Как расставлять степени окисления в органических соединениях? Степень окисления углерода показывает сложность химических связей Что подразумевается под окислением
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Углерод – шестой по счету элемент Периодической таблицы. Расположен во втором периоде IV группы A подгруппы. Обозначение – C.
В свободном состоянии углерод известен в виде алмаза, кристаллизующегося в кубической и гексагональной (лонсдейлит) системе, и графита, принадлежащего к гексагональной системе. Такие формы углерода, как древесный уголь, кокс или сажа имеют неупорядоченную структуру. Также есть аллотропные модификации, полученные синтетическим путем - это карбин и поликумулен - разновидности углерода, построенные из линейных цепных полимеров типа …-C≡ C-C≡C-… или.. = C = C = C = C = ….
Известны также аллотропные модификации углерода, имеющие следующие названия: графен, фуллерен, нанотрубки, нановолокна, астрален, стеклоуглерож, колоссальные нанотрубки; аморфный углерод, углеродные нанопочки и углеродная нанопена.
В природе углерод находится в виде двух стабильных изотопов 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%).
Степень окисления углерода в соединениях
Углерод существует в виде нескольких простых веществ - аллотропных модификаций (см. выше), в которых его степень окисления равна нулю .
С менее электроотрицательными, чем он сам, элементами углерод дает карбиды. Поскольку для углерода характерно образовывать гомоцепи, состав большинства карбидов не отвечает степени окисления углерода (-4): Si +4 C -4 , B 4 C -4 , CaC -4 2 , Al 4 C -4 3 . В качестве простейшего карбида можно рассматривать метан C -4 H 4 .
Углерод проявляет степени окисления (+2) и (+4) , в соединениях с более электроотрицательными, чем он сам, неметаллическими элементами, например C +2 O -2 , C +2 S -2 , H +1 C -2 N +1 , C +4 O -2 2 , C +4 F -1 4 , C +4 O -2 S -2 , C +4 O -2 Cl -1 2 , C +4 Cl -1 4 и т.д.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Определите степени окисления кислотообразующих элементов в следующих соединениях: HNO 2 , H 2 CO 3 , H 4 SiO 4 , HPO 3 . |
| Решение | В указанных соединениях кислотообразующими элементами являются азот, углерод, кремний и фосфор. Степень окисления кислорода равна (-2), а водорода - (+1). Примем за «х» степень окисления кислотообразующего элемента и при помощи уравнения электронейтральности найдем её значение:
1 + x + 2×(-2) = 0; Степень окисления азота равна (+3). 2×(+1) + x + 3×(-2) = 0; Степень окисления углерода равна (+4). 4×(+1) + x + 4×(-2) = 0; Степень окисления кремния равна (+4). 1 + x + 3×(-2) = 0; Степень окисления фосфора равна (+5). |
| Ответ | HN +3 O 2 , H 2 C +4 O 3 , H 4 Si +4 O 4 , HP +5 O 3 . |
Каждый элемент способен образовывать простое вещество, находясь в свободном состоянии. В таком состоянии движение атомов происходит одинаково, они симметричны. В сложных веществах дело обстоит намного сложнее. в таком случае асимметричны, в молекулах сложных веществ образуются сложные
Что подразумевается под окислением
Существуют такие соединения, в которых электроны распределяются максимально неравномерно, т.е. при образовании сложных веществ переходят от атома к атому.
Именно такая неравномерность распределения в сложных веществах называется окисленностью или окислением. Образуемый при этом заряд атома в молекуле называется степенью окисленности элементов. В зависимости от природы перехода электронов от атома к атому различают отрицательную либо положительную степень. В случае отдачи либо принятия атомом элемента нескольких электронов образуется соответственно положительная и отрицательная степени окисления химических элементов (Э+ или Э -). Например, запись К +1 означает, что атом калия отдал один электрон. В любом центральное место занимают атомы углерода. Валентность данного элемента соответствует 4-м в любом соединении, однако в разных соединениях степень окисления углерода будет разной, она будет равна -2, +2, ±4. Такая природа разного значения валентности и степени окисления наблюдается практически в любом соединении.
