Угарный газ хлор. Угарный газ
Дата публикации 28.01.2012 12:18
Угарный газ - оксид углерода, о котором слишком часто приходится слышать, если речь идет об отравлении продуктами горения, несчастных случаях в промышленности или даже в быту. В силу особых ядовитых свойств этого соединения обычная домашняя газовая колонка может стать причиной гибели целой семьи. Примеров тому - сотни. Но почему так происходит? Что такое угарный газ на самом деле? Чем он опасен для человека?
Что такое угарный газ, формула, основные свойства
Угарный газ, формула которого очень проста и обозначает союз атома кислорода и углерода - CO, - одно из наиболее ядовитых газообразных соединений. Но в отличие от многих других опасных веществ, которые используются только для решения узких промышленных задач, химическое загрязнение монооксидом углерода может возникнуть в ходе совершенно обычных химических процессов, возможных даже в быту.
Впрочем, прежде чем перейти к тому, как происходит синтез этого вещества, рассмотрим, что такое угарный газ в целом и каковы его основные физические свойства:
- бесцветный газ без вкуса и запаха;
- крайне низкие температуры плавления и кипения: -205 и -191,5 градусов по Цельсию соответственно;
- плотность 0,00125 г/куб.см.;
- весьма горюч с высокой температурой горения (до 2100 градусов по Цельсию).
Образование угарного газа
В быту или промышленности образование угарного газа обычно происходит одним из нескольких достаточно простых способов, что легко объясняет риск случайного синтеза этого вещества с риском для персонала предприятия или жителей дома, где возникла неисправность отопительного оборудования или нарушена техника безопасности. Рассмотрим основные пути образования монооксида углерода:
- горение углерода (угля, кокса) или его соединений (бензина и другого жидкого топлива) в условиях нехватки кислорода. Как нетрудно догадаться, дефицит свежего воздуха, опасный с точки зрения риска синтеза угарного газа, легко возникает в двигателях внутреннего сгорания, бытовых колонках с нарушенной вентиляцией, промышленных и обычных печах;
- взаимодействие обычного углекислого газа с раскаленным углем. Такие процессы происходят в печи постоянно и полностью обратимы, но, при условии уже упомянутой нехватки кислорода, при закрытой заслонке, угарный газ образуется в значительно больших количествах, что представляет смертельную опасность для людей.
Чем опасен угарный газ?
В достаточной концентрации угарный газ, свойства которого объясняют его высокую химическую активность, чрезвычайно опасен для человеческой жизни и здоровья. Суть такого отравления заключается, прежде всего, в том, что молекулы этого соединения моментально связывают гемоглобин крови и лишают его способности переносить кислород. Таким образом, монооксид углерода снижает уровень клеточного дыхания с самыми серьезными последствиями для организма.
Отвечая на вопрос "Чем опасен угарный газ? " стоит упомянуть и то, что, в отличие от многих других токсичных веществ, человек не чувствует никакого специфического запаха, не испытывает неприятных ощущений и не способен распознать его наличие в воздухе любыми другими способами, не имея специального оборудования. В результате пострадавший просто не принимает никаких мер для того, чтобы спастись, а когда действие угарного газа (сонливость и потеря сознания) становится очевидным, может быть уже слишком поздно.
Угарный газ приводит к смерти в течение часа при концентрации в воздухе свыше 0,1%. При этом в выхлопе совершенно обычного легкового автомобиля содержится от 1,5 до 3% этого вещества. И это еще при условии хорошего состояния мотора. Это легко объясняет тот факт, что отравление угарным газом часто возникает именно в гаражах или внутри машины, загерметизированной снегом.
Другие наиболее опасные случаи, в которых люди отравились угарным газом в быту или на работе - это...
- перекрытие или поломка вентиляции отопительной колонки;
- неграмотное использования дровяных или угольных печей;
- на пожарах в закрытых помещениях;
- вблизи оживленных автомобильных магистралей;
- на промышленных предприятиях, где активно используется монооксид углерода.
Оксид углерода(II ), или угарный газ, СО был открыт английским химиком Джозефом Пристли в 1799 г. Это бес-цветный газ без вкуса и запаха, он ма-лорастворим в воде (3,5 мл в 100 мл воды при 0 °С), имеет низкие темпера-туры плавления (-205 °С) и кипения (-192 °С).
