Tlenek węgla - Carbon monoxide

Tlenek węgla
Model kulowo-kijowy tlenku węgla
Model Spacefill tlenku węgla
model tlenku węgla
Nazwy
Preferowana nazwa IUPAC
Tlenek węgla
Inne nazwy
Węglowy tlenek
węgla protoxide
tlenku węgla
protoxide węglowego
węgla mono-tlenku
Carbonous tlenek
carbonei oxidum
Tlenek de Carbone
węgla (II), tlenek
carbonii halitus
carboneum oxgenisatum
karbaminianu
karbonylowych
Kohlenoxyd

gaz wodny
spalin
węglowy palny powietrza
ciężki palny powietrza
wodorowęglanu
gazowanych Hydrogene
biały wilgotne
metanu
gaz proszkowy gaz
oświetlający gaz
Dowson gaz
Mond
moc gazowa
producent gazu gaz
wielkopiecowy gaz
węgiel
flogiston
Identyfikatory
Model 3D ( JSmol )
3587264
CZEBI
CHEMBL
ChemSpider
Karta informacyjna ECHA 100.010.118 Edytuj to na Wikidata
Numer WE
421
KEGG
Siatka Węgiel + tlenek
Identyfikator klienta PubChem
Numer RTECS
UNII
Numer ONZ 1016
  • InChI=1S/CO/c1-2 sprawdzaćTak
    Klucz: UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N sprawdzaćTak
  • InChI=1/CO/c1-2
    Klucz: UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYAT
  • [C-]#[O+]
Nieruchomości
WSPÓŁ
Masa cząsteczkowa 28,010 g/mol
Wygląd zewnętrzny Bezbarwny gaz
Zapach Bezwonny
Gęstość
Temperatura topnienia -205,02 ° C (-337,04 ° F; 68,13 K)
Temperatura wrzenia -191,5 ° C (-312,7 ° F; 81,6 K)
27,6 mg/l (25°C)
Rozpuszczalność rozpuszczalny w chloroformie , kwasie octowym , octanie etylu , etanolu , wodorotlenku amonu , benzenie
1,04 atm·m 3 /mol
-9,8 x 10 -6 cm 3 / mol
1,0003364
0,122 D
Termochemia
29,1 J/(K·mol)
197,7 J/(K·mol)
-110,5 kJ/mol
-283,4 kJ/mol
Farmakologia
V04CX08 ( KTO )
Zagrożenia
Arkusz danych dotyczących bezpieczeństwa Patrz: strona danych
ICSC 0023
Piktogramy GHS GHS02: ŁatwopalnyGHS06: ToksycznyGHS08: Zagrożenie dla zdrowia
Hasło ostrzegawcze GHS Zagrożenie
H220 , H331 , H360 , H372
P201 , P202 , P210 , P260 , P261 , P264 , P270 , P271 , P281 , P304+340 , P308+313 , P311 , P314 , P321 , P377 , P381 , P403 , P403+233 , P405 , P501
NFPA 704 (ognisty diament)
3
4
0
Temperatura zapłonu -191 ° C (-311,8 ° F; 82,1 K)
609 ° C (1128 ° F; 882 K)
Granice wybuchowości 12,5–74,2%
Dawka lub stężenie śmiertelne (LD, LC):
NIOSH (limity ekspozycji dla zdrowia w USA):
PEL (dopuszczalne)
TWA 50 ppm (55 mg/m 3 )
REL (zalecane)
IDLH (Bezpośrednie niebezpieczeństwo)
1200 ppm
Związki pokrewne
Inne aniony
Monosiarczek węgla
Inne kationy
Tlenek krzemu Tlenek
germanu Tlenek
cyny(II) Tlenek
ołowiu(II)
Powiązane tlenki węgla
Dwutlenek węgla
Podtlenek węgla
Węglowodory
Strona z danymi uzupełniającymi
Współczynnik załamania ( n ),
stała dielektrycznar ) itp.

Dane termodynamiczne
Zachowanie fazowe
ciało stałe-ciecz-gaz
UV , IR , NMR , MS
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
sprawdzaćTak zweryfikuj  ( co to jest   ?) sprawdzaćTak☒n
Referencje do infoboksu

Tlenek węgla ( wzór chemiczny CO ) to bezbarwny, bezwonny, bez smaku, palny gaz, który jest nieco mniej gęsty niż powietrze. Tlenek węgla składa się z jednego atomu węgla i jednego atomu tlenu . Jest to najprostsza cząsteczka z rodziny oksowęglowodorów . W kompleksach koordynacyjnych ligand tlenku węgla nazywa się karbonylem .

Spalanie termiczne jest najczęstszym źródłem tlenku węgla, jednak istnieje wiele źródeł środowiskowych i biologicznych, które generują i emitują znaczną ilość tlenku węgla. Ludzie wykorzystują tlenek węgla w różnych procesach przemysłowych, w tym w produkcji syntetycznych chemikaliów i metalurgii , jednak jest to również problematyczne zanieczyszczenie powietrza wynikające z działalności przemysłowej. Po emisji do atmosfery tlenek węgla może odgrywać rolę potencjalnie wpływającą na zmianę klimatu .

Tlenek węgla odgrywa ważną rolę biologiczną we wszystkich królestwach filogenetycznych. W fizjologii ssaków tlenek węgla jest klasycznym przykładem hormezy, w której niskie stężenia służą jako endogenny neuroprzekaźnik ( gazoprzekaźnik ), a wysokie stężenia są toksyczne, powodując zatrucie tlenkiem węgla .

