Как получить из угарного газа метан
Метан – газ без цвета и запаха, легче воздуха, малорастворим в воде. Предельные углеводороды способны гореть, образуя оксид углерода и воду. Метан горит бледным синеватым пламенем:CH4+2O2=2H2O. В смеси с воздухом (или с кислородом, особенно в соотношении по объему 1:2, что видно из уравнения реакции) метан образует взрывчатые смеси. По этому он опасен как в быту (утечка газа через краны), так и в шахтах. При неполном сгорании метана образуется сажа. Так ее получают в промышленных условиях. В присутствии катализаторов при окислении метана получают метиловый спирт и формальделу. При сильном нагревании метан распадается по уравнению:CH4=C+2H2. Впечах специальной конструкции распад метана может быть осуществлен до промежуточного продукта – ацителена: 2CH4=C2H2+3H2. Для метана характерны реакции замещения. На свету или обычной температуре галогены – хлор и бром – постепенно (по стадиям) вытесняют из молекулы метана водород, образуя так называемые галогенопроизводные. Атомы хлора замещают атомы водорода в ней с образованием смесиразличных соединений:CH3Cl – хлорметана (хлористого метила), CH2Cl2 – дихлорметана, CCl4 – тетрахлорметана. Из этой смеси каждое соединение может быть выделено. Важное значение имеют хлороформ и тетрахлорметан как растворители смол, жиров, каучука и других органических веществ. Образование галогенопроизводных метана протекают по цепному свободнорадикальному механизму. Под действием света молекулы хлора распадаются на неорганические радикалы:Cl2=2Cl. Неорганический радикал Cl отрывает от молекулы метана атом водорода с одним электроном, образуя HCl и свободный радикал CH3HH. Свободный радикал взаимодействует с молекулой хлора Cl2, образуя галогенопроизводное и релоген хлора. Метан при обычной температуре обладает большой стойкостью к кислотам, щелочам и многим окислителям. Однако он вступает в реакцию с азотной кислотой: CH4+HNO3=CH3NO2+H2O. Метан не спосопен к реакциям присоединения, поскольку в его молекуле все валентности насыщены. Приведенные реакции замещения сопровождаются разрывом связей C-H. Однако известны процессы, при которых происходит не только расщепление связей C-H, но и разрыв цепи углеродных атомов(у гомологов метана). Эти реакции протекают при высоких температурах и в присутствии катализаторов. Например: C4H10+H2 – процесс дегидротации, C4H10= C2H6+ C2H4 – крекинг.
Метан широко распространен в природе. Он является главной составной частью многих горючих газов как природных(90-98%), так и искусственных, выделяющихся при сухой перегонке дерева, торфа, каменного угля, а также при крекинге нефти. Метан выделяется со дна болот и из каменоугольных пластов в рудниках, где он образуется при медленном разложении растительных остатков без доступа воздуха, поэтому метан часто называют болотным газом или рудничным газом. В лабораторных условиях метан получают при нагревании смесси ацетата натрия с гидроксидом натрия:CH3COONa+NaOH=Na2CO3+CH4 или при взаимодействии карбида алюминия с водой: Al4C3+12H2O=4Al(OH)3+3CH4. В последнем случае метан получается весьма чистым. Метан может быть получен из простых веществ при нагревании в присутствии катализатора: C+2H2=CH4. А также синтезом на основе водяного газа: CO+3H2=CH4+H2O. Гомологи метана, как и метан, в лабораторных условиях получают прокаливанием солей соответствующих органических кислот с щелочами. Другой способ – реакция Вюрца, т.е. нагревание моногалогенопроизводных с металлическим натрием, например: C2H5Br+2Na+BrC2H5=C4H10+2NaBr. В технике для получения синтетического бензина(смесь углеводородов, содержащих 6-10 атомов углерода) применяют синтез из оксида углерода и водорода в присутствии катализатора(соединение кобальта) и при повышенном давлении. Процесс можно выразить уравнением: nCO+(2n-1)H2=CnH2n+2+nH2O.
Благодаря большой теплотворной способности метан в больших количествах расходуется в качестве топлива (в быту – бытовой газ) и в промышленности широко применяются получаемые из него вещества: водород, ацителен служит исходным сырьем для получения формальдегида, метилового спирта, а также различных синтетических продуктов. Большое промышленное значение имеет окисление высших предельных углеводородов – парафинов с числом углеродных атомов 20-25. Этим путем получают синтетические жирные кислоты с различной длиной цепи, которые используются для производства мыл, различных моющих средств, смазочных материалов, лаков и эмалей. Жидкие углеводороды используются как горючее(они входят в состав бензина и керосина). Алканы широко используются в органическом синтезе.
Химия -> Предельные углеводороды -> Метан. Получение метана
Источник: chemical-site.narod.ru
CO2 можно превратить в топливо
Используя новый катализатор, исследователи показали, что до 79 % углекислого газа, полученного из воздуха, можно превратить в метанол»
Впервые учёные показали, что углекислый газ CO2, полученный из атмосферного воздуха, может быть превращён в метанол (CH3OH) в течение одной реакции с помощью гомогенного катализатора. При этом выходит двойная польза: из атмосферы удаляется вредный для экологии CO2, а метанол можно использовать как топливо вместо бензина. Это достижение — большой шаг вперёд, который может привести нас однажды к «экономике метанола», когда в роли топлива и аккумулятора энергии используется главным образом метанол.
Исследованием руководили два сотрудника Университета Южной Калифорнии: профессор химии Г. К. Сурья Пракаш и Нобелевский лауреат заслуженный профессор Джордж Э. О́лах. Учёные опубликовали статью на тему превращения CO2 в метанол в недавнем выпуске Журнала Американского химического общества.
«Непосредственное получение CO2 из воздуха и прямое превращение в метанол с помощью молекулярного водорода, к тому же с прохождением всех стадий реакции в одном и том же сосуде, — этого ещё никому не удавалось достичь», — сообщил Пракаш сайту Phys.org.
