Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.

Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс. Кислород

Угарный газ, свойства, физиологическое действие на организм. углекислый газ, угольная кислота и ее соли

Урок посвящен изучению свойств и способов получения некоторых неорганических соединений углерода. В нем рассмотрены такие вещества, как оксид углерода (II) (или угарный газ), оксид углерода (IV) (или углекислый газ), угольная кислота, а также карбонаты и гидрокарбонаты.

I. Оксид углерода(II) – СО (угарный газокись углеродамонооксид 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):

Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.

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»

Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.

C O2 = CO2  402 кДж

CO2  C = 2CO – 175 кДж

В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар:

С Н2О = СО Н2 – Q,

смесь СО Н2 – называется синтез – газом.

2) В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H2SO4(конц.): 

HCOOH  t˚C, H2SO4  H2O CO­

H2C2O4 t˚C,H2SO4  CO­ CO2­ H2O

Химические свойства:

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель;  

CO — несолеобразующий оксид

1) Взаимодействие с кислородом: 2C 2O   O2 t˚C →   2C 4O2

2) Взаимодействие с оксидами металлов: CO   MexOy = CO2   Me

C 2O CuO t˚C →    Сu C 4O2↑ 

3) Взаимодействие с хлором (на свету)

CO Cl2  свет → COCl(фосген – ядовитый газ)

4)* Взаимодействие 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.

II. Оксид углерода (IV) СO2 – углекислый газ


Учебный видео-фильм: “Углекислый газ”

Физические свойства: 

Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H2O растворяется 0,9V CO(при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO2 называется «сухой лёд»); не поддерживает горение. При обычной темпера­ту­ре и вы­со­ком дав­ле­нии ди­ок­сид уг­ле­ро­да сжи­жа­ет­ся. При его ис­па­ре­нии по­гло­ща­ет­ся так много теп­ло­ты, что часть ок­си­да уг­ле­ро­да (IV)пре­вра­ща­ет­ся в сне­го­об­раз­ную массу – «сухой лед» (Рис. 1).

Сухой лед

Рис. 1. Сухой лед

Бла­го­да­ря тому, что оксид уг­ле­ро­да (IV) не под­дер­жи­ва­ет го­ре­ния, им за­пол­ня­ют ог­не­ту­ши­те­ли.

Строение молекулы:

Углекислый газ имеет следующие электронную и структурную формулы —  Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.   O=C=O

Все четыре связи ковалентые полярные. 

Получение: 

1. Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка – в промышленности

CaCO3  t=1200˚C CaO   CO2­ 

2. Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты – 

Опыт: “Получение углекислого газа в лаборатории”

CaCO(мрамор)  2HCl  CaCl2  H2O CO2­

NaHCO3   HCl  NaCl   H2O   CO2­

Способы собирания: вытеснением воздуха

Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.

3. Сгорание углеродсодержащих веществ:

СН4  2О2  2H2O   CO2­

4. При медленном окислении в биохимических процессах (дыхание, гниение, брожение)

Химические свойства:

Видео: «Химические свойства углекислого газа»

Кислотный оксид:

1) С водой даёт непрочную угольную кислоту:

СО2  Н2О ↔ Н2СО3

2)Рреагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты: 

Na2O CO2  Na2CO3

2NaOH CO2  Na2CO3  H2O

NaOH CO2 (избыток)  NaHCO3 

3) При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства – окисляет металлы:  -СO  Me = MexOy   C

С 4O2  2Mg  t˚C 2Mg 2O C0

Видео: «Горение магния в углекислом газе»

Качественная реакция на углекислый газ:

Помутнение известковой воды Ca(OH)2 за счёт образования белого осадка – нерастворимой соли  CaCO3:

Ca(OH)2   CO2 → CaCO3 ↓  H2O

Применение углекислого газа:

Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.

Видео: «Тушение пламени углекислым газом»

III. Угольная кислота и её соли


Химическая формула — H2CO3

Структурная формула – все связи ковалентные полярные: Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.

Кислота слабая, существует только в водном растворе, очень непрочная, разлагается на углекислый газ и воду:

CO2   H2O ↔ H2CO

Опыт: «Разложение угольной кислоты»

Опыт: «Получение угольной кислоты»

Химические свойства:

Для угольной кислоты характерны все свойства кислот.

1) Диссоциация – двухосновная кислота, диссоциирует слабо в две ступени, индикатор — лакмус краснеет в водном растворе:

H2CO3 ↔ H    HCO3(гидрокарбонат-ион)

HCO3 ↔ H    CO32- (карбонат-ион)

2) с активными металлами

H2CO3   Ca = CaCO3   H2

3) с основными оксидами

H2CO3   CaO = CaCO3   H2O

4) с основаниями

H2CO3(изб)  NaOH = NaHCO3  H2O

H2CO3  2NaOH = Na2CO3  2H2O

5) Очень непрочная кислота – разлагается

Соли угольной кислоты – карбонаты и гидрокарбонаты

Угольная кислота образует два ряда солей: 

  • Средние соли — карбонаты Na2СO3, (NH4)2CO3
  • Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты NaHCO, Ca(HCO3)2

В природе встречаются:

CaCO3

Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.

Мел                                                                    Мрамор                                    Известняк

NaHCO3 – питьевая сода

K2CO3(поташ, в золе растений)

Na2CO3 – сода, кальцинированная сода

Na2COx 10H2O – кристаллическая сода

Физические свойства:

Все карбонаты – твёрдые кристаллические вещества. Большинство из них в воде не растворяются. Гидрокарбонаты растворяются в воде.

