Какие свойства углекислого газа лежат в основе его применения
Человечество научилось использовать газообразные вещества для поддержания искусственных процессов и реакций, в результате которых удаётся получить другие химические соединения. Кроме этого, различные газы используются для получения определённых физических явлений и свойств. Углекислый газ или СО2 обладает большим количеством качеств, которые не могут не использоваться в химической промышленности и быту.
Что такое углекислый газ
Оксид углерода (IV) представляет собой тяжёлый газ. Плотность углекислоты примерно в полтора раза больше чем у атмосферного воздуха. Несмотря на то, что этот газ уже при температуре минус 78,3 градуса Цельсия превращается в снегообразную массу, получить жидкую углекислоту при нормальном давлении не представляется возможным. Так называемый сухой лёд при малейшем повышении температуры сразу переходит из твёрдой, в газообразную форму. Получить жидкую углекислоту можно только при давлении более 60 атмосфер. В таких условиях газ конденсируется даже при комнатной температуре с образованием бесцветной жидкости.
Углекислый газ не окисляется, но может поддерживать горение некоторых металлов. В среде углекислоты, при определённых условиях, могут возгораться такие активные элементы как магний, кальций и барий. Этот газ хорошо растворим в воде, а в воздухе его содержится большое количество благодаря дыханию живых организмов и растений, наличию вулканической активности на земле, а также в результате сгорания органических веществ.
В результате растворения СО2 в воде в большой концентрации образуется угольная кислота. Это вещество может вступать в реакцию с фенолом и магнийорганическими соединениями. Углекислый газ также реагирует с щелочами. В результате такой реакции образуются соли и эфиры угольной кислоты.
Свойства углекислого газа
Углекислый газ невозможно определить органами зрения или обоняния. Если концентрация СО2 невелика, то не будет ощущаться и вкуса, но при наличии большого количества этого газа в воздухе может ощущаться кисловатый привкус.
При большой концентрации углекислоты во вдыхаемом воздухе может наступить отравление. Признаками негативного воздействия СО2 на организм человека являются:
- Шум и гул в ушах.
- Обильный холодный пот.
- Потеря сознания.
Учитывая тот факт, что углекислый газ тяжелее воздуха, его концентрация в нижней части помещения будет более значительной. По этой причине, первую очередь симптомы отравления могут наблюдаться у животных и детей, а также у взрослых очень маленького роста. Большая концентрация СО2 может привести к гибели людей. При потере сознания человек может оказаться на полу, где количество кислорода будет недостаточным для поддержания нормального процесса дыхания.
Углекислый газ: получение в промышленности
Существует большое количество способов промышленного получения углекислоты. Наиболее рентабельными являются варианты добычи газа, основанные на получении СО2, который образовывается на химических производствах в виде отходов.
Газообразный оксид углерода (IV) получают из промышленного дыма способом адсорбции моноэтаноламина. Частицы этого вещества подаются в трубу с отходами и вбирают в себя углекислоту. После прохождение через смесь CO2 моноэтаноламины направляются на очистку в специальные резервуары, в которых, при определённых показателях температуры и давления, происходит высвобождение углекислого газа.
Углекислый газ высокого качества получается в результате брожения сырья при изготовлении спиртных напитков. На таких производствах газообразный СО2 обрабатывают водородом, перманганатом калия и углем. В результате реакции получают жидкую форму углекислоты.
Твёрдое состояние СО2 или «сухой лёд» также получают из отходов пивоваренных заводов и ликероводочных производств. Это агрегатное состояние вещества в промышленных масштабах образуется в такой последовательности:
- Из резервуара, где происходит брожение, газ подаётся в ёмкость для промывки.
- Углекислота направляется в газгольдер, в котором подвергается воздействию повышенного давления.
- В специальных холодильниках СО2 охлаждается до определённой температуры.
- Образовавшаяся жидкость фильтруется через слой угля.
- Углекислота снова направляется в холодильник, где производится дополнительное охлаждение вещества с последующим прессованием.
Таким образом получается высококачественный «сухой лёд», который может использоваться в пищевой промышленности, растениеводстве или в быту.
Применение углекислого газа
Благодаря наличию определённых физических и химических свойств углекислый газ может использоваться в различных сферах. В химической промышленности углекислота используется для:
- Синтеза искусственных химических соединений.
