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.

История

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. 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».

Источники

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, 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 , 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. 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. 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. 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. 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.

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.

CO функционирует в качестве эндогенной сигнальной молекулы.

СО модулирует функции сердечно-сосудистой системы

CO ингибирует агрегацию и адгезию тромбоцитов

CO может играть определенную роль в качестве потенциального терапевтического средства

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. 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.

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.

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.

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) 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. При температуре выше 800°C, CO является преобладающим продуктом:

СО2 + С → 2 CO (ΔH = 170 кДж / моль)

Другой источник «водяной газ», смесь водорода и монооксида углерода, полученного с помощью эндотермической реакции пара и углерода:

H2O + C → Н2 + СО (ΔH = +131 кДж / моль)

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:

MO + C → M + CO

Окись углерода также получают путем прямого окисления углерода в ограниченном количестве кислорода или воздуха.

2C (s) + O 2 → 2СО (g)

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:

Zn + CaCO3 → ZnO + CaO + CO

Нитрат серебра и иодоформ также дают окись углерода:

CHI3 + 3AgNO3 + H2O → 3HNO3 + CO + 3AgI

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:

Ni + 4 CO → Ni (CO) 4 (1 бар, 55 ° C)

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. 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) (PPh3) 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, H3BCO, который является изоэлектронным с катионом ацилия +. 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.

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.

CO + Cl2 → COCl2

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.

Медицина

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.

Многие газообразные вещества, существующие в природе и получаемые при производствах, являются сильными отравляющими соединениями. Известно, что хлор использовался как биологическое оружие, пары брома обладают сильно разъедающим действием на кожу, сероводород вызывает отравление и так далее.

Одним из таких веществ является и монооксид углерода или угарный газ, формула которого имеет свои особенности в структуре. О нем и пойдет речь дальше.

Химическая формула угарного газа

Эмпирический вид формулы рассматриваемого соединения следующий: СО. Однако такая форма дает характеристику лишь о качественном и количественном составе, но не затрагивает особенности строения и порядок соединения атомов в молекуле. А он отличается от такового во всех прочих подобных газах.

Именно эта особенность влияет на проявляемые соединением физические и химические свойства. Какая же это структура?

Строение молекулы

Во-первых, по эмпирической формуле видно, что валентность углерода в соединении равна II. Так же, как и у кислорода. Следовательно, каждый из них может сформировать по две формула угарного газа СО это наглядно подтверждает.

Так и происходит. Между атомом углерода и кислорода по механизму обобществления неспаренных электронов происходит образование двойной ковалентной полярной связи. Таким образом, угарного газа принимает вид С=О.

Однако на этом особенности молекулы не заканчиваются. По донорно-акцепторному механизму в молекуле происходит формирование третьей, дативной или семиполярной связи. Чем это объясняется? Так как после образования по обменному порядку у кислорода остается две пары электронов, а у атома углерода - пустая орбиталь, то последний выступает в роли акцептора одной из пар первого. Другими словами, пара электронов кислорода размещается на свободной орбитали углерода и происходит образование связи.

Так, углерод - акцептор, кислород - донор. Поэтому формула угарного газа в химии принимает следующий вид: С≡О. Такая структуризация сообщает молекуле дополнительную химическую стабильность и инертность в проявляемых свойствах при обычных условиях.

Итак, связи в молекуле монооксида углерода:

• две ковалентные полярные, образованные по обменному механизму за счет обобществления неспаренных электронов;
• одна дативная, сформированная по донорно-акцепторному взаимодействию между парой электронов и свободной орбиталью;
• всего связей в молекуле - три.

Физические свойства

Есть ряд характеристик, которыми, как и любое другое соединение, обладает угарный газ. Формула вещества четко дает понять, что кристаллическая решетка молекулярная, состояние при обычных условиях газообразное. Отсюда вытекают следующие физические параметры.

1. С≡О - угарный газ (формула), плотность - 1,164 кг/м 3 .
2. Температура кипения и плавления соответственно: 191/205 0 С.
3. Растворяется в: воде (незначительно), эфире, бензоле, спирте, хлороформе.
4. Не имеет вкуса и запаха.
5. Бесцветен.