Химические свойства солей угольной кислоты:

Общие свойства солей:

1) Вступают в реакции обмена с другими растворимыми солями                  

Na2CO3   CaCl2 = CaCO3↓ 2NaCl

2) Разложение гидрокарбонатов при нагревании

NaHCO3 t˚C  Na2CO3   H2O   CO2

3) Разложение нерастворимых карбонатов при нагревании

CaCO3 t˚C  CaO  CO2

4) Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

Опыт: «Взаимопревращение карбонатов и гидрокарбонатов»

гидрокарбонаты в карбонаты

Me(HCO3)n  Me(OH)→ MeCO3 H2O

Me(HCO3)n t˚C → MeCO3↓ H2O CO2

карбонаты в гидрокарбонаты

MeCO3 H2O CO2= Me(HCO3)n

Специфические свойства:

1) Качественная реакция на CO32-  карбонат – ион «вскипание» при действии сильной кислоты: 

Na2CO3  2HCl = 2NaCl   H2O   CO2­↑

IV. Задания для закрепления


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

CO2  C = 

C H O =

С O O2 =

CO Al2O3 =

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

CO2  C = 2CO – 175 кДж

Задание №3.  Закончите уравнения осуществимых химических реакций:

CO 2 KOH =

CO Al =

H2CO3 K2SO4 =

CO2( изб ) NaOH =

С O2 Na2O =

CaCO3 CO2  H2O =

CO2 Ca(OH)2 =

CO CaO =

CO2 H2SO4 =

Ca(HCO3)2 Ca(OH)2=

H2CO3 NaCl =

C ZnO =

Задание №4. Осуществите превращения по схеме:

1) Al4C3→ CH4→ CO2→ CaCO3→ Ca(HCO3)2→ CaCO3

2) Ca → CaC2→ Ca(OH)2→ CaCO3→ CO2→ C

3) CO2 → H2CO→ Na2CO3 → CO2

4) CaCO3 → CO2 → NaHCO3 → Na2CO3

Задание №5. Решите задачи

1.Какой объём углекислого газа выделится при обжиге карбоната кальция массой 200 г

2. Сколько угольной кислоты можно получить при взаимодействии 2 л углекислого газа (н.у.) с водой, если выход кислоты составил 90% по сравнению с теоретическим.

Интерактивное задание LearningApps.org по теме:“Соединения углерода”

ЦОРы


Видео — опыт: «Получение угарного газа»

Учебный видео-фильм: “Углекислый газ”

Видео-опыт: ”Получение углекислого га в лаборатории

Видео:«Химические свойства углекислого газа»

Видео:«Горение магния в углекислом газе»

Видео:«Тушение пламени углекислым газом»

Опыт: «Разложение угольной кислоты»

Опыт:«Получение угольной кислоты»

Опыт: «Взаимопревращение карбонатов и гидрокарбонатов»