- Для очистки животной и растительной ткани.
- Регулирования температуры реакций.
- Нейтрализации щёлочи.
В металлургии CO2 применяется с целью:
- Регулирования отвода воды в шахтах.
- Создания лазерного луча для резки металлов.
- Осаждения вредных газообразных веществ.
Кроме перечисленных областей углекислый газ активно используется при производстве бумаги. Оксид углерода применяется регулирования водородного показателя древесной массы, а также усиления мощности производственных машин.
Углекислый газ используется в пищевой промышленности в качестве добавки, которая оказывает консервирующее действие. При изготовлении выпечки СО2 применяется в качестве разрыхлителя. Газированные напитки также изготавливаются с применением углекислоты, а для хранения быстро портящихся продуктов используется «сухой лёд».
Незаменим углекислый газ и при выращивании овощей и фруктов в зимних теплицах. В таких помещения в воздухе недостаточное количество СО2, который необходим для «дыхания» растений, поэтому приходится искусственно насыщать атмосферу этим газом.
В медицине углекислота применяется во время проведения сложных операций на внутренних органах. Наиболее ценным качеством этого газа, является использование его для реанимационных мероприятий, ведь благодаря возможности повысить его концентрацию можно эффективно стимулировать процесс дыхания пациента.
При сварке металлов углекислота применяется в качестве инертного облака, которое служит защитой расплавленного участка от попадания в него активного кислорода. В результате такой обработки сварочный шов получается идеально ровным и не подверженным окислению.
Благодаря способности охлаждаться при испарении, СО2 используется для тушения пожаров. Заправленные этим веществом огнетушители являются эффективным средством борьбы с возгораниями на объектах, где применение порошковых или пенных средств тушения невозможно.
В быту углекислота используется в качестве напорного газа в пневматическом оружии, а также для отпугивания комаров и борьбы с грызунами.
Углекислый газ: хранение и транспортировка
Хранение СО осуществляется в баллонах чёрного цвета, на корпусе которых обязательно должна быть надпись «Углекислота».
Кроме этого, на ёмкости наносится маркировка, по которой можно получить информацию о производителе баллона, весе пустой ёмкости, а также узнать дату последнего освидетельствования. Нельзя использовать углекислотные баллоны, у которых:
- Истёк срок освидетельствования.
- Имеются повреждения.
- Неисправны вентили.
Транспортировка наполненных газом баллонов должна осуществляться по следующим правилам:
- Транспортировать ёмкости только в горизонтальном положении. Вертикальное размещение допускается только в том случае, если имеются специальные ограждения, которые препятствуют падению баллона во время перевозки.
- Для безопасного перемещения на баллонах должны быть резиновые кольца.
- Не допускать механических воздействий, а также чрезмерного нагрева.
- Запрещается перевозка углекислотных баллонов в торговых аппаратах.
Кроме этого, техникой безопасности запрещается переносить баллоны вручную или перекатывать их по земле.
Хранение баллонов с углекислотой может осуществляться как в специально оборудованных помещениях, так и под открытым небом. В зданиях ёмкости следует размещать на расстоянии не менее 1 метра от отопительных приборов. При хранении на улице необходимо оградить ёмкости от воздействия прямых солнечных лучей и осадков, поэтому размещать резервуары таким способом рекомендуется под навесом. Если хранение баллонов осуществляется в неотапливаемом помещении или под открытым небом, то в зимнее время необходимо следить за тем, чтобы ёмкости не охлаждались ниже минус 40 градусов Цельсия.
Похожие статьи
- Какие существуют типы автомобильных газовых баллонов?
- Почему на баллоне с пропаном может образоваться конденсат
- Количество шаров в гелиевом баллоне
Составная часть атмосферы, основное сырье для процесса фотосинтеза зеленых растений, продукт жизнедеятельности живых организмов.
По систематической международной номенклатуре (IUPAC) вещество с формулой СО2 получило название – Оксид углерода(IV). Тривиальные (общепринятые названия) – двуокись или диоксид углерода, угольный ангидрид (солеобразующий оксид, обладающий кислотными свойствами).
Формула углекислого газа
СО2
Молекула углекислого газа образована двумя атомами кислорода и атомом углерода. Структурная формула – О=С=О. Валентность углерода равна 4. Степень окисления – (+4). Тип связи – ковалентная полярная.