Последние несколько лет химики изучали способы переработки CO2 в какие-либо полезные вещества. Например, при воздействии газообразного водорода (H2) на CO2 можно получить метанол, метан (CH4) или муравьиную кислоту (HCOOH). Среди этих веществ наиболее интересен метанол, так как его можно использовать в качестве альтернативного топлива, в топливных элементах или для хранения водорода.
В настоящее время химическая промышленность производит ежегодно более 70 млн. тонн метанола, поскольку это простое соединение служит компонентом для многих более сложных, включая такие наиболее востребованные органические соединения, как этилен и пропилен. Последние, в свою очередь, используются для производства пластмасс и других продуктов.
Самое важное в превращении CO2 в метанол — это оптимальный гомогенный катализатор, который крайне необходим для ускорения химических реакций, чтобы производить метанол в промышленных масштабах. Проблема в том, что для этих реакций необходима высокая температура (около 150 °C), которая, к несчастью, приводит к распаду катализатора.
В результате недавнего исследования учёные создали устойчивый к высоким температурам катализатор на основе металла рутения. Благодаря хорошей устойчивости катализатор можно использовать снова и снова в ходе непрерывного производства метанола.
«Найти устойчивый гомогенный катализатор для восстановления CO2 до метанола — это очень сложная задача, — поделился Пракаш. — Большинство существующих катализаторов действуют только до стадии получения муравьиной кислоты. Более того, нам нужно было найти катализатор для восстановления карбаматов или гидрокарбонатов алкиламмония непосредственно до метанола. Мы смогли решить обе проблемы благодаря новому катализатору».
Исследователи показали, что, применив этот катализатор (вместе с несколькими другими соединениями), можно превратить в метанол до 79 % CO2, полученного из воздуха. Метанол выходит смешанным с водой, но это легко исправить с помощью дистилляции.
Говоря о перспективах, авторы надеются, что их разработки поспособствуют в будущем экономике метанола. Эта экономика предполагает наладку «антропогенного углеродного цикла» для участия в переработке углерода вместе с природным циклом. Между атмосферой, океаном и живыми организмами непрерывно происходит перенос углерода, идёт его переработка и повторное использование. Но природа не успевает перерабатывать углерод, появляющийся от сжигания ископаемого топлива. Люди могут нейтрализовать часть выработанного ими CO2, преобразовав обратно в источник энергии, например в метанол.
Подробнее об антропогенном углеродном цикле можно прочитать в статье «Антропогенный химический углеродный цикл для сохранения устойчивости окружающей среды в будущем» в Журнале Американского химического общества, авторы — О́лах, Пракаш и Алан Гёпперт.
В планах учёных — понизить рабочую температуру катализатора и увеличить его эффективность.
«Мы продолжим исследования, чтобы найти более надёжный катализатор, способный работать при 100—120 °C, — сообщил Пракаш. — Мы хотим разработать более практичные и эффективные способы получения веществ, чтобы не было потерь растворителя и реагентов».
CO2 можно превратить в топливо Используя новый катализатор, исследователи показали, что до 79 % углекислого газа, полученного из воздуха, можно превратить в метанол» Впервые учёные показали,
Источник: gearmix.ru
Угарный газ
Угарный газ, окись углерода (СО) представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, который является немного менее плотным, чем воздух. Он токсичен для гемоглобинных животных (включая человека), если его концентрации выше примерно 35 частей на миллион, хотя он также производится в обычном метаболизме животных в небольших количествах, и, как полагают, имеет некоторые нормальные биологические функции. В атмосфере, он пространственно переменный и быстрораспадающийся, и имеет определенную роль в формировании озона на уровне земли. Окись углерода состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, связанных тройной связью, которая состоит из двух ковалентных связей, а также одной дативной ковалентной связи. Это самый простой оксид углерода. Он является изоэлектроном с цианидом аниона, нитрозоний катионом и молекулярным азотом. В координационных комплексах, лиганд монооксида углерода называется карбонилом.
Аристотель (384-322 до н.э.) впервые описал процесс сжигания углей, который приводит к образованию токсичных паров. В древности существовал способ казни – закрывать преступника в ванной комнате с тлеющими углями. Однако, на тот момент механизм смерти был непонятен. Греческий врач Гален (129-199 гг. н.э.) предположил, что имело место изменение состава воздуха, который причинял человеку вред при вдыхании. В 1776 году французский химик де Лассон произвел СО путем нагревания оксида цинка с коксом, однако ученый пришел к ошибочному выводу, что газообразный продукт был водородом, поскольку он горел синим пламенем. Газ был идентифицирован как соединение, содержащее углерод и кислород, шотландским химиком Уильямом Камберлендом Круикшанком в 1800 году. Его токсичность на собаках была тщательно исследована Клодом Бернаром около 1846 года. 1) Во время Второй мировой войны, газовая смесь, включающая окись углерода, использовалась для поддержания механических транспортных средств, работающих в некоторых частях мира, где было мало бензина и дизельного топлива. Внешний (с некоторыми исключениями) древесный уголь или газогенераторы газа, полученного из древесины, были установлены, и смесь атмосферного азота, окиси углерода и небольших количеств других газов, образующихся при газификации, поступала в газовый смеситель. Газовая смесь, полученная в результате этого процесса, известна как древесный газ. Окись углерода также использовалась в больших масштабах во время Холокоста в некоторых немецких нацистских лагерях смерти, наиболее явно – в газовых фургонах в Хелмно и в программе умерщвления Т4 «эвтаназия». 2)
Окись углерода образуется в ходе частичного окисления углеродсодержащих соединений; она образуется, когда не хватает кислорода для образования двуокиси углерода (CO2), например, при работе с плитой или двигателем внутреннего сгорания, в замкнутом пространстве. В присутствии кислорода, включая его концентрации в атмосфере, монооксид углерода горит голубым пламенем, производя углекислый газ. Каменноугольный газ, который широко использовался до 1960-х годов для внутреннего освещения, приготовления пищи и нагревания, содержал окись углерода как значительное топливное составляющее. Некоторые процессы в современной технологии, такие как выплавка чугуна, до сих пор производят окись углерода в качестве побочного продукта. Во всем мире наиболее крупными источниками окиси углерода являются естественные источники, из-за фотохимических реакций в тропосфере, которые генерируют около 5 × 1012 кг окиси углерода в год. Другие природные источники СО включают вулканы, лесные пожары и другие формы сгорания. В биологии, окись углерода естественным образом вырабатывается под действием гемоксигеназы 1 и 2 на гем от распада гемоглобина. Этот процесс производит определенное количество карбоксигемоглобина у нормальных людей, даже если они не вдыхают окись углерода. После первого доклада о том, что окись углерода является нормальным нейромедиатором в 1993 году, 3) а также одним из трех газов, которые естественным образом модулируют воспалительные реакции в организме (два других – оксид азота и сероводород), окись углерода получила большое внимание ученых в качестве биологического регулятора. Во многих тканях, все три газа, действуют как противовоспалительные средства, вазодилататоры и промоторы неоваскулярного роста. Продолжаются клинические испытания небольших количеств окиси углерода в качестве лекарственного средства. Тем не менее, чрезмерное количества монооксида углерода вызывает отравление угарным газом.