Определение степени окисления
Чтобы правильно определить необходимо знать основополагающие постулаты.
Металлы не способны иметь минусовую степень, однако существуют редкие исключения, когда металл образует соединения с металлом. В периодической системе номер группы атома соответствует максимально возможной степени окисления: углерода, кислорода, водорода и любого другого элемента. Электроотрицательный атом при смещении в сторону другого атома одного электрона получает заряд -1, двух электронов -2 и т.д. Это правило не действует для одних и тех же атомов. Например, у связи Н-Н она будет равна 0. Связь С-Н=-1. Степень окисления углерода в связи С-О=+2. Одно и то же значение степени имеют металлы первой и второй группы системы Менделеева и фтор (-1). У водорода данная степень практически во всех соединениях равна +1, за исключением гидридов, в которых она составляет -1. Для элементов, имеющих непостоянную степень, ее можно посчитать, зная формулу соединения. Основное правило, которое гласит, что сумма степеней в любой молекуле равна 0.
Пример расчета степени окисления
Рассмотрим расчет степени окисления на примере углерода в соединении CH3CL . Возьмём исходные данные: степень у водорода равна +1, у хлора -1. Для удобства в расчете х будем считать степень окисления углерода. Тогда, для CH3CL будет иметь место уравнение х+3*(+1)+(-1)=0. Произведя несложные арифметические действия, можно определить, что степень окисления углерода будет равняться +2. Таким способом можно произвести расчеты для любого элемента в сложном соединении.
Разберем задания №4 из вариантов ОГЭ за 2016 год.
Задания с решениями.
Задание №1.
Валентность неметаллов последовательно увеличивается в ряду водородных соединений, формулы которых:
1. HF → CH4 → H2O → NH3
2. SiH4 → AsH3 → H2S → HCl
3. HF → H2O → NH3 → CH4
4. SiH4 → H2S → AsH3 → HCl
Объяснение: расставим по порядке во всех вариантах ответа валентности неметаллов:
1. HF (I)→ CH4(IV) → H2O(II) → NH3(III)
2. SiH4(IV) → AsH3(III) → H2S(II) → HCl(I)
3. HF(I) → H2O(II) → NH3(III) → CH4(IV)
4. SiH4(IV) → H2S(II) → AsH3(III) → HCl(I)
Правильный ответ - 3.
Задание №2.
В веществах, формулы которых: CrO3, CrCl2, Cr(OH)3, хром проявляет степени окисления, соответственно равные:
1. +6, +2, +3
2. +6, +3, +2
3. +3, +2, +3
4. +3, +2, +6
Объяснение: определим у хрома степени окисления в данных соединениях: +6, +2, +3. Правильный ответ - 1.
Задание №3.
Азот проявляет одинаковую степень окисления в каждом из двух веществ, формулы которых:
1. N2O5 и LiNO3
2. Li3N и NO2
3. NO2 и HNO2
4. NH3 и N2O3
Объяснение: определим степени окисления азота в каждой паре соединений:
1. +5 и +5
2. -3 и +4
3. +4 и +3
4. -3 и +3
Правильный ответ - 1.
Задание №4.
В порядке уменьшения валентности в водородных соединениях элементы расположены в ряду:
1. Si → P → S → Cl
2. F → N → C → O
3. Cl → S → P → Si
4. O → S → Se → Te
Объяснение: напишем соответствующие водородные соединения с соответствующими валентностями для каждого ряда:
1. SiH4(IV) → PH3(III) → H2S(II) → HCl(I)
2. HF(I) → NH3(III) → CH4(IV) → H2O(II)
3. HCl(I) → H2S(II) → PH3(III) → SiH4(IV)
4. H2O(II) → H2S(II) → H2Se(II) → H2Te(II)
Правильный ответ - 1.
Задание №5.
Отрицательная степень окисления химических элементов численно равна:
1. номеру группы в периодической системе
2. Числу электронов, недостающих до завершения внешнего электронного слоя
3. Числу электронных слоев в атоме
4. Номеру периода, в котором находится элемент в периодической системе
Объяснение: электроны - отрицательные частицы, поэтому отрицательная степень окисления обозначает количество электронов, добранных до завершения уровня. Правильный ответ - 2.
