Cacbon dioxit (CO2) là gì? Tính chất, cách điều chế, ứng dụng và bài tập chi tiết

 Định nghĩa cacbon dioxit là gì?

Cacbon dioxit hay cacbonic oxit (còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như thán khí, anhydride carbonic, khí cacbonic) là một hợp chất hóa học ở dạng khí có trong khí quyển Trái Đất trong điều kiện bình thường. Cacbon dioxit bao gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử oxy. Khi ở dạng rắn, cacbon đioxit còn được gọi là băng khô hoặc đá khô.

• Công thức hóa học: CO2
• Phân từ khối: 44
• Cấu tạo phân tử: 

Trong phân tử CO2, mỗi nguyên tử cacbon đưa 4 electron tham gia liên kết. Trong mỗi liên kết C-O, cacbon đưa ra 2 electron, oxy thiếu 2 electron. Vì vậy, mỗi liên kết C-O cần dùng chung 4 electron tạo thành 1 liên kết đôi. (gồm 1 liên kết π 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 có cực. 

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

• Khí thoát ra từ các núi lửa, sản phẩm cháy của các hợp chất hữu cơ và hoạt động hô hấp của sinh vật sống hiếu khí. 
• Bên cạnh đó, CO2 được sản xuất từ sự lên men của một số vi sinh vật và sự hô hấp của tế bào. Các loài thực vật hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp và sử dụng carbon, oxy tạo ra các cacbohidrat. Thực vật cũng giải phóng oxy trở lại khí quyển và được các sinh vật dị dưỡng sử dụng trong quá trình hô hấp, tạo thành một chu trình. 
• Nó xuất hiện trong khí quyển Trái Đất với nồng độ thấp và tác động như một khí gây hiệu ứng nhà kính, trở thành thành phần chính trong chu trình cacbon.

Tính chất vật lý của cacbon dioxit

Xuất hiện ở xung quanh chúng ta, cacbon dioxit có những tính chất vật lý nào nổi bật? 

• Màu, mùi: Cacbon dioxit (CO2) là chất khí không màu, không mùi, nặng hơn không khí với d(CO2/kk)= 44/29. Ở nhiệt độ 25 °C, CO2 nặng hơn không khí khoảng 1,5 lần. 
• Khí hòa tan trong nước bọt: Khi hít thở phải khí cacbon dioxit ở nồng độ cao tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng. Các hiệu ứng này xuất hiện do khí hòa tan trong nước bọt, tạo ra dung dịch yếu của axit cacbonic.
• Phân hủy: Cacbon dioxit có thể bị phân hủy ở nhiệt độ cao 2000 oC, tạo thành CO cùng O2. CO2 được hình thành dưới dạng rắn khi bị làm lạnh đột ngột (nhiệt độ dưới -78 °C). Khi đó chúng ngưng tụ thành các tinh thể màu trắng được gọi là băng khô. Băng khô sẽ thăng hoa mà không nóng chảy thành CO2 lỏng dưới áp suất thường. 
• Phân tử CO2 (O = C = O) chứa hai liên kết đôi, có hình dạng tuyến tính. Nó không có lưỡng cực điện. Do nó là hợp chất đã bị oxy hóa hoàn toàn nên không cháy.
• Điểm sôi:  -78 oC (-108 oF; 195K) 
• Tỷ trọng riêng: CO2 là 1,98 kg۰m-3 (ở 25 oC)
• Điểm nóng chảy: -57 oC (-71 oF; 216K) (áp lực)

Tính chất hóa học của cacbon dioxit

Cacbon dioxit (CO2) mang tính chất hóa học tiêu biểu của một oxit axit.

Cacbon dioxit tan trong nước tạo thành axit cacbonic (là một điaxit rất yếu)         

Để chứng minh điều này, người ta làm thí nghiệm cho một mẩu giấy quỳ tím vào ống nghiệm đựng nước, rồi sục khí CO2 vào ống nghiệm. Đun nóng dung dịch thu được, người ta quan sát được hiện tượng giấy quỳ tím ban đầu chuyển đỏ, sau đó chuyển tím sau khi đun nóng. 

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

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

Cacbon đioxit tác dụng với dung dịch bazơ

Tác dụng với dung dịch bazơ là một trong những phản ứng chứng minh tính chất hóa học quan trọng của cacbon đioxit. CO2 phản ứng với dung dịch bazơ tạo thành muối và nước theo phương trình như 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 2 muối tùy thuộc vào tỉ lệ số mol giữa CO2 và NaOH. 

Cacbon đioxit tác dụng với oxit bazơ

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

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

Điều chế cacbon dioxit

Cacbon dioxit được điều chế bằng cách nào? Ở phần này chúng ta cùng tìm hiểu hai phương pháp điều chế CO2 phổ biến trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.

Điều chế cacbon dioxit trong phòng thí nghiệm

Trong phòng thí nghiệm, CO2 thường được điều chế từ CaCO3 và dung dịch HCl. Tuy nhiên, phương pháp này thu được sản phẩm còn lẫn một chút khí hiđro 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 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, khi đó hơi nước sẽ bị hấp thụ và thu được sản phẩm CO2 tinh khiết.