Молекулярные свойства
Окись углерода имеет молекулярную массу 28,0, что делает его немного легче, чем воздух, чья средняя молекулярная масса составляет 28,8. Согласно закону идеального газа, СО, следовательно, имеет меньшую плотность, чем воздух. Длина связи между атомом углерода и атомом кислорода составляет 112,8 пм. Эта длина связи согласуется с тройной связью, как в молекулярном азоте (N2), который имеет аналогичную длину связи и почти такую же молекулярную массу. Двойные связи углерод-кислород значительно длиннее, например, 120,8 м у формальдегида. Точка кипения (82 К) и температура плавления (68 K) очень похожи на N2 (77 К и 63 К, соответственно). Энергия диссоциации связи 1072 кДж / моль сильнее, чем у N2 (942 кДж / моль) и представляет собой наиболее сильную из известных химическую связь. Основное состояние электрона окиси углерода является синглетным 4) , так как здесь нет неспаренных электронов.
Связующий и дипольный момент
Углерод и кислород вместе имеют, в общей сложности, 10 электронов в валентной оболочке. Следуя правилу октета для углерода и кислорода, два атома образуют тройную связь, с шестью общими электронами в трех связывающих молекулярных орбиталях, а не обычную двойную связь, как у органических карбонильных соединений. Так как четыре из общих электронов поступают из атома кислорода и только два из углерода, одна связующая орбиталь занята двумя электронами из атомов кислорода, образуя дативную или дипольную связь. Это приводит к C ← O поляризации молекулы, с небольшим отрицательным зарядом на углероде и небольшим положительным зарядом на кислороде. Две других связывающих орбитали занимают каждая один электрон из углерода и один из кислорода, образуя (полярные) ковалентные связи с обратной C → O поляризацией, так как кислород является более электроотрицательным, чем углерод. В свободной окиси углерода, чистый отрицательный заряд δ- остается в конце углерода, и молекула имеет небольшой дипольный момент 0,122 D. 5) Таким образом, молекула асимметрична: кислород имеет больше плотности электронов, чем углерод, а также небольшой положительный заряд, по сравнению с углеродом, который является отрицательным. В противоположность этому, изоэлектронная молекула диазота не имеет дипольного момента. Если окись углерода действует в качестве лиганда, полярность диполя может меняться с чистым отрицательным зарядом на конце кислорода, в зависимости от структуры координационного комплекса.
Полярность связи и состояние окисления
Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что, несмотря на большую электроотрицательность кислорода, дипольный момент исходит из более отрицательного конца углерода к более положительному концу кислорода. 6) Эти три связи представляют собой фактически полярные ковалентные связи, которые сильно поляризованы. Рассчитанная поляризация к атому кислорода составляет 71% для σ-связи и 77% для обоих π -связей. Степень окисления углерода в окись углерода в каждой из этих структур составляет +2. Она рассчитывается так: все связующие электроны считаются принадлежащими к более электроотрицательным атомам кислорода. Только два несвязывающих электрона на углероде относятся к углероду. При таком подсчете, углерод имеет только два валентных электрона в молекуле по сравнению с четырьмя в свободном атоме.