Historia

Pre-historia

Ludzie utrzymywali złożoną relację z tlenkiem węgla od czasu, gdy po raz pierwszy nauczyli się kontrolować ogień około 800 000 lat p.n.e. Prymitywny jaskiniowiec prawdopodobnie odkrył toksyczność zatrucia tlenkiem węgla po wprowadzeniu ognia do ich mieszkań. Wczesny rozwój metalurgii i technologii wytapiania , który pojawił się około 6000 pne w epoce brązu, również nękał ludzkość z powodu narażenia na tlenek węgla. Oprócz toksyczności tlenku węgla, rdzenni rdzenni Amerykanie mogli doświadczyć neuroaktywnych właściwości tlenku węgla podczas szamańskich rytuałów przy ognisku.

Historia starożytna

Wczesne cywilizacje opracowały opowieści mitologiczne wyjaśniające pochodzenie ognia, takie jak Prometeusz z mitologii greckiej, który dzielił ogień z ludźmi. Arystoteles (384-322 pne) po raz pierwszy odnotował, że spalanie węgli wytwarzało toksyczne opary. Grecki lekarz Galen (129-199 ne) spekulował, że nastąpiła zmiana w składzie powietrza, która powodowała szkody przy wdychaniu, a wielu innych z tej epoki opracowało podstawy wiedzy na temat tlenku węgla w kontekście toksyczności dymu węglowego . Kleopatra mogła umrzeć z powodu zatrucia tlenkiem węgla .

Współczesna historia

Georg Ernst Stahl wspomniał o carbonarii halitus w 1697 roku w odniesieniu do toksycznych oparów uważanych za tlenek węgla. Friedrich Hoffmann przeprowadził pierwsze współczesne badania naukowe nad zatruciem tlenkiem węgla pochodzącym z węgla w 1716 roku. Herman Boerhaave przeprowadził pierwsze eksperymenty naukowe nad wpływem tlenku węgla (oparów węgla) na zwierzęta w latach 30. XVIII wieku.

Uważa się, że Joseph Priestley po raz pierwszy zsyntetyzował tlenek węgla w 1772 roku. Carl Wilhelm Scheele podobnie wyizolował tlenek węgla z węgla drzewnego w 1773 roku i sądził, że może to być cząsteczka węgla powodująca toksyczne opary. Torbern Bergman wyizolował tlenek węgla z kwasu szczawiowego w 1775 r. Później, w 1776 r., francuski chemik de Lassone  [ fr ] wytwarzał CO przez ogrzewanie tlenku cynku z koksem , ale błędnie wywnioskował, że gazowym produktem był wodór , ponieważ palił się on niebieskim płomieniem. W obecności tlenu, w tym stężeń atmosferycznych, tlenek węgla pali się niebieskim płomieniem, wytwarzając dwutlenek węgla. Antoine Lavoisier przeprowadził podobne niejednoznaczne eksperymenty jak Lassone w 1777 roku. Gaz został zidentyfikowany jako związek zawierający węgiel i tlen przez Williama Cruickshanka w 1800 roku.

Thomas Beddoes i James Watt uznali tlenek węgla (jako wodorowęglan ) za rozjaśniający krew żylną w 1793 roku. Watt zasugerował, że opary węgla mogą działać jako antidotum na tlen we krwi, a Beddoes i Watt również zasugerowali, że wodorowęglan ma większe powinowactwo do włókien zwierzęcych niż tlen w 1796. W 1854 Adrien Chenot podobnie zasugerował, że tlenek węgla usuwa tlen z krwi, a następnie zostaje utleniony przez organizm do dwutlenku węgla. Mechanizm zatrucia tlenkiem węgla jest powszechnie przypisywany Claude'owi Bernardowi, którego pamiętniki rozpoczęły się w 1846 r. i zostały opublikowane w 1857 r., w których sformułowano: „zapobiega zakrzepnięciu krwi tętniczej”. Felix Hoppe-Seyler niezależnie opublikował podobne wnioski w następnym roku.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Tlenek węgla jest najprostszym oksowęglem i jest izoelektroniczny z innymi potrójnie związanymi formami dwuatomowymi posiadającymi 10 elektronów walencyjnych, w tym anion cyjankowy , kation nitrozoniowy , monofluorek boru i azot cząsteczkowy . Ma masę molową 28,0, co zgodnie z prawem gazu doskonałego sprawia, że ​​jest nieco mniej gęsty niż powietrze, którego średnia masa molowa wynosi 28,8.

Węgiel i tlen są połączone potrójnym wiązaniem, które składa się z dwóch wiązań sieciowych pi i jednego wiązania sigma . Długość wiązania pomiędzy atomem węgla i atomem tlenu wynosi 112,8  pm . Ta długość jest zgodna z wiązaniem potrójnym wiązaniem, tak jak w molekularnego azotu (N 2 ), który ma podobną długość wiązania (109,76 pm) i prawie taką samą masę cząsteczkową . Podwójne wiązania węgiel-tlen są znacznie dłuższe , na przykład 120,8 pm w formaldehydzie . Temperatura wrzenia (82 K) i temperatura topnienia (68 K), są bardzo podobne do tych, N 2 (77 K i 63 K, odpowiednio). Energii wiązania, dysocjacja od 1072 kJ / mol jest większa niż N 2 (942 kJ / mol) i stanowi największy wiązanie chemiczne znane.

