Оксид углерода(II)

Оксид углерода(II)
Общие
Систематическое наименование	Оксид углерода (II)
Химическая формула	CO
Физические свойства
Состояние (ст. усл.)	бесцветный газ
Отн. молек. масса	28.0101 а. е. м.
Молярная масса	28.0101 г/моль
Плотность	0,00125 (при 0 °C) г/см³
Термические свойства
Температура плавления	−205 °C
Температура кипения	−191,5 °C
Энтальпия образования (ст. усл.)	−110,52 кДж/моль
Химические свойства
Растворимость в воде	0.0026 г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS	630-08-0
Рег. номер PubChem	281
Рег. номер EINECS	211-128-3
SMILES	[C-]#[O+]
Регистрационный номер EC	006-001-00-2
RTECS	FG3500000

Оксид углерода (II) (угарный газ, окись углерода, монооксид углерода) — бесцветный ядовитый газ (при нормальных условиях) без вкуса и запаха. Химическая формула — CO. Нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени: от 12,5 до 74 % (по объёму)^[1].

Строение молекулы

Молекула CO имеет тройную связь, как и молекула азота N₂. Так как эти молекулы сходны по строению (изоэлектронны, двухатомны, имеют близкую молярную массу), то и свойства их также схожи — очень низкие температуры плавления и кипения, близкие значения стандартных энтропий и т. п.

В рамках метода валентных связей строение молекулы CO можно описать формулой :C=O:.

Согласно методу молекулярных орбиталей электронная конфигурация невозбуждённой молекулы CO σ²_Oσ²_zπ⁴_{x, y}σ²_C. Тройная связь образована σ—связью, образованной за счёт σ_z электронной пары, а электроны дважды вырожденного уровня π_{x, y} соответствуют двум π—связям. Электроны на несвязывающих σ_C—орбитали и σ_O—орбитали соответствуют двум электронным парам, одна из которых локализована у атома углерода, другая — у атома кислорода.

Благодаря наличию тройной связи молекула CO весьма прочна (энергия диссоциации 1069 кДж/моль, или 256 ккал/моль, что больше, чем у любых других двухатомных молекул) и имеет малое межъядерное расстояние (d_C≡O=0,1128 нм или 1,13Å).

Молекула слабо поляризована, электрический момент её диполя μ = 0,04·10⁻²⁹Кл·м. Многочисленные исследования показали, что отрицательный заряд в молекуле CO сосредоточен на атоме углерода C⁻←O⁺ (направление дипольного момента в молекуле противоположно предполагавшемуся ранее). Ионизационный потенциал 14,0 в, силовая константа связи k = 18,6.

Свойства

Оксид углерода (II) представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха. Горюч. Так называемый «запах угарного газа» на самом деле представляет собой запах органических примесей.

Свойства оксида углерода (II)

Стандартная энергия Гиббса образования ΔG	−137,14 кДж/моль (г) (при 298 К)
Стандартная энтропия образования S	197,54 Дж/моль·K (г) (при 298 К)
Стандартная мольная теплоёмкость Cp	29,11 Дж/моль·K (г) (при 298 К)
Энтальпия плавления ΔHпл	0,838 кДж/моль
Энтальпия кипения ΔHкип	6,04 кДж/моль
Критическая температура tкрит	−140,23 °C
Критическое давление Pкрит	3,499 МПа
Критическая плотность ρкрит	0,301 г/см³

Основными типами химических реакций, в которых участвует оксид углерода (II), являются реакции присоединения и окислительно-восстановительные реакции, в которых он проявляет восстановительные свойства.

При комнатных температурах CO малоактивен, его химическая активность значительно повышается при нагревании и в растворах (так, в растворах он восстанавливает соли Au, Pt, Pd и других до металлов уже при комнатной температуре. При нагревании восстанавливает и другие металлы, например CO + CuO → Cu + CO₂↑. Это широко используется в пирометаллургии. На реакции CO в растворе с хлоридом палладия основан способ качественного обнаружения CO, см. ниже).