Биологические и физиологические свойства
Токсичность
Отравление угарным газом является наиболее распространенным типом смертельного отравления воздуха во многих странах. 7) Окись углерода представляет собой бесцветное вещество, не имеющее запаха и вкуса, но очень токсичное. Оно соединяется с гемоглобином с получением карбоксигемоглобина, который «узурпирует» участок в гемоглобине, который обычно переносит кислород, но неэффективен для доставки кислорода к тканям организма. Столь низкие концентрации, как 667 частей на миллион, могут вызвать преобразования до 50% гемоглобина в организме в карбоксигемоглобин. [29] 50% уровень карбоксигемоглобина может привести к судорогам, коме и смерти. В Соединенных Штатах, Министерство труда ограничивает долгосрочные уровни воздействия окиси углерода на рабочем месте до 50 частей на миллион. В течение короткого периода времени, поглощение окиси углерода является накопительным, так как период его полувыведения составляет около 5 часов на свежем воздухе. Наиболее распространенные симптомы отравления угарным газом могут быть похожи на другие виды отравлений и инфекций, и включают такие симптомы, как головная боль, тошнота, рвота, головокружение, усталость и чувство слабости. Пострадавшие семьи часто считают, что они являются жертвами пищевого отравления. Младенцы могут быть раздражительными и плохо питаться. Неврологические симптомы включают спутанность сознания, дезориентацию, нарушение зрения, обмороки (потерю сознания) и судороги. Некоторые описания отравления угарным газом включают геморрагию сетчатки глаза, а также аномальный вишнево-красный оттенок крови. В большинстве клинических диагнозов, эти признаки наблюдаются редко. Одна из трудностей, связанных с полезностью этого «вишневого» эффекта, связана с тем, что она корректирует, или маскирует, в обратном случае нездоровый внешний вид, так как главный эффект удаления венозного гемоглобина связан с тем, что задушенный человек кажется более нормальным, или мертвый человек кажется живым, подобно эффекту красных красителей в составе для бальзамирования. Такой эффект окрашивания в бескислородной CO-отравленной ткани связан с коммерческим использованием монооксида углерода при окрашивании мяса. Оксид углерода также связывается с другими молекулами, такими как миоглобин и митохондриальная цитохромоксидаза. Воздействие окиси углерода может привести к значительному повреждению сердца и центральной нервной системы, особенно в бледном шаре, часто это связано с длительными хроническими патологическими состояниями. Окись углерода может иметь серьезные неблагоприятные последствия для плода беременной женщины. 8)
Нормальная физиология человека
Окись углерода вырабатывается естественным образом в организме человека в качестве сигнальной молекулы. Таким образом, окись углерода может иметь физиологическую роль в организме в качестве нейротрансмиттера или релаксанта кровеносных сосудов. Из-за роли окиси углерода в организме, нарушения в её метаболизме связаны с различными заболеваниями, в том числе нейродегенерацией, гипертонией, сердечной недостаточностью и воспалениями. 9)
Микробиология
Окись углерода является питательной средой для метаногенных архей, строительным блоком для ацетилкофермента А. Это тема для новой области биоорганометаллической химии. Экстремофильные микроорганизмы могут, таким образом, метаболизировать окись углерода в таких местах, как тепловые жерла вулканов. У бактерий, окись углерода производится путем восстановления двуокиси углерода ферментом дегидрогеназы монооксида углерода, Fe-Ni-S-содержащего белка. CooA представляет собой рецепторный белок окиси углерода. 10) Сфера его биологической активности до сих пор неизвестна. Он может быть частью сигнального пути у бактерий и архей. Его распространенность у млекопитающих не установлена.
Распространенность
Окись углерода встречается в различных природных и искусственных средах.
Содержание в атмосфере
Окись углерода присутствует в небольших количествах в атмосфере, главным образом, как продукт вулканической активности, но также является продуктом естественных и техногенных пожаров (например, лесные пожары, сжигание растительных остатков, а также сжигание сахарного тростника). Сжигание ископаемого топлива также способствует образованию окиси углерода. Окись углерода встречается в растворенном виде в расплавленных вулканических породах при высоких давлениях в мантии Земли. Поскольку природные источники окиси углерода переменны, чрезвычайно трудно точно измерить природные выбросы газа. Окись углерода является быстрораспадающимся парниковым газом, а также проявляет косвенное радиационное воздействие путем повышения концентрации метана и тропосферного озона в результате химических реакций с другими компонентами атмосферы (например, гидроксильный радикал, ОН), что, в противном случае, разрушило бы их. В результате естественных процессов в атмосфере, он, в конечном счете, окисляется до двуокиси углерода. Окись углерода является одновременно недолговечной в атмосфере (сохраняется в среднем около двух месяцев) и имеет пространственно переменную концентрацию. В атмосфере Венеры, окись углерода создается в результате фотодиссоциации двуокиси углерода электромагнитным излучением с длиной волны короче 169 нм. Из-за своей длительной жизнеспособности в средней тропосфере, окись углерода также используется в качестве трассера транспорта для струй вредных веществ.
Загрязнение городов
Окись углерода является временным загрязняющим веществом в атмосфере в некоторых городских районах, главным образом, из выхлопных труб двигателей внутреннего сгорания (в том числе транспортных средств, портативных и резервных генераторов, газонокосилок, моечных машин и т.д.), а также от неполного сгорания различных других видов топлива (включая дрова, уголь, древесный уголь, нефть, парафин, пропан, природный газ и мусор). Большие загрязнения CO могут наблюдаться из космоса над городами.
