Kolmonoxid
|
|||
|
|||
| Namn | |||
|---|---|---|---|
|
Föredraget IUPAC-namn
Kolmonoxid |
|||
|
Systematiskt IUPAC-namn
Koloxid |
|||
| Andra namn Koloxidgas Kolprotoxid Koloxid Protoxid av kol Kolmonoxid Koloxid Kolsyragas Kol(II)oxid Andedräkt av kol Syresatt kol Karbat Karbonyl Vattengas Kolvätegas Bränslegas Rauchgas Kolbrännbar luft Ljusbrännbar luft Tungtantändlig luft Vitfukt Brand P Fuktig gas Dowsongas Mondgas Kraftgas Producentgas Masugnsgas Kolgas Phlogiston Bilgas |
|||
| Identifierare | |||
|
3D-modell ( JSmol )
|
|||
| 3587264 | |||
| ChEBI | |||
| ChEMBL | |||
| ChemSpider | |||
| ECHA InfoCard | 100.010.118 | ||
| EG-nummer |
|
||
| 421 | |||
| KEGG | |||
| Maska | Kol+monoxid | ||
|
PubChem CID
|
|||
| RTECS-nummer |
|
||
| UNII | |||
| FN-nummer | 1016 | ||
|
CompTox Dashboard ( EPA )
|
|||
|
|||
|
|||
| Egenskaper | |||
| CO | |||
| Molar massa | 28,010 g/mol | ||
| Utseende | Färglös | ||
| Odör | Luktfri | ||
| Densitet |
|
||
| Smältpunkt | −205,02 °C (−337,04 °F; 68,13 K) | ||
| Kokpunkt | −191,5 °C (−312,7 °F; 81,6 K) | ||
| 27,6 mg/L (25 °C) | |||
| Löslighet | löslig i kloroform , ättiksyra , etylacetat , etanol , ammoniumhydroxid , bensen | ||
|
Henrys lagkonstant ( k H ) |
1,04 atm.m3 /mol | ||
| −9,8·10 −6 cm 3 /mol | |||
|
Brytningsindex ( n D )
|
1,0003364 | ||
| 0,122 D | |||
| Termokemi | |||
|
Värmekapacitet ( C )
|
29,1 J/(K·mol) | ||
|
Std molär entropi ( S ⦵ 298 ) |
197,7 J/(K·mol) | ||
|
Std formationsentalpi ( Δ f H ⦵ 298 ) |
−110,5 kJ/mol | ||
|
Standardentalpi för förbränning (Δ c H ⦵ 298 ) |
-283,0 kJ/mol | ||
| Farmakologi | |||
| V04CX08 ( WHO ) | |||
| Faror | |||
| Arbetssäkerhet och hälsa (OHS/OSH): | |||
|
Huvudsakliga faror
|
Giftigt vid inandning | ||
| GHS- märkning : | |||
  
|
|||
| Fara | |||
| H220 , H331 , H360 , H372 | |||
| P201 , P202 , P210 , P260 , P261 , P264 , P270 , P271 , P281 , P304+P340 , P308 +P313 , P311 , P314 , P321 , P301 , P301 , P301 , P301 , P301 , P301 , P301 , P301 , P301 , P301 , P405 , P501 | |||
| NFPA 704 (branddiamant) | |||
| Flampunkt | −191 °C (−311,8 °F; 82,1 K) | ||
| 609 °C (1 128 °F; 882 K) | |||
| Explosiva gränser | 12,5–74,2 % | ||
| Dödlig dos eller koncentration (LD, LC): | |||
|
LC 50 ( mediankoncentration )
|
|
||
|
LC Lo ( lägst publicerad )
|
|
||
| NIOSH (USA:s hälsoexponeringsgränser): | |||
|
PEL (tillåtet)
|
TWA 50 ppm (55 mg/m 3 ) | ||
|
REL (rekommenderas)
|
|
||
|
IDLH (Omedelbar fara)
|
1200 ppm | ||
| Säkerhetsdatablad (SDS) | ICSC 0023 | ||
|
Andra anjoner
|
Kolmonosulfid | ||
|
Andra katjoner
|
Kiselmonoxid Germaniummonoxid Tenn(II)oxid Bly(II)oxid |
||
|
Besläktade koloxider
|
Koldioxid Kolsuboxid Oxokarboner |
||
| Kompletterande datasida | |||
| Kolmonoxid (datasida) | |||
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|||
Kolmonoxid ( kemisk formel CO ) är en giftig, brandfarlig gas som är färglös, luktlös, smaklös och något mindre tät än luft. Kolmonoxid består av en kolatom och en syreatom förbundna med en trippelbindning . Det är den enklaste koloxiden . I koordinationskomplex kallas kolmonoxidliganden karbonyl . _ Det är en nyckelingrediens i många processer inom industriell kemi.
Den vanligaste källan till kolmonoxid är partiell förbränning av kolhaltiga föreningar, när det inte finns tillräckligt med syre eller värme för att producera koldioxid . Det finns också många miljö- och biologiska källor som genererar och släpper ut en betydande mängd kolmonoxid. Det är viktigt i produktionen av många föreningar, inklusive läkemedel, dofter och bränslen. Vid utsläpp till atmosfären påverkar kolmonoxid flera processer som bidrar till klimatförändringen .
