CH04 - Dwutlenek węgla

podstawa programowa: chemia klasa VII – właściwości fizyczne i chemiczne tlenku węgla (IV)

 Do doświadczenia potrzebujesz:

Co?	Skąd?	Ile kosztuje?
dwie szklanki	masz w domu	-
duży talerz	masz w domu	-
kieliszek do jajek	masz w domu	-
zapalniczka	masz w domu	-
łyżeczka do herbaty	masz w domu	-
spożywcza soda oczyszczona	sklep spożywczy	1,40 zł
ocet spirytusowy	sklep spożywczy	1,90 zł
dwie świeczki tealight	hipermarket	2,00 zł

Cena całego zestawu: 5,30 zł

UWAGA! Zasady bezpieczeństwa:

1. Doświadczenie wykonuj pod nadzorem dorosłego opiekuna
2. Chroń oczy - załóż okulary ochronne (jeśli nosisz okulary korekcyjne – one wystarczą)
3. Ostrożnie obchodź się z ogniem – rób doświadczenie z dala od łatwopalnych przedmiotów

Przebieg eksperymentu:

1. Włóż świeczkę do szklanki, zapal ją i postaw szklankę na talerzu.
2. Nalej do drugiej szklanki trochę octu, wstaw do niej kieliszek do jajek, połóż na nim drugą świeczkę i ją zapal. Szklankę postaw na talerzu obok pierwszej szklanki.
3. Wsyp płaską łyżeczkę sody oczyszczonej do szklanki z kieliszkiem do jajek. UWAGA – staraj się nie nasypać sody na świeczkę.
4. Obserwuj, co się dzieje w szklance z kieliszkiem.
5. Po chwili powoli podnieś szklankę z kieliszkiem i delikatnie przechyl ją nad drugą szklanką – tak jakbyś chciał przelać coś niewidzialnego do drugiej szklanki.

 

UWAGA: film z pokazanym eksperymentem przeznaczony jest najpierw dla rodzica.

Młody naukowcu - nie psuj sobie zabawy! nie oglądaj filmu ani nie czytaj poniżej zamieszczonego wyjaśnienia przed wykonaniem eksperymentu pod okiem rodzica.

TEORIA

Co wyszło w doświadczeniu?

Przed wsypaniem sody obie świeczki paliły się bez problemu. Po wsypaniu sody ocet i soda zaczęły się intensywnie pienić. Po chwili zgasła świeczka postawiona na kieliszku do jajek, mimo że powstająca piana jej nie dosięgła. Po przechyleniu tej szklanki nad drugą szklanką zgasła również świeczka w tej drugiej szklance – mimo, że nie było widać, aby cokolwiek przelewało się między szklankami.

Dlaczego świeczka się pali?

Spalanie równych substancji w powietrzu polega na łączeniu się tych substancji z tlenem – jednym z gazów tworzących powietrze. W przypadku świeczki pali się parafina – materiał, z którego zrobiona jest świeczka. Więcej o spalaniu możesz dowiedzieć się z doświadczenia CH01.

Dlaczego świeczka zgasła?

Jeśli zabraknie tlenu – świeczka zgaśnie. Efekt ten można uzyskać na różne sposoby. Można by wypompować powietrze z pojemnika. Można by też świeczkę nakryć jakimś kloszem i również po pewnym czasie by zgasła, bo wypaliłby się cały tlen zawarty w powietrzu pod kloszem. Przykrycie palącej się rzeczy jakimś kloszem lub specjalnym kocem jest dobrym sposobem ugaszenia ognia.

W naszym eksperymencie jednak świeczka gaśnie z innego powodu. W wyniku reakcji chemicznej octu z sodą oczyszczoną powstaje gaz, który według obecnie stosowanego nazewnictwa nazywamy tlenkiem węgla IV. Gaz ten jednak nazywany jest też dwutlenkiem węgla – pod tą nazwą zna go większość ludzi i jednocześnie jest to nazwa dopuszczalna nawet wśród chemików, więc w dalszym naszym opisie będziemy właśnie jej używać.

Cząsteczki dwutlenku węgla składają się z jednego atomu węgla i dwóch atomów tlenu, stąd wzór chemiczny dwutlenku węgla to CO₂. Cząsteczki te mają większą masę (ich masa atomowa wyrażona w jednostkach masy - tak zwanych „unitach” - to około 44), niż cząsteczki gazów, które tworzą powietrze (głównie są to: cząsteczki azotu N₂ – masa atomowa około 28, oraz cząsteczki tlenu 0₂ – masa atomowa około 32). Powoduje to, że gazowy dwutlenek węgla ma większą gęstość, niż wynosi gęstość powietrza. Taki gaz, zanim wymiesza się z powietrzem, będzie spływał „na dół” – gromadził się w naszym przypadku na dole szklanki, w której go wytworzyliśmy. Będzie on jednocześnie wypychał powietrze ze szklanki – trochę tak, jak wsypywany piasek do pełnej szklanki z wodą wypychałby wodę – woda zaczynałaby wyciekać poza szklankę.

Jeśli wytworzymy odpowiednio dużo dwutlenku węgla, to wypełni on całą szklankę. W momencie, kiedy jego poziom osiągnie poziom knota świeczki, świeczka zgaśnie. Dlatego też świeczka nie zgasła od razu, ale po pewnym czasie – musiało się wytworzyć odpowiednio dużo dwutlenku węgla. Mimo że nie widzimy dwutlenku węgla (światło, które są w stanie widzieć nasze oczy, nie jest przez niego pochłaniane – jest on dla nas po prostu przezroczysty), to po efektach jego działania możemy się domyśleć, kiedy wypełnił on całą szklankę – właśnie wtedy, gdy knot zgasł.

