Моноокси́д углеро́да (оксид углерода(II), о́кись углеро́да, уга́рный газ; ; химическая формула — CO) — химическое соединение, представляющее собой несолеобразующий оксид углерода, состоящий из одного атома кислорода и углерода. Сильнейший восстановитель.
При стандартных условиях монооксид углерода — это бесцветный токсичный газ без вкуса и запаха, легче воздуха.
Строение молекулы Молекула CO имеет тройную связь, как и молекула азота N2. Так как эти молекулы сходны по строению (изоэлектронны, двухатомны, имеют близкую молярную массу), то и свойства их также схожи — очень низкие температуры плавления и кипения, близкие значения стандартных энтропий и т. п.
В рамках метода валентных связей строение молекулы CO можно описать формулой :C≡O:.
Согласно методу молекулярных орбиталей, электронная конфигурация невозбуждённой молекулы CO . Тройная связь образована -связью, образованной за счёт электронной пары, а электроны дважды вырождённого уровня соответствуют двум -связям. Электроны на несвязывающих -орбитали и -орбитали соответствуют двум электронным парам, одна из которых локализована у атома углерода, другая — у атома кислорода.
Благодаря наличию тройной связи молекула CO весьма прочна (энергия диссоциации — 1069 кДж/моль (256 ккал/моль), что больше, чем у любых других двухатомных молекул), и имеет малое межъядерное расстояние (=0,1128 нм).
Молекула слабо поляризована, её электрический дипольный момент . Многочисленные исследования показали, что отрицательный заряд в молекуле CO сосредоточен на атоме углерода C−←O+ (направление дипольного момента в молекуле противоположно предполагавшемуся ранее). Энергия ионизации — 14,0 эВ, силовая константа связи — .
Свойства Оксид углерода(II) представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха. Горюч. Так называемый «запах угарного газа» на самом деле представляет собой запах органических примесей.
+ Свойства оксида углерода(II)Стандартная энергия Гиббса образования −137,14 кДж/моль (г.) (при 298 К)Стандартная энтропия образования 197,54 Дж/моль·K (г.) (при 298 К)Стандартная мольная теплоёмкость 29,11 Дж/моль·K (г.) (при 298 К)Энтальпия плавления 0,838 кДж/мольЭнтальпия кипения 6,04 кДж/мольКритическая температура −140,23 °CКритическое давление 3,499 МПаКритическая плотность 0,301 г/см3
Основными типами химических реакций, в которых участвует оксид углерода(II), являются реакции присоединения и окислительно-восстановительные реакции, в которых он проявляет восстановительные свойства.
При комнатных температурах CO малоактивен, его химическая активность значительно повышается при нагревании и в растворах. Так, в растворах он восстанавливает соли Au, Pt, Pd и других до металлов уже при комнатной температуре. При нагревании восстанавливает и другие металлы, например CO + CuO → Cu + CO2↑. Это широко используется в пирометаллургии. На реакции CO в растворе с хлоридом палладия основан способ качественного обнаружения CO.
Окисление СО в растворе часто идёт с заметной скоростью лишь в присутствии катализатора. При подборе последнего основную роль играет природа окислителя. Так, KMnO4 быстрее всего окисляет СО в присутствии мелкораздробленного серебра, K2Cr2O7 — в присутствии солей ртути, KClO3 — в присутствии OsO4. В общем, по своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный водород.
Ниже 830 °C более сильным восстановителем является CO, выше — водород. Поэтому равновесие реакции до 830 °C смещено вправо, выше 830 °C — влево.
Интересно, что существуют бактерии, способные за счёт окисления СО получать необходимую им для жизни энергию.
Оксид углерода(II) горит пламенем синего цветаОксид углерода // Российская энциклопедия по охране труда: В 3 тт. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2007. (температура начала реакции 700 °C) на воздухе: (°298 = −257 кДж, °298 = −86 Дж/K).
Благодаря такой хорошей теплотворной способности CO является компонентом разных технических газовых смесей (например, генераторный газ), используемых, в том числе, для отопления. В смеси с воздухом взрывоопасен; нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени: от 12,5 до 74 % (по объёму).
Оксид углерода(II) реагирует с галогенами. Наибольшее практическое применение получила реакция с хлором:
Протекает экзотермическая реакция, её тепловой эффект — 113 кДж. В присутствии катализатора (активированный уголь) она протекает при комнатной температуре. В результате реакции образуется фосген — вещество, получившее широкое распространение в разных отраслях химии (а также как боевое отравляющее вещество). По аналогичным реакциям могут быть получены COF2 (карбонилфторид) и COBr2 (карбонилбромид). Карбонилиодид не получен. Экзотермичность реакций быстро снижается от F к I (для реакций с F2 тепловой эффект 481 кДж, с Br2 — 4 кДж). Можно также получать и смешанные производные, например COFCl (см. галогенпроизводные угольной кислоты).
Реакцией CO с F2, кроме карбонилфторида COF2, можно получить перекисное соединение (FCO)2O2. Его характеристики: температура плавления −42 °C, кипения +16 °C, обладает характерным запахом (похожим на запах озона), при нагревании выше 200 °C разлагается со взрывом (продукты реакции CO2, O2 и COF2), в кислой среде реагирует с иодидом калия по уравнению:
Оксид углерода(II) реагирует с халькогенами. С серой образует карбонилсульфид COS, реакция идёт при нагревании, по уравнению: (°298 = −229 кДж, °298 = −134 Дж/K).
Получены также аналогичные карбонилселенид COSe и карбонилтеллурид COTe.
Восстанавливает SO2:
C переходными металлами образует горючие и ядовитые соединения — карбонилы, такие как [Fe(CO)], [Cr(CO)], [Ni(CO)], [Mn2(CO)10], [Co2(CO)9] и др. Некоторые из них летучие.