Роль в формировании приземного озона
Окись углерода, наряду с альдегидами, является частью серии циклов химических реакций, которые образуют фотохимический смог. Он вступает в реакцию с гидроксильным радикалом (• ОН) с получением радикального интермедиата • HOCO, который быстро передает радикальный водород О2 с образованием перекисного радикала (НО2 •) и диоксида углерода (CO2). Перекисной радикал затем вступает в реакцию с оксидом азота (NO) с образованием диоксида азота (NO2) и гидроксильного радикала. NO 2 дает O (3P) через фотолиз, тем самым образуя O3 после реакции с O2. Так как гидроксильный радикал образуется в процессе образования NO2, баланс последовательности химических реакций, начиная с окиси углерода, приводит к образованию озона: CO + 2O2 + hν → CO2 + O3 (Где hν относится к фотону света, поглощаемому молекулой NO2 в последовательности) Хотя создание NO2 является важным шагом, приводящим к образованию озона низкого уровня, это также увеличивает количество озона другим, несколько взаимоисключающим, образом, за счет уменьшения количества NO, которое доступно для реакции с озоном. 11)
Загрязнение воздуха внутри помещений
В закрытых средах, концентрация окиси углерода может легко увеличиться до летального уровня. В среднем, в Соединенных Штатах ежегодно от неавтомобильных потребительских товаров, производящих окись углерода, умирает 170 человек. Тем не менее, в соответствии с данными Департамента здравоохранения Флориды, «ежегодно более 500 американцев умирают от случайного воздействия окиси углерода и еще тысячи человек в США требуют неотложной медицинской помощи при несмертельном отравлении угарным газом». Эти продукты включают в себя неисправные топливные приборы сжигания, такие как печи, кухонные плиты, водонагреватели и газовые и керосиновые комнатные обогреватели; оборудование с механическим приводом, такое как портативные генераторы; камины; и древесный уголь, который сжигается в домах и других закрытых помещениях. Американская ассоциация центров контроля отравлений (AAPCC) сообщила о 15769 случаях отравления угарным газом, которые привели к 39 смертям в 2007 году. В 2005 году, CPSC сообщила о 94 смертях, связанных с отравлением моноксидом углерода от генератора. Сорок семь из этих смертей имели место во время перебоев в подаче электроэнергии из-за суровых погодных условий, в том числе, из-за урагана Катрина. Тем не менее, люди умирают от отравления угарным газом, производимым непродовольственными товарами, такими как автомобили, оставленные работающими в гаражах, прилегающих к дому. Центры по контролю и профилактике заболеваний сообщают, что ежегодно несколько тысяч человек обращаются в больницу скорой помощи при отравлении угарным газом. 12)
Наличие в крови
Окись углерода поглощается через дыхание и попадает в кровоток через газообмен в легких. Она также производится в ходе метаболизма гемоглобина и поступает в кровь из тканей, и, таким образом, присутствует во всех нормальных тканях, даже если она не попадает в организм при дыхании. Нормальные уровни окиси углерода, циркулирующие в крови, составляют от 0% до 3%, и выше у курильщиков. Уровни окиси углерода нельзя оценить с помощью физического осмотра. Лабораторные испытания требуют наличия образца крови (артериальной или венозной) и лабораторного анализа на СО-оксиметр. Кроме того, неинвазивный карбоксигемоглобин (SPCO) с импульсной СО-оксиметрией является более эффективным по сравнению с инвазивными методами.
Астрофизика
За пределами Земли, окись углерода является второй наиболее распространенной молекулой в межзвездной среде, после молекулярного водорода. Из-за своей асимметрии, молекула окиси углерода производит гораздо более яркие спектральные линии, чем молекула водорода, благодаря чему СО гораздо легче обнаружить. Межзвёздный CO был впервые обнаружен с помощью радиотелескопов в 1970 году. В настоящее время он является наиболее часто используемым индикатором молекулярного газа в межзвездной среде галактик, а молекулярный водород может быть обнаружен только с помощью ультрафиолетового света, что требует наличия космических телескопов. Наблюдения за окисью углерода обеспечивают большую часть информации о молекулярных облаках, в которых образуется большинство звезд. Beta Pictoris, вторая по яркости звезда в созвездии Pictor, демонстрирует избыток инфракрасного излучения по сравнению с нормальными звездами ее типа, что обусловлено большим количеством пыли и газа (в том числе окиси углерода) 13) вблизи звезды.
Производство
Было разработано множество методов для производства окиси углерода.
Промышленное производство
Основным промышленным источником CO является генераторный газ, смесь, содержащая, в основном, окись углерода и азот, образовавшийся при сгорании углерода в воздухе при высокой температуре, когда имеется избыток углерода. В печи, воздух пропускают через слой кокса. Первоначально произведенный СО2 уравновешивается с оставшимся горячим углем с получением СО. Реакция СО2 с углеродом с получением CO описывается как реакция Будуара. [63] При температуре выше 800°C, CO является преобладающим продуктом:
Другой источник «водяной газ», смесь водорода и монооксида углерода, полученного с помощью эндотермической реакции пара и углерода:
Другие подобные «синтетические газы» могут быть получены из природного газа и других видов топлива. Оксид углерода также является побочным продуктом восстановления руд оксида металла с углеродом:
Окись углерода также получают путем прямого окисления углерода в ограниченном количестве кислорода или воздуха.
Поскольку СО представляет собой газ, восстановительный процесс может управляться путем нагревания, используя положительную (благоприятную) энтропию реакции. Диаграмма Эллингама показывает, что образованию СО отдается предпочтение по сравнению с СО2 при высоких температурах.
Подготовка в лаборатории
Окись углерода удобно получать в лаборатории путем дегидратации муравьиной кислоты или щавелевой кислоты, например, с помощью концентрированной серной кислоты. Еще одним способом является нагревание однородной смеси порошкообразного металлического цинка и карбоната кальция, который высвобождает CO и оставляет оксид цинка и оксид кальция:
Нитрат серебра и иодоформ также дают окись углерода:
Координационная химия
Большинство металлов образуют координационные комплексы, содержащие ковалентно присоединенную окись углерода. Только металлы в низших степенях окисления будут соединяться с лигандами окиси углерода. Это связано с тем, что необходима достаточная плотность электронов, чтобы облегчить обратное пожертвование от металлической DXZ-орбитали, к π * молекулярной орбитали из СО. Неподеленная пара на атоме углерода в СО также жертвует электронную плотность в dx²-y² на металле для формирования сигма-связи. Это пожертвование электрона также проявляется цис-эффектом, или лабилизацией СО лигандов в цис-положении. Карбонил никеля, например, образуется путем прямого сочетания окиси углерода и металлического никеля:
По этой причине, никель в трубке или ее части не должен вступать в длительный контакт с окисью углерода. Карбонил никеля легко разлагается обратно до Ni и СО при контакте с горячими поверхностями, и этот метод используется для промышленной очистки никеля в процессе Монда. 14) В карбониле никеля и других карбонилах, электронная пара на углероде взаимодействует с металлом; окись углерода жертвует электронную пару металлу. В таких ситуациях, окись углерода называется карбонильным лигандом. Одним из наиболее важных карбонил металлов является пентакарбонил железа, Fe (CO) 5. Многие комплексы металл-CO получают путем декарбонилирования органических растворителей, а не из СО. Например, трихлорид иридия и трифенилфосфин реагируют в кипящем 2-метоксиэтаноле или ДМФ, с получением IrCl (CO) (PPp) 2. Карбонилы металлов в координационной химии обычно изучаются с помощью инфракрасной спектроскопии.