В атмосферу Земли угарный газ попадает при неполном сгорании ор-ганических веществ, при извержении вулканов, а также в результате жиз-недеятельности некоторых низших растений (водорослей). Естественный уровень СО в воздухе составляет 0,01—0,9 мг/м 3 . Угарный газ очень ядовит. В организме человека и выс-ших животных он активно реагирует с
Пламя горящего угарного газа — красивого сине-фиолетового цвета. Его легко наблюдать самому. Для этого надо зажечь спичку. Нижняя часть пламени светящаяся — этот цвет придают ему раскалённые частицы углерода (продукта неполного сгорания древесины). Сверху пламя окружено сине-фиолетовой каймой. Это горит образующийся при окислении древесины угарный газ.
комплексным соединением железа — гемом крови (связанным с белком гло-бином), нарушая функции переноса и потребления кислорода тканями. По-мимо этого, он вступает в необрати-мое взаимодействие с некоторыми ферментами, участвующими в энерге-тическом обмене клетки. При концен-трации угарного газа в помещении 880 мг/м 3 смерть наступает через не-сколько часов, а при 10 г/м 3 — прак-тически мгновенно. Предельно допу-стимое содержание угарного газа в воздухе — 20 мг/м 3 . Первыми призна-ками отравления СО (при концентра-ции 6—30 мг/м 3) являются снижение чувствительности зрения и слуха, го-ловная боль, изменение частоты сер-дечных сокращений. Если человек от-равился угарным газом, его надо вывести на свежий воздух, сделать ему искусственное дыхание, в лёгких слу-чаях отравления — дать крепкого чаю или кофе.
Большие количества оксида углерода (II ) поступают в атмосферу в резуль-тате деятельности человека. Так, авто-мобиль в среднем за год выбрасывает в воздух около 530 кг СО. При сжига-нии в двигателе внутреннего сгорания 1 л бензина выброс угарного газа ко-леблется от 1 50 до 800 г. На автостра-дах России средняя концентрация СО составляет 6—57 мг/м 3 , т. е. превыша-ет порог отравления. Угарный газ на-капливается в плохо проветриваемых дворах перед домами, расположенны-ми вблизи автострад, в подвалах и га-ражах. В последние годы на автодоро-гах организованы специальные пункты по контролю содержания угарного га-за и других продуктов неполного сго-рания топлива (СО-СН-контроль).
При комнатной температуре угар-ный газ довольно инертен. Он не вза-имодействует с водой и растворами щелочей, т. е. является несолеобразующим оксидом, однако при нагревании вступает в реакцию с твёрдыми щело-чами: СО+КОН=НСООК (формиат калия, соль муравьиной кислоты); СО+Са(ОН) 2 =СаСО 3 +Н 2 . Эти реакции применяют для выделения водорода из синтез-газа (СО+3Н 2), образующегося при взаимодействии метана с пере-гретым водяным паром.
Интересным свойством угарного газа является его способность образо-вывать соединения с переходными ме-таллами — карбонилы, например: Ni +4СО ® 70° C Ni (CO ) 4 .
Оксид углерода(II ) — прекрасный восстановитель. При нагревании он окисляется кислородом воздуха: 2СО+О 2 =2СО 2 . Эту реакцию возможно осуществить и при комнатной темпера-туре, используя катализатор — плати-ну или палладий. Такие катализаторы устанавливают на автомобилях для уменьшения выброса СО в атмосферу.
При реакции СО с хлором обра-зуется очень ядовитый газ фосген (t кип =7,6 °С): СО+ Cl 2 = COCl 2 . Рань-ше его применяли в качестве боевого отравляющего вещества, а сейчас ис-пользуют в производстве синтетиче-ских полимеров полиуретанов.
Угарный газ используют при вы-плавке чугуна и стали для восстановле-ния железа из оксидов, он находит ши-рокое применение и в органическом синтезе. При взаимодействии смеси оксида углерола(II ) с водородом в зави-симости от условий (температуры, давления) образуются различные про-дукты — спирты, карбонильные соеди-нения, карбоновые кислоты. Особенно большое значение имеет реакция син-теза метанола: СО+2Н 2 = CH 3 OH , являющегося одним из основных про-дуктов органического синтеза. Угар-ный газ используют для синтеза фос-гена, муравьиной кислоты, в качестве высококалорийного топлива.