(соответственно, положительная степень окисления обозначает недостаток электронов)
Задание №6.
Валентность хрома равна шести в веществе, формула которого:
1. Cr(OH)3 2. Cr2O3 3. H2CrO4 4. CrO
Объяснение: определим валентность хрома в каждом веществе:
1. Cr(OH)3 - III 2. Cr2O3 - III 3. H2CrO4 - VI 4. CrO - II
Правильный ответ - 3.
Задание №7.
Атомы серы и углерода имеют одинаковую степень окисления в соединениях
1. H2S и CH4
2. H2SO3 и CO
3. SO2 и H2CO3
4. Na2S и Al3C4
Объяснение: определим в каждой паре степени окисления серы и углерода:
1. +2 и -4
2. +4 и +2
3. +4 и +4
4. -2 и -4
Правильный ответ - 3.
Задание №8.
В порядке уменьшения валентности в высших оксидах элементы расположены в ряду:
1. Cl → S → P → Si
2. Si → P → S → Cl
3. N → Si → C → B
4. Na → K → Li → Cs
Объяснение: запишем формулы высших оксидов с соответствующими валентностями для каждого ряда элементов:
1. Cl2О7(VII) → SО3(VI)→ P2О5(V) → SiО2(IV)
Правильный ответ - 1.
Задание №9.
В каком соединении марганец имеет наибольшую степень окисления?
1. KMnO4 2. MnSO4 3. K2MnO4 4. MnO2
Объяснение: определит степень окисления марганца в каждом соединении:
1. KMnO4 - +7 2. MnSO4 - +2 3. K2MnO4 - +6 4. MnO2 - +4
Правильный ответ - 1.
Задание №10.
Высшую степень окисления углерод имеет в соединении:
1. С алюминием
2. С кальцием
3. С хлором
4. С железом
Объяснение: запишем соответствующие соединения углерода со степенями окисления:
1. Al4C3 (-4)
2. CaC2 (-4)
3. CCl (+4)
4. Fe3C (-2)
Правильный ответ - 3.
Задания для самостоятельной работы.
1. Нулевое значение степени окисления имеют все элементы в веществах, формулы которых:
1. SO2, H2S, H2
2. N2, NH3, HNO3
3. HBr, Br2, NaBr
4. H2, Br, N2
2. Вещество, в котором степень окисления фосфора равна -3, имеет формулу:
1. P2O5 2. P2O3 3. PCl3 4. Ca3P2
3. Степень окисления железа в соединениях, формулы которых Fe2O3 и Fe(OH)2, соответственно равна:
1. +3 и +3 2. +2 и +2 3. +3 и +2 4. +2 и +3
4. В соединениях, формула которого CaCO3, степень окисления углерода равна:
1. +2 2. -4 3. -2 4. +4
5. В соединениях, формула которого HClO3, степень окисления хлора равна:
1. +5 2. +3 3. +1 4. +7
6. В соединениях, формула которого H3PO4, степень окисления фосфора равна
1. +3 2. +5 3. +2 4. +1
7. Валентность углерода в соединениях, формулы которых СН4 и СО2, соответственно равна:
1. II и IV 2. II и II 3. IV и II 4. IV и IV
8. В соединении, формула которого Н2О2, степень окисления кислорода равна:
1. -2 2. -1 3. +2 4. +1
9. В соединении, формула которого Fe3O4, степень окисления железа равна:
1. +2, +3 2. +2 3. +3 4. +4
10. В перечне KClO3, Cl2, HF, KI, F2, CBr4, AgBr, число формул веществ, в которых галогены имеют нулевую степень окисления, равно
1. Одному 2. Двум 3. Трем 4. Четырем
Предоставленные задания были взяты из сборника для подготовки к ОГЭ по химии авторов: Корощенко А.С. и Купцовой А.А.
Степень окисления - условная величина, использующаяся для записи окислительно-восстановительных реакций. Для определения степени окисления используется таблица окисления химических элементов.