Ziemia stan elektronicznego tlenku węgla jest stan singlet , ponieważ nie ma niesparowanych elektronów.

Wiązanie i moment dipolowy

Węgiel i tlen mają łącznie 10 elektronów w powłoce walencyjnej . Zgodnie z regułą oktetu dla węgla i tlenu, dwa atomy tworzą potrójne wiązanie , z sześcioma wspólnymi elektronami w trzech wiążących orbitalach molekularnych, zamiast zwykłego podwójnego wiązania występującego w organicznych związkach karbonylowych. Ponieważ cztery wspólne elektrony pochodzą z atomu tlenu, a tylko dwa z węgla, jeden orbital wiążący jest zajęty przez dwa elektrony z tlenu, tworząc wiązanie celowane lub dipolarne . Powoduje to polaryzację C←O cząsteczki, z małym ładunkiem ujemnym na węglu i małym ładunku dodatnim na tlen. Pozostałe dwa orbitale wiążące są zajęte przez jeden elektron z węgla i jeden z tlenu, tworząc (polarne) wiązania kowalencyjne z odwrotną polaryzacją C→O, ponieważ tlen jest bardziej elektroujemny niż węgiel. W wolnej cząsteczce tlenku węgla na końcu węgla pozostaje ujemny ładunek netto δ i cząsteczka ma mały moment dipolowy 0,122  D .

Cząsteczka jest zatem asymetryczna: tlen ma większą gęstość elektronową niż węgiel i jest również nieznacznie naładowany dodatnio w porównaniu z węglem, który jest ujemny. Natomiast izoelektroniczna cząsteczka dwuazotu nie ma momentu dipolowego.

Najważniejszą formą rezonansową tlenku węgla jest C ≡O + . Ważnym drugorzędnym wkładem jest nieoktetowa struktura karbenowa :C=O.

Tlenek węgla ma obliczony ułamkowy rząd wiązania 2,6, co wskazuje, że „trzecie” wiązanie jest ważne, ale stanowi nieco mniej niż pełne wiązanie. Tak więc, w kategoriach wiązań walencyjnych, C≡O + jest najważniejszą strukturą, podczas gdy :C=O nie jest oktetem, ale ma neutralny ładunek formalny na każdym atomie i reprezentuje drugi najważniejszy czynnik rezonansowy. Ze względu na samotną parę i dywalencję węgla w tej strukturze rezonansowej, tlenek węgla jest często uważany za niezwykle stabilizowany karben . Izocyjanki to związki, w których O zastąpiono grupą NR (R = alkil lub aryl) i mają podobny schemat wiązania.

Jeśli tlenek węgla działa jako ligand , polarność dipola może odwrócić się z ujemnym ładunkiem netto na końcu tlenowym, w zależności od struktury kompleksu koordynacyjnego . Zobacz także sekcję „Chemia koordynacyjna” poniżej.

Polaryzacja wiązania i stopień utlenienia

Badania teoretyczne i eksperymentalne pokazują, że pomimo większej elektroujemności tlenu moment dipolowy wskazuje od bardziej ujemnego końca węgla do bardziej dodatniego końca tlenu. Te trzy wiązania są w rzeczywistości polarnymi wiązaniami kowalencyjnymi, które są silnie spolaryzowane. Obliczona polaryzacja w kierunku atomu tlenu wynosi 71% dla wiązania σ i 77% dla obu wiązań π .

W każdej z tych struktur stopień utlenienia węgla w tlenku węgla wynosi +2. Oblicza się go, licząc wszystkie elektrony wiążące jako należące do bardziej elektroujemnego tlenu. Tylko dwa niewiążące elektrony na węglu są przypisane do węgla. W tym zliczaniu węgiel ma wtedy tylko dwa elektrony walencyjne w cząsteczce w porównaniu do czterech w wolnym atomie.

Występowanie

Miesięczne średnie globalnych stężeń troposferycznego tlenku węgla na wysokości około 12 000 stóp. Dane zostały zebrane przez czujnik MOPITT (Measurements Of Pollution In The Troposphere) na satelicie Terra należącym do NASA.

Tlenek węgla występuje w różnych środowiskach naturalnych i sztucznych. Typowe stężenia w częściach na milion są następujące:

Skład suchej atmosfery, objętościowo
Stężenie (ppmv) Źródło
0,1 Poziom atmosfery naturalnej ( MOPITT )
0,5–5 Średni poziom w domach
5–15 W pobliżu odpowiednio wyregulowanych kuchenek gazowych w domach, emisja spalin w nowoczesnych pojazdach
17 Atmosfera Wenus
100–200 Wydech z samochodów w centralnym obszarze Meksyku w 1975 r.
700 Atmosfera Marsa
<1000 Spaliny samochodowe po przejściu przez katalizator
5000 Wydech z domowego kominka
30 000–100 000 Nierozcieńczony, ciepły układ wydechowy samochodu bez katalizatora

Obecność w atmosferze

Smuga czerwieni, pomarańczy i żółci w Ameryce Południowej , Afryce i Oceanie Atlantyckim w tej animacji wskazuje na wysoki poziom tlenku węgla 30 września 2005 roku.
Stężenia tlenku węgla w źródle na półkuli północnej mierzone za pomocą instrumentu MOPITT

Tlenek węgla (CO) występuje w niewielkich ilościach (około 80 ppb) w atmosferze ziemskiej . Większość reszty pochodzi z reakcji chemicznych ze związkami organicznymi emitowanymi przez działalność człowieka i pochodzenia naturalnego w wyniku reakcji fotochemicznych w troposferze, które generują około 5×10 12 kilogramów rocznie. Inne naturalne źródła CO to wulkany, pożary lasów i buszu oraz różne inne formy spalania, takie jak paliwa kopalne . Niewielkie ilości są również emitowane z oceanu oraz z aktywności geologicznej, ponieważ tlenek węgla jest rozpuszczony w stopionych skałach wulkanicznych pod wysokim ciśnieniem w płaszczu Ziemi . Ponieważ naturalne źródła tlenku węgla są tak zmienne z roku na rok, trudno jest dokładnie zmierzyć naturalną emisję gazu.