Kolmonoxid har viktiga biologiska roller i fylogenetiska riken. Det produceras av många organismer, inklusive människor. Inom däggdjursfysiologi är kolmonoxid ett klassiskt exempel på hormesis där låga koncentrationer fungerar som en endogen neurotransmittor ( gasotransmittor ) och höga koncentrationer är toxiska vilket resulterar i kolmonoxidförgiftning . Den är isoelektronisk med cyanidanjon CN − .
Historia
Förhistoria
Människor har upprätthållit ett komplext förhållande till kolmonoxid sedan de först lärde sig att kontrollera eld cirka 800 000 f.Kr. Tidiga människor upptäckte förmodligen toxiciteten av kolmonoxidförgiftning när de introducerade eld i sina bostäder. Den tidiga utvecklingen av metallurgi och smältteknik , som kom fram omkring 6 000 f.Kr. genom bronsåldern , plågade också mänskligheten från exponering för kolmonoxid. Bortsett från kolmonoxidens toxicitet ursprungsbefolkningen ha upplevt kolmonoxidens neuroaktiva egenskaper genom shamanistiska brandritualer.
Antik historia
Tidiga civilisationer utvecklade mytologiska berättelser för att förklara eldens ursprung, som Prometheus från grekisk mytologi som delade eld med människor. Aristoteles (384–322 f.Kr.) registrerade först att brinnande kol producerade giftiga ångor. Den grekiske läkaren Galen (129–199 e.Kr.) spekulerade i att det fanns en förändring i sammansättningen av luften som orsakade skada vid inandning, och många andra av eran utvecklade en kunskapsbas om kolmonoxid i samband med kolröktoxicitet . Cleopatra kan ha dött av kolmonoxidförgiftning .
Förindustriell revolution
Georg Ernst Stahl nämnde carbonarii halitus 1697 med hänvisning till giftiga ångor som tros vara kolmonoxid. Friedrich Hoffmann genomförde den första moderna vetenskapliga undersökningen av kolmonoxidförgiftning från kol 1716. Herman Boerhaave genomförde de första vetenskapliga experimenten om effekten av kolmonoxid (kolångor) på djur på 1730-talet.
Joseph Priestley anses ha syntetiserat kolmonoxid för första gången 1772. Carl Wilhelm Scheele isolerade på liknande sätt kolmonoxid från träkol 1773 och trodde att det kunde vara den kolhaltiga enheten som gjorde ångorna giftiga. Torbern Bergman isolerade kolmonoxid från oxalsyra 1775. Senare 1776 producerade den franske kemisten de Lassone [ genom att värma zinkoxid med koks , men drog felaktigt slutsatsen att den gasformiga produkten var väte , eftersom den brann med en blå låga. I närvaro av syre, inklusive atmosfäriska koncentrationer, brinner kolmonoxid med en blå låga och producerar koldioxid. Antoine Lavoisier utförde liknande ofullständiga experiment som Lassone 1777. Gasen identifierades som en förening som innehåller kol och syre av William Cruickshank 1800.
Thomas Beddoes och James Watt kände igen kolmonoxid (som kolkarbonat ) för att lysa upp venöst blod 1793. Watt föreslog att kolångor kunde fungera som ett motgift mot syre i blodet, och Beddoes och Watt föreslog likaså att hydrokarbonat har en större affinitet för animaliska fibrer än syre 1796. 1854 föreslog Adrien Chenot på liknande sätt kolmonoxid för att avlägsna syret från blodet och sedan oxideras av kroppen till koldioxid. Mekanismen för kolmonoxidförgiftning är allmänt krediterad till Claude Bernard vars memoarer som började 1846 och publicerades 1857 uttryckte "förhindrar arteriellt blod från att bli venöst". Felix Hoppe-Seyler publicerade oberoende liknande slutsatser året därpå.
Tillkomsten av industriell kemi
Kolmonoxid fick erkännande som ett ovärderligt reagens på 1900-talet. Tre industriella processer illustrerar dess utveckling inom industrin. I Fischer-Tropsch-processen omvandlas kol och relaterade kolrika råvaror till flytande bränslen via CO. Ursprungligen utvecklad som en del av den tyska krigsansträngningen för att kompensera för deras brist på inhemsk petroleum, fortsätter denna teknik idag. Också i Tyskland visade sig en blandning av CO och väte kombineras med olefiner för att ge aldehyder . Denna process, som kallas hydroformylering , används för att producera många storskaliga kemikalier som ytaktiva ämnen samt specialföreningar som är populära dofter och droger. Till exempel används CO i produktionen av vitamin A. I en tredje stor process, som tillskrivs forskare vid Monsanto , kombineras CO med metanol för att ge ättiksyra . Det mesta av ättiksyra produceras genom Cativa-processen . Hydroformylering och ättiksyrasynteserna är två av otaliga karbonyleringsprocesser .
Fysiska och kemiska egenskaper
Kolmonoxid är det enklaste oxokolvätet och är isoelektroniskt med andra tredubbelt bundna diatomiska arter som har 10 valenselektroner, inklusive cyanidanjonen , nitrosoniumkatjonen , bormonofluorid och molekylärt kväve . Den har en molmassa på 28,0, vilket, enligt idealgaslagen , gör den något mindre tät än luft, vars genomsnittliga molmassa är 28,8.