Значение
Степень окисления основных химических элементов основана на их электроотрицательности. Значение равно числу смещённых в соединениях электронов.
Степень окисления считается положительной, если электроны смещаются от атома, т.е. элемент отдаёт электроны в соединении и является восстановителем. К таким элементам относятся металлы, их степень окисления всегда положительная.
При смещении электрона к атому значение считается отрицательным, а элемент - окислителем. Атом принимает электроны до завершения внешнего энергетического уровня. Окислителями является большинство неметаллов.
Простые вещества, не вступающие в реакцию, всегда имеют нулевую степень окисления.
Рис. 1. Таблица степеней окисления.
В соединении положительную степень окисления имеет атом неметалла с меньшей электроотрицательностью.
Определение
Определить максимальную и минимальную степень окисления (сколько электронов может отдавать и принимать атом) можно по периодической таблице Менделеева.
Максимальная степень равна номеру группы, в которой находится элемент, или количеству валентных электронов. Минимальное значение определяется по формуле:
№ (группы) – 8.
Рис. 2. Таблица Менделеева.
Углерод находится в четвёртой группе, следовательно, его высшая степень окисления +4, а низшая - -4. Максимальная степень окисления серы +6, минимальная - -2. Большинство неметаллов всегда имеет переменную - положительную и отрицательную - степень окисления. Исключением является фтор. Его степень окисления всегда равна -1.
Следует помнить, что к щелочным и щелочноземельным металлам I и II групп соответственно, это правило не применимо. Эти металлы имеют постоянную положительную степень окисления - литий Li +1 , натрий Na +1 , калий K +1 , бериллий Be +2 , магний Mg +2 , кальций Ca +2 , стронций Sr +2 , барий Ba +2 . Остальные металлы могут проявлять разную степень окисления. Исключением является алюминий. Несмотря на нахождение в III группе, его степень окисления всегда +3.
Рис. 3. Щелочные и щелочноземельные металлы.
Из VIII группы высшую степень окисления +8 могут проявлять только рутений и осмий. Находящиеся в I группе золото и медь проявляют степень окисления +3 и +2 соответственно.
Запись
Чтобы правильно записывать степень окисления, следует помнить о нескольких правилах:
- инертные газы не вступают в реакции, поэтому их степень окисления всегда равна нулю;
- в соединениях переменная степень окисления зависит от переменной валентности и взаимодействия с другими элементами;
- водород в соединениях с металлами проявляет отрицательную степень окисления - Ca +2 H 2 −1 , Na +1 H −1 ;
- кислород всегда имеет степень окисления -2, кроме фторида кислорода и пероксида - O +2 F 2 −1 , H 2 +1 O 2 −1 .
Что мы узнали?
Степень окисления - условная величина, показывающая, сколько электронов принял или отдал атом элемента в соединении. Величина зависит от количества валентных электронов. Металлы в соединениях всегда имеют положительную степень окисления, т.е. являются восстановителями. Для щелочных и щелочноземельных металлов степень окисления всегда одинаковая. Неметаллы, кроме фтора, могут принимать положительную и отрицательную степень окисления.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.5 . Всего получено оценок: 219.
Изобретение относится к способу связывания углерода, выбрасываемого в атмосферу в виде СО 2 . Способ включает: a) этап концентрации CO 2 в жидкой фазе; b) этап электровосстановления в апротонной среде до соединения, в котором углерод имеет степень окисления +3, в виде щавелевой или муравьиной кислоты; c) в случае необходимости этап реэкстракции щавелевой или муравьиной кислоты в водную среду, осуществляемый, когда электровосстановление проводится в неводной среде; и d) этап минерализации при помощи реакции вышеуказанного соединения с соединением элемента М, где М представляет собой металлический элемент в степени окисления +2, приводящий к образованию устойчивого соединения, в котором атомное соотношение С/М составляет приблизительно 2/1. Способ позволяет связывать углерод с незначительными энергетическими затратами и подходит для ограничения выброса в атмосферу газа, обладающего парниковым эффектом, образующегося в результате сжигания ископаемых углеводородов. 25 з.п. ф-лы.