Tlenek węgla ma pośredni wpływ na wymuszanie radiacyjne poprzez podniesienie stężenia bezpośrednich gazów cieplarnianych , w tym metanu i ozonu troposferycznego . CO może reagować chemicznie z innymi składnikami powietrza (przede wszystkim hydroksylowych rodnik , OH . ), Które w przeciwnym razie niszczą metan. Poprzez naturalne procesy zachodzące w atmosferze jest utleniana do dwutlenku węgla i ozonu. Tlenek węgla jest krótkotrwały w atmosferze (średni czas życia wynosi około jednego do dwóch miesięcy), a jego stężenie jest zmienne przestrzennie.

Ze względu na długą żywotność w środkowej troposferze, tlenek węgla jest również używany jako wskaźnik smug zanieczyszczeń.

Skażenie

Zanieczyszczenie miejskie

Tlenek węgla jest czasowym zanieczyszczeniem atmosfery na niektórych obszarach miejskich, głównie ze spalin silników spalinowych (w tym pojazdów, generatorów przenośnych i rezerwowych, kosiarek, myjek elektrycznych itp.), ale także z niepełnego spalania różnych innych paliw ( w tym drewno, węgiel, węgiel drzewny, olej, parafina, propan, gaz ziemny i śmieci).

Duże zdarzenia związane z zanieczyszczeniem CO można obserwować z kosmosu nad miastami.

Rola w tworzeniu się ozonu na poziomie gruntu

Tlenek węgla jest, obok aldehydów , częścią szeregu cykli reakcji chemicznych tworzących smog fotochemiczny . Reaguje z rodnikiem hydroksylowym ( OH) tworząc rodnik pośredni HOCO, który szybko przenosi swój rodnik wodór do O 2 tworząc rodnik nadtlenkowy (HO 2 ) i dwutlenek węgla (CO 2 ). Rodnik nadtlenkowy reaguje następnie z tlenkiem azotu (NO) tworząc dwutlenek azotu (NO 2 ) i rodnik hydroksylowy. NR 2 daje O ( 3 P) poprzez fotolizy tworząc O 3 , a następnie reakcję z O 2 . Ponieważ rodnik hydroksylowy powstaje podczas tworzenia NO 2 , równowaga sekwencji reakcji chemicznych rozpoczynających się od tlenku węgla i prowadzących do powstania ozonu jest następująca:

CO + 2O 2 + hν → CO 2 + O 3

(gdzie hν odnosi się do fotonu światła pochłoniętego przez cząsteczkę NO 2 w sekwencji)

Chociaż tworzenie NO 2 jest krytycznym etapem prowadzącym do tworzenia się ozonu na niskim poziomie , zwiększa on również ten ozon w inny, nieco wzajemnie wykluczający się sposób, poprzez zmniejszenie ilości NO, która jest dostępna do reagowania z ozonem.

Zanieczyszczenia w pomieszczeniach

W środowiskach zamkniętych stężenie tlenku węgla może wzrosnąć do poziomu śmiertelnego. Średnio 170 osób w Stanach Zjednoczonych umiera każdego roku z powodu tlenku węgla wytwarzanego przez produkty konsumenckie niezwiązane z motoryzacją. Produkty te obejmują wadliwie działające urządzenia spalające paliwo, takie jak piece, kuchenki, podgrzewacze wody oraz ogrzewacze pomieszczeń na gaz i naftę ; sprzęt napędzany silnikiem, taki jak przenośne generatory (i samochody pozostawione w garażach); kominki; oraz węgiel drzewny spalany w domach i innych zamkniętych pomieszczeniach. Wiele zgonów miało miejsce podczas przerw w dostawie prądu z powodu trudnych warunków pogodowych, takich jak huragan Katrina i kryzys energetyczny w Teksasie w 2021 roku .

Astronomia

Poza Ziemią tlenek węgla jest drugą po wodorze cząsteczkowym najczęstszą cząsteczką dwuatomową w ośrodku międzygwiazdowym . Ze względu na asymetrię ta polarna cząsteczka wytwarza znacznie jaśniejsze linie widmowe niż cząsteczka wodoru, co znacznie ułatwia wykrycie CO. Międzygwiazdowy CO został po raz pierwszy wykryty za pomocą radioteleskopów w 1970 roku. Obecnie jest najczęściej używanym wskaźnikiem gazu molekularnego w ośrodkach międzygwiazdowych galaktyk, ponieważ wodór cząsteczkowy można wykryć tylko za pomocą światła ultrafioletowego, które wymaga teleskopów kosmicznych . Obserwacje tlenku węgla dostarczają wielu informacji o obłokach molekularnych, w których powstaje większość gwiazd .