Органическая химия и химия основных групп элементов
В присутствии сильных кислот и воды, окись углерода вступает в реакцию с алкенами с образованием карбоновых кислот в процессе, известном как реакции Коха-Хаафа. В реакции Гаттермана-Коха, арены преобразуются в бензальдегидные производные в присутствии AlCl3 и HCl. Литийорганические соединения (например, бутиллитий) вступают в реакцию с окисью углерода, но эти реакции мало научно применимы. Несмотря на то, что CO реагирует с карбокатионами и карбанионами, он относительно нереакционноспособен к органическим соединениям без вмешательства металлических катализаторов. С реагентами из основной группы, СО проходит несколько примечательных реакций. Хлорирование СО является промышленным процессом, приводящим к образованию важного соединения фосгена. С бораном, СО образует аддукт, pBCO, который является изоэлектронным с катионом ацилия [pCCO]+. СО вступает в реакцию с натрием, создавая продукты, полученные из связи С-С. Соединения циклогексагегексон или триквиноил (C6O6) и циклопентанепентон или лейконовая кислота (C5O5), которые до сих пор получали лишь в следовых количествах, можно рассматривать как полимеры окиси углерода. При давлении более 5 ГПа, окись углерода превращается в твердый полимер углерода и кислорода. Это метастабильное вещество при атмосферном давлении, но оно является мощным взрывчатым веществом. 15)
Использование
Химическая промышленность
Окись углерода представляет собой промышленный газ, который имеет множество применений в производстве сыпучих химических веществ. Большие количества альдегидов получают путем реакции гидроформилирования алкенов, окиси углерода и Н2. Гидроформилирование в процессе Шелла дает возможность создавать предшественники моющих средств. Фосген, пригодный для получения изоцианатов, поликарбонатов и полиуретанов, производится путем пропускания очищенного монооксида углерода и газообразного хлора через слой пористого активированного угля, который служит в качестве катализатора. Мировое производство этого соединения в 1989 году оценивалось в 2,74 млн тонн. 16)
Метанол получают путем гидрогенизации окиси углерода. В родственной реакции, гидрирование окиси углерода связано с образованием связи С-С, как в процессе Фишера-Тропша, где окись углерода гидрогенизируется до жидких углеводородных топлив. Эта технология позволяет преобразовывать уголь или биомассы в дизельное топливо. В процессе Монсанто, окись углерода и метанол реагируют в присутствии катализатора на основе родия и однородной иодистоводородной кислоты с образованием уксусной кислоты. Этот процесс отвечает за большую часть промышленного производства уксусной кислоты. В промышленных масштабах, чистая окись углерода используется для очистки никеля в процессе Монда.
Окраска мяса
Окись углерода используется в модифицированных атмосферных системах упаковки в США, в основном, при упаковке свежих мясных продуктов, таких как говядина, свинина и рыба, чтобы сохранять их свежий внешний вид. Окись углерода соединяется с миоглобином с образованием карбоксимиоглобина, ярко-вишнево-красного пигмента. Карбоксимиоглобин является более стабильным, чем окисленная форма миоглобина, оксимиоглобин, который может окислиться до коричневого пигмента метмиоглобина. Этот стабильный красный цвет может сохраняться гораздо дольше, чем обычное упакованное мясо. Типичные уровни окиси углерода, используемые в установках, использующих этот процесс, составляют от 0,4% до 0,5%. Эта технология впервые признана «в целом безопасной» (GRAS) Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) в 2002 году для использования в качестве вторичной упаковочной системы, и не требует маркировки. В 2004 году FDA одобрило CO в качестве основного метода упаковки, заявив, что CO не скрывает запаха порчи. Несмотря на это постановление, остается спорным вопрос о том, маскирует ли этот метод порчу продуктов. В 2007 году, в Палате представителей США был предложен законопроект, предлагающий называть модифицированный процесс упаковки с использованием окиси углерода цветовой добавкой, но законопроект не был принят. Такой процесс упаковки запрещен во многих других странах, включая Японию, Сингапур и страны Европейского Союза. 17)
В биологии, окись углерода естественным образом вырабатывается под действием гемоксигеназы 1 и 2 на гем от распада гемоглобина. Этот процесс производит определенное количество карбоксигемоглобина у нормальных людей, даже если они не вдыхают окись углерода. После первого доклада о том, что окись углерода является нормальным нейромедиатором в 1993 году, а также одним из трех газов, которые естественным образом модулируют воспалительные реакции в организме (два других – оксид азота и сероводород), окись углерода получила большое клиническое внимание как биологический регулятор. Во многих тканях, все три газа, как известно, действуют как противовоспалительные средства, вазодилататоры и усилители неоваскулярного роста. Тем не менее, эти вопросы являются сложными, поскольку неоваскулярный рост не всегда полезен, так как он играет определенную роль в росте опухоли, а также в развитии влажной макулодистрофии, заболевания, риск которого увеличивается от 4 до 6 раз при курении (главный источник окиси углерода в крови, в несколько раз больше, чем естественное производство). Существует теория, что в некоторых синапсах нервных клеток, когда откладываются долгосрочные воспоминания, принимающая клетка вырабатывает окись углерода, которая обратно передается к передающей камере, заставляющей её передаваться более легко в будущем. Некоторые такие нервные клетки, как было показано, содержат гуанилатциклазу, фермент, который активируется окисью углерода. Во многих лабораториях по всему миру были проведены исследования с участием монооксида углерода относительно его противовоспалительных и цитопротекторных свойств. Эти свойства могут быть использованы для предотвращения развития ряда патологических состояний, в том числе, ишемического реперфузионного повреждения, отторжения трансплантата, атеросклероза, тяжелого сепсиса, тяжелой малярии или аутоиммунных заболеваний. Были проведены клинические испытания с участием людей, однако их результаты еще не были выпущены.