Изобретение касается способа связывания углерода, выбрасываемого в атмосферу в виде СО 2 .
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Электрохимическое восстановление СО 2 было изучено многочисленными исследователями, начиная с попыток его использования как обширный источник снабжения углеродом и до попыток его использования как источник энергии в виде метана.
Исследования в области электровосстановления СО 2 были начаты в середине 1960-х годов. Они показывают, что, с одной стороны, изменения среды в зависимости от того, является она апротонной или нет, и, с другой стороны, изменения электрода, учитывая то, что прослойка карбонильных радикалов взаимодействует с поверхностью, приводят к образованию различных компонентов, среди которых: монооксид углерода, муравьиная кислота, метан и этан, спирты, такие как метанол, этанол и пропанол, а также щавелевая кислота и даже гликолевая кислота.
Так, реакции электровосстановления СО 2 на медных электродах в среде карбоната калия дают выход метана порядка 30%.
Известны исследования, которые позволили идентифицировать продукты, преимущественно получаемые в более или в менее водосодержащих средах и с применением электродов различной природы.
Первый случай: радикал СО 2 - адсорбируется на электроде
Водная среда (электрод Au, Ag, Cu или Zn): образуется монооксид углерода
Второй случай: радикал СО 2 - не адсорбируется на электроде
Водная среда (электрод Cd, Sn, In, Pb, Tl или Hg): образуется муравьиная кислота
Неводная среда (электрод Pb, Tl или Hg): образуется щавелевая кислота
В этом же ключе проводились и эксперименты с использованием СО 2 в газовой фазе и перовскита, которые приводили преимущественно к образованию спиртов.
Известны также работы по захвату CO 2 органическими растворителями, которые позволяют в конце концов получить CO 2 в жидкой форме. Этот CO 2 затем закачивается в глубины океана или предпочтительно в подземные полости. Однако надежность такого хранения в течение достаточно длительных периодов имеет неопределенный характер.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагается новый способ связывания углерода, выбрасываемого в атмосферу в виде CO 2 , который позволяет, в частности, связывать углерод с незначительными энергетическими затратами и в особенности подходит для ограничения выброса в атмосферу газа, обладающего парниковым эффектом, образующегося в результате сжигания ископаемых углеводородов.
Способ связывания углерода согласно изобретению включает:
a) этап концентрации CO 2 в жидкой фазе;
b) этап электровосстановления в апротонной среде в соединение, в котором углерод имеет степень окисления +3, в виде щавелевой или муравьиной кислоты;
c) в случае необходимости, этап реэкстракции щавелевой или муравьиной кислоты в водную среду; и
d) этап минерализации при помощи реакции с соединением элемента М, приводящей к образованию устойчивого соединения, в котором атомное соотношение С/М составляет приблизительно 2/1.
Ниже приводится более детальное описание последовательных этапов способа согласно изобретению.
Этап концентрации СО 2 в жидкой фазе (а) может быть реализован различными методами.
Первый метод (i) заключается в сжижении СО 2 согласно классическим способам улавливания, жидкий СО 2 получают тогда под давлением, например, в суперкритическом состоянии.
Другой путь (ii) заключается в абсорбции СО 2 в полярной апротонной жидкости, не поддающейся смешиванию с водой или поддающейся смешиванию с водой в различных пропорциях. В качестве примера можно привести ацетонитрил.
Согласно другому пути (iii) рассматривают абсорбцию СО 2 в ионной апротонной жидкости (или "расплавленной соли") не поддающейся смешиванию с водой или поддающейся смешиванию с водой в различных пропорциях. Соответствующей подходящей ионной жидкостью является гексафторфосфат 1-бутил-3-метилимидазола, представленный формулой + PF6 - .
Еще один путь (iv) состоит в абсорбции СО 2 в водной фазе, содержащей спирт и/или амин.
Другой метод (v) заключается в абсорбции СО 2 в гидратированной форме, например, в водном растворителе, активированном энзиматически. Энзимом, активизирующим гидратирование, является, главным образом, карбоангидраза. В этом случае полученный раствор может затем быть рециркулирован для метода абсорбции в водной фазе в присутствии спирта и/или амина так, как это описано выше в (iii).