Beta Pictoris , druga najjaśniejsza gwiazda w konstelacji Pictor , wykazuje nadmiar emisji podczerwieni w porównaniu do normalnych gwiazd tego typu, co jest spowodowane dużą ilością pyłu i gazu (w tym tlenku węgla) w pobliżu gwiazdy.

W atmosferze Wenus tlenek węgla powstaje w wyniku fotodysocjacji dwutlenku węgla pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego o długości fali mniejszej niż 169 nm . Stwierdzono również identyfikowane spektroskopowo na powierzchni księżyca Neptuna Trytona .

Stały tlenek węgla jest składnikiem komet . Kometa Halleya zawiera około 15% tlenku węgla. W temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym tlenek węgla jest w rzeczywistości tylko metastabilny (patrz reakcja Boudouarda ) i to samo dotyczy niskich temperatur, w których CO i CO
2
są stałe, ale mimo to mogą istnieć w kometach przez miliardy lat. W atmosferze Plutona jest bardzo mało CO , który, jak się wydaje, powstał z komet. Może to być spowodowane tym, że w Plutonie znajduje się (lub była) woda w stanie ciekłym.

Tlenek węgla może reagować z wodą, tworząc dwutlenek węgla i wodór:

CO + H 2 O → H
2
+ CO
2

Nazywa się to reakcją konwersji gazu wodnego, gdy zachodzi w fazie gazowej, ale może również zachodzić (bardzo powoli) w roztworze wodnym. Jeśli ciśnienie cząstkowe wodoru jest wystarczająco wysokie (na przykład w podziemnym morzu), powstanie kwas mrówkowy :

CO + H 2 O → HCOOH

Reakcje te mogą zachodzić za kilka milionów lat, nawet w temperaturach takich, jakie panują na Plutonie.

Zastosowania niszowe

Zaproponowano użycie tlenku węgla jako paliwa na Marsie. Silniki z tlenkiem węgla/tlenem zostały zasugerowane do wczesnego wykorzystania w transporcie powierzchniowym, ponieważ zarówno tlenek węgla, jak i tlen mogą być bezpośrednio wytwarzane z atmosfery dwutlenku węgla na Marsie za pomocą elektrolizy tlenku cyrkonu , bez wykorzystywania jakichkolwiek zasobów wody marsjańskiej do uzyskania wodoru, który byłby potrzebny do produkcji metan lub dowolne paliwo na bazie wodoru.

Chemia

Tlenek węgla ma szeroki zakres funkcji we wszystkich dyscyplinach chemicznych. Cztery główne kategorie reaktywności obejmują katalizę metal-karbonyl , chemię rodników, chemię kationów i anionów .

Chemia koordynacyjna

Schemat poziomów energetycznych orbitali σ i π tlenku węgla
Homo CO jest σ MO .
LUMO CO jest π * antibonding MO .

Większość metali tworzy kompleksy koordynacyjne zawierające kowalencyjnie przyłączony tlenek węgla. Tylko metale na niższych stopniach utlenienia będą kompleksować z ligandami tlenku węgla . Dzieje się tak, ponieważ musi istnieć wystarczająca gęstość elektronów, aby ułatwić wsteczną donację z metalu d xz -orbitalu na orbital molekularny π* z CO. Wolna para na atomie węgla w CO również przekazuje gęstość elektronów do d x²−y² na metalu, aby utworzyć wiązanie sigma . Ta donacja elektronów jest również wykazywana z efektem cis lub labilizacją ligandów CO w pozycji cis. Na przykład karbonyl niklu tworzy się przez bezpośrednie połączenie tlenku węgla i metalicznego niklu :

Ni + 4 CO → Ni(CO) 4 (1 bar, 55 °C)

Z tego powodu nikiel w jakiejkolwiek rurce lub części nie może wchodzić w długotrwały kontakt z tlenkiem węgla. Karbonylek niklu rozkłada się łatwo z powrotem do Ni i CO w kontakcie z gorącymi powierzchniami, a ta metoda jest stosowana do przemysłowego oczyszczania niklu w procesie Mond .

W karbonylku niklu i innych karbonylkach para elektronów na węglu oddziałuje z metalem; tlenek węgla przekazuje parę elektronów do metalu. W takich sytuacjach tlenek węgla nazywany jest ligandem karbonylowym . Jednym z najważniejszych karbonylków metali jest pentakarbonyl żelaza , Fe(CO) 5 :

Struktura pentakarbonylku żelaza. Pentakarbonyl żelaza.

Wiele kompleksów metali-CO wytwarza się poprzez dekarbonylację rozpuszczalników organicznych, a nie z CO. Na przykład, iryd trójchlorku i trifenylofosfiny reagują we wrzącym 2-metoksyetanol lub DMF z wytworzeniem IrCl (CO) (PPh 3 ) 2 .

Karbonylki metali w chemii koordynacyjnej są zwykle badane za pomocą spektroskopii w podczerwieni .

Chemia organiczna i chemia grup głównych

W obecności mocnych kwasów i wody tlenek węgla reaguje z alkenami, tworząc kwasy karboksylowe w procesie znanym jako reakcja Kocha-Haafa. W reakcji Gattermann Kocha , arenów są przekształcane benzaldehydu pochodnych, w obecności AlCl 3 i HCI . Związki litoorganiczne (np. butylolit ) reagują z tlenkiem węgla, ale reakcje te mają niewielkie zastosowanie naukowe.

Chociaż CO reaguje z karbokationami i karboanionami , jest stosunkowo mało reaktywny w stosunku do związków organicznych bez udziału katalizatorów metalicznych.