Kolet och syret är förbundna med en trippelbindning som består av en netto två pi-bindningar och en sigmabindning . Bindningslängden mellan kolatomen och syreatomen är 112,8 pm . Denna bindningslängd överensstämmer med en trippelbindning, som i molekylärt kväve (N 2 ), som har en liknande bindningslängd (109,76 pm) och nästan samma molekylmassa . Kol-syre dubbelbindningar är betydligt längre, 120,8 pm i formaldehyd , till exempel. Kokpunkten (82 K) och smältpunkten (68 K) är mycket lika de för N 2 (77 K respektive 63 K). Bindningsdissociationsenergin på 1072 kJ/mol är starkare än den för N 2 (942 kJ/mol) och representerar den starkaste kemiska bindningen som är känd .
Det elektroniska jordtillståndet för kolmonoxid är ett singletttillstånd eftersom det inte finns några oparade elektroner.
Tabell över termiska och fysikaliska egenskaper för kolmonoxid (CO) vid atmosfärstryck:
| Temperatur (K) | Densitet (kg/m^3) | Specifik värme (kJ/kg °C) | Dynamisk viskositet (kg/ms) | Kinematisk viskositet (m^2/s) | Värmeledningsförmåga (W/m °C) | Termisk diffusivitet (m^2/s) | Prandtl nummer |
| 200 | 1,6888 | 1,045 | 0,0000127 | 0,00000752 | 0,017 | 0,00000963 | 0,781 |
| 220 | 1,5341 | 1,044 | 0,0000137 | 0,00000893 | 0,019 | 0,0000119 | 0,753 |
| 240 | 1,4055 | 1,043 | 0,0000147 | 0,0000105 | 0,0206 | 0,0000141 | 0,744 |
| 260 | 1,2967 | 1,043 | 0,0000157 | 0,0000121 | 0,0221 | 0,0000163 | 0,741 |
| 280 | 1,2038 | 1,042 | 0,0000166 | 0,0000138 | 0,0236 | 0,0000188 | 0,733 |
| 300 | 1,1233 | 1,043 | 0,0000175 | 0,0000156 | 0,025 | 0,0000213 | 0,73 |
| 320 | 1,0529 | 1,043 | 0,0000184 | 0,0000175 | 0,0263 | 0,0000239 | 0,73 |
| 340 | 0,9909 | 1,044 | 0,0000193 | 0,0000195 | 0,0278 | 0,0000269 | 0,725 |
| 360 | 0,9357 | 1,045 | 0,0000202 | 0,0000216 | 0,0291 | 0,0000298 | 0,725 |
| 380 | 0,8864 | 1,047 | 0,000021 | 0,0000237 | 0,0305 | 0,0000329 | 0,729 |
| 400 | 0,8421 | 1,049 | 0,0000218 | 0,0000259 | 0,0318 | 0,000036 | 0,719 |
| 450 | 0,7483 | 1,055 | 0,0000237 | 0,0000317 | 0,035 | 0,0000443 | 0,714 |
| 500 | 0,67352 | 1,065 | 0,0000254 | 0,0000377 | 0,0381 | 0,0000531 | 0,71 |
| 550 | 0,61226 | 1,076 | 0,0000271 | 0,0000443 | 0,0411 | 0,0000624 | 0,71 |
| 600 | 0,56126 | 1,088 | 0,0000286 | 0,000051 | 0,044 | 0,0000721 | 0,707 |
| 650 | 0,51806 | 1,101 | 0,0000301 | 0,0000581 | 0,047 | 0,0000824 | 0,705 |
| 700 | 0,48102 | 1,114 | 0,0000315 | 0,0000655 | 0,05 | 0,0000933 | 0,702 |
| 750 | 0,44899 | 1,127 | 0,0000329 | 0,0000733 | 0,0528 | 0,000104 | 0,702 |
| 800 | 0,42095 | 1.14 | 0,0000343 | 0,0000815 | 0,0555 | 0,000116 | 0,705 |
Bindning och dipolmoment
Kol och syre har tillsammans totalt 10 elektroner i valensskalet . Efter oktettregeln för både kol och syre bildar de två atomerna en trippelbindning , med sex delade elektroner i tre bindande molekylära orbitaler, snarare än den vanliga dubbelbindningen som finns i organiska karbonylföreningar. Eftersom fyra av de delade elektronerna kommer från syreatomen och endast två från kol, upptas en bindningsorbital av två elektroner från syre, vilket bildar en dativ eller dipolär bindning . Detta orsakar en C←O- polarisering av molekylen, med en liten negativ laddning på kol och en liten positiv laddning på syre. De andra två bindningsorbitalerna är var och en upptagen av en elektron från kol och en från syre, och bildar (polära) kovalenta bindningar med en omvänd C→O-polarisation eftersom syre är mer elektronegativt än kol. I den fria kolmonoxidmolekylen finns en negativ nettoladdning δ – kvar i koländen och molekylen har ett litet dipolmoment på 0,122 D .
Molekylen är därför asymmetrisk: syre har mer elektrondensitet än kol och är dessutom något positivt laddat jämfört med att kol är negativt. Däremot har den isoelektroniska dikvävemolekylen inget dipolmoment.