Водный раствор, полученный по методу абсорбции, подобному тем, что описаны выше в (iv) и (v), может также быть рециркулирован для вышеописанного метода сжижения (i).
К тому же водные растворы, такие как полученные описанными выше методами (iii) или (iv), обычно могут быть перенесены в жидкую не растворимую в воде ионную среду методом экстракции в системе жидкость-жидкость.
В соответствии с методом, использованным для реализации первого этапа концентрации в жидкой фазе согласно изобретению, полученная жидкая фаза будет состоять из жидкого СО 2 или из раствора СО 2 или угольной кислоты в полярной апротонной жидкости, не смешиваемой с водой или смешиваемой с водой в различных соотношениях, или же в ионной неводной жидкости ("расплавленная соль") более или менее смешиваемой с водой.
Второй этап способа согласно изобретению заключается в электровосстановлении СО 2 или угольной кислоты, сконцентрированной в жидкой фазе (степень окисления +4), в соединение, в котором углерод находится в степени окисления +3. Восстановление проводится в жидкой фазе, полученной на предыдущем этапе, при значении рН, находящемся, главным образом, между 3 и 10, предпочтительнее между 3 и 7, и с анодом, поддерживаемым при потенциале от +0,5 до -3,5 вольт по отношению к нормальному водородному электроду. Анод может быть, например, из платины, алмаза, легированного бором, или углерода, легированного азотом.
Путем такого электровосстановления получают оксалат-ион (в виде щавелевой кислоты или оксалата) или формиат-ион (в виде муравьиной кислоты или формиата).
Этап (b) электровосстановления в случае необходимости проводится в жидком СО 2 под давлением.
Этап (b) электровосстановления может, кроме того, проводиться в подземном хранилище, в которое жидкий CO 2 может быть при необходимости закачан.
Третий этап (с) способа согласно изобретению заключается в реэкстракции щавелевой кислоты (или оксалата) или же муравьиной кислоты (или формиата) водной фазой. Такая реэкстракция осуществляется в случае, когда электровосстановление проводилось в неводной среде. Образование муравьиной кислоты при электровосстановлении происходит, главным образом, в водной фазе, и в этом случае нет необходимости прибегать к проведению этого этапа (с) реэкстракции водной фазой.
Заключительный этап (d) способа согласно изобретению (этап минерализации) состоит в основном из воздействия на карбонатный минерал, например известковый или магнезитный, водным раствором щавелевой кислоты (или оксалата) или же муравьиной кислоты (или формиата), полученным на этапе электровосстановления (или же, возможно, после реэкстракции). Вышеупомянутый раствор вступает в реакцию с соединением элемента М с образованием минерала, в котором атомное соотношение С/М равно приблизительно 2/1.
Реакция оксалатного или формиатного соединения с карбонатным минералом дает один моль CO 2 на моль С 2 О 4 .
МСО 3 +(СООН) 2 МС 2 O 4 +CO 2 +Н 2 O или
МСО 3 +2НСООН М(НСО 2) 2 +CO 2 +H 2 O
Высвобожденный таким образом CO 2 в количестве, в два раза меньшем, чем было задействовано вначале, может быть снова возвращен в цикл способа согласно изобретению на первом этапе.
Элементом M может быть любой металлический элемент в степени окисления +2. Это чаще всего кальций или магний. Соединением элемента М может быть тогда, например, известковая или магнезитная порода. Предпочтительно элемент M является кальцием. Образующийся минерал - это предпочтительно оксалат кальция, такой как вевеллит СаС 2 О 4 ·Н 2 О.
Способ согласно изобретению (или только его последний этап) может быть реализован как в месте нахождения (in situ) в известковой или магнезитной породе, так и вне его (ex situ).
Таким образом, заключительный этап минерализации (d) может осуществляться при введении в контакт с осадочной породой, например известковой или магнезитной, раствора щавелевой или муравьиной кислоты предпочтительно путем его закачивания под землю.
