионные носители заряда в ячейке CO ₂ требует дальнейшего изучения.

CO

₂ Производительность ячейки

Проведение долгосрочных испытаний любых электрохимических элементов является ключом к определению производительности и стабильности всех компонентов элемента, особенно мембран и катализаторов анод/катод. Здесь мы обсуждаем некоторые долгосрочные характеристики лабораторных 5 и 250-сантиметровых электролизеров DM ² CO ₂ .

5,0 см

² CO ₂ Cell Long Term Performance

В программе тестирования ячеек DM CO ₂ используются многочисленные ячейки, оценивающие различные составы анионных мембран Sustainion ^® , а также конфигурации составов анодов и катодов в течение рабочих периодов до 4000 часов и более, чтобы гарантировать, что желаемая мембрана ячейки и катализатор производительность конфигурации стабильна. Подробности и данные о работе клеток подробно описаны в нескольких статьях (Rosen et al., 2013; Лю и др., 2015 г.; Мазель и Чен, 2015). Пример долговременного испытания ячейки ² размером 5,0 см в течение 4000 часов показан на рисунке 7А. График поляризации напряжения ячейки для ячейки ² CO ₂ размером 5 см, работающей при комнатной температуре (24°C), показан на рисунке 7B.

Рисунок 7 . 5,0 см ² Данные долгосрочных испытаний ячеек, показывающие стабильную работу в течение 4000 часов, показаны слева в (A) . График поляризации напряжения ячейки для 5.0 см ² CO ₂ ячейка, работающая при комнатной температуре, показана справа в (B) .

250 см

² Дизайн CO ₂ Cell Performance

Ячейка 5,0 см ² CO ₂ была впоследствии увеличена до ячейки, имеющей геометрическую активную площадь 250 см ² . В дополнение к испытаниям в DM одна ячейка была отправлена ​​в LanzaTech (Скоки, Иллинойс) для сравнительных испытаний. В таблице 4 показаны детали конфигурации ячейки. Ячейка в DM проработала в общей сложности 760 часов, пока не была остановлена ​​для подготовки к дальнейшим испытаниям в LanzaTech.На рис. 8А показаны рабочие характеристики элемента при DM, показывающие стабильный диапазон напряжения 2,9–3,0 В в течение периода испытаний. Рабочая плотность тока ячейки составляла 120 мА/см ² , при рабочей температуре анолита около 45°C без необходимости внешнего охлаждения.

Таблица 4 . 250 см ² CO ₂ детали конфигурации ячейки.

Рисунок 8 . Производительность элемента 250 см ² в DM, показывающая стабильную работу под напряжением в течение примерно 760 часов до отключения, показана в (A) .Эксплуатация 250 см ² CO ₂ в LanzaTech показывает анализ состава газа ГХ на выходе католита ячейки в расширенном 90-часовом испытательном цикле, показанном в (B) .

250 см

² CO ₂ Проверка ячейки в LanzaTech

Эксплуатация ячейки ² CO ₂ длиной 250 см в LanzaTech помогла подтвердить селективность ячейки CO ₂ по СО и состав газовых продуктов. На рис. 8В показаны результаты 90-часового тестового прогона.Компания LanzaTech использовала автоматизированный микро-ГХ Agilent Technologies Model 490 с колонкой Mol Sieve 5A (MS5A) для автоматического анализа и мониторинга состава газообразного католита в ячейке с течением времени. Выбросы — это случайные всплески анализа в анализе GC. Селективность ячейки по CO варьировалась от 97,5% (т.е. 1% содержания H ₂ ) до примерно 99% (0,38% содержания H ₂ ).

250 см

² CO ₂ Cell Operating System

На рис. 9а показана конфигурация экспериментальной тестовой системы с ячейками ² CO ₂ длиной 250 см.На рисунках 9b,c показан элемент Fuel Cell Technologies, который был модифицирован для использования в конструкции элемента DM 250 см ² CO ₂ . На левой фотографии (рис. 9b) показана ячейка целиком, а на правой фотографии (рис. 9c) показана конструкция поля потока анода из титанового змеевика, которая была изготовлена ​​для ячейки. Газ СО ₂ измеряли с помощью регулятора расхода газа СО ₂ и барботировали через наполненный водой резервуар увлажнителя газа. Увлажненный газ CO ₂ поступает в верхнюю часть катода ячейки CO ₂ и выходит снизу в виде обедненного газового потока CO ₂ , содержащего продукт CO и небольшое количество побочного продукта H ₂ .Избыток конденсированной воды собирается и отделяется от продукта газового потока. Типичным газовым продуктом из ячейки CO ₂ был в основном CO с небольшим количеством побочного продукта H ₂ , работающий со стехиометрическим избытком CO ₂ . Селективность ячейки по CO колебалась от 95 до 99% в зависимости от подаваемой плотности тока и количества избытка CO ₂ по сравнению со стехиометрическим, используемым в подаче католитного газа, как показано на рисунке 8. Анолитная петля состоит из 10 мМ KHCO _{3 Электролит} , имеющий электропроводность около 1.0 мСм, который прокачивали через анод ячейки ГДЭ при выбранных скоростях потока. Теплообменник использовали для регулирования температуры контура анолита путем управления потоком охлаждающей воды. Контроллер проводимости использовали для управления добавлением концентрированного раствора KHCO ₃ в контур анолита по мере необходимости для поддержания проводимости анолита.

Рисунок 9 . Схема экспериментальной испытательной системы с ячейками ² CO ₂ длиной 250 см показана в (a) .Модифицированная электролизерная ячейка DM длиной 250 см ² CO ₂ , как показано на (b) слева. В конструкции использовалась конструкция проточного поля титанового змеевидного анода, как показано в (c) .

CO

₂ Процесс масштабирования ячеек

Работа над масштабированием ячейки DM CO ₂ продолжается с другими партнерами. В дополнение к масштабированию ведутся опытно-конструкторские работы по поиску подходящих стабильных замен катализаторов из недрагоценных металлов для наночастиц IrO ₂ , используемых в конструкции анодного GDE.

Оценка технологического энергопотребления ячейки CO ₂ с использованием данных ячейки ² длиной 250 см, равной 2,95 В при 30 А (120 мА/см ² ) с селективностью по CO 98%, была рассчитана как 5,8 постоянного тока. кВтч/кг CO при 45°C.

Электролиз щелочной воды

Электролиз щелочной воды признан зрелой технологией, надежной и безопасной, при этом срок службы электролизеров достигает 15 лет. Их самым большим преимуществом является то, что они используют многочисленные электродные катализаторы из неблагородных металлов.В традиционной конструкции электролизера щелочной воды обычно используется сепаратор диафрагменного типа. Для сепаратора обычно требуется, чтобы расстояние между электродами анода и катода составляло примерно 2–3 мм, чтобы предотвратить пересечение газа, таким образом ограничивая плотность рабочего тока примерно до 200 мА/см ² для работы при приемлемом рабочем напряжении. и соответствующая общая энергоэффективность. Чтобы увеличить плотность тока при сохранении такой же или более высокой энергоэффективности, следующим технологическим шагом будет разработка стабильных щелочно-стабильных анионообменных мембран, которые позволили бы создавать настоящие электролизеры воды с нулевым зазором.Компания DM разработала технологию электролизера щелочной воды, основанную на разработке стабильной анионообменной мембраны. Работа по развитию обобщена в различных опубликованных статьях и патентах (Pletcher and Li, 2011; Deavin et al., 2012; Appel, 2013; Rosen et al., 2013; Masel et al., 2016b; Kutz et al., 2017; Лю и др., 2017a,b).

Конструкция ячейки электролизера щелочной воды DM

Разработка щелочестойкой анионообменной мембраны Sustainion ^® позволила разработать электролизеры CO ₂ с нулевой щелью, которые фактически могут улучшить плотность тока на порядок при том же или более низком напряжении элемента по сравнению с современные диафрагменные электролизеры щелочной воды.Чтобы протестировать анионообменную мембрану Sustainion ^® в конфигурации водного электролизера, было принято решение использовать аналогичную конструкцию ячейки, рис. предпочтительные поля потока из чистого никеля 200 как в конструкции катода, так и в конструкции анода.

Химия ячейки щелочного электролиза

Ячейка щелочного водного электролиза работает с использованием 1 М раствора электролита KOH при температуре от окружающей среды до 60°C.Работа при 60°C обеспечивает самое низкое рабочее напряжение ячейки с использованием современных анионообменных мембран Sustainion ^® для разделения анодных и катодных реакций.