Оксид углерода(II) незначительно растворяется в воде, однако не реагирует с ней. Также он не вступает в реакции с растворами щелочей и кислот. Однако реагирует с расплавами щелочей с образованием соответствующих формиатов:
Оксид углерода(II) реагирует с металлическим калием с образованием смеси продуктов общей формулы (COK)n, эта реакция была описана Юстусом Либихом в 1834 г. Состав смеси зависит от условий проведения реакции, при определённых условиях основным продуктом является калиевая соль гексагидроксибензола (COK)6 (35 % при 150—200 °C), предполагается, что при этом первоначально образуется этинилдиолат калия KOC#COK, который сначала димеризуется в (COK)4 (что подтверждено выделением C4O4(Me)4 из смеси продуктов метилирования (COK)n метилйодидом), который, после присоединения еще одной молекулы этинилдиолата образует калиевую соль гексагидроксибензола.
Реакцией с аммиаком при высоких температурах можно получить важное для промышленности соединение — синильную кислоту HCN. Реакция идёт в присутствии катализатора (диоксид тория ThO2) по уравнению:
Важнейшим свойством оксида углерода(II) является его способность реагировать с водородом с образованием органических соединений (процесс синтеза Фишера — Тропша): спирты + линейные алканы.
Этот процесс является источником производства таких важнейших промышленных продуктов как метанол, синтетическое дизельное топливо, многоатомные спирты, масла и смазки.
Физиологическое действие
Токсичность
Оксид углерода(II) чрезвычайно токсичен. В Беларуси и России в соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 «Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности» оксид углерода является токсичным малоопасным веществом по степени воздействия на организм 4-го класса опасности.
TLV (предельная пороговая концентрация, США) — 25 ppm; TWA (среднесменная концентрация, США; ACGIH 1994—1995) — 29 мг/м3; MAC (максимальная допустимая концентрация, США): 30 ppm; 33 мг/м3. ПДКр.з. по ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны» составляет 20 мг/м3 (около 0,0017 %).
В выхлопе бензинового автомобиля допускается до 1,5—3,0 % (допустимая концентрация сильно различается в зависимости от страны/применяемых стандартов; 3 % — много даже для старого карбюраторного автомобиля без каталитического нейтрализатора).
По классификации ООН оксид углерода(II) относится к классу опасности 2,3, вторичная опасность по классификации ООН равна 2,1.
Угарный газ особенно опасен, так как не имеет запаха. Попадая в легкие, он проникает в кровь, где конкурирует с кислородом за связывание с гемоглобином, образуя прочное соединение и блокируя транспорт кислорода. Образовавшееся соединение носит название карбоксигемоглобин. Это соединение намного прочнее гемоглобина и не захватывает кислород. Накопление его в крови приводит к развитию гипоксии, которая выражается в упадке нервной деятельности и быстрой смерти. Болезненные ощущения при отравлении отсутствуют.
Признаки неострого (средней тяжести) отравления: головная боль и головокружение, сужение поля восприятия; отмечается шум в ушах, одышка, учащённое сердцебиение, мерцание перед глазами, покраснение всех кожных покровов (характерно для всех ингибиторов дыхательной цепи), общая мышечная слабость, тошнота, иногда рвота; в терминальных стадиях судороги, обморок, смертьСправочник фельдшера. Под ред. А. Н. Шабанова. — М.: «Медицина», 1984.. Один из показательных симптомов неострого отравления — кошмарные сновидения.
Токсическое действие оксида углерода(II) обусловлено образованием карбоксигемоглобина — значительно более прочного карбонильного комплекса с гемоглобином, по сравнению с комплексом гемоглобина с кислородом (оксигемоглобином). Таким образом, блокируются процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания. Концентрация в воздухе более 0,1 % приводит к смерти в течение одного часа.
Опыты на молодых крысах показали, что концентрация CO в воздухе 0,02 % замедляет их рост и снижает активность по сравнению с контрольной группой.
Ототоксичен (может ухудшать слух) PDF .
Помощь при отравлении оксидом углерода(II) При отравлении рекомендуются следующие действия: пострадавшего следует вынести на свежий воздух. искусственная вентиляция лёгких, О2-терапия, в том числе в барокамере; ацизол, хромосмон, унитиол, метиленовый синий внутривенно.
Мировой медицине неизвестны надёжные антидоты для применения в случае отравления угарным газом.
Ввиду особенностей взаимодействия окиси углерода и гемоглобина категорически запрещается давать отравленному чистый кислород — только в смеси с углекислым газом (карбоген), чтобы перевести карбоксигемоглобин крови в карбогемоглобин, который в свою очередь, затем трансформируется в оксигемоглобин.
Защита от оксида углерода(II) CO очень слабо поглощается активированным углём обычных фильтрующих противогазов, поэтому для защиты от него применяется специальный фильтрующий элемент (он может также подключаться дополнительно к основному) — гопкалитовый патрон. Гопкалит представляет собой катализатор, способствующий окислению CO в CO2 при нормальных температурах. Недостатком использования гопкалита является то, что при его применении приходится вдыхать нагретый в результате реакции воздух. Обычный способ защиты — использование изолирующего дыхательного аппарата.
Эндогенный монооксид углерода
Эндогенный монооксид углерода вырабатывается в норме клетками организма человека и животных и выполняет функцию сигнальной молекулы. Он играет известную физиологическую роль в организме, в частности, является нейротрансмиттером и вызывает вазодилатацию. Ввиду роли эндогенного угарного газа в организме нарушения его метаболизма связывают с различными заболеваниями, такими, как нейродегенеративные заболевания, атеросклероз кровеносных сосудов, гипертоническая болезнь, сердечная недостаточность, различные воспалительные процессы.