Заметим, что с точки зрения энергетического баланса способа согласно изобретению энергия, приложенная для того, чтобы перевести углерод +4 в углерод +3 в реакции электровосстановления на втором этапе, не потеряна - она фактически хранится в оксалате или формиате образующегося минерала. Щавелевая или муравьиная кислота может быть с успехом повторно извлечена в дальнейшем, чтобы быть использованной для сжигания, например, in situ. Речь может идти об окислении, например бактериальном, in situ или ex situ. В этих процессах углерод перешел бы в степень окисления +4.
Реактор заполнен жидким СО 2 под давлением (50 бар при комнатной температуре), к которому постепенно добавляется вода таким образом, чтобы поддерживать молярное соотношение СО 2 /Н 2 О порядка 100 для того, чтобы ориентировать реакцию в сторону синтеза щавелевой кислоты.
Электрод выполнен из платины, плотность тока составляет 5 мА/см 2 . Потенциал электрода -3 В по отношению к потенциалу пары Fe/Fe + . Раствор перемешивается, чтобы ограничить концентрационные эффекты вблизи электродов.
После электровосстановления образовавшаяся щавелевая кислота закачивается в резервуар, содержащий карбонат кальция. Щавелевая кислота реагирует с карбонатом с образованием оксалата кальция. Увеличение массы сухого и очищенного остатка указывает на связывание СО 2 в виде минерала.
Жидкий СО 2 получен классическим методом сжижения.
После добавления перхлората тетрааммония он был закачан в подземную полость, содержащую известковые или магнезитные породы.
Электровосстановление проводится прямо в подземной полости при помощи платинового электрода. Плотность тока составляет 5 мА/см 2 . Потенциал электрода -3 В по отношению к потенциалу пары Fe/Fe + . Раствор перемешивается, чтобы ограничить концентрационные эффекты вблизи электродов.
Синтезируемая таким образом щавелевая кислота вступает в реакцию с известковыми или магнезитными породами, высвобождая СО 2 , который, в свою очередь, восстанавливается в двухвалентный катион, осаждающийся вместе с оксалатом. Реакции приводят в конечном итоге к связыванию СО 2 в виде минерала. Высвобожденный СО 2 повторно рециркулируется на этап сжижения.
СО 2 абсорбируется водой в присутствии карбоангидразы согласно описанию патента US-A-6524843.
Добавляется перхлорат тетрааммония в количестве 0,1 моль/л.
Количество СО 2 , подлежащего электровосстановлению, определяет необходимое количество электроэнергии.
После электровосстановления образовавшаяся муравьиная кислота закачивается в резервуар, содержащий карбонат кальция. Муравьиная кислота реагирует с карбонатом с образованием формиата кальция. Увеличение массы сухого и очищенного остатка указывает на связывание СО 2 в виде минерала.
СО 2 абсорбируется в ионной жидкости - гексафторфосфате 1-бутил-3-метилимидазола, представленной формулой + PF6 - .
Добавляется перхлорат тетрааммония в количестве 0,1 моль/л.
Электрод выполнен из платины, и плотность тока составляет 5 мА/см 2 . Потенциал электрода -3 В по отношению к потенциалу пары Fe/Fe + . Раствор перемешивается, чтобы ограничить концентрационные эффекты вблизи электродов.
Количество СО 2 , подлежащего электровосстановлению, определяет необходимое количество электроэнергии.
Ионная жидкость, насыщенная СО 2 , вводится в непрерывный контакт с водным раствором, который извлекает из нее оксалат.