Угарный газ, химические свойства, получение

1

H

ВодородВодород

1,008

1s1

2,2

Бесцветный газ

пл=-259°C

кип=-253°C

2

He

ГелийГелий

4,0026

1s2

Бесцветный газ

кип=-269°C

3

Li

ЛитийЛитий

6,941

2s1

0,99

Мягкий серебристо-белый металл

пл=180°C

кип=1317°C

4

Be

БериллийБериллий

9,0122

2s2

1,57

Светло-серый металл

пл=1278°C

кип=2970°C

5

B

БорБор

10,811

2s2 2p1

2,04

Темно-коричневое аморфное вещество

пл=2300°C

кип=2550°C

6

C

УглеродУглерод

12,011

2s2 2p2

2,55

Прозрачный (алмаз) / черный (графит) минерал

пл=3550°C

кип=4830°C

7

N

АзотАзот

14,007

2s2 2p3

3,04

Бесцветный газ

пл=-210°C

кип=-196°C

8

O

КислородКислород

15,999

2s2 2p4

3,44

Бесцветный газ

пл=-218°C

кип=-183°C

9

F

ФторФтор

18,998

2s2 2p5

4,0

Бледно-желтый газ

пл=-220°C

кип=-188°C

10

Ne

НеонНеон

20,180

2s2 2p6

Бесцветный газ

пл=-249°C

кип=-246°C

11

Na

НатрийНатрий

22,990

3s1

0,93

Мягкий серебристо-белый металл

пл=98°C

кип=892°C

12

Mg

МагнийМагний

24,305

3s2

1,31

Серебристо-белый металл

пл=649°C

кип=1107°C

13

Al

АлюминийАлюминий

26,982

3s2 3p1

1,61

Серебристо-белый металл

пл=660°C

кип=2467°C

14

Si

КремнийКремний

28,086

3s2 3p2

1,9

Коричневый порошок / минерал

пл=1410°C

кип=2355°C

15

P

ФосфорФосфор

30,974

3s2 3p3

2,2

Белый минерал / красный порошок

пл=44°C

кип=280°C

16

S

СераСера

32,065

3s2 3p4

2,58

Светло-желтый порошок

пл=113°C

кип=445°C

17

Cl

ХлорХлор

35,453

3s2 3p5

3,16

Желтовато-зеленый газ

пл=-101°C

кип=-35°C

18

Ar

АргонАргон

39,948

3s2 3p6

Бесцветный газ

пл=-189°C

кип=-186°C

19

K

КалийКалий

39,098

4s1

0,82

Мягкий серебристо-белый металл

пл=64°C

кип=774°C

20

Ca

КальцийКальций

40,078

4s2

1,0

Серебристо-белый металл

пл=839°C

кип=1487°C

21

Sc

СкандийСкандий

44,956

3d1 4s2

1,36

Серебристый металл с желтым отливом

пл=1539°C

кип=2832°C

22

Ti

ТитанТитан

47,867

3d2 4s2

1,54

Серебристо-белый металл

пл=1660°C

кип=3260°C

23

V

ВанадийВанадий

50,942

3d3 4s2

1,63

Серебристо-белый металл

пл=1890°C

кип=3380°C

24

Cr

ХромХром

51,996

3d5 4s1

1,66

Голубовато-белый металл

пл=1857°C

кип=2482°C

25

Mn

МарганецМарганец

54,938

3d5 4s2

1,55

Хрупкий серебристо-белый металл

пл=1244°C

кип=2097°C

26

Fe

ЖелезоЖелезо

55,845

3d6 4s2

1,83

Серебристо-белый металл

пл=1535°C

кип=2750°C

27

Co

КобальтКобальт

58,933

3d7 4s2

1,88

Серебристо-белый металл

пл=1495°C

кип=2870°C

28

Ni

НикельНикель

58,693

3d8 4s2

1,91

Серебристо-белый металл

пл=1453°C

кип=2732°C

29

Cu

МедьМедь

63,546

3d10 4s1

1,9

Золотисто-розовый металл

пл=1084°C

кип=2595°C

30

Zn

ЦинкЦинк

65,409

3d10 4s2

1,65

Голубовато-белый металл

пл=420°C

кип=907°C

31

Ga

ГаллийГаллий

69,723

4s2 4p1

1,81

Белый металл с голубоватым оттенком

пл=30°C

кип=2403°C

32

Ge

ГерманийГерманий

72,64

4s2 4p2

2,0

Светло-серый полуметалл

пл=937°C

кип=2830°C

33

As

МышьякМышьяк

74,922

4s2 4p3

2,18

Зеленоватый полуметалл

субл=613°C

(сублимация)

