Διοξείδιο του άνθρακα

Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα τελικό προϊόν των οργανισμών που λαμβάνουν ενέργεια από τη διάσπαση σακχάρων, λιπών και αμινοξέων με οξυγόνο στο πλαίσιο του μεταβολισμού τους. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως κυτταρική αναπνοή. Αυτό περιλαμβάνει όλα τα φυτά, τα ζώα, πολλούς μύκητες και ορισμένα βακτήρια. Στα ανώτερα ζώα, το διοξείδιο του άνθρακα ταξιδεύει με το αίμα από τους ιστούς του σώματος στους πνεύμονες όπου εκπνέεται. Τα φυτά προσλαμβάνουν διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα για να το χρησιμοποιήσουν στη φωτοσύνθεση.

Ο ξηρός πάγος, ή στερεό διοξείδιο του άνθρακα, είναι η στερεά κατάσταση του αερίου _CO2 κάτω από τους -109,3 °F (-78,5°C). Ο ξηρός πάγος δεν απαντάται φυσικά στη γη, αλλά κατασκευάζεται από τον άνθρωπο. Είναι άχρωμος. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν τον ξηρό πάγο για να κάνουν τα πράγματα κρύα, και για να κάνουν τα ποτά ανθρακούχα, να σκοτώνουν τους τυφλοπόντικες και να παγώνουν τις μυρμηγκιές. Οι ατμοί του ξηρού πάγου προκαλούν ασφυξία και τελικά θάνατο. Συνιστάται προσοχή και επαγγελματική βοήθεια κάθε φορά που χρησιμοποιείται ξηρός πάγος.

Σε συνήθη πίεση δεν θα λιώσει από στερεό σε υγρό, αλλά αντίθετα θα μετατραπεί απευθείας από στερεό σε αέριο. Αυτό ονομάζεται εξάχνωση. Θα μετατραπεί απευθείας από στερεό σε αέριο σε οποιαδήποτε θερμοκρασία υψηλότερη από τις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Ο ξηρός πάγος εξάχνεται σε κανονική θερμοκρασία αέρα. Ο ξηρός πάγος που εκτίθεται σε κανονικό αέρα εκλύει αέριο διοξείδιο του άνθρακα που δεν έχει χρώμα. Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να υγροποιηθεί σε πίεση πάνω από 5,1 ατμόσφαιρες.

Το αέριο διοξείδιο του άνθρακα που βγαίνει από τον ξηρό πάγο είναι τόσο κρύο που όταν αναμιγνύεται με τον αέρα ψύχει τους υδρατμούς στον αέρα σε ομίχλη, η οποία μοιάζει με πυκνό λευκό καπνό. Χρησιμοποιείται συχνά στο θέατρο για να δημιουργήσει την εμφάνιση ομίχλης ή καπνού.

Οι χημικοί μπορούν να πάρουν διοξείδιο του άνθρακα από την ψύξη του αέρα. Αυτό το ονομάζουν απόσταξη αέρα. Η μέθοδος αυτή είναι αναποτελεσματική, επειδή πρέπει να ψυχθεί μεγάλη ποσότητα αέρα για να εξαχθεί μικρή ποσότητα CO2. Οι χημικοί μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν διάφορες χημικές αντιδράσεις για να διαχωρίσουν το διοξείδιο του άνθρακα. Το διοξείδιο του άνθρακα παράγεται στις αντιδράσεις μεταξύ των περισσότερων οξέων και των περισσότερων ανθρακικών μετάλλων. Για παράδειγμα, η αντίδραση μεταξύ υδροχλωρικού οξέος και ανθρακικού ασβεστίου (ασβεστόλιθος ή κιμωλία) παράγει διοξείδιο του άνθρακα:

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}} }

Το ανθρακικό οξύ (_H2CO3) στη συνέχεια διασπάται σε νερό και _CO2. Τέτοιες αντιδράσεις προκαλούν αφρισμό ή φυσαλίδες ή και τα δύο. Στη βιομηχανία, τέτοιου είδους αντιδράσεις χρησιμοποιούνται πολλές φορές για την εξουδετέρωση αποβλήτων οξέων.

