Исследование химического состава атмосферы

Монооксид углерода атмосферы

Моноокси́дуглеро́да (уга́рный газ, о́кисьуглеро́да) — бесцветный ядовитый газ (при нормальных условиях) без вкуса и запаха. Химическая формула — CO.

Единственная реакция, в которую включается атмосферный СО – это взаимодействие его с радикалом гидроксила. В результате образуется СО2, однако выход других продуктов зависит от условий протекания реакции. В «чистой» атмосфере (содержание NО на уровне 10-20 трлн-1), общий итог процесса заключается в стоке радикалов

СО + НО+ НО2 →СО2+ H2О2.

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.

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 1,13 Å).Молекула слабо поляризована, её электрический дипольный момент μ = 0,04·10−29 Кл·м. Многочисленные исследования показали, что отрицательный заряд в молекуле CO сосредоточен на атоме углерода C−←O+(направление дипольного момента в молекуле противоположно предполагавшемуся ранее). Энергия ионизации 14,0 эВ, силовая константа связи k = 18,6. 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.

Табл. 1

Свойства оксида углерода(II)

Стандартная энергия Гиббса образования Δ G	−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 Δ H пл	0,838 кДж/моль
Энтальпия кипения Δ H кип	6,04 кДж/моль
Критическая температура t крит	−140,23 °C
Критическое давление P крит	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.

Окисление СО в растворе часто идёт с заметной скоростью лишь в присутствии катализатора, по своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный водород.

Ниже 830 °C более сильным восстановителем является CO, — выше — водород. Поэтому равновесие реакции окисления 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 (температура начала реакции 700 °C) на воздухе:

(Δ G °298 = −257 кДж, Δ S °298 = −86 Дж/K).

Температура горения CO может достигать 2100 °C. Реакция горения 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, используемых, в том числе, для отопления. В смеси с воздухом взрывоопасен; нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени: от 12,5 до 74 % (по объёму).

Оксид углерода(II) незначительно растворяется в воде, однако не реагирует с ней. Также он не вступает в реакции с растворами щелочей и кислот. 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 СОявляется 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 около0,1 года. Основной канал потери CO— окисление гидроксилом до диоксида углерода.

Дата добавления: 2015-08-17