Điều chế cacbon dioxit trong công nghiệp

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

Hoặc có thể nhiệt phân đá vôi để tạo ra cacbon dioxit theo phương trình:

CaCO3 → CaO + CO2 (ở 1000 oC)

Bên cạnh đó, người ta có thể thu khí CO2 từ quá trình hô hấp của người hay động vật, từ quá trình lên men bia rượu và quá trình đốt cháy nhiên liệu:

• Quá trình hô hấp của người hoặc động vật: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
• Quá trình lên men bia rượu: C6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH
• Quá trình đốt cháy nhiên liệu: CxHy + (x+y/4)O2 → XCO2 + (y/2)H2O

Xem thêm: 

• Cacbon oxit (CO) là gì? Tính chất và các ứng dụng phổ biến
• Tìm hiểu về Cacbon: Khái niệm, tính chất, cách điều chế

Ứng dụng của cacbon dioxit

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

Ứng dụng của CO2 trong công nghiệp

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

• Sử dụng như một khí điều áp chi phí thấp, không cháy. Vì thế nó được sử dụng trong các áo phao cứu hộ hay những ống hơi trong súng hơi, trong bơm xe đạp. Các ống thép chứa cacbonic nén cũng được bán ra để cung cấp khí nén cho súng hơi, bơm lốp xe đạp, nước khoáng xenxe. Sự bốc hơi nhanh chóng của CO2 lỏng còn được sử dụng để gây nổ trong các mỏ than.
• Trong nhiều loại bình cứu hỏa hiện nay có chứa CO2 lỏng - cacbon đioxit còn có vai trò để dập lửa do cháy, chập điện.
• Mặc dù phản ứng với hầu hết các kim loại nhưng CO2 vẫn được ứng dụng là môi trường khí của công nghệ hàn. Tuy nhiên, mối hàn này sẽ giảm chất lượng do axit cacbonic được tạo thành và giòn hơn các môi trường khí trơ như agon, heli,… 

Ứng dụng của CO2 trong y tế

Bên cạnh ngành công nghiệp, CO2 cũng đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực y tế, cụ thể là: 

• Dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ, là chất thay thế ít độc hơn các dung môi truyền thống như clorua hữu cơ và được dùng để loại bỏ cafein từ cafe. 
• Cacbonic có vai trò quan trọng khi được thêm vào oxy nguyên chất (5%) để trợ thở cho bệnh nhân nhằm ổn định và cân bằng oxy/cacbonic trong máu.
• Vì cacbon dioxit là nguyên liệu chính của quá trình quang hợp nên được bơm vào các nhà kính để kích thích sự phát triển của thực vật. Bên cạnh đó, CO2 còn được ứng dụng để tiêu diệt nhiều loại sâu với nồng độ cao.

Ứng dụng của CO2 trong đời sống

Trong đời sống, cacbon dioxit dưới dạng đá khô (hay còn gọi đá khói) được sử dụng tạo hiệu ứng sương mù, xuất hiện nhiều trong các sự kiện: Cưới hỏi, chương trình game show,…

Chú ý: Trong quá trình sử dụng đá khô, cần đeo găng tay để tránh bị “bỏng lạnh” và không nên chứa loại đá này trong các thùng kín vì áp suất do băng khô gây ra có thể gây nổ thùng.

Ứng dụng của CO2 trong công nghệ thực phẩm

Trong ngành công nghệ thực phẩm, CO2 cũng đóng vai trò rất quan trọng, điển hình như: 

• Trong công nghệ thực phẩm, cacbon dioxit được nén lạnh thành băng khô và sử dụng là chất làm lạnh quan trọng, với vai trò lưu giữ trong vận chuyển và bảo quản các sản phẩm đông lạnh, kem,…
• Với ngành công nghệ nước giải khát, CO2 được sử dụng để tạo gas cho nhiều loại đồ uống có gas phổ biến như coca, pepsi, 7up,…
• Với tính chất “thăng hoa” đặc trưng, CO2 được ứng dụng trong bảo quản các loại thực phẩm tươi sống.
• Cacbon đioxit còn được ứng dụng trong chiết xuất thực phẩm: Supercritical carbon dioxide với vai trò loại bỏ dầu và chất béo dùng trong chiết xuất màu và hương vị trong thực phẩm.

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

Theo thống kê, con người đã thải ra bầu khí quyển ngày càng nhiều khí CO2. Chủ yếu khí cacbon dioxit này được tạo ra bởi hoạt động đốt than đá và khí tự nhiên của các nhà máy điện, sản xuất phân bón, xi măng cùng các quy trình công nghiệp khác.

CO2 không phải là khí độc, nhưng nếu xuất hiện với nồng độ cao sẽ làm giảm oxy trong không khí, gây ra các tác hại trực tiếp đến môi trường sống và sức khỏe con người.