Оксид углерода также используется в качестве активной среды в мощных инфракрасных лазерах. 18)
Узкоспециализированное использование
Окись углерода была предложена для использования в качестве топлива на Марсе. Углеродные двигатели на окиси / кислороде были предложены для ранней поверхностной транспортации, так как монооксид углерода и кислород могут напрямую производиться из атмосферы Марса в ходе электролиза циркония, без использования каких-либо марсианских водных ресурсов для получения водорода, которые будут необходимы, чтобы создать метан или любое водородное топливо.
Список использованной литературы:
Поддержите наш проект – обратите внимание на наших спонсоров:
Как получить из угарного газа метан
Информация , представленная на этой странице распространяется свободно,
и предназначена для некоммерческого использования.
Предупреждение: автор не несет никакой ответственности за любые непредвиденные или другие последствия от использования этой информации. Все непредвиденные риски и убытки, являясь результатом использования или неправильного употребления информации, содержавшейся здесь – полностью на ответственности потребителя, хотя в подготовке этого материала были приняты меры предосторожности .
4 апреля 2004 была построена и успешно воспроизведена очень простая модель ™ генератора.
Модель полностью основана на патенте Хиллари Элдридж, США 603 058 “Electrical Retort” представленный 26 апреля 1898 .
Горючий газ произведен электрической дугой полученной графитовыми стержнями , погруженными в дистиллированную, питьевую, соленую или другой тип воды, которая по существу состоит из водорода, кислорода, углерода и других веществ.
Генератор производит смесь угарного газа и водорода (COH2), которая сгорает очень чисто с кислородом воздуха, и может использоваться как топливо для двигателя внутреннего сгорания. При сгорании COH2 образуется углекислый газ и водяной пар, поэтому загрязнение окружающей среды крайне незначительно.
Анализ газа, проведенный НАСА:
Этот простой эксперимент предназначен исключительно для доказательства основной концепции. Данный генератор не может быть использован для длительного использования, и служит лишь для демонстрации.
Вам потребуется немного материалов, генератор очень просто построить и проверить .
Будьте осторожны, генератор производит взрывчатый газ, Вы обязаны проводить этот опыт в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе. Вы не должны курить в течение опыта. . Не забудьте, что угарный газ (CO) – очень ядовит, не вдыхать его! Эксперимент предназначен только для опытных . Экспериментатор должен быть очень осторожен во время опыта ! Опыты проводятся вами на свой страх и риск. Я не принимаю на себя никакой ответственности за все, что может случиться при неправильном использовании данной информации .
Вам понадобится только :
– Небольшая пластмассовая бутылка из под газированной воды,
– два графитовых стержня (70 mm длина, 6 mm диаметр)
– один 1 ом 50Watts резистор
– Трансформатор постоянного тока, который в состоянии обеспечить 35v / 10A
– провода, разьемы и кремниевый цемент, либо любой другой водостойкий состав.
Нужно очень немного материалов .
1) Высверлить два диаметральных отверстия (10 mm диаметр) в 60 mm от основания бутылки и вставьте графитовые стержни с (резинками от стиральной машины – для герметизации) и проклеить резинки кремниевым цементом. Желательно , чтобы конец одного из графитовых стержней был конусным . Два стержня должны быть перед включением в слабом контакте (см. ниже).
2) Соедините 1 ом 50W резистор последовательно с одним из графитовых стержней и одним из полюсов трансформатора ( 34В/15А постоянного тока), другой полюс трансформатора соединить с другим графитовым стержнем. Можно добавить дополнительные приборы чтобы измерить ток и напряжение. Заполните ваш генератор только дистиллированной или очищеной пресной водой.
3) Теперь вы готовы получить горючий газ. ™ .
описания, чертежи, фото и видеоматериалы для постройки генераторов энергии, двигателей и генераторов
Источник: www.macmep.ru
Пособие-репетитор по химии
Продолжение. Cм. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11, 21/2007;
2, 7, 11, 18, 19, 21/2008;
1, 3, 10, 11, 16, 21/2009;
10-й класс (первый год обучения)
Углерод и его соединения
2. Краткая история открытия и происхождение названия.
3. Физические свойства. Аллотропные модификации углерода.
4. Химические свойства.
5. Нахождение в природе.
6. Основные методы получения.
7. Важнейшие соединения углерода (угарный газ, углекислый газ, угольная кислота и ее соли).
С: 1s 2 2s 2 2p 2 (валентность II),
С*: 1s 2 2s 1 2p 3 (валентность IV).
Характерной особенностью углерода является его способность к образованию углерод-углеродных цепей, что обуславливает существование органических молекул. Для органических соединений понятие степени окисления является очень условным, например:
Русское название углерода означает “рождающий уголь”. Латинское название carboneum также означает “уголь”.
Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а
Химический элемент углерод в виде простого вещества образует несколько аллотропных модификаций.
Алмаз – аллотропная модификация углерода, существующая в природе и полученная искусственным путем. По внешнему виду это прозрачные кристаллы высокой твердости. После обработки природных алмазов получают драгоценный камень – бриллиант. Кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение, расстояние между всеми атомами углерода одинаковое, что обусловлено их sp 3 -гибридизацией. В кристаллической решетке алмаза отсутствуют свободные электроны, поэтому алмаз не проводит электрического тока. Химическая активность алмаза ниже активности другой аллотропной модификации углерода – графита.
Графит – мягкое темно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. Графит легко измельчается (порошок графита называется сажей). Кристаллическая решетка графита имеет слоистое строение и состоит из слоев правильных шестиугольников, конденсированных по всем сторонам. Атомы углерода в графите находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. В образовании химических связей участвуют три электрона атома углерода, а четвертый электрон остается относительно свободным, что обеспечивает высокую электропроводность графита.