Образовавшийся водный раствор щавелевой кислоты закачивается в резервуар, содержащий карбонат кальция. Щавелевая кислота реагирует с карбонатом с образованием оксалата кальция. Увеличение массы сухого и очищенного остатка указывает на связывание СО 2 в виде минерала.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ связывания диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу, отличающийся тем, что он включает:
a) этап концентрации СО 2 в жидкой фазе;
b) этап электровосстановления в апротонной среде до соединения, в котором углерод имеет степень окисления +3 в виде щавелевой или муравьиной кислоты;
c) в случае необходимости, этап реэкстракции щавелевой или муравьиной кислоты в водную среду, осуществляемый когда электровосстановление проводится в неводной среде; и
d) этап минерализации при помощи реакции вышеуказанного соединения с соединением элемента М, где М представляет собой металлический элемент в степени окисления +2, приводящий к образованию минерала, в котором атомное соотношение С/М составляет приблизительно 2/1.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап (а) концентрации в жидкой фазе состоит в сжижении СО 2 , жидкий СО 2 получают затем под давлением, например, в суперкритическом состоянии.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап (а) концентрации в жидкой фазе состоит в абсорбции СО 2 в полярной апротонной жидкости, не смешиваемой с водой или смешиваемой с водой в различных соотношениях.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап (а) концентрации в жидкой фазе состоит в абсорбции CO 2 в ионной апротонной жидкости, не смешиваемой с водой или смешиваемой с водой в различных соотношениях.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что вышеупомянутая ионная апротонная жидкость представляет собой гексафторфосфат 1-бутил-3-метилимидазола.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап (а) концентрации в жидкой фазе состоит в абсорбции СО 2 в водной среде, содержащей спирт и/или амин.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что полученный водный раствор рециркулируют на процесс сжижения согласно п.2.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что полученный водный раствор переносят в жидкую не растворимую в воде ионную среду путем экстракции в системе жидкость-жидкость.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап (а) концентрации в жидкой фазе состоит в абсорбции СО 2 в гидратированной форме, причем упомянутый процесс концентрации активируется энзиматическим путем.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что полученный водный раствор переносят в жидкую нерастворимую в воде ионную среду путем экстракции в системе жидкость-жидкость.
11. Способ по п.9, отличающийся тем, что энзимом, активизирующим гидратирование, служит карбоангидраза.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что полученный водный раствор рециркулируют на процесс абсорбции в водной среде в присутствии спирта и/или амина согласно п.6.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что полученный водный раствор рециркулируют на процесс сжижения согласно п.2.
14. Способ по одному из пп.1-13, в котором этап (b) электровосстановления проводят при значении рН между 3 и 10 и с анодом, поддерживаемым при потенциале от +0,5 до -3,5 вольта по отношению к нормальному водородному электроду.
15. Способ по п.14, в котором значение рН находится между 3 и 7.
16. Способ по п.14, в котором используемый на этапе (b) электровосстановления анод состоит из платины, алмаза, легированного бором, или углерода, легированного азотом.
17. Способ по одному из пп.1-13, 15 и 16, в котором этап (b) электровосстановления проводит в жидком СО 2 под давлением.
18. Способ по одному из пп.1-13, 15 и 16, в котором соединением, получаемым на этапе (b) электровосстановления, является щавелевая кислота или оксалат.
19. Способ по п.18, в котором щавелевая кислота или оксалат, полученные в неводной среде, реэкстрагируют водной фазой.
20. Способ по одному из пп.1-13, 15 и 16, в котором на выходе с этапа (а) жидкий CO 2 закачивают в подземное хранилище СО 2 .
21. Способ по п.20, в котором этап (b) электровосстановления проводят в подземном хранилище СО 2 .
22. Способ по одному из пп.1-13, 15 и 16, в котором конечный этап (d) минерализации заключается в воздействии на карбонатный минерал водным раствором щавелевой кислоты или муравьиной кислоты, полученным на этапе электровосстановления.
23. Способ по п.22, в котором вышеупомянутый карбонатный минерал представляет собой карбонатный минерал, известковый или магнезитный.
24. Способ по одному из пп.1-13, 15 и 16, в котором на этапе минерализации (d) элементом М является кальций, а образующимся минералом - вевеллит СаС 2 O 4 ·Н 2 O.
25. Способ по одному из пп.1-13, 15 и 16, в котором этап минерализации (d) осуществляют при введении в контакт с осадочной породой, например, известковой или магнезитной, водного раствора щавелевой или муравьиной кислоты, полученного на этапе электровосстановления.
26. Способ по одному из пп.1-13, 15 и 16, в котором конечный этап минерализации (d) проводят путем закачивания раствора под землю.