Ο ασβέστης (CaO), ένα χημικό προϊόν που έχει ευρεία χρήση, μπορεί να παραχθεί θερμαίνοντας ασβεστόλιθο στους 850 °C περίπου. Αυτή η αντίδραση παράγει επίσης _CO2:

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

Διοξείδιο του άνθρακα παράγεται επίσης κατά την καύση όλων των καυσίμων που περιέχουν άνθρακα, όπως το μεθάνιο (φυσικό αέριο), τα πετρελαϊκά αποστάγματα (βενζίνη, ντίζελ, κηροζίνη, προπάνιο), ο άνθρακας ή το ξύλο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, απελευθερώνεται επίσης νερό. Για παράδειγμα, η χημική αντίδραση μεταξύ μεθανίου και οξυγόνου είναι η εξής:

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} }

Το διοξείδιο του άνθρακα παράγεται στα χαλυβουργεία. Ο σίδηρος ανάγεται από τα οξείδιά του με οπτάνθρακα σε υψικάμινο, παράγοντας χυτοσίδηρο και διοξείδιο του άνθρακα:

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}} }

Η μαγιά μεταβολίζει τη ζάχαρη για να παράγει διοξείδιο του άνθρακα και αιθανόλη, γνωστή και ως αλκοόλη, στην παραγωγή κρασιών, μπύρας και άλλων αλκοολούχων ποτών, αλλά και στην παραγωγή βιοαιθανόλης:

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} }

Όλοι οι αερόβιοι οργανισμοί παράγουν CO
₂ όταν οξειδώνουν υδατάνθρακες, λιπαρά οξέα και πρωτεΐνες στα μιτοχόνδρια των κυττάρων. Ο μεγάλος αριθμός των αντιδράσεων που εμπλέκονται είναι εξαιρετικά πολύπλοκος και δεν περιγράφεται εύκολα. (Περιλαμβάνουν την κυτταρική αναπνοή, την αναερόβια αναπνοή και τη φωτοσύνθεση). Οι φωτοαυτότροφοι (π.χ. φυτά, κυανοβακτήρια) χρησιμοποιούν μια άλλη αντίδραση: Τα φυτά απορροφούν CO
₂ από τον αέρα και, μαζί με το νερό, το αντιδρούν για να σχηματίσουν υδατάνθρακες:

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}}} }

Το διοξείδιο του άνθρακα είναι διαλυτό στο νερό, στο οποίο μετατρέπεται αυθόρμητα σε _CO2 και H
_2CO
3 (ανθρακικό οξύ)_. Οι σχετικές συγκεντρώσεις του CO
₂, H
_2CO
3, και των αποπρωτονιωμένων μορφών HCO-
₃ (διττανθρακικά) και ^CO2-
₃ (ανθρακικές) εξαρτώνται από την οξύτητα (pH). Σε ουδέτερο ή ελαφρώς αλκαλικό νερό (pH > 6,5), η διττανθρακική μορφή επικρατεί (>50%) και γίνεται η επικρατέστερη (>95%) στο pH του θαλασσινού νερού, ενώ σε πολύ αλκαλικό νερό (pH > 10,4) η επικρατούσα (>50%) μορφή είναι το ανθρακικό. Οι διττανθρακικές και οι ανθρακικές μορφές είναι πολύ διαλυτές. Έτσι, το εξισορροπημένο με αέρα ωκεάνιο νερό (ήπια αλκαλικό με τυπικό pH = 8,2-8,5) περιέχει περίπου 120 mg διττανθρακικών ανά λίτρο.

Βιομηχανική παραγωγή

Το βιομηχανικό διοξείδιο του άνθρακα παράγεται κυρίως από έξι διεργασίες:

• Με τη δέσμευση φυσικών πηγών διοξειδίου του άνθρακα, όπου αυτό παράγεται από τη δράση οξινισμένου νερού σε ασβεστόλιθο ή δολομίτη.
• Ως υποπροϊόν των μονάδων παραγωγής υδρογόνου, όπου το μεθάνιο μετατρέπεται σε _CO2,
• Από την καύση ορυκτών καυσίμων ή ξύλου,
• Ως υποπροϊόν της ζύμωσης της ζάχαρης κατά την παρασκευή μπύρας, ουίσκι και άλλων αλκοολούχων ποτών,
• Από τη θερμική αποσύνθεση του ασβεστόλιθου, CaCO
  ₃, για την παρασκευή ασβέστη (οξείδιο του ασβεστίου, CaO),

Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να δημιουργηθεί με μια απλή χημική αντίδραση:

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

άνθρακας + οξυγόνο → διοξείδιο του άνθρακα