W przypadku odczynników z grupy głównej CO podlega kilku wartym uwagi reakcjom. Chlorowanie CO to droga przemysłowa prowadząca do ważnego związku fosgenu . Z boranem CO tworzy addukt H 3 BCO , który jest izoelektroniczny z kationem acetylu [H 3 CCO] + . CO reaguje z sodem, dając produkty powstałe w wyniku sprzęgania CC, takie jak acetylenodiolan sodu 2 Na+
· C
2
O2−
2
. Reaguje ze stopionym potasem, dając mieszaninę związku metaloorganicznego, acetylenodiolanu potasu 2 K+
· C
2
O2−
2
, benzenoheksolan potasu 6 K+
C
6
O6
6
, oraz rodizonian potasu 2 K+
· C
6
O2-
6
.

Związki cyclohexanehexone lub triquinoyl (C 6 O 6 ) i cyclopentanepentone lub kwas leuconic (C 5 O 5 ), które do tej pory nie uzyskano tylko w ilościach śladowych, może być uważana jako polimery tlenku węgla.

Przygotowanie laboratoryjne

Tlenek węgla jest dogodnie wytwarzana w laboratorium, przez odwodnienie z kwasu mrówkowego lub kwasu szczawiowego , na przykład za pomocą stężonego kwasu siarkowego . Inną metodą jest podgrzewanie dokładnej mieszaniny sproszkowanego cynku metalicznego i węglanu wapnia , która uwalnia CO i pozostawia tlenek cynku i tlenek wapnia :

Zn + CaCO 3 → ZnO + CaO + CO

Azotan srebra i jodoform również dają tlenek węgla:

CHI 3 + 3AgNO 3 + H 2 O → 3HNO 3 + CO + 3AgI

Wreszcie sole szczawianowe metali uwalniają CO podczas ogrzewania, pozostawiając węglan jako produkt uboczny:

Na
2
C
2
O
4
Na
2
WSPÓŁ
3
+ CO

Produkcja

Spalanie termiczne jest najczęstszym źródłem tlenku węgla. Tlenek węgla powstaje w wyniku częściowego utleniania związków zawierających węgiel ; powstaje, gdy nie ma wystarczającej ilości tlenu do wytworzenia dwutlenku węgla (CO 2 ), na przykład podczas pracy pieca lub silnika spalinowego w zamkniętej przestrzeni. Na przykład podczas II wojny światowej mieszankę gazów zawierającą tlenek węgla używano do napędzania pojazdów silnikowych w częściach świata, gdzie brakowało benzyny i oleju napędowego . Zainstalowano zewnętrzne (z nielicznymi wyjątkami) generatory na węgiel drzewny lub gaz drzewny , a mieszaninę azotu atmosferycznego, wodoru, tlenku węgla i niewielkich ilości innych gazów wytworzonych w wyniku zgazowania poprowadzono rurami do mieszalnika gazów. Mieszanina gazów wytwarzana w tym procesie jest znana jako gaz drzewny .

Podczas procesów utleniania przy produkcji chemikaliów powstaje duża ilość produktu ubocznego CO. Z tego powodu gazy odlotowe z procesu muszą zostać oczyszczone. Z drugiej strony podejmuje się znaczne wysiłki badawcze w celu optymalizacji warunków procesu, opracowania katalizatora o zwiększonej selektywności oraz zrozumienia ścieżek reakcji prowadzących do produktu docelowego i produktów ubocznych.

Opracowano wiele metod produkcji tlenku węgla.

Produkcja przemysłowa

Głównym przemysłowym źródłem CO jest gaz generatorowy , mieszanina zawierająca głównie tlenek węgla i azot, powstająca w wyniku spalania węgla w powietrzu w wysokiej temperaturze, gdy występuje nadmiar węgla. W piecu powietrze przechodzi przez złoże koksu . Początkowo wytwarzane CO 2 równoważy się z pozostałą gorącego węgla z wytworzeniem CO. Reakcji z CO 2 z atomem węgla, z wytworzeniem CO jest opisany jako reakcję Boudouard . Powyżej 800 °C CO jest produktem dominującym:

CO 2 + C → 2 CO (ΔH = 170 kJ/mol)

Innym źródłem jest „ gaz wodny ”, mieszanina wodoru i tlenku węgla wytwarzana w wyniku endotermicznej reakcji pary i węgla:

H 2 O + C → H 2 + CO (ΔH = +131 kJ/mol)

Inne podobne „ gazy syntezowe ” można otrzymać z gazu ziemnego i innych paliw.

Tlenek węgla może być również wytwarzany przez wysokotemperaturową elektrolizę dwutlenku węgla za pomocą ogniw elektrolizera ze stałym tlenkiem : jedna metoda opracowana w DTU Energy wykorzystuje katalizator z tlenku ceru i nie powoduje żadnych problemów z zanieczyszczeniem katalizatora

2 CO 2 → 2 CO + O 2

Tlenek węgla jest również produktem ubocznym redukcji rud tlenków metali węglem, przedstawionym w uproszczonej formie w następujący sposób:

MO + C → M + CO

Tlenek węgla jest również wytwarzany przez bezpośrednie utlenianie węgla przy ograniczonym dopływie tlenu lub powietrza.

2 C (S) + O 2 → 2 CO (g)

Ponieważ CO jest gazem, proces redukcji może być napędzany przez ogrzewanie, wykorzystując dodatnią (korzystną) entropię reakcji. W schemat Ellingham pokazuje, że tworzenie się CO jest preferowane na CO 2 w wysokich temperaturach.