Получение углекислого газа
Природные источники углекислого газа
Углекислый газ образуется при медленном окислении в процессах дыхания, брожения, гниения органических веществ. Выделяется при разложении природных карбонатов, сгорании топлива, образовании дымовых газов. Содержится в воздухе, минеральных источниках.
В сутки организм человека выделяет 1 кг СО2. В воздухе содержится 0,03% углекислого газа.
Лабораторные способы получения
В лаборатории газ можно получить взаимодействием соляной кислоты с мелом, мрамором, содой. Собирается газ методом вытеснения воздуха.
CaCO3 + 2HCl → CaCl2+ H2O + CO2,
NaHCO3+ HCl → NaCl + H2O + CO2.
Промышленные способы получения
- Обжиг известняка: CaCO3 → CaO + CO2.
- Как побочный продут разделения воздуха при получении кислорода, азота, аргона.
Свойства углекислого газа
Физические свойства
Вещество нетоксичное, негорючее.
| Свойство | Описание |
|---|---|
| Агрегатное состояние при н.у. | Газ |
| Цвет | Бесцветный |
| Запах | Без запаха |
| Температура плавления | -750оC |
| Температура кипения | -56,50оC |
| Растворимость в воде | Растворяется частично. При t +150оC в 1 литре воды может раствориться 1,7 л углекислого газа |
| Плотность | 1,977 г/л |
| Молярная масса | 44г/моль |
Вещество в твердом агрегатном состоянии называется «сухим льдом».
Высокую концентрацию диоксида углерода можно определить органолептически – во рту, на языке появляется кисловатый привкус. Повышенное содержание опасно для организма – вызывает удушье.
Химические свойства
- Качественная реакция: при взаимодействии углекислого газа с известковым молочком (гидроксидом кальция) образуется карбонат кальция – осадок белого цвета.
CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3↓ + H2O.
- CO2, как кислотный оксид, реагирует с водой с образованием угольной кислоты. Эта кислота – соединение нестойкое, легко распадается на углекислый газ и воду. Тип реакции – реакция соединения, обратимая.
CO2 + H2O ↔ H2CO3.
При нагревании распадается на оксид углерода(II) и воду: 2CO2 = 2CO + O2.
Взаимодействует с основными оксидами, с образованием солей:
CaO + CO2 = CaCO3; Al2O3 + 3CO2 = Al2(CO3)3.
Тип реакции – реакция соединения.
- Взаимодействует со щелочами, с образованием кислых и средних солей:
CO2 + NaOH = NaHCO3;
CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O.
Средняя соль образуется при избытке щелочи. Кислая соль образуется при отношении количеств вещества оксида и щелочи – 1:1.
- При температуре реагирует с активными металлами:
CO2 + 2Mg = C + 2MgO
Углекислый газ в основном проявляет восстановительные свойства, но при взаимодействии с активными металлами является окислителем.
- Вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами:
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O (условия протекания реакции – высокая температура, катализатор Cu2O).
Применение углекислого газа
В пищевой промышленности:
- используется при производстве минеральной воды и газированных напитков;
- как пищевая добавка (Е290), повышает сроки хранения продуктов;
- в качестве разрыхлителя придает легкость и пышность кондитерским изделиям;
- как хладогент;
- для удаления из кофе кофеина.
В авиамоделировании используется как источник энергии для двигателей; применяется в пневматическом оружии; как заправка для углекислотных огнетушителей. Используется в качестве защитной среды при сварке.
Находит углекислый газ применение и в медицине – используется для криоабляции новообразований, служит стимулятором глубокого дыхания.
В химической промышленности газ используется в синтезе химических веществ, производстве солей угольной кислоты, процессах осушки и очистки полимеров, волокон растительного и животного происхождения. Применяется для очистки сточных вод, повышает проводимость сверхчистой воды.
Примеры решения задач
Задача 1
Найти массовую долю углерода в углекислом газе.
Решение
М(СО2) = 12+2х16 = 44 г/моль.
Аr(С) = 12 г/моль.
W(С) = 12/44 = 0,27 или 27%
Ответ: массовая доля углерода в углекислом газе равна 27%.
