Въглероден диоксид (CO2): парников газ, свойства и роля в климата

Биологична роля

Въглеродният диоксид е краен продукт на организмите, които получават енергия от разграждането на захари, мазнини и аминокиселини с помощта на кислород като част от метаболизма. Този процес е известен като клетъчно дишане. Това включва всички растения, животни, много гъби и някои бактерии. При висшите животни въглеродният диоксид се придвижва с кръвта от тъканите на тялото до белите дробове, където се издишва. Растенията поемат въглероден диоксид от атмосферата, за да го използват при фотосинтеза.

Сух лед

Сухият лед, или твърд въглероден диоксид, е твърдото състояние на газа _CO2 под -109,3 °F (-78,5 °C). Сухият лед не се среща естествено на Земята, а е създаден от човека. Той е безцветен. Хората използват сух лед, за да правят нещата студени и да правят напитките газирани, да убиват глигани и да замразяват брадавици. Парите на сухия лед причиняват задушаване и в крайна сметка смърт. Препоръчва се повишено внимание и професионална помощ, когато се използва сух лед.

При обичайното налягане той не се разтопява от твърдо вещество в течност, а преминава директно от твърдо вещество в газ. Това се нарича сублимация. Той се превръща директно от твърдо вещество в газ при всяка температура, по-висока от изключително ниските температури. Сухият лед сублимира при нормална температура на въздуха. Сухият лед, изложен на нормален въздух, отделя газ въглероден диоксид, който няма цвят. Въглеродният диоксид може да се втечнява при налягане над 5,1 атмосфери.

Въглеродният диоксид, който се отделя от сухия лед, е толкова студен, че когато се смеси с въздуха, охлажда водните пари във въздуха до мъгла, която изглежда като гъст бял дим. Често се използва в театъра, за да създаде впечатление за мъгла или дим.

Изолиране и производство

Химиците могат да получат въглероден диоксид от охлаждането на въздуха. Те наричат това дестилация на въздуха. Този метод е неефективен, тъй като трябва да се охлади голямо количество въздух, за да се извлече малко количество CO2. Химиците могат да използват и няколко различни химични реакции за отделяне на въглероден диоксид. Въглеродният диоксид се получава при реакциите между повечето киселини и повечето метални карбонати. Например при реакцията между солна киселина и калциев карбонат (варовик или креда) се получава въглероден диоксид:

2 H C l + C a C O 3 ⟶ C a C l 2 + H 2 C O 3 {\displaystyle \mathrm {2\ HCl+CaCO_{3}\longrightarrow CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}} }

След това въглеродната киселина (_H2CO3) се разлага на вода и _CO2. Тези реакции предизвикват разпенване или бълбукане, или и двете. В промишлеността такива реакции се използват многократно за неутрализиране на отпадъчни киселинни потоци.

Широко разпространеният химикал - негасена вар (CaO) - може да се получи при нагряване на варовик до около 850 °C. При тази реакция се получава и _CO2:

C a C O 3 ⟶ C a O + C O 2 {\displaystyle \mathrm {CaCO_{3}\longrightarrow CaO+CO_{2}} }

Въглероден диоксид се образува и при изгарянето на всички въглеродсъдържащи горива, като метан (природен газ), петролни дестилати (бензин, дизел, керосин, пропан), въглища или дърва. В повечето случаи се отделя и вода. Като пример може да се посочи химичната реакция между метан и кислород:

C H 4 + 2 O 2 ⟶ C O 2 + 2 H 2 O {\displaystyle \mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\longrightarrow CO_{2}+2\ H_{2}O} }

Въглеродният диоксид се произвежда в стоманодобивните предприятия. Желязото се редуцира от своите оксиди с кокс в доменна пещ, като се получава чугун и въглероден диоксид:

F e 2 O 3 + 3 C O ⟶ 2 F e + 3 C O 2 {\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\ CO\longrightarrow 2\ Fe+3\ CO_{2}} }

Дрождите метаболизират захарта, за да произведат въглероден диоксид и етанол, известен също като алкохол, при производството на вина, бира и други спиртни напитки, но също и при производството на биоетанол:

C 6 H 12 O 6 ⟶ 2 C O 2 + 2 C 2 H 5 O H {\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow 2\ CO_{2}+2\ C_{2}H_{5}OH} }

Всички аеробни организми произвеждат CO
_2, когато окисляват въглехидрати, мастни киселини и протеини в митохондриите на клетките. Големият брой участващи реакции са изключително сложни и не се описват лесно. (Те включват клетъчно дишане, анаеробно дишане и фотосинтеза). Фотоавтотрофите (т.е. растенията, цианобактериите) използват друга реакция: Растенията абсорбират CO
_{2 от} въздуха и заедно с вода реагират с него, за да образуват въглехидрати:

n C O 2 + n H 2 O ⟶ ( C H 2 O ) n + n O 2 {\displaystyle \mathrm {nCO_{2}+nH_{2}O\longrightarrow (CH_{2}O)n+nO_{2}} }

Въглеродният диоксид е разтворим във вода, в която спонтанно се превръща в _CO2 и H
_2СО
3 (въглеродна киселина). Относителните концентрации на CO
₂, H
_2CO
3 и депротонираните форми HCO-
₃ (бикарбонат) и ^CO2-
₃ (карбонат) зависят от киселинността (pH). В неутрална или слабо алкална вода (рН > 6,5) преобладава бикарбонатната форма (> 50 %), която става най-разпространената (> 95 %) при рН на морската вода, докато в много алкална вода (рН > 10,4) преобладаващата (> 50 %) форма е карбонатната. Бикарбонатната и карбонатната форма са много добре разтворими. Така например, въздушно уравновесената океанска вода (слабо алкална с типично pH = 8,2-8,5) съдържа около 120 mg бикарбонат на литър.

Индустриално производство

Индустриалният въглероден диоксид се произвежда основно при шест процеса:

• Чрез улавяне на естествените извори на въглероден диоксид, когато той се образува от действието на подкиселена вода върху варовик или доломит.
• Като страничен продукт от инсталациите за производство на водород, където метанът се превръща в _CO2;
• От изгарянето на изкопаеми горива или дървесина;
• Като страничен продукт от ферментацията на захарта при варенето на бира, уиски и други алкохолни напитки;
• От термичното разлагане на варовик, CaCO
  ₃, при производството на вар (калциев оксид, CaO);

Химична реакция

Въглеродният диоксид може да се създаде с проста химична реакция:

C + O 2 ⟶ C O 2 {\displaystyle \mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}} }

въглерод + кислород → въглероден диоксид