34

Se

СеленСелен

78,96

4s2 4p4

2,55

Хрупкий черный минерал

пл=217°C

кип=685°C

35

Br

БромБром

79,904

4s2 4p5

2,96

Красно-бурая едкая жидкость

пл=-7°C

кип=59°C

36

Kr

КриптонКриптон

83,798

4s2 4p6

3,0

Бесцветный газ

пл=-157°C

кип=-152°C

37

Rb

РубидийРубидий

85,468

5s1

0,82

Серебристо-белый металл

пл=39°C

кип=688°C

38

Sr

СтронцийСтронций

87,62

5s2

0,95

Серебристо-белый металл

пл=769°C

кип=1384°C

39

Y

ИттрийИттрий

88,906

4d1 5s2

1,22

Серебристо-белый металл

пл=1523°C

кип=3337°C

40

Zr

ЦирконийЦирконий

91,224

4d2 5s2

1,33

Серебристо-белый металл

пл=1852°C

кип=4377°C

41

Nb

НиобийНиобий

92,906

4d4 5s1

1,6

Блестящий серебристый металл

пл=2468°C

кип=4927°C

42

Mo

МолибденМолибден

95,94

4d5 5s1

2,16

Блестящий серебристый металл

пл=2617°C

кип=5560°C

43

Tc

ТехнецийТехнеций

98,906

4d6 5s1

1,9

Синтетический радиоактивный металл

пл=2172°C

кип=5030°C

44

Ru

РутенийРутений

101,07

4d7 5s1

2,2

Серебристо-белый металл

пл=2310°C

кип=3900°C

45

Rh

РодийРодий

102,91

4d8 5s1

2,28

Серебристо-белый металл

пл=1966°C

кип=3727°C

46

Pd

ПалладийПалладий

106,42

4d10

2,2

Мягкий серебристо-белый металл

пл=1552°C

кип=3140°C

47

Ag

СереброСеребро

107,87

4d10 5s1

1,93

Серебристо-белый металл

пл=962°C

кип=2212°C

48

Cd

КадмийКадмий

112,41

4d10 5s2

1,69

Серебристо-серый металл

пл=321°C

кип=765°C

49

In

ИндийИндий

114,82

5s2 5p1

1,78

Мягкий серебристо-белый металл

пл=156°C

кип=2080°C

50

Sn

ОловоОлово

118,71

5s2 5p2

1,96

Мягкий серебристо-белый металл

пл=232°C

кип=2270°C

51

Sb

СурьмаСурьма

121,76

5s2 5p3

2,05

Серебристо-белый полуметалл

пл=631°C

кип=1750°C

52

Te

ТеллурТеллур

127,60

5s2 5p4

2,1

Серебристый блестящий полуметалл

пл=450°C

кип=990°C

53

I

ИодИод

126,90

5s2 5p5

2,66

Черно-серые кристаллы

пл=114°C

кип=184°C

54

Xe

КсенонКсенон

131,29

5s2 5p6

2,6

Бесцветный газ

пл=-112°C

кип=-107°C

55

Cs

ЦезийЦезий

132,91

6s1

0,79

Мягкий серебристо-желтый металл

пл=28°C

кип=690°C

56

Ba

БарийБарий

137,33

6s2

0,89

Серебристо-белый металл

пл=725°C

кип=1640°C

57

La

ЛантанЛантан

138,91

5d1 6s2

1,1

Серебристый металл

пл=920°C

кип=3454°C

58

Ce

ЦерийЦерий

140,12

f-элемент

Серебристый металл

пл=798°C

кип=3257°C

59

Pr

ПразеодимПразеодим

140,91

f-элемент

Серебристый металл

пл=931°C

кип=3212°C

60

Nd

НеодимНеодим

144,24

f-элемент

Серебристый металл

пл=1010°C

кип=3127°C

61

Pm

ПрометийПрометий

146,92

f-элемент

Светло-серый радиоактивный металл

пл=1080°C

кип=2730°C

62

Sm

СамарийСамарий

150,36

f-элемент

Серебристый металл

пл=1072°C

кип=1778°C

63

Eu

ЕвропийЕвропий

151,96

f-элемент

Серебристый металл

пл=822°C

кип=1597°C

64

Gd

ГадолинийГадолиний

157,25

f-элемент

Серебристый металл

пл=1311°C

кип=3233°C

65

Tb

ТербийТербий

158,93

f-элемент

Серебристый металл

пл=1360°C

кип=3041°C

66

Dy

ДиспрозийДиспрозий

162,50

f-элемент

Серебристый металл

пл=1409°C

кип=2335°C

67

Ho

ХольмийХольмий

164,93

f-элемент

Серебристый металл

пл=1470°C

кип=2720°C

68

Er

ЭрбийЭрбий

167,26

f-элемент

Серебристый металл

пл=1522°C

кип=2510°C

69

Tm

ТулийТулий

168,93

f-элемент

Серебристый металл

пл=1545°C

кип=1727°C

70

Yb

ИттербийИттербий

173,04

f-элемент

Серебристый металл

пл=824°C

кип=1193°C

71

Lu

ЛютецийЛютеций

174,96

f-элемент

Серебристый металл

пл=1656°C

кип=3315°C

72

Hf

ГафнийГафний

178,49

5d2 6s2

Серебристый металл

пл=2150°C

кип=5400°C

73

Ta

ТанталТантал

180,95

5d3 6s2

Серый металл

пл=2996°C

кип=5425°C

74

W

ВольфрамВольфрам

183,84

5d4 6s2

2,36

Серый металл

пл=3407°C

кип=5927°C

75

Re

РенийРений

186,21

5d5 6s2

Серебристо-белый металл

пл=3180°C

кип=5873°C

76

Os

ОсмийОсмий

190,23

5d6 6s2

Серебристый металл с голубоватым оттенком

пл=3045°C

кип=5027°C

77

Ir

ИрридийИрридий

192,22

5d7 6s2

Серебристый металл

пл=2410°C

кип=4130°C

78

Pt

ПлатинаПлатина

195,08

5d9 6s1

2,28

Мягкий серебристо-белый металл

пл=1772°C

кип=3827°C

79

Au

ЗолотоЗолото

196,97

5d10 6s1

2,54

Мягкий блестящий желтый металл

пл=1064°C

кип=2940°C

80

Hg

РтутьРтуть

200,59

5d10 6s2

2,0

Жидкий серебристо-белый металл

пл=-39°C

кип=357°C

81

Tl

ТаллийТаллий

204,38

6s2 6p1

Серебристый металл

пл=304°C

кип=1457°C

82

Pb

СвинецСвинец

207,2

6s2 6p2

2,33

Серый металл с синеватым оттенком

пл=328°C

кип=1740°C

83

Bi

ВисмутВисмут

208,98

6s2 6p3

Блестящий серебристый металл

пл=271°C

кип=1560°C

84

Po

ПолонийПолоний

208,98

6s2 6p4

Мягкий серебристо-белый металл

пл=254°C

кип=962°C

85

At

АстатАстат

209,98

6s2 6p5

2,2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

пл=302°C

кип=337°C

86

Rn

РадонРадон

222,02

6s2 6p6

2,2

Радиоактивный газ

пл=-71°C

кип=-62°C

87

Fr

ФранцийФранций

223,02

7s1

0,7

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

пл=27°C

кип=677°C

88

Ra

РадийРадий

226,03

7s2

0,9

Серебристо-белый радиоактивный металл

пл=700°C

кип=1140°C

89

Ac

АктинийАктиний

227,03

6d1 7s2

1,1

Серебристо-белый радиоактивный металл

пл=1047°C

кип=3197°C

90

Th

ТорийТорий

232,04

f-элемент

Серый мягкий металл

91

Pa

ПротактинийПротактиний

231,04

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

92

U

УранУран

238,03

f-элемент

1,38

Серебристо-белый металл

пл=1132°C

кип=3818°C

93

Np

НептунийНептуний

237,05

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

94

Pu

ПлутонийПлутоний

244,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

95

Am

АмерицийАмериций

243,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

96

Cm

КюрийКюрий

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

97

Bk

БерклийБерклий

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

98

Cf

КалифорнийКалифорний

251,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

99

Es

ЭйнштейнийЭйнштейний

252,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

100

Fm

ФермийФермий

257,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

101

Md

МенделевийМенделевий

258,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

102

No

НобелийНобелий

259,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

103

Lr

ЛоуренсийЛоуренсий

266

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

104

Rf

РезерфордийРезерфордий

267

6d2 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

105

Db

ДубнийДубний

268

6d3 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

106

Sg

СиборгийСиборгий

269

6d4 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

107

Bh

БорийБорий

270

6d5 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

108

Hs

ХассийХассий

277

6d6 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

109

Mt

МейтнерийМейтнерий

278

6d7 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

110

Ds

ДармштадтийДармштадтий

281

6d9 7s1

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

Металлы

Неметаллы

Щелочные

Щелоч-зем

Благородные

Галогены

Халькогены

Полуметаллы

s-элементы

p-элементы

d-элементы

f-элементы

Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.

Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.

Экология и настройка котла

Оксиды углерода — урок. Химия, 9 класс.

Автор: Михаил Григорян

Чтобы производство тепловой энергии было сопряжено с минимальным ущербом для окружающей среды, необходимо уделять основное внимание вопросу сокращения выбросов в атмосферу. Наиболее эффективным способом сокращения количества загрязняющих веществ в дымовых газах является оптимальная настройка действующих котельных установок и прекращение использования котлов, отработанные газы которых являются ядовитыми.

Кроме оксида углерода (II) – CO, известного также как угарный газ, оксида углерода (IV) – CO2, углекислый газ, и оксидов азота NOx (NO и NO2), токсичность которых наиболее на слуху, в дымовые газы, в разных пропорциях в зависимости от типа топлива и режима его сгорания, входят такие соединения как SO2 – диоксид серы и CxHy – остаточные несгораемые углеводороды, а также сажа – практически чистый углерод (С) и другие мельчайшие твердые частицы.