Признаки того, что угарный газ (оксид углерода(II), окись углерода, монооксид углерода) образовался в воздухе в опасной концентрации, определить сложно – невидимый, может не пахнуть, скапливается в помещении постепенно, незаметно. Для жизни человека чрезвычайно опасен: имеет высокую токсичность, излишнее содержание в легких приводит к тяжелым отравлениям и смертельным исходам. Ежегодно фиксируется высокий уровень смертности от отравления газом. Снизить угрозу отравления можно соблюдением простых правил и использованием специальных датчиков угарного вещества.
Что такое угарный газ
Природный газ образуется при горении любой биомассы, в промышленности является продуктом горения любых соединений на основе углерода. И в том, и в другом случае обязательным условием выделения газа является недостаток кислорода. Большие объемы его поступают в атмосферу в результате лесных пожаров, в виде выхлопных газов, образующихся при сгорании топлива в двигателях автомобилей. В промышленных целях используется при производстве органического спирта, сахара, обработке мяса животных и рыбы. Небольшое количество монооксида вырабатывают и клетки организма человека.
Свойства
С точки зрения химии monoxide – неорганическое соединение с единственным атомом кислорода в молекуле, химическая формула – СО. Это химическое вещество, которое не имеет характерного цвета, вкуса и запаха, оно легче воздуха, но тяжелее водорода, при комнатных температурах неактивно. Человек, ощущающий запах, чувствует лишь присутствие находящихся в воздухе органических примесей. Относится к разряду токсичных продуктов, смерть при концентрации в воздухе 0,1% наступает в течение одного часа. Характеристика предельно допустимой концентрации равна 20 мг/куб.м.
Действие угарного газа на организм человека
Для человека монооксид углерода представляет смертельную опасность. Его токсическое действие объясняется образованием в клетках крови карбоксигемоглобина – продукта присоединения оксида углерода(II) к гемоглобину крови. Высокий уровень содержания карбоксигемоглобина вызывает кислородное голодание, недостаточное поступление кислорода к головному мозгу и другим тканям организма. При слабой интоксикации содержание его в крови низкое, разрушение естественным путем возможно в течение 4-6 часов. При высоких концентрациях действуют только медицинские препараты.
Отравление угарным газом
Окись углерода – одно из самых опасных веществ. При отравлении происходит интоксикация организма, сопровождающаяся ухудшением общего состояния человека. Очень важно вовремя распознать признаки отравления угарным газом. Результат лечения зависит от уровня вещества в организме и от того, как скоро подоспела помощь. В этом деле счет идет на минуты – пострадавший может или вылечиться окончательно, или остаться больным навсегда (все зависит от скорости реагирования спасателей).
Симптомы
В зависимости от степени отравления могут наблюдаться головные боли, головокружения, шум в ушах, учащенное сердцебиение, тошнота, одышка, мерцание в глазах, общая слабость. Часто наблюдается сонливость, что особенно опасно, когда человек находится в загазованном помещении. При попадании в органы дыхания большого количества ядовитых веществ наблюдаются судороги, потеря сознания, в особо тяжелых случаях – кома.
Первая помощь при отравлении угарным газом
Пострадавшему на месте должна быть оказана доврачебная помощь при отравлении угарным газом. Надо незамедлительно переместить его на свежий воздух и вызвать врача. Следует помнить и о своей безопасности: заходить в помещение с источником этого вещества надо только глубоко вдохнув, внутри не дышать. Пока не приехал врач надо облегчить доступ кислорода к легким: расстегнуть пуговицы, снять или ослабить одежду. Если потерпевший потерял сознание и перестал дышать, необходима искусственная вентиляция легких.
Антидот при отравлении
Специальное противоядие (антидот) при отравлении окисью углерода – это медикаментозный препарат, который активно препятствует образованию карбоксигемоглобина. Действие антидота приводит к снижению потребности организма в кислороде, поддержке органов, чувствительных к недостатку кислорода: головного мозга, печени и др. Вводится внутримышечно дозировкой 1 мл сразу после извлечения больного из зоны с высокой концентрацией ядовитых веществ. Повторно можно вводить антидот не ранее чем через час после первого введения. Допускается его использование для профилактики.