Kolmonoxid har en beräknad fraktionell bindningsordning på 2,6, vilket indikerar att den "tredje" bindningen är viktig men utgör något mindre än en hel bindning. I valensbindningstermer är alltså – C≡O + den viktigaste strukturen, medan :C=O är icke-oktett, men har en neutral formell laddning på varje atom och representerar den näst viktigaste resonansbidragsgivaren. På grund av det ensamma paret och divalensen av kol i denna resonansstruktur anses kolmonoxid ofta vara en utomordentligt stabiliserad karben . Isocyanider är föreningar i vilka O är ersatt med en NR-grupp (R = alkyl eller aryl) och har ett liknande bindningsschema.
Om kolmonoxid fungerar som en ligand , kan dipolens polaritet vända med en negativ nettoladdning på syreänden, beroende på strukturen av koordinationskomplexet . Se även avsnittet "Koordinationskemi" nedan.
Bindningspolaritet och oxidationstillstånd
Teoretiska och experimentella studier visar att, trots den större elektronegativiteten hos syre, pekar dipolmomentet från den mer negativa koländen till den mer positiva syreänden. De tre bindningarna är i själva verket polära kovalenta bindningar som är starkt polariserade. Den beräknade polariseringen mot syreatomen är 71% för σ-bindningen och 77% för båda π-bindningarna .
Oxidationstillståndet för kol i kolmonoxid är +2 i var och en av dessa strukturer . Den beräknas genom att alla bindningselektroner räknas som tillhörande det mer elektronegativa syret. Endast de två icke-bindande elektronerna på kol tilldelas kol. I denna räkning har kol då bara två valenselektroner i molekylen jämfört med fyra i den fria atomen.
Förekomst
Kolmonoxid förekommer i olika naturliga och konstgjorda miljöer. Fotokemisk nedbrytning av växtmaterial genererar till exempel uppskattningsvis 60 miljarder kilogram/år. Typiska koncentrationer i delar per miljon är följande:
| Koncentration (ppmv) | Källa |
|---|---|
| 0,1 | Naturlig atmosfär nivå ( MOPITT ) |
| 0,5–5 | Genomsnittlig nivå i bostäder |
| 5–15 | Nära rätt inställda gasspisar i hemmen, moderna fordons avgasutsläpp [ citat behövs ] |
| 17 | Atmosfär av Venus |
| 100–200 | Avgaser från bilar i Mexico Citys centrala område 1975 |
| 700 | Mars atmosfär |
| <1000 | Bilavgaser efter att ha passerat genom katalysatorn |
| 5 000 | Avgaser från en vedeld i hemmet |
| 30 000–100 000 | Outspädda varma bilavgaser utan katalysator |
Atmosfärisk närvaro
Kolmonoxid (CO) finns i små mängder (ca 80 ppb) i jordens atmosfär . Det mesta av resten kommer från kemiska reaktioner med organiska föreningar som släpps ut av mänskliga aktiviteter och naturligt ursprung på grund av fotokemiska reaktioner i troposfären som genererar cirka 5 × 10 12 kg per år. Andra naturliga källor av CO inkluderar vulkaner, skogs- och bushfires och andra diverse former av förbränning som fossila bränslen . Små mängder släpps också ut från havet och från geologisk aktivitet eftersom kolmonoxid förekommer löst i smält vulkanisk sten vid höga tryck i jordens mantel . Eftersom naturliga källor till kolmonoxid varierar från år till år är det svårt att exakt mäta naturliga utsläpp av gasen.
Kolmonoxid har en indirekt effekt på strålningskraften genom att höja koncentrationerna av direkta växthusgaser, inklusive metan och troposfäriskt ozon . CO kan reagera kemiskt med andra atmosfäriska beståndsdelar (främst hydroxylradikalen , • OH) som annars skulle förstöra metan . Genom naturliga processer i atmosfären oxideras den till koldioxid och ozon. Kolmonoxid är kortlivad i atmosfären (med en genomsnittlig livslängd på cirka en till två månader), och rumsligt varierande i koncentration.
På grund av sin långa livslängd i mitten av troposfären används kolmonoxid också som spårämne för förorenande plymer.
Förorening
Stadsföroreningar
Kolmonoxid är en tillfällig atmosfärisk förorening i vissa stadsområden, främst från avgaserna från förbränningsmotorer (inklusive fordon, bärbara och reservgeneratorer, gräsklippare, motortvättar, etc.), men också från ofullständig förbränning av olika andra bränslen ( inklusive ved, kol, träkol, olja, paraffin, propan, naturgas och skräp).
Stora koldioxidföroreningar kan observeras från rymden över städer.
Roll i marknära ozonbildning
Kolmonoxid är, tillsammans med aldehyder , en del av den serie av cykler av kemiska reaktioner som bildar fotokemisk smog . Den reagerar med hydroxylradikal ( • OH) för att producera en radikal-mellanprodukt • HOCO, som snabbt överför sin radikala väte till O 2 för att bilda peroxiradikal (HO 2 • ) och koldioxid (CO 2 ). Peroxiradikal reagerar därefter med kväveoxid (NO) för att bilda kvävedioxid (NO 2 ) och hydroxylradikal. NO 2 ger O( 3P ) via fotolys och bildar därigenom O3 efter reaktion med O2 . Eftersom hydroxylradikal bildas under bildandet av NO 2 är balansen i sekvensen av kemiska reaktioner som börjar med kolmonoxid och leder till bildandet av ozon:
- CO + 2O 2 + hν → CO 2 + O 3
(där hν hänvisar till fotonen av ljus som absorberas av NO 2 -molekylen i sekvensen)
Även om skapandet av NO 2 är det kritiska steget som leder till lågnivå ozonbildning , ökar det också detta ozon på ett annat, något ömsesidigt uteslutande sätt, genom att minska mängden NO som är tillgänglig för att reagera med ozon.