Реакции электродов ячейки для щелочного электролиза

Мембраны

Sustainion ^® , приготовленные в форме хлорида (Cl ⁻ ), необходимо преобразовать в форму гидроксида (OH ⁻ ). Это делается путем замачивания в 1 М KOH в течение не менее 12 часов. В присутствии электролита КОН и катод, и анод работают при локальном рН, близком к 14.На катоде в реакции выделения водорода (HER) вода используется в качестве донора протонов с образованием водорода и OH ^– (уравнение 6). Ионы OH ⁻ переносятся от катода к аноду и рекомбинируют на аноде с образованием O ₂ и электронов (уравнение 14). Суммарная реакция представлена ​​уравнением 21.

4h3O+4e−→2h3+4OH−   Ec0=0,826 V vs SHE    (6) 4OH−→O2+2h3O+4e−   Ea0=−0,404 V vs SHE    (14) 2h3O→2h3+O2  E0=1,23 В    (21)

Лабораторная система электролиза щелочной воды

На рис. 10А показана общая схема экспериментальной операционной системы электролиза щелочной воды DM 5 см ² .В нижнюю часть отсеков анолита и католита электрохимической ячейки отдельно подается перекачиваемый поток 1 М КОН из общего резервуара с раствором 1 М КОН для отвода газов. Потоки растворов/газопродуктов из отделений анолита и католита по отдельности направляются в отдельные газоразделительные секции O ₂ и H ₂ газоразделительного устройства. Газообразные продукты O ₂ и H ₂ отводятся из разъединителя отдельно. В одной конструкции ячейки DM используются силиконовые гибкие ленточные нагревательные пластины, установленные на внешних пластинах анода и катода, для подачи тепла для работы ячейки при температуре 60°C.Температура ячейки регулируется с помощью ПИД-регулятора температуры с помощью термопары, установленной на корпусе анода или катода ячейки.

Рисунок 10 . Экспериментальная испытательная система электролиза щелочной воды для испытательных ячеек 5 см ² показана в (A) . Типичная циклическая вольтамперограмма щелочного водного электролизера с анионообменной мембраной Sustainion ^® на основе функционализации 1-метилимидазолом показана в (B) , а соответствующая циклическая вольтамперограмма показана в (C) .Использовали Pt-катод и IrO ₂ анод, и ячейка работала в 1M KOH при 60°C.

Производительность ячейки для электролиза щелочной воды

На рис. 10В показана типичная циклическая вольтамперограмма щелочного водного электролизера с анионообменной мембраной Sustainion ^® на основе функционализации 1-метилимидазолом. В качестве катода и анода использовали Pt и IrO ₂ черный соответственно. Начальный потенциал для электролиза воды с анионообменной мембраной начинался с 1.42 В, а ток быстро увеличивался при плотности тока 0,52 А/см ² (максимальный ток потенциостата) составлял 1,74 В. Длительное испытание проводилось при постоянном токе 0,8 А/см ² с использованием источник питания, и результаты показаны на рисунке 10C. Напряжение на ячейке достигало 2 В за 5 мин и постепенно повышалось до 2,3 В за 80 мин. Затем напряжение на ячейке быстро увеличивалось и менее чем за 120 мин достигло напряжения отсечки 3,5 В. Эти результаты показали, что мембрана на основе 1-метилимидазола работает в электролизере со щелочной водой, но не является стабильной в 1 М КОН.Это произошло из-за того, что три молекулы активного водорода в имидазольном кольце атакуются гидроксильными радикалами (·ОН) в 1 М КОН, особенно при более высоких температурах.

Для повышения стабильности анионообменной мембраны вместо 1-метилимидазола на стирольный остов был привит тетраметилимидазол. Эта мембрана получила название Sustainion ^® 37–50. На рис. 10С показаны поляризационные кривые ячейки с мембраной Sustainion ^® 37–50, работающей в 1 М КОН при 60°С.Ячейка с катодом Pt и анодом IrO ₂ достигла плотности тока 1 и 3 А/см ² при 1,62 и 1,77 В соответственно. Для сравнения, ячейка с катодом NiFeCo и анодом NiFeOx достигла 1 и 3 А/см ² при 1,90 и 2,13 В соответственно. Ячейка с электродами из неблагородного металла/оксида металла и анионообменными мембранами Sustainion ^® 37–50 достигла в 5 раз более высокой плотности тока при 1,90 В, чем плотность тока (200 мА/см ² при 2,0 В) промышленной щелочной воды. электролиз с диафрагмами в качестве сепаратора.

Затем нужно было ответить на два вопроса. Обладает ли анионообменная мембрана Sustainion ^® долговременной стабильностью KOH и как долго она может сохранять свои характеристики? На рис. 11А сравнивается производительность ячейки анионообменной мембраны Sustainion ^® 37–50 с коммерческой анионообменной мембраной Fumatech FAS-50 в идентичных ячейках для электролиза воды DM, работающих при постоянной плотности тока 1 А/см ² в 1 М КОН при 60°С. Результаты показывают, что мембранная ячейка Sustanion ^® , работающая при 1 А/см ² в течение почти 2000 часов, имела скорость увеличения напряжения ячейки всего 5 мкВ/ч.Это указывает на то, что анионообменная мембрана Sustainion ^® 37–50, функционализированная 1,2,4,5-тетраметилимидазолом, химически очень стабильна в КОН по сравнению с мембраной, функционализированной 1-метилимидазолом. Это также подтвердило, что нестабильность мембраны, функционализированной 1-метилимидазолом, была обусловлена ​​активным водородом в кольце. Анионообменная мембрана Fumasep FAS-50 ^® показала значительное увеличение напряжения ячейки на 200 мкВ/ч с течением времени и показала высокий ток утечки ячейки, равный 0.2 А/см ² в точке 200 ч, а затем отключили.

Рисунок 11 . Напряжение в ячейке как функция времени сравнения в ячейках, оценивающих анионообменную мембрану Sustainion ^® 37-50 и анионообменную мембрану Fumatech Fumasep ^® FAS-50 в 1M KOH при 60°C, показано в (A) . Ток ячейки щелочного электролиза при приложенном напряжении 2 В для различных мембран в 1М KOH при 60°C показан в (B) . Поляризационные кривые той же ячейки, сравнивающие электродные катализаторы из драгоценных металлов (Pt/IrO ₂ ) с электродными катализаторами из неблагородных металлов (NiFeCo/NiFe) в 1M KOH при 60°C с использованием анионообменной мембраны Sustainion ^® 37-50 показан в (C) .

На рис. 11В показан ток ячейки щелочного электролиза при приложенном потенциале 2 В при оценке характеристик различных коммерческих мембран с использованием катода, покрытого катализатором NiFeCo, и анода, покрытого катализатором NiFeOx, работающих в 1 М KOH при 60°C. Анионообменная мембрана Sustainion ^® показала самый высокий ток ячейки при приложенном напряжении. Это сопоставимо с данными измерений мембраны ASR для мембран, показанными в таблице 1.

На рис. 11C показаны поляризационные кривые той же ячейки для сравнения электродных катализаторов из драгоценных металлов (Pt на катоде/IrO ₂ на аноде) и электродных катализаторов из неблагородных металлов (NiFe на аноде/NiFeCo на катоде) с использованием Sustainion ^® 37– 50 анионообменная мембрана в 1 М КОН при 60°С.При плотности тока 1 А/см ² ячейка с катализаторами из драгоценных металлов работала при напряжении ячейки 1,63 В, а ячейка с катализаторами из неблагородных металлов – при 1,9 В. Ячейка щелочного электролиза CAPEX (капитальные затраты) и OPEX (эксплуатационные расходы), которые должны включать доступность/стоимость как Ir, так и Pt катализаторов в крупномасштабных установках по всему миру, затем становятся важными переменными при принятии решения об установке этих систем.

Увеличенная ячейка для электролиза щелочной воды

Промышленные ячейки для электролиза щелочной воды с геометрической площадью электродов от нескольких сотен см ² до нескольких м ² .В настоящее время DM расширяет конструкцию электролизера щелочной воды с нулевым зазором с 5 см ² до более крупных элементов 100–600 см ² . При эксплуатации этих более крупных электролизеров на щелочной воде при высокой плотности тока 1 А/см ² или более решающее значение имеет управление как водой, так и теплом. Основываясь на расчетах энергии и массы, при работе элемента размером 100 см ² при 1 А/см ² и 1,90 В потребление воды составит около 806 мл в день с выделением около 67 Вт отработанного тепла, которое должно удалить.С отходящим теплом для одного элемента можно справиться с помощью воздушного охлаждения, но для большого пакета элементов потребуется система рециркуляции охлаждающей воды с теплообменником. Для поддержания концентрации и объема жидкого электролита KOH в системе потребуется система подпитки деионизированной водой.