Все эти соединения можно отнести к вредным выбросам, они либо вредны здоровью человека, либо неблагоприятно влияют на развитие парникового эффекта в атмосфере.

Состав дымовых газов

Оксид углерода (II)– ядовитый газ без цвета и запаха, являющийся продуктом неполного сгорания. Угарный газ имеет ту же плотность, что и воздух, в отличие от CO2, который тяжелее и поэтому накапливается у поверхности земли. При высоких концентрациях в воздухе, поступая с ним в легкие, CO образует связь с гемоглобином крови, тем самым блокируя возможность связывания с гемоглобином кислорода. Таким образом элементы крови утрачивают возможность доставки кислорода от легких к тканям организма, что приводит к их кислородному голоданию и в итоге к летальному исходу.

Углекислый газ – продукт более полного окисления углерода кислородом, чем угарный газ – также не имеет цвета и запаха, но имеет кисловатый привкус. При его больших концентрациях в атмосфере усиливается парниковый эффект.

При высоких значениях температуры в процессе сгорания присутствующий в топливе азот N (в воздухе он существует в виде молекул N2) реагирует с кислородом воздуха (O2), в результате чего формируется оксид азота (II) – NO. Спустя некоторое время данный бесцветный газ окисляется под воздействием кислорода и образуется оксид азота (IV) – NO2.  NO2 – это водорастворимый дыхательный яд, вызывающий тяжелое поражение легких при вдыхании и способствующий образованию озона под воздействием ультрафиолетового компонента спектра солнечного излучения. Образование оксидов азота зависит от содержания азота в топливе, времени пребывания азота в зоне горения (длины факела пламени) и температуры пламени. При температуре пламени свыше 1,300 °C, образование NOx резко возрастает. Образование NOx можно снизить с помощью современных технологий горения, таких как «холодное пламя», рециркуляция дымовых газов и низкого уровня избыточного воздуха.

Диоксид серы (оксид серы (IV)) – бесцветный и токсичный газ с резким запахом. SO2 образуется при наличии в топливе серы (S) и вызывает раздражение дыхательных путей и глаз. При взаимодействии с водой SO2 образует сернистую кислоту H2SO3. Кроме того, в процессе сгорания часть SO2 (около 3-7 %) окисляется с образованием SO3 (оксид серы (VI)). Это твердое белое вещество поглощает большое количество воды с образованием серной кислоты (SO3 H2O = H2SO4), компонента кислотных дождей.

Рис. 1 Неполное сгорание топлива при недостатке воздуха на горение

Неполное сгорание топлива при недостатке воздуха на горение

Несгораемые углеводороды формируются в результате неполного сгорания топлива (рис. 1) и способствуют образованию парникового эффекта. В данную группу входят метан (CH4), бутан (C4H10) и бензол (C6H6). Причины их образования аналогичны причинам образования угарного газа: неполное сгорание в следствие недостаточного распыления и перемешивания при использовании жидкого топлива и недостаток воздуха при использовании природного газа или твердого топлива. Обнаружение всех компонентов дымового газа с помощью измерительных технологий является сложным, поэтому на практике в случае с жидким топливом проводится проверка на содержание нефтепродуктов, а в случае с природным газом проводится измерение CO. В дизельных установках углеводороды заметны в следствие типичного неприятного запаха газообразных продуктов сгорания.

Законами ЕЭС установлены нормы по выбросам дымовых газов как для оборудования промышленного, так и бытового сектора (табл. 1).

Таблица 1. Нормы выбросов дымовых газов по европейским стандартам.

Класс оборудования

EN 267 (для газа)

EN 676 (для дизельного топлива)

CO (мг/кВт ч)

NOx (мг/кВт ч)

CO (мг/кВт ч)

NOx (мг/кВт ч)

1

≤ 100

≤ 250

≤ 100

≤ 250

2

< 110

< 185

< 100

< 120

3

≤ 60

≤ 120

≤ 100

≤ 120

Сажа образуется в результате неполного сгорания в дизельных горелках. При нормальных температурах углерод реагирует очень медленно. Для полного сгорания 1 кг углерода требуется 2,67 кг молекулярного кислорода. Температура воспламенения: 725 °C. Более низкие температуры приводят к образованию сажи.

В дымовых газах присутствуют мельчайшие твердые частицы, почти всегда образующиеся в процессе горения и имеющие размеры менее 1 мкм. Частицы именно таких размеров представляют наиболее значительный риск для здоровья. В частности, ВОЗ классифицирует частицы дизельных выхлопов как канцерогенные.

Входят в дымовые газы и такие компоненты воздуха, как азот N2 и не вступивший в реакцию окисления (горения) кислород – O2, а также пары воды – Н20, которые не являются по сути вредными выбросами, но концентрации их в дымовых газах также имеют значение для настройки топливосжигающего оборудования на безопасный и наиболее эффективный режим работы.

Анализ дымовых газов позволяет определить концентрации загрязняющих веществ и максимально эффективно настроить системы отопления. В инструкциях по настройке и эксплуатации топливосжигающего оборудования всегда указывается данные по концентрациям СО, NOx, SO2 и CxHy в дымовых газах. Соответствие концентраций в реальных выбросах, работающего оборудования, с концентрациями, указанными производителями топливосжигающих систем, является необходимым условием их правильной работы.

Анализ дымовых газов и настройка газового котла

Анализ дымовых газов и настройка котельного оборудования производится с помощью газоанализаторов (рис. 2).