Лечение
В случае легкого воздействия окисью углерода лечение проводится амбулаторно, в тяжелых случаях больной госпитализируется. Уже в карете скорой помощи ему дается кислородная подушка или маска. В тяжелых случаях, чтобы дать организму большую дозу кислорода, пациента помещают в барокамеру. Внутримышечно вводится антидот. Уровень газа в крови постоянно контролируется. Дальнейшая реабилитация медикаментозная, действия врачей направлены на восстановление работы головного мозга, сердечно-сосудистой системы, легких.
Последствия
Воздействие угарным углеродом на организм может стать причиной серьезных заболеваний: изменяются работоспособность мозга, поведение, сознание человека, появляются необъяснимые головные боли. Особенно влиянию вредных веществ подвержена память – та часть головного мозга, которая отвечает за переход кратковременной памяти в долговременную. Последствия отравления угарным газом больной может почувствовать только спустя несколько недель. Большинство пострадавших полностью восстанавливаются после периода реабилитации, но некоторые ощущают последствия всю жизнь.
Как определить угарный газ в помещении
Отравиться окисью углерода легко в домашних условиях, и это случается не только во время пожара. Концентрация угарного углерода образуется при неаккуратном обращении с заслонкой печи, при эксплуатации неисправной газовой колонки или вентиляции. Источником угарного вещества может быть газовая плита. Если в помещении стоит дым – это уже повод бить тревогу. Для постоянного контроля за уровнем газа существуют специальные датчики. Они контролируют уровень концентрации газа и сообщают о превышении нормы. Наличие такого прибора снижает риск отравления.
Видео
Окись углерода, или угарный газ (CO) - газ без цвета, запаха и вкуса. Горит синим пламенем, как водород. Из-за этого в 1776 году химики перепутали его с водородом, когда впервые получили угарный газ путем нагревания оксида цинка с углеродом. Молекула этого газа имеет сильную тройную связь, подобно молекуле азота. Вот почему обнаруживается некоторое сходство между ними: температуры плавления и кипения практически одинаковы. Молекула окиси углерода обладает высоким значением потенциала ионизации.
Окисляясь, угарный газ образует углекислый газ. При этой реакции выделяется большое количество тепловой энергии. Вот почему окись углерода применяется в отопительных системах.
Угарный газ при низких температурах почти не вступает в реакции с другими веществами, в случае высоких температур дело обстоит иначе. Очень быстро проходят реакции присоединения различных органических веществ. Смесь CO и кислорода в определенных соотношениях весьма опасна из-за возможности ее взрыва.
Получение окиси углерода
В лабораторных условиях окись углерода получают путем разложения . Оно происходит под влиянием горячей концентрированной серной кислоты, либо при пропускании ее через оксид фосфора. Еще один способ заключается в том, что смесь муравьиной и щавелевой кислот нагревают до определенной температуры. Выделяющийся CO можно удалить из этой смеси, пропустив ее через баритовую воду (насыщенный раствор ).
Опасность угарного газа
Угарный газ чрезвычайно опасен для человека. Он вызывает сильное отравление, нередко может стать причиной смерти. Все дело в том, что окись углерода обладает способностью реагировать с гемоглобином крови, выполняющим перенос кислорода всем клеткам тела. В результате такой реакции образуется карбогемоглобин. Из-за недостатка кислорода клетки испытывают голодание.
Можно выделить следующие симптомы отравления: тошнота, рвота, головная боль, потеря цветоощущения, расстройство дыхания и другие. Человеку, отравившемуся угарным газом, необходимо как можно скорее оказать первую помощь. Сначала его нужно вытащить на свежий воздух и приставить к носу ватку, смоченную в нашатырном спирте. Далее растереть грудь пострадавшего и приложить к его ногам грелки. Рекомендуется обильное теплое питье. Нужно сразу же после обнаружения симптомов вызвать врача.
- Класс опасности ООН 2,3
- Вторичная опасность по классификации ООН 2,1
Строение молекулы
Молекула CO, так же, как и изоэлектронная ей молекула азота , имеет тройную связь. Так как эти молекулы сходны по строению, 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:, причём третья связь образована по донорно-акцепторному механизму, где углерод является акцептором электронной пары, а кислород - донором.