Окисление СО в растворе часто идёт с заметной скоростью лишь в присутствии катализатора. При подборе последнего основную роль играет природа окислителя. Так, KMnO₄ быстрее всего окисляет СО в присутствии мелкораздробленного серебра, K₂Cr₂O₇ — в присутствии солей ртути, KClO₃ — в присутствии OsO₄. В общем, по своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный водород.

Ниже 830 °C более сильным восстановителем является CO, — выше — водород. Поэтому равновесие реакции:

$\mathsf{H_2O + CO \rightleftarrows CO_2 + H_2}$

до 830 °C смещено вправо, выше 830 °C влево.

Интересно, что существуют бактерии, способные за счёт окисления СО получать необходимую им для жизни энергию.

Оксид углерода (II) горит пламенем синего цвета^[2] (температура начала реакции 700 °C) на воздухе:

$\mathsf{2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2}$ ΔG°₂₉₈ = −257 кДж, ΔS°₂₉₈ = −86 Дж/K

Температура горения CO может достигать 2100 °C, она является цепной, причём инициаторами служат небольшие количества водородсодержащих соединений (вода, аммиак, сероводород и др.)

Благодаря такой хорошей теплотворной способности, CO является компонентом разных технических газовых смесей (см., например генераторный газ), используемых, в том числе, для отопления.

Оксид углерода (II) реагирует с галогенами. Наибольшее практическое применение получила реакция с хлором:

$\mathsf{CO + Cl_2 \rightarrow COCl_2}$

Реакция экзотермическая, её тепловой эффект 113 кДж, в присутствии катализатора (активированный уголь) она идёт уже при комнатной температуре. В результате реакции образуется фосген — вещество, получившее широкое распространение в разных отраслях химии (а также как боевое отравляющее вещество). По аналогичным реакцииям могут быть получены COF₂ (карбонилфторид) и COBr₂ (карбонилбромид). Карбонилиодид не получен. Экзотермичность реакций быстро снижается от F к I (для реакций с F₂ тепловой эффект 481 кДж, с Br₂ — 4 кДж). Можно также получать и смешанные производные, например COFCl (подробнее см. галогенпроизводные угольной кислоты).

Реакцией CO с F₂, кроме карбонилфторида можно получить перекисное соединение (FCO)₂O₂. Его характеристики: температура плавления −42 °C, кипения +16 °C, обладает характерным запахом (похожим на запах озона), при нагревании выше 200 °C разлагается со взрывом (продукты реакции CO₂, O₂ и COF₂), в кислой среде реагирует с иодидом калия по уравнению:

$\mathsf{(FCO)_2O_2 + 2KI \rightarrow 2KF + I_2 + 2CO_2}$

Оксид углерода (II) реагирует с халькогенами. С серой образует сероксид углерода COS, реакция идёт при нагревании, по уравнению:

$\mathsf{CO + S \rightarrow COS}$ ΔG°₂₉₈ = −229 кДж, ΔS°₂₉₈ = −134 Дж/K

Получены также аналогичные селеноксид углерода COSe и теллуроксид углерода COTe.

Восстанавливает SO₂:

$\mathsf{2CO + SO_2 \rightarrow 2CO_2 + S}$

C переходными металлами образует очень летучие, горючие и ядовитые соединения — Карбонилы, такие как Cr(CO)₆, Ni(CO)₄, Mn₂CO₁₀, Co₂(CO)₉ и др.