Föroreningar inomhus
I slutna miljöer kan koncentrationen av kolmonoxid stiga till dödliga nivåer. I genomsnitt dör 170 personer i USA varje år av kolmonoxid som produceras av icke-bilkonsumentprodukter. Dessa produkter inkluderar felaktiga bränsleförbränningsapparater såsom ugnar, spisar, varmvattenberedare och rumsvärmare för gas och fotogen ; motordriven utrustning såsom portabla generatorer (och bilar som lämnas igång i anslutande garage); eldstäder; och träkol som bränns i hem och andra slutna utrymmen. Många dödsfall har inträffat under strömavbrott på grund av hårt väder som orkanen Katrina och strömkrisen i Texas 2021 .
Brytning
Gruvarbetare hänvisar till kolmonoxid som " whitedamp " eller "den tysta mördaren". Det kan hittas i trånga områden med dålig ventilation i både ytgruvor och underjordsgruvor. De vanligaste källorna till kolmonoxid i gruvdrift är förbränningsmotorer och sprängämnen; Men i kolgruvor kan kolmonoxid också hittas på grund av kolets lågtemperaturoxidation. Formspråket " Kanarieöarna i kolgruvan " gällde en tidig varning om förekomst av kolmonoxid .
Astronomi
Bortom jorden är kolmonoxid den näst vanligaste diatomiska molekylen i det interstellära mediet , efter molekylärt väte . På grund av sin asymmetri producerar denna polära molekyl mycket ljusare spektrallinjer än vätemolekylen, vilket gör CO mycket lättare att upptäcka. Interstellär CO upptäcktes först med radioteleskop 1970. Det är nu det vanligaste spårämnet av molekylär gas i allmänhet i det interstellära mediet i galaxer, eftersom molekylärt väte endast kan detekteras med ultraviolett ljus, vilket kräver rymdteleskop . Kolmonoxidobservationer ger mycket av informationen om de molekylära moln där de flesta stjärnor bildas .
Beta Pictoris , den näst ljusaste stjärnan i stjärnbilden Pictor , visar ett överskott av infraröd emission jämfört med normala stjärnor av sin typ, som orsakas av stora mängder damm och gas (inklusive kolmonoxid) nära stjärnan.
I Venus atmosfär uppstår kolmonoxid som ett resultat av fotodissociation av koldioxid genom elektromagnetisk strålning med våglängder kortare än 169 nm . Det har också identifierats spektroskopiskt på ytan av Neptunus måne Triton .
Fast kolmonoxid är en komponent i kometer . Den flyktiga eller "is" komponenten i Halley's Comet är cirka 15 % CO. Vid rumstemperatur och vid atmosfärstryck är kolmonoxid faktiskt bara metastabil (se Boudouard-reaktion ) och detsamma gäller vid låga temperaturer där CO och CO
2 är fasta , men ändå kan den existera i miljarder år i kometer. Det finns mycket lite CO i atmosfären av Pluto , som verkar ha bildats från kometer. Detta kan bero på att det finns (eller fanns) flytande vatten inuti Pluto.
Kolmonoxid kan reagera med vatten och bilda koldioxid och väte:
- CO CO2
+ H2O → H2
_ +
Detta kallas vatten-gas-skiftreaktionen när det sker i gasfasen, men det kan också ske (mycket långsamt) i en vattenlösning. Om vätgaspartialtrycket är tillräckligt högt (till exempel i ett underjordiskt hav), myrsyra att bildas:
- CO + H2O → HCOOH
Dessa reaktioner kan ske inom några miljoner år även vid temperaturer som finns på Pluto.
Kemi
Kolmonoxid har ett brett utbud av funktioner inom alla kemidiscipliner. De fyra främsta kategorierna av reaktivitet involverar metall-karbonylkatalys , radikalkemi , katjon- och anjonkemi .
Koordinationskemi
De flesta metaller bildar koordinationskomplex som innehåller kovalent bunden kolmonoxid. Endast metaller i lägre oxidationstillstånd kommer att komplexbindas med kolmonoxidligander . Detta beror på att det måste finnas tillräcklig elektrontäthet för att underlätta backdonation från metallen d xz -orbital, till π* molekylorbitalen från CO. Det ensamma paret på kolatomen i CO donerar också elektrondensitet till d x²−y² på metallen för att bilda en sigmabindning . Denna elektrondonation uppvisas också med cis-effekten eller labiliseringen av CO-ligander i cis-positionen. Nickelkarbonyl , till exempel, bildas genom den direkta kombinationen av kolmonoxid och nickelmetall :
- Ni + 4 CO → Ni(CO) 4 (1 bar, 55 °C)
Av denna anledning får nickel i någon slang eller del inte komma i långvarig kontakt med kolmonoxid. Nickelkarbonyl sönderdelas lätt tillbaka till Ni och CO vid kontakt med heta ytor, och denna metod används för industriell rening av nickel i Mond- processen .