Ảnh hưởng đến môi trường

Việc gia tăng nồng độ khí cacbon đioxit vào môi trường làm gia tăng trầm trọng hiệu ứng nhà kính. Hiện tượng này làm trái đất nóng lên, ảnh hưởng và đe dọa trực tiếp đến sự sống của con người và sinh vật trên trái đất. 

Khi nồng độ khí cacbon dioxit tăng nhanh sẽ làm giảm quá trình tổng hợp protein. Khi côn trùng ăn thực vật thiếu protein sẽ có tỉ lệ chết cao hơn, gây hại cho hệ sinh thái.

Ảnh hưởng đến sức khỏe con người 

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

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

Ngoài ra, việc da có tiếp xúc trực tiếp với khí carbon dioxide đông lạnh (đá khô) sẽ gây “bỏng lạnh” - tê cứng bộ phận cơ thể.

Cách xử lý khi bị ngộ độc CO2

Ngoài hiện tượng tức ngực, các triệu chứng ban đầu của ngộ độc CO2 có thể bao gồm: Nhức đầu, mệt mỏi, chóng mặt, buồn ngủ, hoặc buồn nôn. Đau ngực đột ngột có thể xảy ra ở những người có tiền sử bị đau thắt ngực. Thời gian phơi nhiễm kéo dài, các triệu chứng có thể xấu đi, kèm nôn mửa, ngất, mất ý thức và suy nhược cơ…

Các triệu chứng bị ngộ độc CO2 rất khác nhau tùy theo từng trường hợp. Ngộ độc CO2 có thể xảy ra sớm hơn ở những người như: Trẻ nhỏ, người cao tuổi, người bị bệnh phổi hoặc tim, những người vị trí trên cao, người hút thuốc lá... 

Vậy có thể xử lý bằng cách nào khi phát hiện người bị ngộ độc CO2? 

• Khí CO2 nặng hơn không khí, do đó nên di chuyển nạn nhân bị ngộ độc CO2 tới những khu vực cao ráo. (Lưu ý chỉ thực hiện điều này khi môi trường không gây nguy hiểm cho sơ cứu viên và chỉ những sơ cứu viên được tập huấn và đào tạo chuyên nghiệp mới được thực hiện sơ cứu cấp oxy cho người bị độc khí CO2.)
• Nếu có các yếu tố đe doạ tính mạng của người bệnh, cần gọi cấp cứu y tế 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 lưu ý cách bảo quản và vận chuyển hợp chất hóa học này. 

Lưu ý khi sử dụng khí CO2

• Khí CO2 trong bình chứa thường tồn tại ở thể lỏng, và cần được cấp nhiệt để chuyển sang thể khí. Vì vậy, cần lưu ý gắn thêm bộ phận sấy nhiệt ở các van điều tiết khí CO2, tránh trường hợp khi đóng băng sẽ bịt kín đường cấp khí.
• Chỉ sử dụng mặt nạ thở có van khi người thực hiện đã được tập huấn về cách dùng.
• Cần tìm hiểu về lợi ích của việc lắp đặt những thiết bị phát hiện khí giúp phòng và xử lý tình huống nhanh nhất.

Lưu ý khi bảo quản và vận chuyển khí CO2

• Khi bảo quản cacbon dioxit, CO2 cần được chứa trong stec kín chịu áp lực có bảo ôn hay trong chai kín chịu áp lực. 
• Khi nạp CO2 lỏng, không nên vượt quá 0,625 kg/lít thiết bị chứa, nạp stec không quá 0,9 kg/lít thiết bị chứa. Cần cẩn thận để tránh các hiện tượng va đập mạnh chai hoặc stec, để CO2 cách xa nguồn nhiệt. Nếu muốn bảo quản sản phẩm trong stec thời gian dài, cần có hệ thống làm lạnh riêng biệt. 
• Khi vận chuyển chai CO2 dạng lỏng, cần xếp chúng nằm ngang, van của các chai quay về cùng một phía, có đệm lót giữa các chai và xe chở phải có mái che chắn.

Bài tập về cacbon dioxit SGK Hóa học 9 kèm lời giải

Sau khi đã hiểu rõ cacbon dioxit (CO2) là gì, tính chất, cách điều chế, ứng dụng của hợp chất hóa học này, cùng vận dụng để giải một số bài tập cơ bản sau. 

Bài tập 1 (trang 87 SGK Hóa 9)

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

a) Tỉ lệ số mol n : n = 1 : 1

b) Tỉ lệ số mol n : n = 2 : 1

Gợi ý đáp án:

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 9) 

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

Gợi ý đáp án:

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

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 ↓ + H2O

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

CO + CuO → Cu + CO2.

Bài tập 3 (trang 87 SGK Hóa 9)  

Trên bề mặt hồ nước tôi vôi lâu ngày thường có lớp màng chất rắn. Hãy giải thích hiện tượng này và viết phương trình hóa học.

Gợi ý đáp án:

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

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 ↓ + H2O

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