Оксид углерода (II) незначительно растворяется в воде, однако не реагирует с ней. Также он не вступает в реакции с растворами щелочей и кислот. Однако реагирует с расплавами щелочей с образованием соответствующих формиатов:

$\mathsf{CO + KOH \rightarrow HCOOK}$

Интересна реакция оксида углерода (II) с металлическим калием в аммиачном растворе. При этом образуется взрывчатое соединение диоксодикарбонат калия:

$\mathsf{2K + 2CO \rightarrow K_2C_2O_2}$

Реакцией с аммиаком при высоких температурах можно получить важное для промышленности соединение — циановодород HCN. Реакция идёт в присутствии катализатора (диоксид тория ThO₂) по уравнению:

$\mathsf{CO + NH_3 \rightarrow H_2O + HCN}$

Важнейшим свойством оксида углерода (II) является его реакции с водородом (процесс синтеза Фишера-Тропша):

$\mathsf{xCO + yH_2 \rightarrow}$ спирты + линейные алканы

Этот процесс является источником производства таких важнейших промышленных продуктов как метанол, синтетическое дизельное топливо, многоатомные спирты, масла и смазки.

С d-металлами образует карбонильные соединения:

$\mathsf{nCO + Me \rightarrow Me(CO)_n}$

Физиологическое действие, токсичность

TLV (предельная пороговая концентрация, США): 25 ppm; 29 мг/м³ (как TWA — среднесменная концентрация, США) (ACGIH 1994—1995). MAC (максимальная допустимая концентрация, США): 30 ppm; 33 мг/м³; Беременность: B (вредный эффект вероятен даже на уровне MAK) (1993). ПДК_р.з. по Гигиеническим нормативам ГН 2.2.5.1313—03 составляет 20 мг/м³ (около 0,0017%).

В выхлопе бензинового автомобиля допускается до 1,5-3 %.

По классификации ООН оксид углерода (II) относится к классу опасности 2,3, вторичная опасность по классификации ООН: 2,1.

Угарный газ очень опасен, так как не имеет запаха и вызывает отравление и даже смерть. Признаки отравления: головная боль и головокружение; отмечается шум в ушах, одышка, сердцебиение, мерцание перед глазами, покраснение лица, общая слабость, тошнота, иногда рвота; в тяжёлых случаях судороги, потеря сознания, кома^[3][2].

Токсическое действие оксида углерода (II) обусловлено образованием карбоксигемоглобина - значительно более прочного карбонильного комплекса с гемоглобином, в сравнении с комплексом гемоглобина с кислородом (оксигемоглобином)^[3], блокируя, таким образом, процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания. Концентрация в воздухе более 0,1 % приводит к смерти в течение одного часа^[3].

Опытами на молодых крысах выяснено, что 0,02 % (возможно — 0,02 г/м³, то есть ПДК?) концентрация CO в воздухе замедляет их рост и снижает активность по сравнению с контрольной группой. Интересно то, что крысы, живущие в атмосфере с повышенным содержанием CO, предпочитали воде и раствору глюкозы спиртовой раствор в качестве питья (в отличие от контрольной группы, особи в которой предпочитали воду).

Помощь при отравлении оксидом углерода (II)^[3]

Соединение окиси углерода с гемоглобином обратимо.

• Пострадавшего следует вынести на свежий воздух. При отравлении лёгкой степени достаточно гипервентиляции лёгких кислородом.
• Искусственная вентиляция лёгких.
• Лобелин или кофеин под кожу.
• Карбоксилаза внутривенно.
• Ацизол внутримышечно.

Защита от оксида углерода (II)

CO очень слабо поглощается активированным углём обычных фильтрующих противогазов, поэтому для защиты от него применяется специальный фильтрующий элемент (он может также подключаться дополнительно к основному) — гопкалитовый патрон. Гопкалит представляет собой катализатор, способствующий окислению CO в CO₂ при нормальных температурах. Недостатком использования гопкалита является то, что при его применении приходится вдыхать нагретый в результате реакции воздух. Обычный способ защиты — использование изолирующего дыхательного аппарата^[2].

История открытия

Оксид углерода (II) был впервые получен французским химиком Жаком де Лассоном в 1776 при нагревании оксида цинка с углём, но первоначально его ошибочно приняли за водород, так как он сгорал синим пламенем.