С биологической точки зрения крайне опасен для всех живых существ, кроме определенных видов бактерий.

Химические свойства

С точки зрения химической активности, одно из самых инертных веществ при обычных условиях - это угарный газ. Формула, в которой отражены все связи в молекуле, подтверждает это. Именно из-за такой прочной структуры данное соединение при стандартных показателях окружающей среды практически не вступает ни в какие взаимодействия.

Однако следует хотя бы немного нагреть систему, как дативная связь в молекуле рушится, как и ковалентные. Тогда монооксид углерода начинает проявлять активные восстановительные свойства, причем достаточно сильные. Так, он способен взаимодействовать с:

• кислородом;
• хлором;
• щелочами (расплавы);
• с оксидами и солями металлов;
• с серой;
• незначительно с водой;
• с аммиаком;
• с водородом.

Поэтому, как уже оговаривалось выше, свойства, которые проявляет угарный газ, формула его во многом объясняет.

Нахождение в природе

Основной источник СО в атмосфере Земли - лесные пожары. Ведь главный способ образования данного газа естественным путем - это неполное сгорание различного вида топлива, в основном органической природы.

Антропогенные источники загрязнения воздуха монооксидом углерода так же немаловажны и дают по массовой доле такой же процент, как и природные. К ним относятся:

• дым от работы фабрик и заводов, металлургических комплексов и прочих промышленных предприятий;
• выхлопные газы из двигателей внутреннего сгорания.

В природных условиях угарный газ легко окисляется кислородом воздуха и парами воды до углекислого газа. На этом основана первая помощь при отравлении этим соединением.

Получение

Стоит указать одну особенность. Угарный газ (формула), углекислый газ (строение молекулы) соответственно выглядят так: С≡О и О=С=О. Разница на один атом кислорода. Поэтому промышленный способ получения монооксида основан на реакции между диоксидом и углем: СО 2 + С = 2СО. Это самый простой и распространенный способ синтеза данного соединения.

В лаборатории используют различные органические соединения, соли металлов и комплексные вещества, так как выход продукта не ожидают слишком большим.

Качественный реагент на наличие в воздухе или растворе угарного газа - хлорид палладия. При их взаимодействии формируется чистый металл, который вызывает потемнение раствора или поверхности бумаги.

Биологическое действие на организм

Как уже оговаривалось выше, угарный газ - это очень ядовитый бесцветный, опасный и смертоносный вредитель для человеческого организма. Да и не только именно человеческого, а вообще любого живого. Растения, которые находятся под воздействием выхлопных газов автомобилей, гибнут очень быстро.

В чем же именно заключается биологическое воздействие монооксида углерода на внутреннюю среду животных существ? Все дело в формировании прочных комплексных соединений белка крови гемоглобина и рассматриваемого газа. То есть вместо кислорода захватываются молекулы яда. Клеточное дыхание мгновенно блокируется, газообмен становится невозможным в нормальном его течении.

В результате происходит постепенная блокировка всех молекул гемоглобина и, как следствие, смерть. Достаточно поражения всего на 80%, чтобы исход отравления стал летальным. Для этого концентрация угарного газа в воздухе должна составлять 0,1 %.

Первыми признаками, по которым можно определить наступление отравления этим соединением, являются:

• головная боль;
• головокружение;
• потеря сознания.

Первая помощь - выйти на свежий воздух, где угарный газ под влиянием кислорода превратится в углекислый, то есть обезвредится. Случаи смертей от действия рассматриваемого вещества очень часты, особенно в домах с Ведь при сгорании дров, угля и другого вида топлива в качестве побочного продукта обязательно образуется этот газ. Соблюдение правил техники безопасности крайне важно для сохранения жизни и здоровья человека.

Также много случаев отравления в гаражных помещениях, где собрано много работающих двигателей автомобилей, но недостаточно подведен приток свежего воздуха. Смерть при превышении допустимой концентрации наступает уже через час. Ощутить присутствие газа физически невозможно, ведь ни запаха, ни цвета у него нет.