I nickelkarbonyl och andra karbonyler interagerar elektronparet på kolet med metallen; kolmonoxiden donerar elektronparet till metallen. situationer kallas kolmonoxid karbonylliganden . En av de viktigaste metallkarbonylerna är järnpentakarbonyl , Fe(CO) 5 :
Många metall-CO-komplex framställs genom dekarbonylering av organiska lösningsmedel, inte från CO. Till exempel reagerar iridiumtriklorid och trifenylfosfin i kokande 2-metoxietanol eller DMF för att ge IrCl(CO)(PPh 3 ) 2 .
Metallkarbonyler i koordinationskemi studeras vanligtvis med infraröd spektroskopi .
Organisk kemi och huvudgruppskemi
I närvaro av starka syror och vatten reagerar kolmonoxid med alkener för att bilda karboxylsyror i en process som kallas Koch-Haaf-reaktionen. I - Koch-reaktionen AlCl3 omvandlas arener till bensaldehydderivat i närvaro av och HCl . Organolitiumföreningar (t.ex. butyllitium ) reagerar med kolmonoxid, men dessa reaktioner har liten vetenskaplig användning.
Även om CO reagerar med karbokatjoner och karbanjoner , är det relativt icke-reaktivt mot organiska föreningar utan inblandning av metallkatalysatorer.
Med huvudgruppsreagens genomgår CO flera anmärkningsvärda reaktioner. Klorering av CO är den industriella vägen till den viktiga föreningen fosgen . Med boran bildas CO addukten H 3 BCO , som är isoelektronisk med acetyliumkatjonen [H 3 CCO] + . CO reagerar med natrium för att ge produkter som är ett resultat av C−C-koppling, såsom natriumacetylendiolat 2 Na +
· C
2 O
2− 2 . Det reagerar med smält kalium för att ge en blandning av en organometallisk förening, kaliumacetylendiolat 2 K +
· C
2 O
2− 2 , kaliumbensenhexolat 6 K +
C
6 O
6− 6 och kaliumrhodizonat 2 K +
· C
6 O
2 − 6 .
Föreningarna cyklohexanhexon eller trikinoyl (C 6 O 6 ) och cyklopentanpentone eller leukonsyra (C 5 O 5 ), som hittills endast erhållits i spårmängder, kan betraktas som polymerer av kolmonoxid. Vid tryck som överstiger 5 GPa omvandlas kolmonoxid till polykarbonyl , en fast polymer som är metastabil vid atmosfärstryck men är explosiv.
Laboratorieförberedelser
Kolmonoxid framställs lämpligen i laboratoriet genom dehydrering av myrsyra eller oxalsyra , till exempel med koncentrerad svavelsyra . En annan metod är att värma upp en intim blandning av pulveriserad zinkmetall och kalciumkarbonat , som frigör CO och lämnar efter sig zinkoxid och kalciumoxid :
- Zn + CaCO3 → ZnO + CaO + CO
Silvernitrat och jodoform ger också kolmonoxid:
- CHI3 + 3AgNO3 + H2O → 3HNO3 + CO + 3AgI
Slutligen frigör metalloxalatsalter CO vid upphettning, vilket lämnar ett karbonat som biprodukt:
-
Na
2 C
2 O
4 → Na
2 CO
3 + CO
Produktion
Termisk förbränning är den vanligaste källan till kolmonoxid. Kolmonoxid framställs från partiell oxidation av kolhaltiga föreningar; det bildas när det inte finns tillräckligt med syre för att producera koldioxid (CO 2 ), till exempel när man använder en kamin eller en förbränningsmotor i ett slutet utrymme. Till exempel, under andra världskriget, användes en gasblandning inklusive kolmonoxid för att hålla motorfordon igång i delar av världen där bensin och diesel var ont om. Externa (med några få undantag) träkol eller vedgasgeneratorer monterades, och blandningen av atmosfäriskt kväve, väte, kolmonoxid och små mängder av andra gaser som producerades genom förgasning leddes till en gasblandare. Gasblandningen som produceras genom denna process är känd som trägas .
En stor mängd CO-biprodukt bildas under de oxidativa processerna för tillverkning av kemikalier. Av denna anledning måste processavgaserna renas.
Många metoder har utvecklats för kolmonoxidproduktion.
Industriell produktion
En viktig industriell koldioxidkälla är produktionsgas , en blandning som mest innehåller kolmonoxid och kväve, bildad genom förbränning av kol i luft vid hög temperatur när det finns ett överskott av kol. I en ugn leds luft genom en bädd av koks . Den initialt producerade CO 2 jämviktar med det återstående varma kolet för att ge CO. Reaktionen av CO 2 med kol för att ge CO beskrivs som Boudouard-reaktionen . Över 800 °C är CO den dominerande produkten:
- CO 2 (g) + C (s) → 2 CO (g) (Δ H r = 170 kJ/mol)
En annan källa är " vattengas ", en blandning av väte och kolmonoxid som produceras via den endotermiska reaktionen av ånga och kol:
- H2O (g) + C (s) → H2 ( g) + CO (g) (Δ H r = 131 kJ/mol)
Andra liknande " syntesgaser " kan erhållas från naturgas och andra bränslen.
Kolmonoxid kan också framställas genom högtemperaturelektrolys av koldioxid med elektrolysceller med fast oxid . En metod som utvecklats vid DTU Energy använder en ceriumoxidkatalysator och har inga problem med nedsmutsning av katalysatorn.