То, что в состав этого газа входит углерод и кислород, выяснил в 1800 английский химик Вильям Крукшэнк. оксид углерода (II) вне атмосферы Земли впервые был обнаружен бельгийским ученым М. Мижотом (M. Migeotte) в 1949 году по наличию основной колебательно-вращательной полосы в ИК спектре Солнца.

Получение

Промышленный способ

Влияние температуры на равновесие реакции :: $\mathsf{CO_2 + C \rightleftarrows C + 2CO}$

• Образуется при горении углерода или соединений на его основе (например, бензина) в условиях недостатка кислорода:

$\mathsf{2C + O_2 \rightarrow 2CO}$ (тепловой эффект этой реакции 220 кДж),

• или при восстановлении диоксида углерода раскалённым углём:

$\mathsf{CO_2 + C \rightleftarrows 2CO}$ (ΔH=172 кДж, ΔS=176 Дж/К)

Эта реакция происходит при печной топке, когда слишком рано закрывают печную заслонку (пока окончательно не прогорели угли). Образующийся при этом оксид углерода (II), вследствие своей ядовитости, вызывает физиологические расстройства («угар») и даже смерть (см. ниже), отсюда и одно из тривиальных названий — «угарный газ»^[2].

Реакция восстановления диоксида углерода обратимая, влияние температуры на состояние равновесия этой реакции приведено на графике. Протекание реакции вправо обеспечивает энтропийный фактор, а влево — энтальпийный. При температуре ниже 400 °C равновесие практически полностью сдвинуто влево, а при температуре выше 1000 °C вправо (в сторону образования CO). При низких температурах скорость этой реакции очень мала, поэтому оксид углерода (II) при нормальных условиях вполне устойчив. Это равновесие носит специальное название равновесие Будуара.

• Смеси оксида углерода (II) с другими веществами получают при пропускании воздуха, водяного пара и т. п. сквозь слой раскалённого кокса, каменного или бурого угля и т. п. (см. генераторный газ, водяной газ, смешанный газ, синтез-газ).

Лабораторный способ

• Разложение жидкой муравьиной кислоты под действием горячей концентрированной серной кислоты, либо пропуская муравьиную кислоту над оксидом фосфора P₂O₅. Схема реакции:

$\mathsf{HCOOH \xrightarrow[H_2SO_4]{^ot} H_2O + CO}$

Можно также обработать муравьиную кислоту хлорсульфоновой. Эта реакция идёт уже при обычной температуре по схеме:

$\mathsf{HCOOH + ClSO_3H \rightarrow H_2SO_4 + HCl + CO\uparrow}$

• Нагревание смеси щавелевой и концентрированной серной кислот. Реакция идёт по уравнению:

$\mathsf{H_2C_2O_4 \xrightarrow[H_2SO_4]{^ot} CO\uparrow + CO_2\uparrow + H_2O}$

Выделяющийся совместно с CO диоксид углерода можно удалить, пропустив смесь через баритовую воду.

• Нагревание смеси гексацианоферрата (II) калия с концентрированной серной кислотой. Реакция идёт по уравнению:

$\mathsf{K_4[Fe(CN)_6] + 6H_2SO_4 + 6H_2O \xrightarrow[]{^ot} 2K_2SO_4 + FeSO_4 + 3(NH_4)_2SO_4 + 6CO\uparrow}$

Определение оксида углерода (II)

Качественно можно определить наличие CO по потемнению растворов хлорида палладия (или пропитанной этим раствором бумаги). Потеменение связано с выделением мелкодисперсного металлического палладия по схеме:

$\mathsf{PdCl_2 + CO + H_2O \rightarrow Pd\downarrow + CO_2 + 2HCl}$

Эта реакция очень чувствительная. Стандартный раствор: 1 грамма хлорида палладия на литр воды.