Использование в промышленности

Кроме того, монооксид углерода применяют:

• для обработки мясных и рыбных продуктов, что позволяет придать им свежий вид;
• для синтезов некоторых органических соединений;
• как компонент генераторного газа.

Поэтому это вещество является не только вредоносным и опасным, но еще и весьма полезным для человека и его хозяйственной деятельности.

Оксиды углерода

Последние годы в педагогической науке отдается предпочтение личностно ориентированному обучению. Формирование индивидуальных качеств личности происходит в процессе деятельности: учебы, игры, труда. Поэтому важным фактором обучения является организация процесса обучения, характер взаимоотношений учителя с учащимися и учащихся между собой. Исходя из этих представлений, я пытаюсь особым образом построить учебно-воспитательный процесс. При этом каждый ученик выбирает свой темп изучения материала, имеет возможность работать на доступном ему уровне, в ситуации успеха. На уроке удается осваивать и совершенствовать не только предметные, но и такие общеучебные умения и навыки, как постановка учебной цели, выбор средств и путей ее достижения, осуществление контроля за своими достижениями, коррекция ошибок. Учащиеся учатся работать с литературой, составлять конспекты, схемы, рисунки, работать в группе, в паре, индивидуально, вести конструктивный обмен мнениями, логически рассуждать и делать выводы.

Проводить такие уроки непросто, но при удаче чувствуешь удовлетворение. Предлагаю сценарий одного из своих уроков. На нем присутствовали коллеги, администрация и психолог.

Тип урока. Изучение нового материала.

Цели. На основе мотивации и актуализации опорных знаний и навыков учащихся рассмотреть строение, физические и химические свойства, получение и применение угарного и углекислого газов.

Статья подготовлена при поддержке сайта www.Artifex.Ru. Если вы решили расширить свои знания в области современного искусства, то оптимальным решением станет посетить сайт www.Artifex.Ru. Творческий альманах ARTIFEX позволит вам, не выходя из дома, ознакомиться с работами современного искусства. Более подробную информацию вы сможете найти на сайте www.Artifex.Ru. Никогда не поздно начинать расширять свой кругозор и чувство прекрасного.

Оборудование и реактивы. Карточки «Программированный опрос», плакат-схема, приборы для получения газов, стаканы, пробирки, огнетушитель, спички; известковая вода, оксид натрия, мел, соляная кислота, растворы индикаторов, H 2 SO 4 (конц.), HCOOH, Fe 2 O 3 .

Плакат-схема
«Строение молекулы угарного газа (оксида углерода(II)) СО»

ХОД УРОКА

Столы для учащихся в кабинете расставлены по кругу. Учитель и учащиеся имеют возможность свободно пересесть за лабораторные столы (1, 2, 3). На урок дети садятся за учебные столы (4, 5, 6, 7, …) друг с другом по желанию (свободные группы по 4 человека).

Учитель. Мудрая китайская пословица (записана красиво на доске) гласит :

«Я слышу – я забываю,
Я вижу – я запоминаю,
Я делаю – я понимаю».

Вы согласны с выводами китайских мудрецов?

А какие русские пословицы отражают китайскую мудрость?

Дети приводят примеры.

Учитель. Действительно, только творя, созидая можно получить ценный продукт: новые вещества, приборы, машины, а также нематериальные ценности – выводы, обобщения, умозаключения. Предлагаю вам сегодня принять участие в исследовании свойств двух веществ. Известно, что при прохождении технического осмотра автомобиля водитель предоставляет справку о состоянии выхлопных газов автомобиля. Концентрация какого газа указывается в справке?

(О т в е т. СО.)

Ученик. Этот газ ядовит. Попадая в кровь, он вызывает отравление организма («угорание», отсюда и название оксида – угарный газ). В количествах, опасных для жизни, он содержится в выхлопных газах автомобиля (зачитывает сообщение из газеты о том, что угорел насмерть заснувший при работающем двигателе в гараже водитель). Противоядием при отравлении угарным газом служит вдыхание свежего воздуха и чистого кислорода. Другим оксидом углерода является углекислый газ.