Рис. 2 Газоанализатор

ГазоанализаторЦелью для экологически безопасной и максимально эффективной работы топливосжигающей системы является полное сгорание всех компонентов, входящих в состав топлива. Ключом к оптимальной работе является установление объема воздуха, идущего на горение. На практике доказано, что небольшое количество избыточного воздуха является оптимальным для работы системы. На горение подается немного больше воздуха, чем это теоретически необходимо.

Потери невыработанного тепла с дымовыми газами увеличиваются при недостатке воздуха, а также при наличии определенного количества избыточного воздуха. Относительное увеличение потерь с дымовыми газами можно объяснить следующим:

1. При недостатке воздуха используемое топливо сгорает не полностью и увеличивается расход топлива.

2. При наличии избыточного воздуха большее количество кислорода нагревается и непосредственно через дымоход выводится наружу, при этом, не используясь для вырабатывания тепла.

Максимальная эффективность сгорания достигается только если потери тепла с дымовыми газами минимальны за счет незначительного количества избыточного воздуха.

Отношение реального количества воздуха, идущего на горение к теоретически необходимому называется «избытком воздуха» и обозначается λ.

Рис. 3 Состав дымовых газов в зависимости от избытка воздуха (λ).

Состав дымовых газов в зависимости от избытка воздуха (λ)

Соотношение топливо-воздух определяется исходя из концентрации дымовых газовых компонентов CO, CO2 и O2 (рис. 3). Во время горения любое содержание CO2 в свою очередь имеет конкретное содержание CO (при недостатке воздуха/λ<1) или O2 (для избыточного воздуха/λ>1). Значение CO2 само по себе не дает четкого представления, так как отображает максимальную концентрацию, поэтому дополнительно требуется измерение CO или O2. При работе с избыточным воздухом предпочтительным является определение O2. Для каждого топлива есть своя отдельная диаграмма и свое максимальное значение концентрации CO2 в дымовых газах.

В случае с неконденсационным оборудованием соотношение газ/воздух устанавливается с помощью манометрического метода. Давление перед соплом горелки устанавливается для минимальной и максимальной мощности. Уплотнительный винт штуцера контроля давления отворачивается и манометр подключается к измерительному соединению для измерения давления. Газовый котел, как правило, сначала включается на максимум (полная нагрузка), а затем опускается до своей минимальной мощности (слабая нагрузка) через меню управления. Для обоих уровней мощности давление перед соплом корректируется соответствующими регулировочными винтами на газовой арматуре и контролируется манометром.

Информация о требуемом давлении дана в документации производителя (в зависимости от числа Воббе используемого газа, которое можно уточнить у поставщика газа).

В случае с конденсационными котлами соотношение газ/воздух обычно устанавливается посредством измерения содержания CO2 в дымовых газах. Для этого зонд газового анализатора устанавливается в дымоходе (рис. 4 а, б). Затем необходимо с помощью регулировочных винтов (дроссельной заслонки) корректировать объем газа, пока содержание CO2 в дымовых газах не достигнет значения, указанного в спецификации производителя. В некоторых случаях производители указывают заданные значения для минимальной мощности оборудования. Затем выполняется настройка в соответствии с процедурой и для максимальной мощности. После выполнения обеих базовых настроек, надо провести проверку уже настроенного газового котла.

Рис. 4 Анализ дымовых газов с помощью газоанализатора, зонд установлен в дымоходе: а — настенного котла, б – напольного котла.

Анализ дымовых газов с помощью газоанализатора, зонд установлен в дымоходе настенного котлаАнализ дымовых газов с помощью газоанализатора, зонд установлен в дымоходе напольного котла

Проверка заключается в измерении потерь тепла с дымовыми газами (qA) и измерении содержания угарного газа (CO) в дымовых газах.

Потери и эффективность сгорания

Потери тепла с дымовыми газами – это разница между количеством теплоты в дымовых газах и количеством теплоты в воздухе, идущем на горение, по отношению к низшей теплотворной способности топлива. Следовательно, это количество теплоты в дымовых газах, отводимых через дымоход. Чем больше потери тепла с дымовыми газами, тем ниже эффективность и, следовательно, больше затраченной энергии, и тем больше выбросов от данной отопительной системы. По этой причине в некоторых странах существуют ограничения на допустимые потери с дымовыми газами для установок сжигания.

После определения содержания кислорода и разницы между температурой дымовых газов и воздуха, идущего на горение, потери тепла с дымовыми газами будут автоматически рассчитаны газоанализатором с учетом коэффициентов для топлива. Коэффициенты для топлива (A2, B) хранятся в памяти анализатора дымовых газов. Для того, чтобы обеспечить использование корректных значений для коэффициентов A2 и B необходимо правильно выбрать тип топлива в приборе.

Вместо значения содержания кислорода для расчета может использоваться значение концентрации CO2. Температура дымовых газов (FT) и содержание кислорода или содержание CO2 должны быть измерены одновременно в одной точке. Большинство анализаторов дымовых газов стандартно оснащены зондом температуры (в приборе). Температура воздуха, идущего на горение, может быть измерена в непосредственной близости от заборного отверстия горелки путем присоединения прибора к корпусу горелки. Например, для котлов с уравновешенной тягой данный зонд заменяется отделенным (выносным) зондом температуры, который помещается в место подачи свежего воздуха.

В это же время необходимо измерить температуру воздуха, идущего на горение (AT). В зонде отбора пробы для измерения температуры используется термопара. Зонд отбора пробы устанавливается в технологическое измерительное отверстие в дымоходе (расстояние между измерительным отверстием и котлом должно быть как минимум в два раза больше диаметра дымохода). Путем постоянного измерения температуры находится точка с самой высокой температурой дымовых газов (т.е. центр потока) и зонд располагается в данной точке. Центром потока считается точка с самой высокой температурой и самой высокой концентрацией углекислого газа и самым низким содержанием кислорода. При этом надо учитывать, что осаждение конденсата на сенсоре температуры может привести к резкому падению значения температуры дымовых газов, не соответствующему их действительной температуре.