- 2 CO 2 → 2 CO + O 2
Kolmonoxid är också en biprodukt av reduktionen av metalloxidmalmer med kol, visad i en förenklad form enligt följande :
- MO + C → M + CO
Kolmonoxid produceras också genom direkt oxidation av kol i en begränsad tillgång av syre eller luft.
- 2C + O2 → 2CO
Eftersom CO är en gas kan reduktionsprocessen drivas av uppvärmning, med utnyttjande av reaktionens positiva (gynnsamma) entropi . Ellingham -diagrammet visar att CO-bildning gynnas framför CO 2 vid höga temperaturer.
Använda sig av
Kemisk industri
Kolmonoxid är en industrigas som har många tillämpningar vid tillverkning av bulkkemikalier. Stora mängder aldehyder produceras genom hydroformyleringsreaktionen av alkener , kolmonoxid och H 2 . Hydroformylering kopplas till Shells högre olefinprocess för att ge prekursorer till tvättmedel .
Fosgen , användbar för framställning av isocyanater, polykarbonater och polyuretaner, produceras genom att renad kolmonoxid och klorgas passerar genom en bädd av poröst aktivt kol , som fungerar som en katalysator . Världsproduktionen av denna förening uppskattades till 2,74 miljoner ton 1989.
- CO + Cl2 → COCl2
Metanol framställs genom hydrering av kolmonoxid. I en relaterad reaktion är hydreringen av kolmonoxid kopplad till C−C-bindningsbildning, som i Fischer-Tropsch-processen där kolmonoxid hydreras till flytande kolvätebränslen. Denna teknik gör att kol eller biomassa kan omvandlas till diesel.
I Cativa-processen reagerar kolmonoxid och metanol i närvaro av en homogen iridiumkatalysator och jodvätesyra för att ge ättiksyra . Denna process är ansvarig för det mesta av den industriella produktionen av ättiksyra.
Metallurgi
Kolmonoxid är ett starkt reduktionsmedel och har använts inom pyrometallurgi för att reducera metaller från malmer sedan urminnes tider. Kolmonoxid avlägsnar syre från metalloxider, reducerar dem till ren metall vid höga temperaturer och bildar koldioxid i processen. Kolmonoxid tillförs vanligtvis inte som den är, i gasfasen, i reaktorn, utan den bildas snarare vid hög temperatur i närvaro av syrebärande malm, eller ett kolhaltigt medel såsom koks, och hög temperatur. Masugnsprocessen är ett typiskt exempel på en process för reduktion av metall från malm med kolmonoxid .
På samma sätt innehåller masugnsgas som samlas upp i toppen av masugnen fortfarande cirka 10 % till 30 % kolmonoxid och används som bränsle på Cowper-kaminer och på Siemens-Martin-ugnar vid ståltillverkning med öppen härd .
Lasrar
Kolmonoxid har också använts som ett lasermedium i kraftfulla infraröda lasrar .
Föreslagen användning som bränsle på Mars
Kolmonoxid har föreslagits för användning som bränsle på Mars. Kolmonoxid/syremotorer har föreslagits för tidig yttransport eftersom både kolmonoxid och syre enkelt kan framställas från koldioxidatmosfären på Mars genom zirkoniumoxidelektrolys , utan att använda några Mars vattenresurser för att erhålla väte, vilket skulle behövas för att göra metan eller något vätebaserat bränsle.
Biologiska och fysiologiska egenskaper
Fysiologi
Kolmonoxid är en bioaktiv molekyl som fungerar som en gasformig signalmolekyl . Det produceras naturligt av många enzymatiska och icke-enzymatiska vägar, varav den mest kända är den kataboliska verkan av hemoxygenas på hemet som härrör från hemoproteiner såsom hemoglobin . Efter den första rapporten om att kolmonoxid är en normal signalsubstans 1993, har kolmonoxid fått betydande klinisk uppmärksamhet som en biologisk regulator.
På grund av kolmonoxidens roll i kroppen har abnormiteter i dess ämnesomsättning kopplats till en mängd olika sjukdomar, inklusive neurodegenerationer, högt blodtryck, hjärtsvikt och patologisk inflammation. I många vävnader verkar kolmonoxid som antiinflammatorisk , kärlvidgande och stimulerar neovaskulär tillväxt. I djurmodellstudier minskade kolmonoxid svårighetsgraden av experimentellt inducerad bakteriell sepsis , pankreatit, leverischemi/reperfusionsskada, kolit, artros, lungskada, lungtransplantationsavstötning och neuropatisk smärta samtidigt som det främjade hudsårläkning. Därför finns det ett betydande intresse för den terapeutiska potentialen av att kolmonoxid blir ett farmaceutiskt medel och klinisk standard för vård.
Medicin
Studier som involverar kolmonoxid har utförts i många laboratorier över hela världen för dess antiinflammatoriska och cytoskyddande egenskaper. Dessa egenskaper har potential att användas för att förhindra utvecklingen av en rad patologiska tillstånd inklusive ischemi-reperfusionsskada, transplantatavstötning, ateroskleros, svår sepsis, svår malaria eller autoimmunitet. Många initiativ för läkemedelsleverans har utvecklat metoder för att säkert administrera kolmonoxid, och efterföljande kontrollerade kliniska prövningar har utvärderat den terapeutiska effekten av kolmonoxid.