Dlaczego zgasła druga świeczka?

Gazy, tak jak ciecze (jak na przykład woda) – to płyny. Płyny – jak sama nazwa wskazuje – płyną. Mogą więc się przelewać, tak jak woda, z jednego naczynia do drugiego. Choć nie widzimy dwutlenku węgla, to on jest w naszej szklance i może zostać przelany do drugiej szklanki. Jako gęstszy od powietrza, bardzo szybko opada na dno tej drugiej szklanki. Wypycha z niej powietrze, powoduje brak tlenu wokół tej drugiej świeczki i w konsekwencji jej zgaśnięcie.

Ale przecież świeczka też wytwarza dwutlenek węgla!

To prawda. Parafina, z której zbudowana jest świeczka, to związek chemiczny węgla i wodoru. W wyniku jej spalania powstają dwa tlenki: dwutlenek węgla oraz tlenek wodoru – czyli po prostu woda (w postaci gazowej - pary wodnej). Paląca się świeczka wytwarza jednak te gazy powoli. Na tyle powoli, że świeże powietrze (z nowymi porcjami tlenu) zdąża dopływać do wnętrza szklanki, a więc również do palącego się knota świeczki. Dopływ powietrza jest łatwiejszy również z tego powodu, że powstające przy spalaniu parafiny gazy są gorące. To powoduje mieszanie się powietrza i tych gazów w wyniku tak zwanej konwekcji – o tym zjawisku będziesz się uczyć na fizyce.

Również my, tak jak i inne organizmy żywe, wytwarzamy dwutlenek węgla i pozbywamy się go, wydychając powietrze z naszych płuc. Ale też, tak jak paląca się świeczka, wytwarzamy go powoli i dzięki temu, nawet gdy przebywamy w jakimś zamkniętym pokoju, nie zabraknie nam tlenu, jeśli tylko pokój jest chociaż trochę wietrzony. Gorzej, gdybyśmy znaleźli się w jakimś zamkniętym pomieszczeniu, na przykład w łodzi podwodnej czy statku kosmicznym, i zepsuł by się system oczyszczania powietrza. Po pewnym czasie z braku tlenu i nadmiaru dwutlenku węgla byśmy się udusili.

Właściwości dwutlenku węgla

Dzięki wykonanemu doświadczeniu mogliśmy zatem poznać następujące właściwości dwutlenku węgla:

• jest bezbarwnym gazem
• ma większą gęstość od powietrza
• jest niepalny
• jest jednym z tlenków - tlenkiem węgla
• może powstawać w wyniku spalania substancji zawierających węgiel, ale też możemy go uzyskać w innych reakcjach chemicznych – na przykład reakcji sody oczyszczonej z octem.

Czy dwutlenek węgla może się nam na coś przydać?

Wykonane doświadczenie pokazuje jedno oczywiste zastosowanie dwutlenku węgla – do gaszenia ognia. I rzeczywiście – w chemicznych gaśnicach pianowych powstaje piana, której bąbelki są wypełnione dwutlenkiem węgla. W takiej gaśnicy zachodzi podobna reakcja chemiczna do tej wykonanej w naszym doświadczeniu. Przy czym aby powstawała piana, to dodatkowo dodana jest substancja pieniąca podobna do płynu do mycia naczyń.

Jest dużo innych zastosowań dwutlenku węgla. Chociażby jest używany w napojach gazowanych - to jego bąbelki uwalniają się po otworzeniu butelki. O wielu innych zastosowaniach dwutlenku węgla możesz przeczytać w książkach lub Internecie – na przykład pod linkami podanymi na końcu opisu.

Czy dwutlenek węgla może być niebezpieczny?

Wydawać by się mogło, że skoro to gaz niepalny i my sami go wytwarzamy w naszym organizmie, to nie powinien być niebezpieczny. Ale niestety tak nie jest. Jeśli znaleźlibyśmy się w jakimś zagłębieniu terenu albo jakiejś piwnicy i niedaleko nas powstałoby w krótkim czasie bardzo dużo dwutlenku węgla, to gaz ten - jako gęstszy od powietrza – mógłby wlać się do tego zagłębienia i wyprzeć z niego całe powietrze - tak jak wlał się w naszym doświadczeniu do tej drugiej szklanki. Wtedy byśmy bardzo szybko się udusili.

Niestety takie przypadki się zdarzają i to w naturze. Przykładem może być katastrofa nad Jeziorem Nyos w Kamerunie, która wydarzyła się w 1986 roku. W wyniku naturalnego procesu geologicznego doszło do gwałtownego uwolnienia się z dna jeziora olbrzymiej ilości dwutlenku węgla. Wypełnił od sąsiadujące z jeziorem doliny, dusząc znajdujących się tam ludzi i zwierzęta.

****

Więcej o dwutlenku węgla możesz przeczytać tu: https://zpe.gov.pl/a/wlasciwosci-tlenku-weglaiv/DEDBTl2wV

lub obejrzeć np. tu: https://pistacja.tv/film/chm00032-tlenek-wegla-iv-wlasciwosci

O katastrofie związanej z erupcją dwutlenku węgla z jeziora Nyos możesz przeczytać np. tu: https://pl.wikipedia.org/wiki/Katastrofa_nad_jeziorem_Nyos

lub obejrzeć np. tu: https://www.youtube.com/watch?v=G9x0xcvDcP4