Учитель. На ваших столах лежит карточка «Программированный опрос». Ознакомьтесь с ее содержанием и на чистом листочке отметьте номера тех заданий, ответы на которые вам известны на основании вашего жизненного опыта. Напротив номера задания–утверждения напишите формулу оксида углерода, к которому относится это утверждение.

Ученики-консультанты (2 человека) собирают листы с ответами и на основе результатов ответов формируют новые группы для последующей работы.

Программированный опрос «Оксиды углерода»

1. Молекула этого оксида состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода.

2. Связь между атомами в молекуле – ковалентная полярная.

3. Газ, практически нерастворимый в воде.

4. В молекуле этого оксида один атом углерода и два атома кислорода.

5. Запаха и цвета не имеет.

6. Газ, растворимый в воде.

7. Не сжижается даже при –190 °С (t кип = –191,5 °С).

8. Кислотный оксид.

9. Легко сжимается, при 20 °C под давлением 58,5 атм становится жидким, затвердевает в «сухой лед».

10. Не ядовит.

11. Несолеобразующий.

12. Горюч.

13. Взаимодействует с водой.

14. Взаимодействует с основными оксидами.

15. Реагирует с оксидами металлов, восстанавливая из них свободные металлы.

16. Получают взаимодействием кислот с солями угольной кислоты.

17. Яд.

18. Взаимодействует со щелочами.

19. Источник углерода, усваиваемого растениями, в парниках и теплицах приводит к повышению урожая.

20. Используется при газировании воды и напитков.

Учитель. Ознакомьтесь еще раз с содержанием карточки. Сгруппируйте информацию в 4 блока:

строение,

физические свойства,

химические свойства,

получение.

Учитель предоставляет возможность выступить каждой группе учащихся, обобщает выступления. Затем учащиеся разных групп выбирают свой план работы – порядок изучения оксидов. С этой целью они нумеруют блоки информации и обосновывают свой выбор. Очередность изучения может быть такой, как записана выше, или с любой другой комбинацией отмеченных четырех блоков.

Учитель обращает внимание учащихся на ключевые моменты темы. Поскольку оксиды углерода газообразные вещества, с ними нужно обращаться осторожно (правила техники безопасности). Учитель утверждает план каждой группы и распределяет консультантов (заранее подготовленных учеников).

Демонстрационные опыты

1. Переливание углекислого газа из стакана в стакан.

2. Тушение свечей в стакане по мере накопления СО 2 .

3. В стакан с водой опустить несколько небольших кусочков «сухого льда». Вода забурлит, и из нее повалит густой белый дым.

Газ СО 2 сжижается уже при комнатной температуре под давлением 6 МПа. В жидком состоянии он хранится и транспортируется в стальных баллонах. Если открыть вентиль такого баллона, то жидкий СО 2 начнет испаряться, в силу чего происходит сильное охлаждение и часть газа превращается в снегообразную массу – «сухой лед», который прессуют и используют для хранения мороженого.

4. Демонстрация огнетушителя химического пенного (ОХП) и объяснение принципа его работы с использованием модели – пробирки с пробкой и газоотводной трубкой.

Информация по строению за столом № 1 (инструкционные карточки 1 и 2, строение молекул СО и СО 2).

Сведения о физических свойствах – за столом № 2 (работа с учебником – Габриелян О.С. Химия-9. М.: Дрофа, 2002, с. 134–135).

Данные о получении и химических свойствах – на столах № 3 и 4 (инструкционные карточки 3 и 4, инструкция по проведению практической работы, с. 149–150 учебника).

Домашнее задание

Учитель предлагает взять карточку «Программированный опрос» домой и при подготовке к следующему уроку продумать способы получения информации. (Как ты узнал, что изучаемый газ сжижается, взаимодействует с кислотой, ядовит и т.д.?)