Карбин – аллотропная модификация углерода, очень редко встречающаяся в природе. Это полимер, состоящий из линейных макромолекул, атомы углерода находятся в состоянии sp-гибридизации. Карбин – прозрачное и бесцветное вещество, полупроводник. В химическом отношении менее активен, чем графит. Широкого применения не имеет.
Фуллерен – порошок темного цвета (после очистки перекристаллизацией – желтые кристаллы), полупроводник. В природе эта аллотропная модификация углерода не встречается, получена искусственным путем, в настоящее время изучаются свойства фуллерена. Состоит из молекул состава С60 или С70, атомы углерода находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. Объемная молекула фуллерена имеет полициклическое строение, по внешнему виду напоминает футбольный мяч.
Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а
В химическом отношении углерод при обычных условиях малоактивен, но при нагревании реагирует со многими простыми и сложными веществами. В реакциях углерод может быть как восстановителем, так и окислителем.
В природе углерод встречается как в виде простого вещества (см. аллотропные модификации), так и в виде соединений, важнейшими из которых являются: мел, мрамор, известняк (CaCO3), доломит (CaCO3•MgCO3) и др. В атмосфере углерод содержится в виде угарного и углекислого газов. Соединения углерода – основные компоненты природного топлива. Кроме того, все органические соединения являются соединениями углерода.
В а ж н е й ш и е с о е д и н е н и я у г л е р о д а
Оксид углерода(II), или угарный газ (СО). Газ без цвета, вкуса и запаха, легче воздуха, плохо растворим в воде, токсичен. Термически устойчив. Атомы в молекуле угарного газа связаны двумя видами ковалентной связи: ковалентной полярной и донорно-акцепторной (кислород является донором, углерод – акцептором):
По химическим свойствам угарный газ является несолеобразующим оксидом, химически достаточно пассивен. При повышенной температуре оксид углерода(II) взаимодействует с кислородом и оксидами металлов, являясь сильным восстановителем, например:
При пропускании смеси угарного газа и хлора через слой активированного угля можно получить ядовитый газ фосген (химическое оружие, вызывает паралич дыхательных путей):
При нагревании монооксида углерода с водородом в присутствии катализатора при повышенном давлении образуется метиловый спирт:
При пропускании угарного газа через расплав щелочи при высоком давлении образуется соль муравьиной кислоты, поэтому формально монооксид углерода можно рассматривать как ангидрид муравьиной кислоты:
Лабораторный метод получения угарного газа – разложение муравьиной кислоты при нагревании в присутствии дегидратирующего агента:
Кроме того, угарный газ можно получить неполным сжиганием кокса или восстановлением углекислого газа раскаленным коксом (t > 1000 °С):
Оксид углерода(IV), или углекислый газ (СО2). Газ без цвета, вкуса и запаха, тяжелее воздуха, растворим в воде (88 объемов углекислого газа в 100 объемах воды), не поддерживает горения и дыхания (правда, в атмосфере углекислого газа могут гореть некоторые активные металлы, отнимая кислород, например магний):
В химическом отношении диоксид углерода проявляет все свойства кислотного оксида:
Качественная реакция на углекислый газ – пропускание его через известковую или баритовую воду:
аналогично протекает реакция с Ba(OH)2.
Углекислый газ можно получить разложением известняка:
действием на карбонаты металлов растворами сильных минеральных кислот:
при полном сжигании кокса:
Угольная кислота (H2CO3) и ее соли. Угольная кислота – слабая двухосновная кислота, в свободном виде не получена, существует только в растворе. Молекула имеет полярное строение, атомы углерода в sp 2 -гибридизации. Термически неустойчива, проявляет все свойства, характерные для слабых кислот (даже органические кислоты вытесняют угольную из ее солей):
Угольная кислота, как двухосновная, образует два типа солей: карбонаты и гидрокарбонаты:
Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, разлагаются при нагревании, например:
Качественной реакцией на карбонаты и гидрокарбонаты является их взаимодействие с растворами сильных минеральных кислот, например:
Тест по теме “Углерод и его соединения”
б) оксид азота(II);
в) оксид азота(IV);
2. При насыщении известковой воды углекислым газом вначале выпадает осадок массой 20 г, который затем полностью растворяется. Минимальный объем (в л) газа при н.у., который необходим для этого, равен:
а) 4,48; б) 22,4; в) 11,2; г) 8,96.
3. Углерод может необратимо взаимодействовать с:
а) кальцием; б) оксидом кальция;
в) водородом; г) серой.
4. Сколько электронов участвует в образовании химических связей в молекуле углекислого газа?
а) 8; б) 6; в) 4; г) 2.
5. Какие газы тяжелее воздуха?
а) Угарный газ; б) углекислый газ;
в) фосген; г) метан.
6. Сумма коэффициентов в уравнении реакции взаимодействия углерода с концентрированной серной кислотой равна:
а) 6; б) 8; в) 5; г) реакция невозможна.
7. Какие кислоты способны вытеснить угольную кислоту из раствора ее соли?
а) Соляная; б) уксусная;
в) дихромовая; г) кремниевая.
8. Образец газа массой 112 г при н.у. занимает объем 89,6 л. Определите газ.
а) Кислород; б) азот;
в) углекислый газ; г) угарный газ.
а) 1; б) 3; в) 5; г) 6.
10. В результате реакции
поглотилось 5,1 кДж теплоты. Объем (в л) выделившегося углекислого газа (н.у.) равен:
Пособие-репетитор по химии Продолжение. Cм. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006; 3, 4, 7, 10, 11, 21/2007; 2, 7, 11, 18, 19, 21/2008; 1, 3, 10, 11, 16, 21/2009;
Источник: him.1september.ru
Станьте первым!