Przemysł chemiczny

Tlenek węgla to gaz przemysłowy, który ma wiele zastosowań w masowej produkcji chemikaliów. Duże ilości aldehydów są wytwarzane przez hydroformylowania reakcji alkenów , tlenku węgla i H 2 . Hydroformylowanie jest sprzężone z procesem Shell z wyższą zawartością olefin, dając prekursory detergentów .

Fosgen , przydatny do wytwarzania izocyjanianów, poliwęglanów i poliuretanów, jest wytwarzany przez przepuszczenie oczyszczonego tlenku węgla i gazowego chloru przez złoże porowatego węgla aktywnego , który służy jako katalizator . Światową produkcję tego związku oszacowano na 2,74 miliona ton w 1989 roku.

CO + Cl 2 → COCl 2

Metanol jest wytwarzany przez uwodornienie tlenku węgla. W pokrewnej reakcji uwodornienie tlenku węgla jest sprzężone z tworzeniem wiązania CC, jak w procesie Fischera-Tropscha, w którym tlenek węgla jest uwodorniany do ciekłych paliw węglowodorowych. Technologia ta umożliwia przekształcenie węgla lub biomasy w olej napędowy.

W procesie Cativa , tlenku węgla i metanolu reakcji, w obecności homogenicznego Iridium katalizatora i kwasu jodowodorowego otrzymując kwas octowy . Proces ten odpowiada za większość przemysłowej produkcji kwasu octowego .

Metalurgia

Tlenek węgla jest silnym środkiem redukującym i był stosowany w pirometalurgii do redukcji metali z rud od czasów starożytnych. Tlenek węgla usuwa tlen z tlenków metali, redukując je do czystego metalu w wysokich temperaturach, tworząc w tym procesie dwutlenek węgla . Tlenek węgla zwykle nie jest dostarczany do reaktora w takiej postaci, w jakiej jest, w fazie gazowej, ale raczej powstaje w wysokiej temperaturze w obecności rudy przenoszącej tlen lub środka węglowego, takiego jak koks, i w wysokiej temperaturze. Proces wielkopiecowy jest typowym przykładem procesu redukcji metalu z rudy tlenkiem węgla.

Podobnie gaz wielkopiecowy zbierany w górnej części wielkiego pieca nadal zawiera około 10% do 30% tlenku węgla i jest wykorzystywany jako paliwo w piecach Cowper i piecach Siemens-Martin w produkcji stali z otwartym paleniskiem .

Górnictwo

Górnicy nazywają tlenek węgla „ białą wilgotną ” lub „cichym zabójcą”. Można go znaleźć w zamkniętych obszarach o słabej wentylacji zarówno w kopalniach odkrywkowych, jak i podziemnych. Najpowszechniejszymi źródłami tlenku węgla w eksploatacji górniczej są silnik spalinowy i materiały wybuchowe, jednak w kopalniach tlenek węgla może również występować z powodu niskotemperaturowego utleniania węgla. IdiomKanarek w kopalni ” odnosiły się do wczesnego ostrzegania o obecności tlenku węgla.

Właściwości biologiczne i fizjologiczne

Fizjologia

Tlenek węgla jest bioaktywną cząsteczką, która działa jako gazowa cząsteczka sygnalizacyjna . Jest naturalnie wytwarzana przez wiele szlaków enzymatycznych i nieenzymatycznych, z których najlepiej poznanym jest kataboliczne działanie oksygenazy hemowej na hem pochodzący z hemoprotein, takich jak hemoglobina . Po pierwszym doniesieniu, że tlenek węgla jest normalnym neuroprzekaźnikiem w 1993 roku, tlenek węgla zyskał znaczną uwagę kliniczną jako regulator biologiczny.

Ze względu na rolę tlenku węgla w organizmie nieprawidłowości w jego metabolizmie powiązano z różnymi chorobami, w tym neurodegeneracjami, nadciśnieniem, niewydolnością serca i patologicznym stanem zapalnym. W wielu tkankach tlenek węgla działa przeciwzapalnie , rozszerzając naczynia krwionośne i pobudzając wzrost neowaskularyzacji . W badaniach na modelach zwierzęcych tlenek węgla zmniejszał nasilenie wywołanej eksperymentalnie posocznicy bakteryjnej , zapalenia trzustki, niedokrwienia/uszkodzenia reperfuzyjnego wątroby, zapalenia okrężnicy, choroby zwyrodnieniowej stawów, uszkodzenia płuc, odrzucenia przeszczepu płuca i bólu neuropatycznego, jednocześnie przyspieszając gojenie się ran skóry. Dlatego istnieje duże zainteresowanie terapeutycznym potencjałem tlenku węgla, który staje się środkiem farmaceutycznym i klinicznym standardem opieki.

Medycyna

Badania z udziałem tlenku węgla przeprowadzono w wielu laboratoriach na całym świecie ze względu na jego właściwości przeciwzapalne i cytoochronne. Właściwości te mogą być stosowane do zapobiegania rozwojowi szeregu stanów patologicznych, w tym uszkodzenia niedokrwienno-reperfuzyjnego, odrzucenia przeszczepu, miażdżycy, ciężkiej sepsy, ciężkiej malarii lub autoimmunizacji. W wielu inicjatywach dotyczących dostarczania leków farmaceutycznych opracowano metody bezpiecznego podawania tlenku węgla, a późniejsze kontrolowane badania kliniczne oceniały efekt terapeutyczny tlenku węgla.