Самостоятельная работа учащихся

Практическую работу группы детей выполняют с разной скоростью. Поэтому тем, кто завершит работу быстрее, предлагаются игры.

Пятый лишний

У четырех веществ можно найти что-то общее, а пятое вещество выбивается из ряда, лишнее.

1. Углерод, алмаз, графит, карбид, карбин. (Карбид.)

2. Антрацит, торф, кокс, нефть, стекло. (Стекло.)

3. Известняк, мел, мрамор, малахит, кальцит. (Малахит.)

4. Кристаллическая сода, мрамор, поташ, каустик, малахит. (Каустик.)

5. Фосген, фосфин, синильная кислота, цианид калия, сероуглерод. (Фосфин.)

6. Морская вода, минеральная вода, дистиллированная вода, грунтовая вода, жесткая вода. (Дистиллированная вода.)

7. Известковое молоко, пушонка, гашеная известь, известняк, известковая вода. (Известняк.)

8. Li 2 СО 3 ; (NH 4) 2 CO 3 ; СаСО 3 ; K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 . (CaCO 3 .)

Синонимы

Напишите химические формулы веществ или их названия.

1. Галоген – … (Хлор или бром.)

2. Магнезит – … (MgCO 3 .)

3. Мочевина – … (Карбамид H 2 NC(O)NH 2 .)

4. Поташ – … (K 2 CO 3 .)

5. Сухой лед – … (CO 2 .)

6. Оксид водорода – … (Вода. )

7. Нашатырный спирт – … (10%-й водный раствор аммиака. )

8. Соли азотной кислоты – … (Нитраты – KNO 3 , Ca(NO 3) 2 , NaNO 3 .)

9. Природный газ – … (Метан CН 4 .)

Антонимы

Напишите химические термины, противоположные по значению предложенным.

1. Окислитель – … (Восстановитель. )

2. Донор электронов – … (Акцептор электронов. )

3. Кислотные свойства – … (Осно"вные свойства. )

4. Диссоциация – … (Ассоциация. )

5. Адсорбция – … (Десорбция. )

6. Анод – … (Катод. )

7. Анион – … (Катион. )

8. Металл – … (Неметалл. )

9. Исходные вещества – … (Продукты реакции. )

Поиск закономерностей

Установите признак, объединяющий указанные вещества и явления.

1. Алмаз, карбин, графит – … (Аллотропные модификации углерода. )

2. Стекло, цемент, кирпич – … (Строительные материалы. )

3. Дыхание, гниение, извержение вулкана – … (Процессы, сопровождающиеся выделением углекислого газа. )

4. СО, СО 2 , СН 4 , SiH 4 – … (Cоединения элементов IV группы. )

5. NaHCO 3 , CaCO 3 , CO 2 , H 2 CO 3 – … (Кислородные соединения углерода. )

Оксид углерода(II) – СО

(угарный газ , окись углерода , монооксид углерода )

Физические свойства: бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха, горит голубоватым пламенем, легче воздуха, плохо растворим в воде. Концентрация угарного газа в воздухе 12,5-74 % взрывоопасна.

Строение молекулы:

Формальная степень окисления углерода +2 не отражает строение молекулы СО, в которой помимо двойной связи, обра­зованной обобществлением электронов С и О, имеется дополнительная, образованная по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов кислорода (изображена стрелкой):

В связи с этим молекула СО очень прочна и способна вступать в реакции окисления-восстановления только при высоких темпера­турах. При обычных условиях СО не взаимодействует с водой, щелочами или кислотами.

Получение:

Основным антропогенным источником угарного газа CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Угарный газ образуется при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха (подается недостаточное количество кислорода для окисления угарного газа CO в углекислый газ CO2). В естественных условиях, на поверхности Земли, угарный газ CO образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений и при сгорании биомассы, в основном в ходе лесных и степных пожаров.

1) В промышленности (в газогенераторах):

Видео - опыт "Получение угарного газа"

C + O 2 = CO 2 + 402 кДж

CO 2 + C = 2CO – 175 кДж

В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар:

С + Н 2 О = СО + Н 2 – Q ,

смесь СО + Н 2 – называется синтез – газом .

2) В лаборатории - термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO 4 (конц.):

HCOOH t˚C, H2SO4 → H 2 O + CO­

H 2 C 2 O 4 t˚C,H2SO4 → CO­ + CO 2 ­ + H 2 O

Химические свойства:

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель;

CO - несолеобразующий оксид .

1) с кислородом

2 C +2 O + O 2 t ˚ C →2 C +4 O 2

2) с оксидами металлов CO + Me x O y = CO 2 + Me

C +2 O + CuO t ˚ C →Сu + C +4 O 2

3) с хлором (на свету)

CO + Cl 2 свет → COCl 2 (фосген – ядовитый газ)

4)* реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH P → HCOONa (формиат натрия)

Влияние угарного газа на живые организмы:

Угарный газ опасен, потому что он лишает возможности кровь нести кислород к жизненно важным органам, таким как сердце и мозг. Угарный газ объединяется с гемоглобином, который переносит кислород к клеткам организма, в следствии чего тот становится непригодным для транспортировки кислорода. В зависимости от вдыхаемого количества, угарный газ ухудшает координацию, обостряет сердечно-сосудистые заболевания и вызывает усталость, головную боль, слабость, Влияние угарного газа на здоровье человека зависит от его концентрации и времени воздействия на организм. Концентрация угарного газа в воздухе более 0,1% приводит к смерти в течение одного часа, а концентрация более 1,2% в течении трех минут.

Применение оксида углерода :

Главным образом угарный газ применяют, как горючий газ в смеси с азотом, так называемый генераторный или воздушный газ, или же в смеси с водородом водяной газ. В металлургии для восстановления металлов из их руд. Для получения металлов высокой чистоты при разложении карбонилов.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ

№1. Закончите уравнения реакций, составьте электронный баланс для каждой из реакций, укажите процессы окисления и восстановления; окислитель и восстановитель:

CO 2 + C =

C + H 2 O =

С O + O 2 =

№2. Вычислите количество энергии, которое необходимо для получения 448 л угарного газа согласно термохимическому уравнению

Соединений углерода . Оксид углерода (II) - угарный газ - соединение без запаха и цвета, горит голубоватым пламенем, легче воздуха и плохо растворим в воде.

СО - несолеобразующий оксид, но при пропускании в расплав щелочи при высоком давлении образует соль муравьиной кислоты:

СО + KOH = HCOOK,

Поэтому СО часто считают ангидридом муравьиной кислоты:

HCOOH = CO + H 2 O,

Реакция протекает при действии концентрированной серной кислоты .

Строение окида углерода (II) .

Степень окисления +2. Связь выглядит следующим образом:

Стрелкой показана дополнительная связь, которая образуется по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов атома кислорода . Из-за этого связь в оксиде очень прочная, поэтому оксид способен вступать в реакции окисления-восстановления только при высоких температурах.

Получение окида углерода (II) .

1. Получают его в ходе реакции окисления простых веществ:

2 C + O 2 = 2 CO,

C + CO 2 = 2 CO,

2. При восстановлении СО самим углеродом или металлами. Реакция идет при нагревании:

Химические свойства окида углерода (II).

1. В нормальных условиях оксид углерода не взаимодействует с кислотами и с основаниями.

2. В кислороде воздуха оксид углерода горит голубовытым пламенем:

2СО + О 2 = 2СО 2,

3. При температуре оксид углерода восстанавливает металлы из оксидов:

FeO + CO = Fe + CO 2,

4. При взаимодействии оксида углерода с хлором образуется ядовитый газ - фосген . Реакция идет при облучении:

CO + Cl 2 = COCl 2,

5. Взаимодействует оксид углерода с водой:

C О + H 2 O = CO 2 + H 2,

Реакция обратима.

6. При нагревании оксид углерода образуется метиловый спирт:

CO + 2H 2 = CH 3 OH,

7. С металлами оксид углерода образует карбонилы (летучие соединения).