Mikrobiologi
Mikrobiota kan också använda kolmonoxid som en gasotransmitter . Kolmonoxidavkänning är en signalväg som underlättas av proteiner som CooA . Omfattningen av de biologiska rollerna för kolmonoxidavkänning är fortfarande okänd.
Den mänskliga mikrobiomen producerar, konsumerar och reagerar på kolmonoxid. Till exempel, i vissa bakterier produceras kolmonoxid via reduktionen av koldioxid av enzymet kolmonoxiddehydrogenas med gynnsam bioenergetik för att driva nedströms cellulära operationer. I ett annat exempel är kolmonoxid ett näringsämne för metanogena arkéer som reducerar det till metan med hjälp av väte.
Kolmonoxid har vissa antimikrobiella egenskaper som har studerats för att behandla infektionssjukdomar .
Mat vetenskap
Kolmonoxid används i förpackningssystem med modifierad atmosfär i USA, främst med färska köttprodukter som nötkött, fläsk och fisk för att hålla dem fräscha. Fördelen är tvåfaldig, kolmonoxid skyddar mot mikrobiell förstörelse och det förbättrar köttets färg för konsumenternas tilltalande. Kolmonoxiden kombineras med myoglobin för att bilda karboxymyoglobin, ett ljust körsbärsrött pigment. Karboxymyoglobin är mer stabilt än den syresatta formen av myoglobin, oxymyoglobin, som kan oxideras till det bruna pigmentet metmyoglobin . Denna stabila röda färg kan bestå mycket längre än i normalt förpackat kött. Typiska halter av kolmonoxid som används i de anläggningar som använder denna process är mellan 0,4 % och 0,5 %.
Tekniken fick först status som " allmänt erkänd som säker " (GRAS) av US Food and Drug Administration (FDA) 2002 för användning som ett sekundärt förpackningssystem och kräver ingen märkning. År 2004 godkände FDA CO som primär förpackningsmetod, och förklarade att CO inte maskerar förstörande lukt. Processen är för närvarande otillåten i många andra länder, inklusive Japan, Singapore och Europeiska unionen .
Giftighet
Kolmonoxidförgiftning är den vanligaste typen av dödlig luftförgiftning i många länder. Centers for Disease Control and Prevention uppskattar att flera tusen människor går till akutmottagningar på sjukhus varje år för att behandlas för kolmonoxidförgiftning. Enligt Florida Department of Health , "varje år dör mer än 500 amerikaner av oavsiktlig exponering för kolmonoxid och tusentals fler över hela USA kräver akut medicinsk vård för icke-dödlig kolmonoxidförgiftning." American Association of Poison Control Centers (AAPCC) rapporterade 15 769 fall av kolmonoxidförgiftning vilket resulterade i 39 dödsfall under 2007. Under 2005 rapporterade CPSC 94 generatorrelaterade dödsfall av kolmonoxidförgiftning.
Kolmonoxid är färglös, luktfri och smaklös. Som sådan är den relativt oupptäckbar. Det kombineras lätt med hemoglobin för att producera karboxihemoglobin som potentiellt påverkar gasutbytet ; exponering kan därför vara mycket giftig. Koncentrationer så låga som 667 ppm kan göra att upp till 50 % av kroppens hemoglobin omvandlas till karboxihemoglobin. En nivå på 50 % karboxihemoglobin kan resultera i anfall, koma och dödsfall. I USA OSHA långtidsexponeringsnivåer på arbetsplatsen över 50 ppm.
Förutom att påverka syretillförseln binder kolmonoxid även till andra hemoproteiner såsom myoglobin och mitokondriellt cytokromoxidas , metalliska och icke-metalliska cellulära mål för att påverka många celloperationer.
Beväpning
I forntida historia avrättade Hannibal romerska fångar med kolångor under det andra puniska kriget .
Kolmonoxid hade använts för folkmord under Förintelsen i några förintelseläger , de mest anmärkningsvärda av bensinbilar i Chełmno , och i Action T4- programmet " eutanasi ".
Se även
- Kolmonoxid (datasida) – Kemikaliedatasida
- Andas kolmonoxid
- Kolmonoxiddetektor – Enhet som mäter kolmonoxid (CO)
- Hydrokarbonat (gas)
- Kriterier luftföroreningar – US EPA-gränser för vissa luftföroreningar
- Lista över mycket giftiga gaser
- Rökarens paradox
- Undersea and Hyperbaric Medical Society – USA-baserad organisation för forskning och utbildning inom hyperbarisk fysiologi och medicin. – hyperbar behandling för CO-förgiftning
- Rubicon Foundation – Ideell organisation för att främja forskning och tillgång till information för undervattensdykningsforskningsartiklar om CO-förgiftning
externa länkar
- Global karta över kolmonoxidfördelning
- Förklaring av strukturen
- Internationellt kemikaliesäkerhetskort 0023
- CDC NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards: Kolmonoxid — National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), US Centers for Disease Control and Prevention (CDC)
- Externt MSDS datablad
- Placering av kolmonoxiddetektor
- Mikroskala gaskemiexperiment med kolmonoxid
-
"Omedelbar insikt: Skyll inte på budbäraren" . Kemisk biologi (11: Forskningsnyheter). 18 oktober 2007. Arkiverad från originalet den 28 oktober 2007 . Hämtad 27 oktober 2019 .
Beskriver fysiologin för kolmonoxid från Royal Society of Chemistry .
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|