Mikrobiologia

Mikrobiota może również wykorzystywać tlenek węgla jako gazoprzekaźnik . Wykrywanie tlenku węgla jest ścieżką sygnalizacyjną wspomaganą przez białka takie jak CooA . Zakres biologicznych ról wykrywania tlenku węgla jest wciąż nieznany.

Mikrobiom człowieka wytwarza, zużywa i reaguje na tlenek węgla. Na przykład, u niektórych bakterii tlenek węgla jest wytwarzany poprzez redukcję dwutlenku węgla przez enzym dehydrogenazę tlenku węgla z korzystną bioenergetyką do zasilania dalszych operacji komórkowych. W innym przykładzie tlenek węgla jest składnikiem odżywczym dla archeonów metanogennych, które redukują go do metanu za pomocą wodoru.

Tlenek węgla ma pewne właściwości przeciwdrobnoustrojowe, które badano w leczeniu chorób zakaźnych .

Nauka o żywności

Tlenek węgla jest stosowany w systemach pakowania w zmodyfikowanej atmosferze w USA, głównie w przypadku świeżych produktów mięsnych, takich jak wołowina, wieprzowina i ryby, aby zachować ich świeży wygląd. Korzyść jest podwójna, tlenek węgla chroni przed psuciem się drobnoustrojów i poprawia kolor mięsa, co jest atrakcyjne dla konsumentów. Tlenek węgla łączy się z mioglobiną, tworząc karboksymioglobinę, jasny wiśniowo-czerwony pigment. Karboksymioglobina jest bardziej stabilna niż natleniona forma mioglobiny, oksymioglobina, która może zostać utleniona do brązowego barwnika metmioglobiny . Ten stabilny czerwony kolor może utrzymywać się znacznie dłużej niż w normalnie pakowanym mięsie. Typowe poziomy tlenku węgla stosowane w obiektach stosujących ten proces wynoszą od 0,4% do 0,5%.

Technologia ta po raz pierwszy otrzymała status „ ogólnie uznanej za bezpieczną ” (GRAS) przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA) w 2002 r. do stosowania jako system wtórnego pakowania i nie wymaga etykietowania. W 2004 r. FDA zatwierdziła CO jako podstawową metodę pakowania, oświadczając, że CO nie maskuje nieprzyjemnego zapachu. Proces jest obecnie nieautoryzowany w wielu innych krajach, w tym w Japonii, Singapurze i Unii Europejskiej .

Toksyczność

Zatrucie tlenkiem węgla jest najczęstszym rodzajem śmiertelnego zatrucia powietrzem w wielu krajach. W Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom szacuje, że kilka tysięcy ludzi iść do szpitala pogotowia rocznie należy traktować dla zatrucia tlenkiem węgla. Według Departamentu Zdrowia Florydy „każdego roku ponad 500 Amerykanów umiera z powodu przypadkowego narażenia na tlenek węgla, a kolejne tysiące w całych Stanach Zjednoczonych wymagają natychmiastowej opieki medycznej w przypadku zatrucia tlenkiem węgla, które nie prowadzi do śmierci”. Amerykańskie Stowarzyszenie Centrów Kontroli Trucizn (AAPCC) zgłosiło 15 769 przypadków zatrucia tlenkiem węgla, które spowodowały 39 zgonów w 2007 r. W 2005 r. CPSC zgłosiło 94 zgony związane z zatruciem tlenkiem węgla związanym z generatorami.

Tlenek węgla jest bezbarwny, bezwonny i bez smaku. W związku z tym jest stosunkowo niewykrywalny. Łatwo łączy się z hemoglobiną, tworząc karboksyhemoglobinę, która potencjalnie wpływa na wymianę gazową ; dlatego narażenie może być wysoce toksyczne. Stężenia tak niskie jak 667 ppm mogą powodować przekształcenie do 50% hemoglobiny w karboksyhemoglobiny. Poziom 50% karboksyhemoglobiny może powodować drgawki, śpiączkę i śmierć. W Stanach Zjednoczonych OSHA ogranicza długoterminowe poziomy narażenia w miejscu pracy powyżej 50 ppm.

Oprócz wpływu na dostarczanie tlenu, tlenek węgla wiąże się również z innymi hemoproteinami, takimi jak mioglobina i mitochondrialna oksydaza cytochromowa , metaliczne i niemetaliczne cele komórkowe, wpływając na wiele operacji komórkowych.

Znaczące zgony

Chociaż nie są dostępne rozstrzygające dowody, następujące zgony zostały powiązane z zatruciem tlenkiem węgla:

Uzbrojenie

W starożytności Hannibal dokonywał egzekucji rzymskich jeńców za pomocą oparów węgla podczas drugiej wojny punickiej .

Tlenek węgla był używany do ludobójstwa podczas Holokaustu w niektórych obozach zagłady , z których najbardziej widocznymi były furgonetki gazowe w Chełmnie oraz w programie " eutanazja " Akcji T4 .

Przy ciśnieniu powyżej 5 gigapaskali tlenek węgla przekształca się w stały polimer węgla i tlenu . Jest metastabilny pod ciśnieniem atmosferycznym, ale jest potężnym materiałem wybuchowym.

Różnorodny

Lasery

Tlenek węgla był również używany jako środek laserowy w laserach podczerwonych dużej mocy .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki