Cacbon dioxit (CO2) là gì? Tính chất hóa học & vật lý của CO2

Carbon dioxide (CO2) là một hợp chất hóa học được biết đến rộng rãi có nhiều trong bầu khí quyển của trái đất. Vậy khí cacbonic là gì? Hãy cùng Manta.edu.vn tìm hiểu tính chất, cách điều chế, ứng dụng và bài tập chi tiết của loại hợp chất quen thuộc này nhé.

Định nghĩa của carbon dioxide là gì?

Cacbon đioxit hay cacbon đioxit (còn được gọi với nhiều tên khác như cacbon đioxit, anhydrit cacbonic, cacbon đioxit) là một hợp chất hóa học ở dạng khí có trong khí quyển Trái đất ở điều kiện bình thường. Carbon dioxide bao gồm một nguyên tử carbon và hai nguyên tử oxy. Khi ở thể rắn, carbon dioxide còn được gọi là đá khô hay đá khô.

• Công thức hóa học : CO2
• Khối phân từ : 44
• Cấu trúc phân tử :

Trong phân tử CO2, mỗi nguyên tử cacbon nhường 4 electron liên kết. Trong mỗi liên kết CO, cacbon nhường 2 electron, oxi thiếu 2 electron. Do đó, mỗi liên kết CO cần chia sẻ 4 electron để tạo thành liên kết đôi. (gồm 1 liên kết π bền và 1 liên kết σ bền). Đây là liên kết cộng hóa trị có cực nhưng do có cấu tạo thẳng nên CO2 là phân tử không phân cực.

Carbon dioxide (CO2) được lấy từ nhiều nguồn khác nhau , bao gồm:

• Khí thoát ra từ núi lửa , sản phẩm cháy của các hợp chất hữu cơ và quá trình hô hấp của sinh vật hiếu khí.
• Bên cạnh đó, CO2 được tạo ra từ quá trình lên men của một số vi sinh vật và quá trình hô hấp tế bào . Thực vật hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp và sử dụng carbon và oxy để tạo ra carbohydrate. Thực vật cũng giải phóng oxy trở lại khí quyển và được sử dụng bởi các sinh vật dị dưỡng trong quá trình hô hấp, tạo thành một chu trình.
• Nó xảy ra trong bầu khí quyển của Trái đất ở nồng độ thấp và hoạt động như một loại khí nhà kính, trở thành thành phần chính trong chu trình carbon.

Tính chất vật lý của khí cacbonic

Xuất hiện xung quanh chúng ta, khí cacbonic có những tính chất vật lý nào?

• Màu, mùi : Khí cacbonic (CO2) là chất khí không màu, không mùi, nặng hơn không khí có d(CO2/kk)= 44/29. Ở 25°C, CO2 nặng hơn không khí khoảng 1,5 lần.
• Khí hòa tan trong nước bọt : Khi hít phải carbon dioxide ở nồng độ cao sẽ tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác châm chích ở mũi và cổ họng. Những hiệu ứng này xảy ra do khí hòa tan trong nước bọt, tạo ra dung dịch axit carbonic yếu.
• Phân hủy : Khí cacbonic có thể bị phân hủy ở nhiệt độ cao 2000 oC, tạo thành CO và O2. CO2 được hình thành dưới dạng chất rắn khi làm lạnh đột ngột (nhiệt độ dưới -78 °C). Sau đó, chúng ngưng tụ thành các tinh thể màu trắng được gọi là băng khô. Đá khô sẽ thăng hoa mà không tan chảy thành CO2 lỏng dưới áp suất thường.
• Phân tử CO2 (O=C=O) chứa 2 liên kết đôi, có dạng mạch thẳng. Nó không có lưỡng cực điện. Vì là hợp chất bị oxi hóa hoàn toàn nên nó không cháy .
• Điểm sôi : -78 oC (-108 oF; 195K)
• Khối lượng riêng : CO2 là 1,98 kg۰m-3 (ở 25 oC)
• Điểm nóng chảy : -57 oC (-71 oF; 216K) (áp suất)

Tính chất hóa học của khí cacbonic

Khí cacbonic (CO2) có những tính chất hóa học đặc trưng của một oxit axit.

Khí cacbonic tan trong nước tạo thành axit cacbonic (là một axit rất yếu).

Để chứng minh điều này, người ta làm thí nghiệm cho mẩu giấy quỳ tím vào ống nghiệm đựng nước, rồi sục khí CO2 vào ống nghiệm. Khi đun nóng dung dịch thu được, quan sát thấy giấy quỳ tím lúc đầu chuyển sang màu đỏ, sau đó chuyển sang màu tím sau khi đun nóng.

Phản ứng này dẫn đến kết luận: CO2 phản ứng với nước tạo thành dung dịch axit làm quỳ tím chuyển sang màu đỏ. H2CO3 không bền, dễ bị phân huỷ thành CO2 và H2O, khi đun nóng làm quỳ tím chuyển màu đỏ.

Phương trình: CO2(k)+ H2O(l) H2CO3(dd)

Cacbonic phản ứng với dung dịch bazơ

Phản ứng với dung dịch bazơ là một trong những phản ứng thể hiện tính chất hóa học quan trọng của khí cacbonic. CO2 phản ứng với dung dịch bazơ tạo thành muối và nước theo phương trình sau:

CO2(k) + 2NaOH(dd) → Na2CO3(dd) + H2O(l)

1mol 2mol

CO2(k) + NaOH(dd) → NaHCO3(dd)

1mol 1mol

Phản ứng có thể tạo ra muối trung hòa, muối axit hoặc hỗn hợp hai muối tùy thuộc vào tỷ lệ mol giữa CO2 và NaOH.

Cacbonic phản ứng với oxit bazơ

CO2 có tính chất hóa học đặc trưng của một oxit axit vì nó phản ứng với một oxit bazơ tạo thành muối.

Phương trình: CO2(k) + CaO(dd) → CaCO3(dd)

Điều chế khí cacbonic

Khí cacbonic được điều chế như thế nào? Tiết này chúng ta sẽ tìm hiểu về 2 phương pháp điều chế CO2 phổ biến trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.

Điều chế khí cacbonic trong phòng thí nghiệm

Trong phòng thí nghiệm, CO2 thường được điều chế từ CaCO3 và dung dịch HCl. Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra một sản phẩm có chứa dấu vết của khí hydro clorua và hơi nước.

Phương trình điều chế: CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O

Để thu khí CO2 tinh khiết, người ta cho hỗn hợp khí và hơi đi qua bình đựng dung dịch NaHCO3 dư, khi đó khí hiđro clorua sẽ bị giữ lại. Người ta tiếp tục cho hỗn hợp còn lại đi qua bình đựng H2SO4 đặc hoặc P2O5 thì hơi nước sẽ bị hấp thụ và thu được khí CO2 tinh khiết.

Chuẩn bị công nghiệp carbon dioxide

Trong công nghiệp, CO2 được tạo ra bằng cách đốt cháy hoàn toàn than cốc trong không khí theo phương trình: C + O2 → CO2

Hoặc có thể nhiệt phân đá vôi tạo khí cacbonic theo phương trình:

CaCO3 → CaO + CO2 (ở 1000oC)

Ngoài ra, người ta có thể thu CO2 từ quá trình hô hấp của con người hoặc động vật, từ quá trình lên men rượu và đốt cháy nhiên liệu:

• Hô hấp của người hoặc động vật: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
• Lên men rượu: C6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH
• Đốt cháy nhiên liệu: CxHy + (x+y/4)O2 → XCO2 + (y/2)H2O

Ứng dụng của khí cacbonic

Với những đặc tính vật lý và tính chất hóa học của mình, khí cacbonic là hợp chất hóa học ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong đời sống con người và trong nhiều ngành quan trọng như: Công nghiệp, y học, công nghệ thực phẩm. .

Ứng dụng của CO2 trong công nghiệp

Cacbon đioxit là một hợp chất quan trọng có ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong công nghiệp. Vậy những ứng dụng này là gì?

• Được sử dụng như một loại khí áp suất thấp, không bắt lửa. Vì vậy nó được dùng làm áo phao hay làm ống trong súng hơi, trong bơm xe đạp. Ống thép carbon nén cũng được bán để cung cấp khí nén cho súng hơi, bơm lốp xe đạp và nước khoáng. Sự bay hơi nhanh chóng của CO2 lỏng cũng được sử dụng để gây ra các vụ nổ trong các mỏ than.
• Trong nhiều loại bình chữa cháy hiện nay có chứa khí CO2 lỏng – carbon dioxide còn có vai trò dập tắt các đám cháy do chập cháy, chập điện .
• Mặc dù phản ứng với hầu hết các kim loại nhưng CO2 vẫn được sử dụng làm môi chất khí trong công nghệ hàn. Tuy nhiên, mối hàn này sẽ giảm chất lượng do axit cacbonic được hình thành và dễ giòn hơn so với các môi trường khí trơ như agon, heli, v.v.

Ứng dụng của CO2 trong y tế

Bên cạnh công nghiệp, CO2 còn đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực y tế, cụ thể:

• Dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ, là chất thay thế ít độc hại hơn so với các dung môi truyền thống như clorua hữu cơ và được sử dụng để loại bỏ caffein khỏi cà phê.
• Carbon dioxide đóng vai trò quan trọng khi được thêm vào oxy tinh khiết (5%) để hỗ trợ hô hấp của bệnh nhân ổn định và cân bằng oxy/carbon dioxide trong máu.
• Vì carbon dioxide là nguyên liệu chính cho quá trình quang hợp nên nó được bơm vào nhà kính để kích thích sự phát triển của thực vật . Ngoài ra CO2 còn được dùng để diệt nhiều loại giun với nồng độ cao.

Ứng dụng của CO2 trong đời sống

Trong đời sống, khí cacbonic ở dạng đá khô (hay còn gọi là đá khói) được dùng để tạo hiệu ứng sương mù, xuất hiện nhiều trong các sự kiện: Đám cưới, game show,…

Lưu ý: Trong quá trình sử dụng đá khô nên đeo găng tay để tránh bị “bỏng lạnh” và không được bảo quản trong thùng kín vì áp suất do đá khô tác dụng có thể gây nổ thùng.

Ứng dụng CO2 trong công nghệ thực phẩm

Trong ngành công nghệ thực phẩm, khí CO2 cũng đóng vai trò vô cùng quan trọng, điển hình là:

• Trong ngành công nghiệp thực phẩm, carbon dioxide được nén lạnh thành đá khô và được sử dụng như một chất làm lạnh quan trọng, với vai trò lưu trữ trong việc vận chuyển và bảo quản các sản phẩm đông lạnh , kem, v.v.
• Với ngành nước giải khát, CO2 được sử dụng để tạo gas cho nhiều loại nước uống có gas phổ biến như coca, pepsi, 7up, v.v.
• Với tính chất “thăng hoa” đặc trưng, CO2 được ứng dụng trong bảo quản thực phẩm tươi sống .
• Carbon dioxide cũng được sử dụng trong chiết xuất thực phẩm : Carbon dioxide siêu tới hạn với vai trò loại bỏ dầu và chất béo được sử dụng trong chiết xuất màu sắc và hương vị trong thực phẩm.

Khí CO2 có độc không và những lưu ý khi sử dụng?

Theo thống kê, con người ngày càng thải nhiều khí CO2 vào bầu khí quyển. Chủ yếu lượng carbon dioxide này được tạo ra từ quá trình đốt than và khí đốt tự nhiên của các nhà máy điện, sản xuất phân bón, xi măng và các quy trình công nghiệp khác.

CO2 không phải là khí độc nhưng nếu tồn tại ở nồng độ cao sẽ làm giảm lượng oxi trong không khí, gây tác hại trực tiếp đến môi trường sống và sức khỏe con người.

Tác động đến môi trường

Nồng độ carbon dioxide trong môi trường tăng lên làm tăng đáng kể hiệu ứng nhà kính. Hiện tượng này làm cho trái đất nóng lên, ảnh hưởng và đe dọa trực tiếp đến sự sống của con người và các sinh vật trên trái đất.

Khi nồng độ carbon dioxide tăng nhanh, quá trình tổng hợp protein bị giảm. Khi côn trùng ăn thực vật thiếu đạm sẽ có tỷ lệ tử vong cao hơn, gây hại cho hệ sinh thái.

Ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Nồng độ carbon dioxide cao sẽ làm giảm nồng độ oxy trong không khí , gây ra những ảnh hưởng nguy hiểm đến sức khỏe con người như mệt mỏi, khó thở, kích thích thần kinh, tăng nhịp tim và nhiều rối loạn khác.

Khi lượng CO2 trong không khí quá cao – tuy không phải là hiện tượng hít phải khí độc nhưng lại gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe, thậm chí có thể gây tử vong cho con người.

Ngoài ra, khi da tiếp xúc trực tiếp với khí carbon dioxide đông lạnh (đá khô) sẽ gây ra hiện tượng “bỏng lạnh” – làm tê liệt các bộ phận trên cơ thể.

Cách xử lý khi ngộ độc khí CO2

Ngoài tức ngực, các triệu chứng ban đầu của ngộ độc khí CO2 có thể bao gồm: Nhức đầu, mệt mỏi, chóng mặt, buồn ngủ hoặc buồn nôn. Những cơn đau ngực đột ngột có thể xảy ra ở những người có tiền sử đau thắt ngực. Khi tiếp xúc kéo dài, các triệu chứng có thể trở nên tồi tệ hơn, với nôn mửa, ngất xỉu, bất tỉnh và yếu cơ.

Các triệu chứng ngộ độc CO2 rất khác nhau tùy theo từng trường hợp. Ngộ độc khí CO2 có thể xảy ra sớm hơn ở những người như: trẻ nhỏ, người già, người mắc bệnh phổi hoặc tim, người giữ chức vụ cao, người hút thuốc lá…

Vậy xử lý thế nào khi phát hiện người bị ngộ độc khí CO2?

• CO2 nặng hơn không khí nên di chuyển nạn nhân ngộ độc CO2 lên cao. (Lưu ý chỉ nên thực hiện việc này khi môi trường không gây nguy hiểm cho người sơ cứu và chỉ những người sơ cứu được đào tạo, huấn luyện chuyên nghiệp mới được tiến hành sơ cứu thở oxy cho người bị ngộ độc khí CO2).
• Nếu có yếu tố nguy hiểm đến tính mạng người bệnh, cần gọi cấp cứu để được giúp đỡ kịp thời.

bảo quản khí CO2

Để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng khí CO2, chúng ta cần chú ý đến cách bảo quản và vận chuyển loại hợp chất hóa học này.

Lưu ý khi sử dụng CO2. khí ga

• CO2 trong bình chứa thường tồn tại ở thể lỏng, cần đun nóng để chuyển hóa thành khí. Do đó, cần lắp thêm bộ phận làm nóng cho các van điều chỉnh khí CO2, tránh trường hợp đông đá sẽ làm tắc đường cấp khí.
• Chỉ sử dụng mặt nạ phòng độc có van khi người vận hành đã được đào tạo về cách sử dụng.
• Cần tìm hiểu về lợi ích của việc lắp đặt thiết bị dò gas giúp phòng ngừa và xử lý tình huống nhanh nhất.

Lưu ý khi lưu trữ và vận chuyển CO2

• Khi lưu trữ carbon dioxide, CO2 nên được lưu trữ trong stec cách nhiệt kín hoặc trong chai chịu áp suất kín.
• Khi nạp CO2 lỏng không được vượt quá 0,625 kg/lít bình, nạp stec không được vượt quá 0,9 kg/lít bình. Cần chú ý tránh để bình hoặc stec va đập mạnh, đồng thời để khí CO2 tránh xa nguồn nhiệt. Nếu sản phẩm được bảo quản trong thời gian dài trong stec, cần có hệ thống làm lạnh riêng.
• Khi vận chuyển chai CO2 lỏng phải xếp chồng theo chiều ngang, van của các chai hướng về cùng một phía, có gioăng đệm giữa các chai và xe vận chuyển phải có mui che.

Bài tập về khí cacbonic SGK Hóa học 9 có lời giải

Sau khi hiểu được khí cacbonic (CO2) là gì, tính chất, điều chế và ứng dụng của hợp chất hóa học này, chúng ta hãy vận dụng để giải một số bài toán cơ bản sau.

Bài tập 1 (trang 87 SGK Hóa học 9)

Viết phương trình hóa học của CO2 với dung dịch NaOH, dung dịch Ca(OH)2 trong trường hợp:

a) Tỉ lệ mol n : n = 1 : 1

b) Tỉ lệ mol n : n = 2 : 1

Câu trả lời gợi ý:

Phương trình hóa học của CO2 với:

a) Dung dịch NaOH theo tỉ lệ nCO2 : nNaOH = 1 : 1

CO2 + NaOH → NaHCO3

b) Dung dịch Ca(OH)2 theo tỉ lệ nCO2 : nCa(OH)2 = 2 : 1.

2CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2↓

Bài tập 2 (trang 87 SGK Hóa học 9)

Có hỗn hợp hai khí CO và CO2. Nêu phương pháp hóa học chứng minh sự có mặt của hai khí này. Viết các phương trình hóa học.

Câu trả lời gợi ý:

• Cho hỗn hợp khí lội qua bình đựng dung dịch nước vôi trong, nếu nước vôi trong vẩn đục chứng tỏ trong hỗn hợp khí có CO2.

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

• Khí đi ra khỏi bình đựng nước vôi trong được dẫn qua ống thủy tinh đựng CuO nung nóng, nếu có kim loại màu đỏ bay ra và khí thoát ra từ ống thủy tinh làm vẩn đục nước vôi trong chứng tỏ có hỗn hợp. khí CO2.

CO + CuO → Cu + CO2.

Bài tập 3 (trang 87 SGK Hóa học 9)

Trên mặt hồ chứa đá vôi lâu ngày thường có lớp rắn chắc. Hãy giải thích hiện tượng này và viết phương trình hóa học.

Câu trả lời gợi ý:

Do Ca(OH)2 phản ứng với khí CO2 trong không khí tạo nên một lớp CaCO3 rất mỏng trên bề mặt nước vôi trong.

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Với những thông tin quan trọng như cacbon đioxit là gì, tính chất, điều chế, ứng dụng và bài tập về hợp chất này, hi vọng bài viết trên đã cung cấp cho các bạn những kiến thức bổ ích. Ngoài ra, các em có thể tham khảo thêm nhiều tài liệu bổ ích hỗ trợ ôn tập môn Hóa khác trên website Manta.edu.vn và đừng quên chia sẻ nếu thấy bài viết hữu ích nhé!