Расчетная потребляемая мощность электролизера щелочной воды, работающего при 1 А/см ² при 1,90 В, составила 50,5 кВт·ч постоянного тока/кг H ₂ . Энергопотребление электролизера будет ниже при более низких плотностях рабочего тока, но капитальные затраты на ячейки электролизера будут значительно выше.Все эти факторы необходимо учитывать при сравнении энергопотребления электролизера H ₂ с целевыми показателями Министерства энергетики США по электрохимическому водороду, которые имеют энергоэффективность дымовой трубы 43 кВтч/кг и нормированную стоимость водорода 2 доллара США на 2020 год (Министерство энергетики США (DOE). ), 2018).

Резюме

Электрохимическая технология преобразования CO ₂ в различные продукты, такие как муравьиная кислота и CO, а также водород, с использованием электролизеров с щелочной водой продвигается к коммерциализации с разработкой новых анионообменных мембран Dioxide Materials Sustainion ^® .Эти мембраны обладают высокой проводимостью и превосходной стабильностью в сильнощелочных растворах при температурах до 60°C. Электрохимические системы, в которых используются эти новые мембраны, демонстрируют хорошую стабильность в долгосрочных лабораторных испытаниях в течение тысяч часов работы. Эти анионообменные мембраны все еще находятся на стадии разработки, и ведутся работы по улучшению механических свойств и свойств ионной проводимости мембран.

Дальнейшая работа будет сосредоточена на усовершенствовании этих анионообменных мембран, а также на разработке улучшенных катализаторов, которые повысят производительность всех этих электрохимических технологий.

Вклад авторов

JK, HY, ZL, SS и RM внесли свой вклад в содержание этой статьи. JK, HY и SS работали над разработкой технологии муравьиной кислоты. ZL, SS, RM и JK работали над технологией электролиза щелочной воды. Компании SS, ZL и RM работали над разработкой анионообменной мембраны Sustainion ^® . ZL, HY и RM работали над разработкой технологии электролиза CO ₂ . Все они внесли свой вклад в содержание и редактирование этой статьи.

Заявление о конфликте интересов

Авторы представили несколько патентов на мембраны и конструкции, раскрытые здесь, включая US 9,370,773, US 9,481,939, US 9,580,824, и патентные заявки США 15/400,775, 15/406,909, 15/411,831. Все авторы являются сотрудниками Dioxide Materials и имеют финансовую заинтересованность в этих патентах. Dioxide Materials предлагает все наши исследовательские материалы (мембраны, катализаторы и т. д.) для продажи другим исследовательским группам, чтобы они могли воспроизвести результаты и развить их.

Благодарности

Часть этой работы была поддержана Министерством энергетики по контракту DE-SC0004453, а также частично ARPA-E по контракту DE-AR0000684 и компанией 3M. Приведенные здесь мнения принадлежат авторам и могут не совпадать с мнением DOE или 3M. Мы с благодарностью признательны за помощь коллегам, сотрудникам и друзьям DM из 3M. Кроме того, особая признательность за поддержку со стороны LanzaTech, в частности Шона Симпсона (CSO и основатель), Кристофа Михальчи (директор по ферментации), Брюса Ли (старшийДев. инженер) и Ник Бурдакос (старший инженер по ферментации) за предоставление нам своих ценных экспериментальных рабочих данных о ячейке DM CO ₂ .

Каталожные номера

Агарвал А.С., Чжай Ю., Хилл Д. и Шридхар Н. (2011). Электрохимическое восстановление диоксида углерода до формиата/муравьиной кислоты: техническое и экономическое обоснование. ChemSusChem 4, 1301–1310. doi: 10.1002/cssc.201100220

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Альварес-Герра, М., Дель Кастильо, А., и Ирабиен, А. (2014). Непрерывное электрохимическое восстановление диоксида углерода в формиат с использованием оловянного катода: сравнение со свинцовым катодом. Хим. англ. Рез. Номер . 92, 692–701. doi: 10.1016/j.cherd.2013.11.002

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Альварес-Гуэрра, М., Кинтанилья, С., и Ирабиен, А. (2012). Преобразование диоксида углерода в формиат с использованием непрерывного процесса электрохимического восстановления на свинцовом катоде. Хим. англ.J. 207, 278–284. doi: 10.1016/j.cej.2012.06.099

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Аппель, А.М., Беркау, Дж.Е., Бокарсли, А.Б., Доббек, Х., Дюбуа, Д.Л., Дюпюи, М., и соавт. (2013). Границы, возможности и проблемы биохимического и химического катализа фиксации CO ₂ . Хим. Версия . 113, 6621–6658. дои: 10.1021/cr300463y

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ареста, М. (2010). Двуокись углерода как химическое сырье .Вайнхайм: Wiley-VCH, 1–13.

Академия Google

Ареста, М., и Дибенедетто, А. (2007). Использование CO ₂ в качестве химического сырья: возможности и проблемы. Далтон Транс. 28, 2975–2992. дои: 10.1039/b700658f

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ареста, М., Дибенедетто, А., и Куаранта, Э. (2016). Современное состояние и перспективы каталитического процесса преобразования CO ₂ в химикаты и топливо: особый вклад химического катализа и биотехнологии. Катал. Дж . 343, 2–45. doi: 10.1016/j.jcat.2016.04.003

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Девин, О. И., Мерфи, С., Онг, А. Л., Пойнтон, С. Д., Зенг, Р., и Варко, Дж. Р. (2012). Анионообменные мембраны для щелочных полимер-электролитных топливных элементов: сравнение боковых головок бензилтриметиламмония и бензилметилимидазолия. Энергетика Окружающая среда. науч. 5, 8584–8597. дои: 10.1039/C2EE22466F

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ду, Д., Лан, Р., Хамфис, Дж., и Тао, С. (2017). Прогресс в неорганических катодных катализаторах электрохимического превращения углекислого газа в формиат или муравьиную кислоту. J.Appl. Электрохим. 47, 661–678. doi: 10.1007/s10800-017-1078-x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Du, D., Lan, R., Humphreys, J., Sengodan, S., Xie, K., Wang, H., et al. (2016). Достижение высокой селективности и плотности тока для восстановления CO ₂ до формиата на электрокатализаторах из нанопористой пены олова. Хим. Сел. 1, 1711–1715 гг. doi: 10.1002/slct.201600451

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Халманн, М. М. (1993). Химическая фиксация углекислого газа: методы переработки CO ₂ в полезные продукты. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 67–127.

Ху, Б., Гильд, К., и Суиб, С. Л. (2013). Термическая, электрохимическая и фотохимическая конверсия CO ₂ в топливо и продукты с добавленной стоимостью. J. CO ₂ Утил. 1, 18–27. doi: 10.1016/j.jcou.2013.03.004

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Качур, Дж. Дж., Ян, Х., Саджад, С. Д., и Мазель, Р. И. (2017). Способ и система электрохимического производства муравьиной кислоты из диоксида углерода , Бока-Ратон, Флорида: заявка на патент США, 2017/0037522.

Академия Google

Копляр Д., Инан А., Виндайер П., Вагнер Н. и Клемм Э. (2014). Электрохимическое восстановление CO ₂ до формиата при высокой плотности тока с использованием газодиффузионных электродов. J. Appl. Электрохим . 44, 1107–1116. doi: 10.1007/s10800-014-0731-x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Куц, Р. Б., Чен, К., Ян, Х., Саджад, С. Д., Лю, З., и Масел, И. Р. (2017). Sustainion Полимеры, функционализированные имидазолием, для CO ₂ Электролиз. Энергетика . 5, 929–936. doi: 10.1002/ente.201600636

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ли, Х., и Оломан, К. (2005). Электровосстановление диоксида углерода в реакторе непрерывного действия. J. Appl. Электрохим . 35, 955–965. doi: 10.1007/s10800-005-7173-4

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ли, Х., и Оломан, К. (2006). Разработка реактора непрерывного действия для электровосстановления диоксида углерода в формиат. часть 1. Переменные процесса. J. Appl. Электрохим . 36, 1105–1115. doi: 10.1007/s10800-006-9194-z

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ли, Х., и Оломан, К. (2007). Разработка реактора непрерывного действия для электровосстановления диоксида углерода в формиат.Часть 2. Масштабирование. J. Appl. Электрохим. 37, 1107–1117. doi: 10.1007/s10800-007-9371-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Liu, Z., Masel, R.I., Chen, Q., Kutz, R., Yang, H., Lutz, D.R., et al. (2015). Электрохимическое производство синтез-газа из воды и углекислого газа с промышленно важными скоростями. J. CO ₂ Util . 15, 50–56. doi: 10.1016/j.jcou.2016.04.011

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лю, З., Sajjad, S.D., Gao, Y., Yang, H., Kaczur, JJ, and Masel, R.I. (2017a). Влияние мембраны на электролизер щелочной воды. Междунар. J. Hydrogen Energy 42, 29661–29665. doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.10.050

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лю, З., Саджад, С. Д., Гао, Ю., Качур, Дж. Дж., и Мазель, Р. И. (2017b). Электролизер щелочной воды с мембранами Sustainion™: 1 А/см ² при 1,9 В с катализаторами на основе неблагородных металлов. ЭКС Транс .77, 71–73. дои: 10.1149/07709.0071ecst

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лу, X., Леунг, Д.Ю.К., Ван, Х., Леунг, М.К.Х., и Суан, Дж. (2014). Электрохимическое восстановление углекислого газа до муравьиной кислоты. ХимЭлектроХим 1, 836–849. doi: 10.1002/celc.201300206

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Махмуд, М. Н., Машедер, Д., и Харти, С. Дж. (1987). Применение газодиффузионных электродов для высокоскоростного электрохимического восстановления углекислого газа.I. Восстановление на электродах, импрегнированных свинцом, индием и оловом. J. Appl. Электрохим . 17, 1159–1170. дои: 10.1007/BF01023599

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Мазель, Р. И., и Чен, К. (2015). Преобразование двуокиси углерода в топливо и химикаты. Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 193 593.

Мазель, Р. И., Чен, К., Лю, З., и Куц, Р. (2017b). Ионопроводящие мембраны. Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 580 824.

Мазель, Р.И., Чен К., Лю З. и Куц Р. (2017c). Ионопроводящие мембраны. Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 370 773.

Мазель, Р. И., Чен, К., Лю, З., и Куц, Р. (2016c). Электрохимическое устройство для превращения углекислого газа в продукт реакции . Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 481 939.

Мазель, Р. И., Лю, З., и Саджад, С. (2016b). Электролизеры с анионообменной мембраной, показывающие 1 А/см ² при напряжении менее 2 В. ЭКС Транс . 75, 1143–1145.дои: 10.1149/07514.1143ecst

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Мазель Р.И., Ни Р., Лю З., Чен К., Куц Р. и Левински К. (2014a). Раскрытие потенциала преобразования CO ₂ в топливо и химикаты как экономически выгодного пути к CCR. Энергия Проц. 63, 7959–7962. doi: 10.1016/j.egypro.2014.11.832

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Мазель, Р. И., Розен, Б. А., и Чжу, В. (2014b). Устройства и процессы для преобразования углекислого газа в полезные виды топлива и химикаты. Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 181 625.

Мазель Р.И., Саджад С.Д., Гао Ю., Лю З. и Чен К. (2017a). Ионопроводящие мембраны . Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 849 450.

Мазель, Р.И., Салахи-Хогин, А., и Розен, Б.А. (2015). Катализаторы для электрохимической конверсии углекислого газа. Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 012 345.

Мазель, Р. И., Шаджад, С. Д., и Пеллерит, М. Дж. (2017d). Способ изготовления анионообменной мембраны .Бока-Ратон, Флорида. Заявка на патент США 2017/0189898.

Мазель Р., Лю З., Чжао Д., Чен К., Лутц Д. и Неренг Л. (2016a). «Преобразование CO ₂ в химические вещества с упором на использование возобновляемых источников энергии/ресурсов для стимулирования преобразования», в Коммерциализация продуктов на биологической основе: возможности, проблемы, преимущества и риски RSC Green Chemistry, № 43 , под ред. С. Снайдера ( Кембридж: Королевское химическое общество), 215–257. дои: 10.1039/9781782622444-00215

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Мазель, Р.I. и Розен, Б. А. (2014). Каталитические смеси . Бока-Ратон, Флорида. Патент США 8 956 990.

Пеллерит, М., Каплун, М., Хартманн-Томпсон, К., Левински, К.А., Кунц, Н., Грегар, Н., и др. (2017). Полимерные мембраны, функционализированные имидазолием, для топливных элементов и электролизеров. ЭКС Транс . 80, 945–956. дои: 10.1149/08008.0945ecst

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Плетчер, Д. (2015). Катодное восстановление двуокиси углерода – чего реально можно достичь? Мини обзор. Электрохим. коммун. 61, 97–101. doi: 10.1016/j.elecom.2015.10.006

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Плетчер, Д., и Ли, X. (2011). Перспективы щелочных электролизеров воды с нулевым зазором для производства водорода. Междунар. J. Hydrogen Energy 36, 15089–15104. doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.08.080

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Цяо Дж., Лю Ю., Хун Ф. и Чжан Дж. (2014). Обзор катализаторов электровосстановления диоксида углерода для получения низкоуглеродистых топлив. Хим. соц. Версия . 43, 631–675. дои: 10.1039/C3CS60323G

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Quadrelli, E.A., Centi, G., Duplan, J.L., и Perathoner, S. (2011). Переработка углекислого газа: новые крупномасштабные технологии с промышленным потенциалом. ChemSusChem 4, 1194–1215. doi: 10.1002/cssc.201100473

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Розен, Б. А., Салехи-Коджин, А., Торсен, М.Р., Чжу, В., Уиппл, П.Дж.А., Кенис, П.Дж.А., и Мазель, Р.И. (2011). Селективное превращение CO ₂ в CO при низких перенапряжениях с помощью ионной жидкости. Наука 334, 643–644. doi: 10.1126/наука.1209786

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Розен, Б. А., Чжу, В., Каул, Г., Салехи-Ходжин, А., и Масел, Р. И. (2013). Повышение конверсии CO ₂ водой на серебре в тетрафторборате 1-этил-3-метилимидазолия. Дж. Электрохим.Соц . 160, h238–h241. дои: 10.1149/2.004303jes

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Саджад С., Гао Ю., Лю З., Ян Х. и Масел Р. (2017). Анионообменные мембраны Tunable-High Performance Sustance™ для электрохимических применений. ЭКС Транс . 77, 1653–1656. дои: 10.1149/07711.1653ecst

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сен С., Скинн Б., Холл Т., Инман М., Тейлор Э. Дж. и Брашетт Ф. Р. (2016). Импульсное электроосаждение оловянных электрокатализаторов на газодиффузионные слои для восстановления углекислого газа до формиата. MRS Adv. 2, 451–458. doi: 10.1557/adv.2016.652

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Урсуа, А., Гандия, Л.М., и Санчис, П. (2012). Производство водорода электролизом воды: текущее состояние и перспективы. Проц. IEEE 100, 410–426. doi: 10.1109/JPROC.2011.2156750

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Венгатесан С., Санти С., Дживанантам С. и Сожан Г. (2015). Анионообменные мембраны из кватернизированного поли(стирола-со-винилбензилхлорида) для электролизеров щелочной воды. Дж. Пау. Источники 284, 361–368. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.02.118

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Уиппл, Д. Т., и Кенис, П. Дж. А. (2010). Перспективы утилизации СО ₂ путем прямого гетерогенного электрохимического восстановления. J. Phys. хим. лат. 1, 3451–3458. дои: 10.1021/jz1012627

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Уиппл, Д. Т., Финке, Э. К., и Кенис, П. Дж. А. (2010). Микрожидкостный реактор для электрохимического восстановления диоксида углерода: влияние p H. Электрохим. Твердотельное письмо. 13, В109–В111. дои: 10.1149/1.3456590

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Уайт, Дж. Л., Херб, Дж. Т., Качур, Дж. Дж., Майстрик, П. В., и Бокарсли, А. Б. (2014). Фотоны в форму: эффективное электрохимическое преобразование солнечной энергии за счет восстановления углекислого газа. J. CO ₂ Util . 7, 1–5. doi: 10.1016/j.jcou.2014.05.002

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ян Х., Качур Дж.Дж., Саджад С.Д. и Масел Р.И. (2017a). Электрохимическая конверсия CO ₂ в муравьиную кислоту с использованием мембран Sustance®. J. CO ₂ Util . 20, 208–217. doi: 10.1016/j.jcou.2017.04.011

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ян, Х., Качур, Дж., Саджад, С.Д., и Масел, Р.И. (2017b). CO ₂ Преобразование в муравьиную кислоту в трехкамерной ячейке с мембранами Sustainment™. ЭКС Транс . 77, 1425–1431. дои: 10.1149/07711.1425экст

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

5.3: Химические уравнения – Химия LibreTexts

Цели обучения

• Дайте определение химической реакции .
• Используйте сбалансированное химическое уравнение для представления химической реакции.

Вода (H ₂ O) состоит из водорода и кислорода. Предположим, мы представляем себе процесс, в котором мы берем некоторое количество элементарного водорода (H ₂ ) и элементарного кислорода (O ₂ ) и позволяем им реагировать, образуя воду.Заявление

«Реакция водорода и кислорода с образованием воды»

— это один из способов представить этот процесс, который называется химической реакцией. На рисунке \(\PageIndex{1}\) показан довольно яркий пример этой самой реакции.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Формирование воды. Водород и кислород соединяются, образуя воду. Здесь газообразный водород в цеппелине SS Hindenburg вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя воду. Источник: Фото предоставлено ВМС США.Видео об этом см. на странице www.youtube.com/watch?v=CgWHbpMVQ1U.

Чтобы упростить запись реакций, мы используем формулы вместо названий, когда описываем реакцию. Мы также можем использовать символы для представления других слов в реакции. Знак плюс соединяет исходные вещества (и конечные вещества, если их несколько), а стрелка (→) представляет химическое изменение:

\[\ce{H_2 + O_2 \rightarrow H_2O} \label{Eq1}\]

Это утверждение является одним из примеров химического уравнения , сокращенного способа использования символов для представления химического изменения .Вещества с левой стороны стрелки называются реагентами , а вещества с правой стороны стрелки называются продуктами . Нередко к каждой формуле добавляют метку фазы: (s) для твердого вещества, (л) для жидкости, (г) для газа и (водн.) для вещества, растворенного в воде, также известного как водный раствор . Если бы мы включили фазовые метки для реагентов и продуктов, при нормальных условиях окружающей среды реакция была бы следующей:

\[\ce{h3(g) + O2(g) \rightarrow h3O (ℓ)} \label{Eq2}\]

Химические уравнения также могут использоваться для описания физических изменений.Скоро мы увидим примеры этого.

Это уравнение еще не завершено, потому что оно не удовлетворяет закону сохранения материи . Подсчитайте атомов каждого элемента с каждой стороны стрелки. Со стороны реагента есть два атома H и два атома O; со стороны продукта есть два атома H и только один атом кислорода. Уравнение не сбалансировано , потому что количество атомов кислорода на каждой стороне не одинаково (рис. \(\PageIndex{2}\)).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Сбалансированный — да или нет?. Подсчитав атомы каждого элемента, мы видим, что реакция не уравновешена, как написано.

Чтобы привести это химическое уравнение в соответствие с законом сохранения вещества, мы должны пересмотреть количества реагентов и продуктов, чтобы получить одинаковое количество атомов данного элемента с каждой стороны. Поскольку каждое вещество имеет характерную химическую формулу, мы не можем изменить химические формулы отдельных веществ.Например, мы не можем изменить формулу для элементарного кислорода на O. Однако мы можем предположить, что может быть задействовано различное количество молекул реагентов или молекул продукта. Например, возможно, образуются две молекулы воды, а не одна:

.

\[\ce{h3(g) + O2(g) \rightarrow 2h3O (ℓ)} \label{Eq3}\]

2 перед формулой воды называется коэффициентом . Это означает, что образуются две молекулы воды. Теперь в каждой части уравнения по два атома кислорода.

Этот момент настолько важен, что мы должны повторить его. Вы не можете изменить формулу химического вещества, чтобы сбалансировать химическую реакцию! Вы должны использовать правильную химическую формулу вещества.

К сожалению, вставив коэффициент 2 перед формулой воды, мы также изменили количество атомов водорода на стороне продукта. В результате у нас больше нет одинакового количества атомов водорода с каждой стороны. Однако это можно легко исправить, поставив коэффициент 2 перед реагентом двухатомного водорода:

\[\ce{2h3(g) + O2(g) \rightarrow 2h3O (ℓ)} \label{Eq4}\]

Теперь у нас есть четыре атома водорода и два атома кислорода с каждой стороны уравнения.Закон сохранения вещества выполняется , потому что теперь мы имеем одинаковое число атомов каждого элемента в реагентах и ​​продуктах. Мы говорим, что реакция уравновешена (Рисунок \(\PageIndex{3}\)). Двухатомный кислород имеет коэффициент 1, который обычно не записывается, а предполагается в сбалансированных химических уравнениях.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Сбалансированный — да или нет?. Подсчитав атомы каждого элемента, мы видим, что реакция теперь уравновешена.

Правильные химические уравнения должны быть сбалансированы.Написание уравновешенных реакций — это способ химика признать закон сохранения материи.

Пример \(\PageIndex{1}\)

Сбалансировано ли каждое химическое уравнение?

1. 2Na(т) + O ₂ (г) → 2Na ₂ O(т)
2. CH ₄ (г) + 2O ₂ (г) → CO ₂ (г) + 2H ₂ O(ℓ)
3. AgNO ₃ (водн.) + 2KCl (водн.) → AgCl(т) + KNO ₃ (водн.)

Раствор

1. Считая, мы находим два атома натрия и два атома кислорода в реагентах и ​​четыре атома натрия и два атома кислорода в продуктах.Это уравнение не сбалансировано.
2. Реагенты имеют один атом углерода, четыре атома водорода и четыре атома кислорода. Продукты имеют один атом углерода, четыре атома водорода и четыре атома кислорода. Это уравнение сбалансировано.
3. Реагенты содержат один атом серебра, один атом азота, три атома кислорода, два атома калия и два атома хлора. Продукты содержат один атом серебра, один атом хлора, один атом калия, один атом азота и три атома кислорода. Поскольку число атомов хлора и калия разное, это уравнение не сбалансировано.

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Сбалансировано ли каждое химическое уравнение?

1. \(2Hg_{(ℓ)} + O_{2(g)} \rightarrow Hg_2O_{2(s)}\)
2. \(C_2H_{4(г)} + 2O_{2(г)} \rightarrow 2CO_{2(г)} + 2H_2O_{(ℓ)}\)
3. \(Mg(NO_3)_{2(s)} + 2Li_{(s)} \rightarrow Mg_{(s)} + 2LiNO_{3(s)}\).

Ответ а:

сбалансированный

Ответ б:

О не сбалансирован; 4 атома кислорода слева не уравновешиваются 6 атомами кислорода справа

Ответ c:

сбалансированный

Как сбалансировать химическое уравнение, исходя из правильных формул реагентов и продуктов? В основном, используется подход туда и обратно , подсчитывающий количество атомов одного элемента на одной стороне, проверяющий количество атомов этого элемента на другой стороне и изменяющий коэффициент, если необходимо.Затем проверьте другой элемент, переходя от одной части уравнения к другой, пока каждый элемент не будет иметь одинаковое количество атомов по обе стороны от стрелки. Во многих случаях не имеет значения, какой элемент уравновешивается первым, а какой последним, если все элементы имеют одинаковое количество атомов с каждой стороны уравнения.

Ниже приведены рекомендации по составлению и балансировке химических уравнений.

1. Определите правильные химические формулы для каждого реагента и продукта.Напишите уравнение скелета.
2. Подсчитайте количество атомов каждого элемента, который появляется как реагент и как продукт. Если многоатомный ион не меняется в обеих частях уравнения, считайте его за единицу.
3. Балансируйте каждый элемент по одному, помещая коэффициенты перед формулами. Для 1 коэффициент не записывается. Лучше всего начать с уравновешивания элементов, которые появляются только в одной химической формуле с каждой стороны уравнения. НИКОГДА не меняйте нижние индексы в химической формуле — вы можете сбалансировать уравнения только с помощью коэффициентов.
4. Проверьте каждый атом или многоатомный ион, чтобы убедиться, что они равны в обеих частях уравнения.
5. Убедитесь, что все коэффициенты находятся в наименьшем возможном соотношении. При необходимости уменьшите соотношение до минимального.

Например, чтобы сбалансировать уравнение

Шаг 1: Напишите скелетное уравнение с правильными формулами.

\[\ce{Ch5 + Cl2 \rightarrow CCl4 + HCl} \label{Eq5}\]

Шаг 2: Подсчитайте количество каждого атома или многоатомного иона в обеих частях уравнения.

\[\begin{array}{ll} \textbf{Реагенты} & \textbf{Продукты} \\ 1 \: \ce{C} \: \text{атом} & 1 \: \ce{C} \: \text{атом} \\ 4 \: \ce{H} \: \text{ионы} & 1 \: \ce{H} \: \text{ионы} \\ 2 \: \ce{Cl} \: \text{атом} & 5 \: \ce{Cl} \: \text{атомы} \end{массив}\]

Этап 3: W e находим, что обе стороны уже уравновешены одним атомом углерода. Итак, мы приступаем к балансу атомов водорода. Мы находим, что сторона реагента имеет четыре атома водорода, поэтому сторона продукта также должна иметь четыре атома водорода.Это уравновешивается добавлением 4 перед HCl:

.

\[\ce{Ch5 + Cl2 \rightarrow CCl4 + 4HCl } \label{Eq6}\]

\[\begin{array}{ll} \textbf{Реагенты} & \textbf{Продукты} \\ 1 \: \ce{C} \: \text{атом} & 1 \: \ce{C} \: \text{атом} \\ 4 \: \ce{H} \: \text{ионы} & 4 \: \ce{H} \: \text{ионы} \\ 2 \: \ce{Cl} \: \text{атом} & 8 \: \ce{Cl} \: \text{атомы} \end{массив}\]

Теперь на каждой стороне по четыре атома водорода. На стороне продукта всего восемь атомов хлора (четыре от \(CCl_4\) и четыре от четырех молекул HCl), поэтому нам нужны восемь атомов хлора в качестве реагентов.Поскольку элементарный хлор представляет собой двухатомную молекулу, нам нужно четыре молекулы хлора, чтобы получить в общей сложности восемь атомов хлора. Добавляем еще 4 перед реагентом Cl ₂ :

\[\ce{Ch5 + 4Cl2 \rightarrow CCl4 + 4HCl } \label{Eq7}\]

\[\begin{array}{ll} \textbf{Реагенты} & \textbf{Продукты} \\ 1 \: \ce{C} \: \text{атом} & 1 \: \ce{C} \: \text{атом} \\ 4 \: \ce{H} \: \text{ионы} & 4 \: \ce{H} \: \text{ионы} \\ 8 \: \ce{Cl} \: \text{атом} & 8 \: \ce{Cl} \: \text{атомы} \end{массив}\]

Шаг 3: Теперь проверяем: на каждой стороне по одному атому углерода, по четыре атома водорода и по восемь атомов хлора.Химическое уравнение сбалансировано. И коэффициенты находятся в минимально возможном соотношении.

Пример \(\PageIndex{2}\)

Смешивают водные растворы нитрата свинца (II) и хлорида натрия. Продуктами реакции являются водный раствор нитрата натрия и твердый осадок хлорида свинца (II). Напишите сбалансированное химическое уравнение этой реакции.

Раствор

Шаг 1: Напишите скелетное уравнение с правильными формулами.-} \: \text{ионы} \\ 1 \: \ce{Na} \: \text{атом} & 1 \: \ce{Na} \: \text{атом} \\ 1 \: \ce{ Cl} \: \text{атом} & 2 \: \ce{Cl} \: \text{атомы} \end{массив}\]

Шаг 3: Решить. Ионы нитрата и атомы хлора не сбалансированы. Начните с размещения 2 перед \(\ce{NaCl}\). Это увеличивает количество реагентов до 2 атомов \(\ce{Na}\) и 2 атомов \(\ce{Cl}\). Затем поместите 2 перед \(\ce{NaNO_3}\). Результат:

\[\ce{Pb(NO_3)_2} \left( aq \right) + 2 \ce{NaCl} \left( aq \right) \rightarrow 2 \ce{NaNO_3} \left( aq \right) + \ ce{PbCl_2} \влево( с \вправо)\]

Шаг 4: Новое число для каждого атома и многоатомного иона становится:

\[\begin{array}{ll} \textbf{Реагенты} & \textbf{Продукты} \\ 1 \: \ce{Pb} \: \text{атом} & 1 \: \ce{Pb} \: \text{атом} \\ 2 \: \ce{NO_3^-} \: \text{ионы} & 2 \: \ce{NO_3^-} \: \text{ионы} \\ 2 \: \ce{ Na} \: \text{атом} & 2 \: \ce{Na} \: \text{атом} \\ 2 \: \ce{Cl} \: \text{атом} & 2 \: \ce{Cl } \: \text{атомы} \end{массив}\]

Шаг 5: Подумайте о результате.

Теперь уравнение сбалансировано, так как в обеих частях уравнения имеется одинаковое количество атомов каждого элемента. И коэффициенты находятся в минимально возможном соотношении.

Упражнение \(\PageIndex{2}\)

Ферментация — это биохимический процесс, который позволяет дрожжевым клеткам жить в отсутствие кислорода. Люди веками использовали его для производства вина, пива и хлеба. В процессе ферментации сахара, такие как глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), превращаются в этанол (C ₂ H ₅ OH) и углекислый газ CO ₂ .Напишите сбалансированную химическую реакцию ферментации глюкозы.

Коммерческое использование ферментации . (a) Чаны микропивоварни используются для приготовления пива. (b) Ферментация глюкозы клетками дрожжей — это реакция, которая делает возможным производство пива.

Ответить

C ₆ H ₁₂ O ₆ (s) → 2C ₂ H ₅ OH(l) + 2CO ₂ (g)

Упражнения по обзору концепции

1. Из каких частей состоит химическое уравнение?
2. Объясните, почему химические уравнения должны быть сбалансированы.

Ответы

а. реактивы и продукты

б. Химические уравнения должны быть сбалансированы, чтобы удовлетворять закону сохранения материи.

Ключ на вынос

Химические реакции представлены химическими уравнениями, в которых перечислены реагенты и продукты. Правильные химические уравнения сбалансированы; одинаковое количество атомов каждого элемента появляется на каждой стороне уравнения.

Упражнения

1. Напишите химическое уравнение, выражающее тот факт, что газообразный водород и твердый йод реагируют с образованием газообразного йодистого водорода.Убедитесь, что уравнение удовлетворяет закону сохранения материи.

2. Напишите химическое уравнение, выражающее тот факт, что металлический натрий и газообразный хлор реагируют с образованием твердого хлорида натрия. Убедитесь, что уравнение удовлетворяет закону сохранения материи.

3. Напишите уравнение, выражающее тот факт, что газообразный водород и газообразный фтор реагируют с образованием газообразного фтороводорода. Убедитесь, что уравнение удовлетворяет закону сохранения материи.

4. Напишите уравнение, выражающее тот факт, что твердый калий и газообразный фтор реагируют с образованием твердого фторида калия. Убедитесь, что уравнение удовлетворяет закону сохранения материи.

5. Ртуть реагирует с кислородом с образованием оксида ртути(II). Напишите сбалансированное химическое уравнение, описывающее эту реакцию.

6. Октан

   (C ₈ H ₁₈ ) реагирует с кислородом с образованием углекислого газа и воды.Напишите сбалансированное химическое уравнение, описывающее эту реакцию.

7. Пропиловый спирт (C ₃ H ₇ OH) реагирует с кислородом с образованием углекислого газа и воды. Напишите сбалансированное химическое уравнение, описывающее эту реакцию.

8. Серная кислота (H ₂ SO ₄ ) реагирует с металлическим железом с образованием сульфата железа (III) и газообразного водорода. Напишите сбалансированное химическое уравнение, описывающее эту реакцию.

9. Сбалансируйте каждое уравнение.

   1. MgCl ₂ + K → KCl + Mg
   2. C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ → CO ₂ + H ₂ O
   3. NaN ₃ → Na + N ₂ (Это реакция, используемая для надувания подушек безопасности в автомобилях.)

10. Сбалансируйте каждое уравнение.

    1. NH ₄ NO ₃ → N ₂ O + H ₂ O
    2. TiBr ₄ + H ₂ O → TiO ₂ + HBr
    3. C ₃ H ₅ N ₃ O ₉ → CO ₂ + N ₂ + O ₂ + H _{2 90)}

11. Сбалансируйте каждое уравнение.

    1. NH ₃ + O ₂ → NO + H ₂ O
    2. Li + N ₂ → Li ₃ N
    3. AuCl → Au + AuCl ₃

12. Сбалансируйте каждое уравнение.

    1. NaOH + H ₃ PO ₄ → Na ₃ PO ₄ + H ₂ O
    2. N ₂ H ₄ + Cl ₂ → N ₂ + HCl
    3. Na ₂ S + H ₂ S → NaSH

13. Оксид хрома (III) реагирует с четыреххлористым углеродом с образованием хлорида хрома (III) и фосгена (COCl ₂ ).Напишите сбалансированное химическое уравнение этой реакции.

14. Реакция, которая происходит, когда таблетку Alka-Seltzer бросают в стакан с водой, представляет собой реакцию бикарбоната натрия с лимонной кислотой (H ₃ C ₆ H ₅ O ₇ ) с образованием диоксида углерода, воды, и цитрат натрия (Na ₃ C ₆ H ₅ O ₇ ). Напишите сбалансированное химическое уравнение этой реакции.

15. Когда гидрокарбонат натрия используется для тушения пожара на кухне, он разлагается на карбонат натрия, двуокись углерода и воду.Напишите сбалансированное химическое уравнение этой реакции.

16. Газообразный элементарный бром может быть получен путем взаимодействия бромида натрия с элементарным хлором. Другой продукт – хлорид натрия. Напишите сбалансированное химическое уравнение этой реакции.

Ответы

2. 2Na(т) + Cl ₂ (г) → 2NaCl(т)

4. 2K(s) + F ₂ (g) → 2KF(s)

6.2C ₈ H ₁₈ + 25O ₂ → 16CO ₂ + 18H ₂ O

7. 2C ₃ H ₇ OH + 9O ₂ → 6CO ₂ + 8H ₂ O

8. 3H ₂ SO ₄ + 2Fe → Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ + 3H ₂

9. 1. MgCl ₂ + 2K → 2KCl + Mg
   2. C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ → 6CO ₂ + 6H ₂ O
   3. 2NaN ₃ → 2Na + 3N ₂

10.

1. NH ₄ NO ₃ → N ₂ O + 2H ₂ O
2. TiBr ₄ + 2H ₂ O → TiO ₂ + 4HBr
3. 4C ₃ H ₅ N ₃ O ₉ → 12CO ₂ + 6N ₂ + O ₂ 3 105006 + 05H

11.

1. 4NH ₃ + 5O ₂ → 4NO + 6H ₂ O
2. 6Li + N ₂ → 2Li ₃ N
3. 3AuCl → 2Au + AuCl ₃

12.

1. 3NaOH + H ₃ PO ₄ → Na ₃ PO ₄ + 3H ₂ O
2. N ₂ H ₄ + 2Cl ₂ → N ₂ + 4HCl
3. Na ₂ S + H ₂ S → 2NaSH

13. Cr ₂ O ₃ + 3CCl ₄ → 2CrCl ₃ + 3COCl ₂

14. 3Nahco ₃ + H ₃ C ₆ H ₅ O ₇ → 3CO ₂ + 3H ₂ O + Na ₃ C ₆ H ₅ O ₇

15.2NaHCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + CO ₂ + H ₂ O

16. 2NaBr + Cl ₂ → Br ₂ + 2NaCl

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Вода для жизни — OpenLearn

Природный газ, который в основном состоит из метана, сжигается для получения тепла для приготовления пищи и отопления дома, а также в качестве промышленного источника энергии. Этот процесс горения включает реакцию метана с кислородом воздуха с образованием углекислого газа и воды.

Можно составить химическое уравнение реакции метана с кислородом с образованием диоксида углерода и воды в качестве продуктов.

1. Первым шагом является запись формул реагентов слева и продуктов справа: не сбалансирован; количество атомов водорода и кислорода неодинаково в обеих частях уравнения.Поскольку атомы кислорода находятся парами как в углекислом газе, так и в кислороде, вы знаете, что в правой части уравнения также должно быть четное число атомов кислорода. Чтобы исправить этот дисбаланс «нечетного кислорода», добавьте еще одну молекулу воды в правую часть уравнения. Теперь подсчитайте количество атомов в обеих частях уравнения.

   Теперь с каждой стороны уравнения один атом углерода и четыре атома водорода. Однако слева находятся два атома кислорода, а справа всего 2 + 2 = 4 атома кислорода.

2. Чтобы исправить это, добавьте еще одну молекулу кислорода в левую часть, чтобы получить сбалансированное химическое уравнение:

   Общее число атомов одинаково в каждой части уравнения.

Сбалансировать химические уравнения не всегда легко, но это приходит с практикой. Попробуйте потренироваться, ответив на вопросы 19 и 20, прежде чем переходить к следующему разделу, в котором рассматриваются ионы и связи.

Вопрос 19

Сбалансируйте следующие уравнения.Показаны все реагенты и продукты.

1. 1. Магний сожжен в кислороде для получения оксида магния:

   2. Реакция на формование углерода и хлора:

   3. Оксид калия формируется сжигающим калием в кислороде:

   4. Водород реагирует с газообразным хлором с образованием хлороводорода:

   Ответ

   Помните, что количество атомов каждого элемента должно быть одинаковым в обеих частях «сбалансированного» уравнения.

   Теперь попробуйте самостоятельно составить сбалансированное химическое уравнение, выполнив вопрос 20.

   Вопрос 20

   Напишите сбалансированное химическое уравнение для химической реакции, в которой азот, N ₂ , и водород, H ₂ , реагируют вместе с дать аммиак NH ₃ . Это единственные вовлеченные реагенты и продукт.

   Ответ

   1. Первый шаг состоит в том, чтобы поставить формулы реагентов слева и продукта справа.

   2. Теперь сбалансируйте число атомов азота. С двумя атомами азота слева нужны две молекулы аммиака справа. (Помните, N ₂ означает два атома азота, соединенных в молекулу.)

   3. каждая из двух молекул аммиака) и только два атома водорода в одной молекуле водорода слева.Чтобы исправить это, необходимо три молекулы водорода слева (всего получается шесть атомов).

      Результатом является сбалансированное химическое уравнение процесса, в котором одна молекула азота реагирует с тремя молекулами водорода с образованием двух молекул аммиака.

   Химические уравнения

   5.2 Химические уравнения

   Цели обучения

   1. Дайте определение химической реакции .
   2. Используйте сбалансированное химическое уравнение для представления химической реакции.

   Вода (H ₂ O) состоит из водорода и кислорода. Предположим, мы представляем себе процесс, в котором мы берем некоторое количество элементарного водорода (H ₂ ) и элементарного кислорода (O ₂ ) и позволяем им реагировать, образуя воду. Заявление

   водород и кислород реагируют с образованием воды

   — это один из способов представить этот процесс, который называется химической реакцией. Представление химического изменения.. На рис. 5.1 «Образование воды» показан довольно яркий пример этой самой реакции.

   Рисунок 5.1 Формирование воды

   Водород и кислород соединяются, образуя воду. Здесь газообразный водород в цеппелине SS Hindenburg вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя воду.

   Чтобы упростить запись реакций, мы используем формулы вместо названий, когда описываем реакцию. Мы также можем использовать символы для представления других слов в реакции.Знак плюс соединяет исходные вещества (и конечные вещества, если их несколько), а стрелка (→) обозначает химическое изменение:

   H ₂ + O ₂ → H ₂ O

   Это утверждение является одним из примеров химического уравнения. Сокращенный способ использования символов для обозначения химического изменения. Сокращенный способ использования символов для представления химического изменения. Вещества с левой стороны стрелки называются реагентами. Вещество с левой стороны стрелки в химическом уравнении., а вещества с правой стороны стрелки называются продуктами. Вещество с правой стороны стрелки в химическом уравнении. Нередко к каждой формуле добавляется метка фазы – (s) для твердого вещества, (ℓ) для жидкости, (g) для газа и (aq) для вещества, растворенного в воде, также известного как водный раствор . Если бы мы включили фазовые метки для реагентов и продуктов, при нормальных условиях окружающей среды реакция была бы следующей:

   H ₂ (г) + O ₂ (г) → H ₂ O(ℓ)

   Примечание

   Химические уравнения также могут использоваться для описания физических изменений.Скоро мы увидим примеры этого.

   Это уравнение еще не завершено, потому что оно не удовлетворяет закону сохранения материи . Подсчитайте количество атомов каждого элемента по обе стороны от стрелки. Со стороны реагента есть два атома H и два атома O; со стороны продукта есть два атома H и только один атом кислорода. Уравнение не сбалансировано, потому что количество атомов кислорода с каждой стороны неодинаково (рис. 5.2 «Сбалансировано — да или нет?»).

   Рисунок 5.2 Сбалансированный — да или нет?

   Подсчитав атомы каждого элемента, мы видим, что реакция не уравновешена, как написано.

   Чтобы привести это химическое уравнение в соответствие с законом сохранения вещества, мы должны пересмотреть количества реагентов и продуктов, чтобы получить одинаковое количество атомов данного элемента с каждой стороны. Поскольку каждое вещество имеет характерную химическую формулу, мы не можем изменить химические формулы отдельных веществ.Например, мы не можем изменить формулу для элементарного кислорода на O. Однако мы можем предположить, что может быть задействовано различное количество молекул реагентов или молекул продукта. Например, возможно, образуются две молекулы воды, а не одна:

   . H ₂ (г) + O ₂ (г) → 2H ₂ O(ℓ)

   Двойка, предшествующая формуле воды, называется коэффициентомЧисло, обозначающее количество молекул вещества в уравновешенном химическом уравнении. Это означает, что образуются две молекулы воды.Теперь в каждой части уравнения по два атома кислорода.

   Примечание

   Этот момент настолько важен, что мы должны повторить его. Вы не можете изменить формулу химического вещества, чтобы сбалансировать химическую реакцию! Вы должны использовать правильную химическую формулу вещества.

   К сожалению, вставив коэффициент 2 перед формулой воды, мы также изменили количество атомов водорода на стороне продукта.В результате у нас больше нет одинакового количества атомов водорода с каждой стороны. Однако это можно легко исправить, поставив коэффициент 2 перед реагентом двухатомного водорода:

   2H ₂ (г) + O ₂ (г) → 2H ₂ O(ℓ)

   Теперь у нас есть четыре атома водорода и два атома кислорода с каждой стороны уравнения. Закон сохранения вещества выполняется, потому что теперь мы имеем одинаковое число атомов каждого элемента в реагентах и ​​продуктах.Мы говорим, что реакция сбалансирована. Свойство химического уравнения, когда в реагентах и ​​продуктах содержится одинаковое количество атомов каждого элемента. (Рисунок 5.3 «Сбалансированный — да или нет?»). Двухатомный кислород имеет коэффициент 1, который обычно не записывается, а предполагается в сбалансированных химических уравнениях.

   Рисунок 5.3 Сбалансированный — да или нет?

   Подсчитав количество атомов каждого элемента, мы видим, что реакция уравновешена.

   Правильные химические уравнения должны быть сбалансированы.Написание уравновешенных реакций — это способ химика признать закон сохранения материи.

   Пример 1

   Сбалансировано ли каждое химическое уравнение?

   1. 2Na(т) + O ₂ (г) → 2Na ₂ O(т)
   2. CH ₄ (г) + 2O ₂ (г) → CO ₂ (г) + 2H ₂ O(ℓ)
   3. AgNO ₃ (водн.) + 2KCl (водн.) → AgCl(т) + KNO ₃ (водн.)

   Раствор

   1. Считая, мы находим два атома натрия и два атома кислорода в реагентах и ​​четыре атома натрия и два атома кислорода в продуктах.Это уравнение не сбалансировано.
   2. Реагенты имеют один атом углерода, четыре атома водорода и четыре атома кислорода. Продукты имеют один атом углерода, четыре атома водорода и четыре атома кислорода. Это уравнение сбалансировано.
   3. Реагенты содержат один атом серебра, один атом азота, три атома кислорода, два атома калия и два атома хлора. Продукты содержат один атом серебра, один атом хлора, один атом калия, один атом азота и три атома кислорода.Поскольку число атомов хлора и калия разное, это уравнение не сбалансировано.

   Упражнение по развитию навыков

   Сбалансировано ли каждое химическое уравнение?

   1. 2Hg(л) + O ₂ (г) → Hg ₂ O ₂ (с)

   2. C ₂ H ₄ (г) + 2O ₂ (г) → 2CO ₂ (г) + 2H ₂ O(ℓ)

   3. Mg(NO ₃ ) ₂ (т) + 2Li(т) → Mg(т) + 2LiNO ₃ (т)

   Как сбалансировать химическое уравнение, исходя из правильных формул реагентов и продуктов? В основном применяется подход «туда-обратно», подсчитывая количество атомов одного элемента с одной стороны, проверяя количество атомов этого элемента с другой стороны и при необходимости изменяя коэффициент.Затем проверьте другой элемент, переходя от одной части уравнения к другой, пока каждый элемент не будет иметь одинаковое количество атомов по обе стороны от стрелки. Во многих случаях не имеет значения, какой элемент уравновешивается первым, а какой последним, если все элементы имеют одинаковое количество атомов с каждой стороны уравнения.

   Например, чтобы сбалансировать уравнение

   CH ₄ + Cl ₂ → CCl ₄ + HCl

   мы могли бы решить сначала подсчитать атомы углерода, обнаружив, что обе стороны уравновешены одним атомом углерода.Сторона реагента имеет четыре атома водорода, поэтому сторона продукта также должна иметь четыре атома водорода. Мы исправим это, поставив 4 перед HCl:

   . CH ₄ + Cl ₂ → CCl ₄ + 4 HCl

   Теперь на каждой стороне по четыре атома водорода. Сторона продукта имеет в общей сложности восемь атомов хлора (четыре от CCl ₄ и четыре от четырех молекул HCl), поэтому нам нужно восемь атомов хлора в качестве реагентов. Поскольку элементарный хлор представляет собой двухатомную молекулу, нам нужно четыре молекулы хлора, чтобы получить в общей сложности восемь атомов хлора.Добавляем еще 4 перед реагентом Cl ₂ :

   CH ₄ + 4 Cl ₂ → CCl ₄ + 4HCl

   Теперь проверим: на каждой стороне по одному атому углерода, четыре атома водорода и восемь атомов хлора. Химическое уравнение сбалансировано.

   Упражнения по обзору концепции

   1. Из каких частей состоит химическое уравнение?

   2. Объясните, почему химические уравнения должны быть сбалансированы.

   ответы

   2. Химические уравнения должны быть сбалансированы, чтобы удовлетворять закону сохранения материи.

   Ключевые выводы

   • Химические реакции представлены химическими уравнениями, в которых перечислены реагенты и продукты.
   • Правильные химические уравнения сбалансированы; одинаковое количество атомов каждого элемента появляется на каждой стороне уравнения.

   Упражнения

   1. Напишите химическое уравнение, выражающее тот факт, что газообразный водород и твердый йод реагируют с образованием газообразного йодистого водорода. Убедитесь, что уравнение удовлетворяет закону сохранения материи.

   2. Напишите химическое уравнение, выражающее тот факт, что металлический натрий и газообразный хлор реагируют с образованием твердого хлорида натрия.Убедитесь, что уравнение удовлетворяет закону сохранения материи.

   3. Напишите уравнение, выражающее тот факт, что газообразный водород и газообразный фтор реагируют с образованием газообразного фтороводорода. Убедитесь, что уравнение удовлетворяет закону сохранения материи.

   4. Напишите уравнение, выражающее тот факт, что твердый калий и газообразный фтор реагируют с образованием твердого фторида калия.Убедитесь, что уравнение удовлетворяет закону сохранения материи.

   5. Ртуть реагирует с кислородом с образованием оксида ртути(II). Напишите сбалансированное химическое уравнение, описывающее эту реакцию.

   6. Октан

      (C ₈ H ₁₈ ) реагирует с кислородом с образованием углекислого газа и воды. Напишите сбалансированное химическое уравнение, описывающее эту реакцию.

   7. Пропиловый спирт (C ₃ H ₇ OH) реагирует с кислородом с образованием углекислого газа и воды. Напишите сбалансированное химическое уравнение, описывающее эту реакцию.

   8. Серная кислота реагирует с металлическим железом с образованием сульфата железа (III) и газообразного водорода. Напишите сбалансированное химическое уравнение, описывающее эту реакцию.

   9. Сбалансируйте каждое уравнение.

      1. MgCl ₂ + K → KCl + Mg
      2. C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ → CO ₂ + H ₂ O
      3. NaN ₃ → Na + N ₂ (Это реакция, используемая для надувания подушек безопасности в автомобилях.)

   10. Сбалансируйте каждое уравнение.

       1. NH ₄ NO ₃ → N ₂ O + H ₂ O
       2. TiBr ₄ + H ₂ O → TiO ₂ + HBr
       3. C ₃ H ₅ N ₃ O ₉ → CO ₂ + N ₂ + O ₂ + H ₂ o (эта реакция представляет разложение нитроглицерина.)

   11. Сбалансируйте каждое уравнение.

       1. NH ₃ + O ₂ → NO + H ₂ O
       2. Li + N ₂ → Li ₃ N
       3. AuCl → Au + AuCl ₃

   12. Сбалансируйте каждое уравнение.

       1. NaOH + H ₃ PO ₄ → Na ₃ PO ₄ + H ₂ O
       2. N ₂ H ₄ + Cl ₂ → N ₂ + HCl
       3. Na ₂ S + H ₂ S → NaSH

   13. Оксид хрома (III) реагирует с четыреххлористым углеродом с образованием хлорида хрома (III) и фосгена (COCl ₂ ).Напишите сбалансированное химическое уравнение этой реакции.

   14. Реакция, которая происходит, когда таблетку Alka-Seltzer бросают в стакан с водой, представляет собой реакцию бикарбоната натрия с лимонной кислотой (H ₃ C ₆ H ₅ O ₇ ) с образованием диоксида углерода, воды, и цитрат натрия (Na ₃ C ₆ H ₅ O ₇ ). Напишите сбалансированное химическое уравнение этой реакции.

   15. Когда гидрокарбонат натрия используется для тушения пожара на кухне, он разлагается на карбонат натрия, воду и углекислый газ. Напишите сбалансированное химическое уравнение этой реакции.

   16. Газообразный элементарный бром может быть получен путем взаимодействия бромида натрия с элементарным хлором. Другой продукт – хлорид натрия.Напишите сбалансированное химическое уравнение этой реакции.

   ответы

   7. 2C ₃ H ₇ OH + 9O ₂ → 6CO ₂ + 8H ₂ O

   9. 1. MgCl ₂ + 2K → 2KCl + Mg
      2. C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ → 6CO ₂ + 6H ₂ O
      3. 2NaN ₃ → 2Na + 3N ₂
   11. 1. 4NH ₃ + 5O ₂ → 4NO + 6H ₂ O
       2. 6Li + N ₂ → 2Li ₃ N
       3. 3AuCl → 2Au + AuCl ₃

   13. Cr ₂ O ₃ + 3CCl ₄ → 2CrCl ₃ + 3COCl ₂

   15. 2NaHCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + CO ₂ + H ₂ O
   .