Задача 2
Вычислить объем углекислого газа, выделившегося при взаимодействии соляной кислоты с мрамором массой 100 г.
Решение
300 г — х л
CaCO3 + 2HCl → CaCl2+ H2O + CO2
1 моль — 1 моль
100 г/моль — 22,4 л/моль
100 г — 22,4 л
х(СО2) = 300х22,4/100 = 67, 2 (л).
Ответ: Объем углекислого газа равен 67, 2 л.
Оксид
углерода (IV) СO2 – углекислый газ
Физические свойства:
Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H2O
растворяется 0,9V CO2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха;
t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO2 называется «сухой лёд»); не
поддерживает горение.
Строение молекулы:
Углекислый газ имеет
следующие электронную и структурную формулы —
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 –
в лаборатории:
CaCO3 (мрамор) + 2HCl →
CaCl2 + H2O + CO2
NaHCO3
+ HCl
→
NaCl
+ H2O + CO2
Способы собирания
вытеснением воздуха |
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)
реагирует 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 — СO2
+ 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:
Видео «Тушение пламени углекислым газом»
Угольная
кислота и её соли
Химическая
формула — H2CO3
Структурная формула
– все связи ковалентные полярные:
Кислота слабая, существует
только в водном растворе, очень непрочная, разлагается на углекислый газ и воду:
CO2
+ H2O ↔ H2CO3
Опыт «Разложение угольной кислоты»
Опыт «Получение»
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 NaHCO3
, Ca(HCO3)2
В природе встречаются:
CaCO3
мел
мрамор
известняк
NaHCO3 – питьевая сода
K2CO3(поташ,
в золе растений)
Na2CO3
– сода, кальцинированная сода
Na2CO3 x 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
NaHCO3t˚C→Na2CO3
+ H2O + CO2↑
3) Разложение
нерастворимых карбонатов при нагревании
CaCO3t˚C→ CaO+ CO2↑
4) Карбонаты и гидрокарбонаты
могут превращаться друг в друга:
Опыт «Взаимопревращение карбонатов и гидрокарбонатов»
гидрокарбонатывкарбонаты
Me(HCO3)n + Me(OH)n →
MeCO3+H2O
Me(HCO3)nt˚C → MeCO3↓+H2O+CO2↑
карбонатывгидрокарбонаты
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↑
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
№ 1. 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 =
№2.
Осуществите превращения по схеме:
1) Al 4 C 3→ CH 4→ CO 2→ CaCO 3→ Ca ( HCO 3)2→ CaCO 3
2) Ca → CaC 2→ Ca ( OH )2→ CaCO 3→ CO 2→ C
3) CO2 → H2CO3 → Na2CO3 → CO2
4) CaCO3 → CO2 → NaHCO3 → Na2CO3
№3. 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
бесцветный газ с едва ощутимым запахом не ядовит, тяжелее воздуха. Углекислый газ широко распространен в природе. Растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н2CO3, придает ей кислый вкус. В воздухе содержится около 0,03% углекислого газа. Плотность в 1,524 раза больше плотности воздуха и равна 0,001976 г/см3 (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Потенциал ионизации 14,3В. Химическая формула – CO2.
Как получилось так, что у данного газа столько много терминов неизвестно, но в сварочном производстве, согласно ГОСТ 2601, используется термин «углекислый газ». В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» принят термин «углекислота», а в ГОСТ 8050 — «двуокись углерода». Поэтому далее мы будем оперировать всеми этими понятиями.
Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре -78,5°С углекислый газ, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед».
Под давлением 528 кПа и при температуре -56,6°С углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).
Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и кислород только при температуре выше 2000°С.
Жидкая двуокись углерода
Жидкая двуокись углерода
бесцветная жидкость без запаха, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Она существует при комнатной температуре лишь при давлении более 5,85 МПа. Плотность жидкой углекислоты 0,771 г/см3 (20°С). При температуре ниже +11°С она тяжелее воды, а выше +11°С — легче.
Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой, поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8-22,9°С не более 0,05%.
Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты.
При нормальных условиях (20°С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа.
Впервые жидкую двуокись углерода получили в 1823 г. Гемфри Дэви (Humphry Davy) и Майкл Фарадей (Michael Faraday).
Сухой лед
Твердая двуокись углерода (сухой лед)
по внешнему виду напоминает снег и лед. Содержание углекислого газа, получаемого из брикета сухого льда, высокое — 99,93-99,99%. Содержание влаги в пределах 0,06-0,13%. Сухой лед, находясь на открытом воздухе, интенсивно испаряется, поэтому для его хранения и транспортировки используют контейнеры. Получение углекислого газа из сухого льда производится в специальных испарителях. Твердая двуокись углерода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162.
При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении «тройной точки» она превращается в сухой лед, который забивает отверстие в понижающем редукторе, и дальнейший отбор газа прекращается. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения жидкой двуокиси углерода — поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.
История открытия углекислого газа
Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество. В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».
Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black).
Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO3) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух». Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.
CaCO3 + 2HCl = СО2 + CaCl2 + H2O
Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO2 через водный раствор извести Ca(OH)2 на дно осаждается карбонат кальция CaCO3.
Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных.
CaO + H2O = Ca(OH)2
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
Способы получения углекислого газа
В статье «Как получить углекислый газ» рассказано все в мельчайших подробностях, здесь лишь скажем, что основными способами получения являются:
- из известняка;
- из газов при брожении спирта;
- из газов котельных;
- из газов производств химической отрасли.
Применение углекислого газа
Двуокись углерода чаще всего применяют:
- для создания защитной среды при сварке полуавтоматом;
- в производстве газированных напитков;
- охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
- для систем пожаротушения;
- очистка сухим льдом от загрязнений поверхности изделий.
Применение углекислоты для сварки
Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование металла шва при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Углекислый газ является активным газом, т.е. в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие.
В настоящее время ввиду большого разбрызгивания металла сварочной ванны при сварке в углекислоте все чаще применяют сварочные смеси с аргоном. Производители сварочного оборудования не остались в стороне от даной проблемы и предусматривают специальный режим на сварочных полуавтоматах, при котором уменьшается эффект разбрызгивания. Еще один путь решения данной проблемы – это применение специальных спреев или жидкостей, которые не позволяют прикипать брызгам к металлу свариваемой детали. В любом случае применение любого из данных методов с лихвой окупит затраты времени и расходных материалов на удаление брызг путем механической зачистки.
Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлось образование дефектов в швах в виде пор. Поры вызывались кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделения окиси углерода (СО) вследствие недостаточной его раскисленности.
При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:
СO2=CO+O
Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным кислородом нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (полуавтоматическая сварка порошковой проволокой).
Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный кислород окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:
Мэ + О = МэО
где Мэ — металл (марганец, алюминий или др.).
Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами.
В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное — кремния, марганца, хрома, ванадия и др.
Особенно энергично окисление примесей происходит при полуавтоматической сварке. Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке неплавящимся электродом — только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом.
Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом.
Вредность и опасность углекислого газа
Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м3) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как он тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м3 (0,5%).
Хранение и транспортировка углекислого газа
Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050. Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.
Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по ГОСТ 949 или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы.
В стандартный баллон с водяной емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты, которая при нормальном давлении занимает 67,5% объема баллона и дает при испарении 12,5 м3 углекислого газа.
В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.
Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10…15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке качество шва.
При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги.
Баллон окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА».
Характеристики углекислого газа
Характеристики углекислого газа представлены в таблицах ниже:
Коэффициенты перевода объема и массы CO2 при Т=15°С и Р=0,1 МПа
Масса, кг | Объем газа, м3 |
|---|---|
1,848 | 1 |
1 | 0,541 |
Коэффициенты перевода объема и массы CO2 при Т=0°С и Р=0,1 МПа
Масса, кг | Объем газа, м3 |
|---|---|
1,975 | 1 |
1 | 0,506 |
Углекислый газ в баллоне
| Наименование | Объем баллона, л | Масса газа в баллоне, кг | Объем газа (м3) при Т=15°С, Р=0,1 МПа |
|---|---|---|---|
CO2 | 40 | 25,0 | 12,5 |
Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:
- Сколько углекислоты в 40 л баллоне?
Ответ: 12,5 м3 или 25,0 кг - Сколько весит баллон углекислоты?
Ответ:
58,5 кг — масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
25,0 — кг масса углекислоты в баллоне;
Итого: 58,5 + 25,0 = 83,5 кг вес баллона с углекислотой.