Количественное определение оксида углерода (II) основано на иодометрической реакции:

$\mathsf{5CO + I_2O_5 \rightarrow 5CO_2 + I_2}$

Применение

• Оксид углерода (II) является промежуточным реагентом, используемым в реакциях с водородом в важнейших промышленных процессах для получения органических спиртов и неразветвлённых углеводородов.
• Оксид углерода (II) применяется для обработки мяса животных и рыбы, придает им ярко красный цвет и вид свежести, не изменяя вкуса (en:Clear smoke или en:Tasteless smoke технология). Допустимая концентрация CO равна 200 мг/кг мяса.
• Угарный газ от выхлопа двигателей применялся нацистами в годы Второй мировой войны для массового умерщвления людей путём отравления.
  • Газовая камера
  • Газенваген

Оксид углерода (II) в атмосфере Земли

Содержание CO в атмосфере Земли по данным MOPITT

Различают природные и антропогенные источники поступления в атмосферу Земли. В естественных условиях, на поверхности Земли, CO образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений и при сгорании биомассы, в основном в ходе лесных и степных пожаров. Оксид углерода (II) образуется в почве как биологическим путём (выделение живыми организмами), так и небиологическим. Экспериментально доказано выделение оксида углерода (II) за счёт обычных в почвах фенольных соединений, содержащих группы OCH₃ или OH в орто- или пара-положениях по отношению к первой гидроксильной группе.

Общий баланс продуцирования небиологического CO и его окисления микроорганизмами зависит от конкретных экологических условий, в первую очередь от влажности и значения pH. Например, из аридных почв оксид углерода (II) выделяется непосредственно в атмосферу, создавая таким образом локальные максимумы концентрации этого газа.

В атмосфере СО является продуктом цепочек реакций с участием метана и других углеводородов (в первую очередь, изопрена).

Основным антропогенным источником CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Оксид углерода образуется при сгорании углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха (подается недостаточное количество кислорода для окисления CO в CO₂). В прошлом значительную долю антропогенного поступления CO в атмосферу обеспечивал светильный газ, использовавшийся для освещения помещений в XIX веке. По составу он примерно соответствовал водяному газу, то есть содержал до 45 % оксида углерода (II). В коммунальной сфере не применяется в виду наличия значительно более дешёвого и энергоэффективного аналога - природного газа.

Поступление CO от природных и антропогенных источников примерно одинаково.

Оксид углерода (II) в атмосфере находится в быстром круговороте: среднее время его пребывания составляет около 0,1 года. Основной канал потери CO — окисление гидроксилом до диоксида углерода.

См. также

• Водяной газ
• Выхлопные газы
• Генераторный газ
• Диоксид углерода
• Диоксид триуглерода
• Синтез-газ
• Смешанный газ
• Отравление угарным газом
• Сигареты

Примечания

1. ↑ Баратов А. Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочное издание: в 2-х книгах. — М.: Химия, 1990. — Т. Книга 2. — С. 384.
2. ↑ ^{1 2 3 4} Оксид углерода. // Российская энциклопедия по охране труда: В 3 т. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС,2007. Архивировано из первоисточника 22 июня 2012. Проверено 5 июня 2012.
3. ↑ ^{1 2 3 4} Справочник фельдшера, под ред. А. Н. Шабанова М.: «Медицина», 1984.

Литература

• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. 5-е изд., испр. — М.: Высш. шк.; 2003 ISBN 5-06-003363-5
• Некрасов Б. В. Основы общей химии. Т. I, изд. 3-е, испр. и доп. Изд-во «Химия», 1973 г. Стр. 495—497, 511—513
• Химия: Справ. из./В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Перс. с нем. 2-е изд., стереотип. — М.:Химия, 2000 ISBN 5-7245-0360-3 (рус.)
• Баратов А. Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочное издание: в 2-х книгах; Книга 2. - М.: Химия, 1990 - 384с.

Ссылки

• Международная карта химической безопасности для монооксида углерода