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 -29 Кл·м (направление дипольного момента O - →C +). Ионизационный потенциал 14,0 в, силовая константа связи k = 18,6.
История открытия
Монооксид углерода был впервые получен французским химиком Жаком де Лассоном в 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 английский химик Вильям Крукшэнк. Моноксид углерода 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.
Монооксид углерода в атмосфере Земли
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. Монооксид углерода образуется в почве как биологическим путём (выделение живыми организмами), так и небиологическим. Экспериментально доказано выделение монооксида углерода за счёт обычных в почвах фенольных соединений, содержащих группы OCH 3 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 . Например, из аридных почв монооксид углерода 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 CO 2). 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 % монооксида углерода. В настоящее время в коммунальной сфере этот газ вытеснен гораздо менее токсичным природным газом (низшие представители гомологического ряда алканов - пропан и др.)
Поступление CO от природных и антропогенных источников примерно одинаково.
Монооксид углерода в атмосфере находится в быстром круговороте: среднее время его пребывания составляет около 0,1 года, окисляясь гидроксилом до диоксида углерода.
Получение
Промышленный способ
2C + O 2 → 2CO (тепловой эффект этой реакции 22 кДж),
2. или при восстановлении диоксида углерода раскалённым углём:
CO 2 + C ↔ 2CO (ΔH=172 кДж, ΔS=176 Дж/К).
Эта реакция часто происходит при печной топке, когда слишком рано закрывают печную заслонку (пока окончательно не прогорели угли). Образующийся при этом монооксид углерода, вследствие своей ядовитости, вызывает физиологические расстройства («угар») и даже смерть (см. ниже), отсюда и одно из тривиальных названий - «угарный газ». Картина протекающих в печи реакций приведена на схеме.
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 монооксид углерода при нормальных условиях вполне устойчив. Это равновесие носит специальное название равновесие Будуара .
3. Смеси монооксида углерода 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
TLV (предельная пороговая концентрация, США): 25 ПДК р.з. по Гигиеническим нормативам ГН 2.2.5.1313-03 составляет 20 мг/м³
Защита от монооксида углерода
Благодаря такой хорошей теплотворной способности, CO является компонентом разных технических газовых смесей (см., например генераторный газ), используемых, в том числе, для отопления.
галогенами . Наибольшее практическое применение получила реакция с хлором :
CO + Cl 2 → 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 COF 2 (карбонилфторид) и COBr 2 (карбонилбромид). Карбонилиодид не получен. Экзотермичность реакций быстро снижается от F к I (для реакций с F 2 тепловой эффект 481 кДж, с Br 2 - 4 кДж). Можно также получать и смешанные производные, например COFCl (подробнее см. галогенпроизводные угольной кислоты).
Реакцией CO с F 2 , кроме карбонилфторида можно получить перекисное соединение (FCO) 2 O 2 . 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 CO 2 , O 2 и COF 2), в кислой среде реагирует с иодидом калия по уравнению:
(FCO) 2 O 2 + 2KI → 2KF + I 2 + 2CO 2
Монооксид углерода реагирует с халькогенами . С серой образует сероксид углерода COS, реакция идёт при нагревании, по уравнению:
CO + S → COS ΔG° 298 = −229 кДж, ΔS° 298 = −134 Дж/K
Получены также аналогичные селеноксид COSe и теллуроксид COTe.
Восстанавливает SO 2:
SO 2 + 2CO → 2CO 2 + S
C переходными металлами образует очень летучие, горючие и ядовитые соединения - карбонилы, такие как Cr(CO) 6 , Ni(CO) 4 , Mn 2 CO 10 , Co 2 (CO) 9 и др.
Как указано выше, монооксид углерода незначительно растворяется в воде, однако не реагирует с ней. Также он не вступает в реакции с растворами щелочей и кислот . Однако с расплавами щелочей вступает в реакцию:
CO + KOH → HCOOK
Интересна реакция монооксида углерода с металлическим калием в аммиачном растворе. При этом образуется взрывчатое соединение диоксодикарбонат калия:
2K + 2CO → K + O - -C 2 -O - K +
Реакцией с аммиаком при высоких температурах можно получить важное для промышленности соединение - циановодород HCN. Реакция идёт в присутствии катализатора (оксид