Кислород, который не сгорает по причине избыточного воздуха отводится в виде газообразного компонента дымовых газов и используется для измерения эффективности сгорания. Дымовой газ всасывается зондом

отбора пробы с помощью насоса и перенаправляется в измерительный газовый тракт анализатора дымовых газов. Затем пропускается через газовый сенсор O2 (кислородную измерительную ячейку) и таким образом определяется концентрация газа. Значение содержания O2 также используется для расчета концентрации CO2 в дымовых газах, которое в свою очередь используется для конфигурирования (настройки) газовых конденсационных котлов, как описывалось выше.

Для расчета потерь с дымовыми газами может использоваться не только значение содержания кислорода, но и значение концентрации углекислого газа. Потери с дымовыми газами будут минимальными, когда при наличии очень низкого количества избыточного воздуха доля CO2  максимально высока (полное сгорание). Для каждого топлива есть максимально допустимое содержание CO2  в дымовых газах (CO2макс) которое определяется исходя из химического состава топлива. Однако достигнуть данного значения на практике невозможно, поскольку для безопасной работы горелки всегда требуется определенное количество избыточного воздуха, и это снижает процентное содержание CO2 в дымовых газах. Поэтому основной целью при настройке горелки является стремление к достижению не максимального содержания CO2, но максимально возможного.

Информация о значениях концентрации CO2, которые могут  быть достигнуты, а также об изменениях в параметрах настройки объемов воздуха, которые необходимо сделать для достижения данных значений концентраций указываются в документации производителя оборудования.

В большинстве анализаторов дымовых газов отсутствует сенсор CO2, концентрация CO2 в дымовых газах рассчитывается с помощью измеренного значения содержания O2. Это возможно, поскольку данные значения прямо пропорциональны друг другу. Поскольку для расчета используется значение максимального содержания CO2 для соответствующего топлива, то перед каждым измерением в анализатор дымовых газов необходимо ввести корректный тип топлива системы, на котором проводятся измерения.

Потери с дымовыми газами прибор рассчитывает, используя измеренные значения упомянутые выше.

Степень эффективности сгорания (η) для конвекционных систем отопления рассчитывается путем вычитания значения потерь с дымовыми газами из значения общей подаваемой энергии (низшая теплотворная способность подаваемой энергии HU = 100 %) Поэтому для расчета эффективности необходимо сначала рассчитать потери с дымовыми газами, как описано выше.

Для корректного расчета в современных конденсационных системах можно использовать дополнительное значение “XK”, которое учитывает теплоту конденсации.

Измерение тяги дымохода

Для котлов с естественной тягой основным требованием для отвода дымовых газов через дымоход является подъемная сила или тяга дымохода. Поскольку плотность отходящих горячих газов ниже плотности более холодного наружного воздуха, в дымоходе создается вакуум, также известный как тяга дымохода. За счет этого вакуума воздух, идущий на горение, всасывается, преодолевая сопротивления котла и газохода.

В котлах с наддувными горелками давление в дымоходе не является важным, поскольку горелка с принудительной тягой генерирует избыточное давление, необходимое для отвода дымовых газов. В системах такого типа можетиспользоваться дымоход с меньшим диаметром.

При измерении тяги дымохода определяется разница между давлением внутри дымохода и давлением в помещении. Также как и при определении потерь с дымовыми газами, это необходимо делать в центре потока дымохода. Сенсор давления прибора необходимо обнулить перед проведением измерения.

Типичные значения тяги дымохода для котлов с наддувной горелкой с принудительной тягой составляют: 0,12 – 0,20 гПа (мбар) избыточного давления для дизельной испарительной горелки и для атмосферной газовой горелки: 0,03 – 0,10 гПа (мбар) разряжения.

Измерение концентрации CO

Проверка значения CO позволяет оценить качество сгорания и обеспечивает безопасность оператора системы.

Если тракты прохождения дымовых газов блокируются, то в случае, например, с атмосферными газовыми горелками, дымовые газы будут поступать в котельную через регуляторы управления потоками, создавая тем самым опасность для оператора. Для предотвращения подобной ситуации после выполнения всех работ по настройке котла необходимо измерить концентрацию угарного газа (CO) и проверить тракты прохождения дымовых газов.

 Данные меры безопасности не требуются для газовых вентиляторных горелок, так как в горелках такого типа дымовые газы принудительно подаются в дымоход.

Измерения не следует проводить раньше, чем через 2 минуты после запуска горелки, поскольку повышенный уровень CO снижается до нормального рабочего значения лишь через некоторое время после запуска системы. Это также применимо для газовых котлов с регулятором процесса горения, поскольку их калибровка осуществляется во время запуска горелки, когда возможны кратковременные выбросы с высоким содержанием CO.

Как и при определении потерь с дымовыми газами, измерения проводятся в центре потока дымохода. Однако поскольку дымовые газы разбавляются свежим воздухом, содержание CO необходимо пересчитать для неразбавленных дымовых газов (в противном случае на содержание CO можно влиять добавлением воздуха). С этой целью прибор рассчитывает неразбавленную концентрацию CO с содержанием кислорода, одновременно измеренным в газоходе, и отображает это значение как COнеразбавленное.

В атмосферных газовых системах концентрация CO разнится на всем протяжении трубы, отводящей дымовые газы (стратификация). Поэтому при концентрациях > 500 ppm необходимо проводить дискретизацию (выборку) с использованием зонда с несколькими отверстиями. Такой зонд имеет ряд отверстий, которые регистрируют концентрацию CO по всему диаметру трубы, отводящей дымовые газы.

