УГАРНЫЙ ГАЗ

ОКСИД УГЛЕРОДА (УГАРНЫЙ ГАЗ). Углерода(II) оксид (угарный газ) СО, несолеообразующий оксид углерода. Это означает, что не существует кислоты, соответствующей этому оксиду. Оксид углерода(II) – газ без цвета и запаха, сжижающийся при атмосферном давлении при температуре –191,5о С и затвердевающий при –205о С. Молекула СО по своему строению аналогична молекуле N2: обе содержит равное число электронов (такие молекулы называются изоэлектронными), атомы в них соединены тройной связью (две связи в молекуле СО образованы за счет 2р-электронов атомов углерода и кислорода, а третья – по донорно-акцепторному механизму с участием неподеленной электронной пары кислорода и свободной 2р-орбитали углерода). В результате физические свойства СО и N2 (температуры плавления и кипения, растворимость в воде и т.д.) очень близки.

Оксид углерода(II) образуется при сгорании углеродсодержащих соединений при недостаточном доступе кислорода, а также при соприкосновении раскаленного угля с продуктом полного сгорания – углекислым газом: С + СО2 → 2СО. В лаборатории СО получают дегидратацией муравьиной кислоты действием концентрированной серной кислоты на жидкую муравьиную кислоту при нагревании, либо пропусканием паров муравьиной кислоты над Р2О5: НСООН → СО + Н2О. Получают СО и разложением щавелевой кислоты: Н2С2О4 → СО + СО2 + Н2О. От других газов СО легко отделить пропусканием через раствор щелочи.
При обычных условиях СО, как и азот, химически довольно инертен. Лишь при повышенных температурах проявляется склонность СО к реакциям окисления, присоединения и восстановления. Так, при повышенных температурах он реагирует со щелочами: CO + NaOH → HCOONa, CO + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2. Эти реакции используются для удаления СО из технических газов.

Оксид углерода(II) – высококалорийное топливо: горение сопровождается выделением значительного количества теплоты (283 кДж на 1 моль СО). Смеси СО с воздухом взрываются при его содержании от 12 до 74%; к счастью, на практике такие смеси встречаются исключительно редко. В промышленности для получения СО проводят газификацию твердого топлива. Например, продувание водяного пара через слой раскаленного до 1000o С угля приводит к образованию водяного газа: С + Н2О → СО + Н2, обладающего очень высокой теплотворной способностью. Однако сжигание – далеко не самое выгодное использование водяного газа. Из него, например, можно получить (в присутствии различных катализаторов под давлением) смесь твердых, жидких и газообразных углеводородов – ценное сырье для химической промышленности (Реакция Фишера – Тропша). Из той же смеси, обогатив ее водородом и применив нужные катализаторы, можно получить спирты, альдегиды, кислоты. Особое значение имеет синтез метанола: СО + 2Н2 → СН3ОН – важнейшего сырья для органического синтеза, поэтому эту реакцию проводят в промышленности в больших масштабах.

Реакции, в которых СО является восстановителем, можно продемонстрировать на примере восстановления железа из руды в ходе доменного процесса: Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2. Восстановление оксидов металлов оксидом углерода(II) имеет большое значение в металлургических процессах.

Для молекул СО характерны реакции присоединения к переходным металлам и их соединениям с образованием комплексных соединений – карбонилов. Примерами могут служить жидкие или твердые карбонилы металлов Fe(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, Ni(CO)4, Cr(CO)6 и др. Это очень ядовитые вещества, при нагревании вновь распадающиеся на металл и СО. Так можно получить порошкообразные металлы высокой чистоты. Иногда на конфорке газовой плиты видны «подтеки» металла, это – следствие образования и распада карбонила железа. В настоящее время синтезированы тысячи разнообразных карбонилов металлов, содержащих, помимо СО, неорганические и органические лиганды, например, PtCl2(CO), K3[W(CO)6(OH)3], Cr(C6H5Cl)(CO)3.

Для СО характерна также реакция соединения с хлором, которая на свету идет уже при комнатной температуре с образованием исключительно ядовитого фосгена: CO + Cl2 → COCl2. Реакция эта цепная, она идет по радикальному механизму с участием атомов хлора и свободных радикалов COCl. Несмотря на ядовитость, фосген широко применяется для синтеза многих органических соединений.

Оксид углерода(II) – сильный яд, так как образует с металлсодержащими биологически активными молекулами прочные комплексы; при этом нарушается тканевое дыхание. Особенно страдают клетки центральной нервной системы. Связывание СО с атомами Fe(II) в гемоглобине крови препятствует образованию оксигемоглоблина, который и переносит кислород из легких к тканям. Уже при содержании в воздухе 0,1% СО этот газ вытесняет из оксигемоглобина половину кислорода. В присутствии СО может наступить смерть от удушья даже при наличии большого количества кислорода. Поэтому СО получил название угарного газа. У «угоревшего» человека в первую очередь страдают головной мозг и нервная система. Для спасения необходим прежде всего чистый воздух, не содержащий СО (а еще лучше – чистый кислород), при этом связанный с гемоглобином СО постепенно замещается молекулами О2 и удушье проходит. Предельно допустимая среднесуточная концентрация СО в атмосферном воздухе составляет 3 мг/м3 (около 3.10–5%), в воздухе рабочей зоны – 20 мг/м3.

Обычно в атмосфере содержание СО не превышает 10–5%. Этот газ попадает в воздух в составе вулканических и болотных газов, с выделениями планктона и других микроорганизмов. Так, из поверхностных слоев океана в атмосферу ежегодно выделяется 220 млн тонн СО. Высока концентрация СО в угольных шахтах. Много угарного газа образуется при лесных пожарах. Выплавка каждого миллиона тонн стали сопровождается образованием 300 – 400 т СО. В сумме техногенное выделение СО в воздух достигает 600 млн тонн в год, из них более половины приходится на автотранспорт. При неотрегулированном карбюраторе в выхлопных газах может содержаться до 12% СО! Поэтому в большинстве стран введены жесткие нормы на содержание СО в выхлопе автомобилей.

Образование СО всегда происходит при сгорании углеродсодержащих соединений, в том числе древесины, при недостаточном доступе кислорода, а также при соприкосновении раскаленного угля с углекислым газом: С + СО2 → 2СО. Такие процессы происходят и деревенских печах. Поэтому преждевременное закрывание дымохода печи для сохранения тепла часто приводит к отравлению угарным газом. Не следует думать что горожане, которые не топят печи, застрахованы от отравления СО; им, например, легко отравиться в плохо проветриваемом гараже, где стоит автомобиль с работающим мотором. Содержится СО и в продуктах сгорания природного газа на кухне. Многие авиационные катастрофы в прошлом произошли из-за износа двигателей или плохой их регулировки: в кабину пилотов проникал СО и отравлял экипаж. Опасность усугубляется тем, что СО невозможно обнаружить по запаху; в этом отношении угарный газ опаснее хлора!

Оксид углерода(II) практически не сорбируется активным углем и потому обычный противогаз не спасает от этого газа; для его поглощения необходим дополнительный гопкалитовый патрон, содержащий катализатор, который «дожигает» СО до СО2 с помощью кислорода воздуха. Катализаторами дожигания снабжается сейчас все больше легковых автомобилей, несмотря на высокую стоимость этих катализаторов на основе платиновых металлов.

Илья Леенсон