Дополнительная проверка топливосжигающих установок

Дополнительная проверка топливосжигающих установок заключается в контроле оксидов азота в отводящихся газах.

Содержание оксидов азота указывает на общее содержание моноксида азота и двуокиси азота. Обычно соотношение концентраций NO и NO2 является постоянной величиной (97 % NO, 3 % NO2). По этой причине измерение концентрации NO является достаточным для определения концентрации NOx. Однако при использовании смешанного топлива или конденсационных установок вышеуказанное соотношение меняется. В силу этого обстоятельства содержание двух компонентов (NO и NO2) измеряется отдельно, а сумма результатов этих измерений указывает на содержание NOx.

При этом следует учитывать, что сигаретный дым влияет на результаты измерений (мин. 50 ppm).  Дыхание курильщика искажает результаты измерений примерно на 5 ppm.  Выполнять обнуление  измерительного прибора надо в условиях свежего воздуха.

NO2 растворим в воде, поэтому для точного определения его концентрации необходимо проводить замеры в сухих дымовых газах, поскольку растворенный NO2 не учитывается. Перед проведением фактических замеров содержания диоксида азота необходимо использовать блок пробоподготовки (Пельтье) для удаления влаги из дымовых газов. При проведении замеров в непосредственной близости от электростатического фильтра зонд отбора пробы необходимо заземлить для исключения риска статического заряда.

В случаях, когда возможно высокое содержание твёрдых частиц и сажи, следует использовать чистые сухие фильтры. Обязательным условием является наличие предварительного фильтра.

Условие безопасности – контроль CO/ CO2 в окружающей среде.

По соображениям безопасности при обслуживании газовых обогревателей в жилых помещениях наряду с измерением дымовых газов необходимо проводить замеры CO в окружающем воздухе, поскольку обратный поток дымовых газов может привести к высоким концентрациям CO и риску отравления оператора. Смертельными для человека являются концентрации CO во вдыхаемом воздухе в 0,16 % по объему и выше (1,600 ppm). В виду высокой токсичности СО и его опасности для жизни (табл. 2) данное измерение необходимо провести до начала всех прочих измерений.

Таблица 2. Влияние угарного газа на здоровье и жизнь человека

Концентрация CO в воздухе, ppm

Концентрация CO в воздухе, %

Влияние на здоровье человека

30

0,003

ПДК (макс. концентрация, при которой период вдыхания может превышать 8 часов)

200

0,02

Появление легкой головной боли в течение 2 — 3 часов

400

0,04

Появление головной боли в области лба в течение 1 — 2 часов с последующим распространением на всю область головы

800

0,08

Головокружение, тошнота и дрожь в конечностях в течение 45 минут, потеря сознания в течение 2 час

1,600

0,16

Головная боль, головокружение и тошнота, в течение 20 минут. Летальный исход в течение 2 часов

3.200

0,32

Головная боль, головокружение и тошнота в течение 5-10 минут. Летальный исход в течение 30 минут

6,400

0,64

Головная боль, головокружение в течение 1 — 2 минут. Летальный исход в течение 10 — 15 минут

12,800

1,28

Летальный исход в течение 1 — 3 минут

Как правило, замеры окружающей среды ограничиваются только измерением содержания CO в окружающем воздухе (рис. 5). Однако высокие концентрации CO2, например, вызванные блокировкой отверстия для отхода дымовых газов, также являются вредными для человека. Для того чтобы исключить потенциальные угрозы, необходимо учитывать оба значения. Максимально допустимая концентрация CO2 в воздухе рабочей зоны составляет 5,000 ppm.

Рис 5 Сигнализатор угарного газа

Сигнализатор угарного газа

Содержание CO2 является надежным заблаговременным индикатором отравления и, следовательно, оптимально дополняет измерение CO. Параллельное измерение обоих значений обеспечивает заблаговременное полное выявление опасных концентраций.

Контролируемые параметры для настройки разных типов котлов и топлива

При настройке с помощью газоанализатора дымовых газов настенных конденсационных газовых котлов, работающих на природном газе, необходимо контролировать следующие параметры: концентрацию кислорода (3 %), угарного (20 ппм) и углекислого газа (13 % об.), коэффициент избытка воздуха (1,6), NOx.

В вентиляторных горелках, работающих на природном газе необходимо контролировать следующие параметры: концентрацию кислорода (3 %), угарного (20 ппм) и углекислого газа (13 % об.), коэффициент избытка воздуха (1,6), NOx.

В вентиляторных горелках, работающих на дизельном топливе, помимо всего предыдущего, перед использованием газоанализатора необходимо измерять сажевое число. Оно должно быть меньше 1 (этот параметр измеряется с помощью анализатора сажевого числа и говорит о качестве распыла через форсунки, при его превышении нельзя использовать газоанализатор для настройки, так как будет загрязнятся тракт газоанализатора и невозможно добиться оптимальных показателей) и концентрацию SO2 (говорит о качестве топлива, чем больше – тем хуже топливо, при локальных избытках кислорода и влажности превращается в H2SO4, которая разрушает всю топливо сжигающую систему).

В пеллетных котлах необходимо контролировать следующие параметры: концентрацию кислорода (5 %), угарного (120 ппм) и углекислого газа (17 % об.), коэффициент избытка воздуха (1,8), NOx. Необходима предварительная защита тонкой фильтрации от запыленности в дымовых газах и защита от превышения рабочего диапазона по каналу СО. Он в считанные секунды может превысить рабочий диапазон сенсора и достигнуть 10000 – 15000 ппм.

Все представленные выше данные по концентрациям являются приблизительными, точные всегда указываются в инструкции по настройке горелочных устройств.

Статья  из журнала  «Аква-Терм» № 3/ 2022, рубрика «Мастер класс».

вернуться назад

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий