Διοξείδιο του άνθρακα

Το διοξείδιο του άνθρακα (_CO2) είναι μια χημική ένωση. Είναι αέριο σε θερμοκρασία δωματίου. Αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα και δύο άτομα οξυγόνου. Οι άνθρωποι και τα ζώα απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα όταν εκπνέουν. Επίσης, κάθε φορά που καίγεται κάτι οργανικό (ή δημιουργείται φωτιά), παράγεται διοξείδιο του άνθρακα. Τα φυτά χρησιμοποιούν το διοξείδιο του άνθρακα για να φτιάξουν τροφή. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται φωτοσύνθεση. Οι ιδιότητες του διοξειδίου του άνθρακα μελετήθηκαν από τον Σκωτσέζο επιστήμονα Τζόζεφ Μπλακ τη δεκαετία του 1750.

Το διοξείδιο του άνθρακα είναι αέριο του θερμοκηπίου. Τα αέρια του θερμοκηπίου παγιδεύουν θερμική ενέργεια. Τα αέρια του θερμοκηπίου αλλάζουν το κλίμα και τον καιρό στον πλανήτη μας, τη Γη. Αυτό ονομάζεται κλιματική αλλαγή. Τα αέρια του θερμοκηπίου αποτελούν αιτία της υπερθέρμανσης του πλανήτη, της αύξησης της θερμοκρασίας της επιφάνειας της Γης.

Δομικός τύπος του διοξειδίου του άνθρακα. Το C είναι ο άνθρακας και το O είναι το οξυγόνο. Οι διπλές γραμμές αντιπροσωπεύουν τον διπλό χημικό δεσμό μεταξύ των ατόμων.

Μια εικόνα που δείχνει απλά πώς τα άτομα μπορούν να γεμίσουν το χώρο. Το μαύρο είναι ο άνθρακας και το κόκκινο το οξυγόνο.

Βιολογικός ρόλος

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.

Ξηρός πάγος

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.

Ξηρός πάγος όταν τοποθετείται σε νερό

Απομόνωση και παραγωγή

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}} } $\mathrm {2\ HCl+CaCO_{3}\longrightarrow CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}}$

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}} } $\mathrm {CaCO_{3}\longrightarrow CaO+CO_{2}}$

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} } $\mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\longrightarrow CO_{2}+2\ H_{2}O}$

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}} } $\mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\ CO\longrightarrow 2\ Fe+3\ CO_{2}}$

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} } $\mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow 2\ CO_{2}+2\ C_{2}H_{5}OH}$

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}}} } $\mathrm {nCO_{2}+nH_{2}O\longrightarrow (CH_{2}O)n+nO_{2}}$

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),

Χημική αντίδραση

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}} } $\mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}}$

άνθρακας + οξυγόνο → διοξείδιο του άνθρακα

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Ερ: Τι είναι το διοξείδιο του άνθρακα;

A: Το διοξείδιο του άνθρακα είναι μια χημική ένωση που είναι όξινη, αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα και δύο άτομα οξυγόνου και είναι αέριο σε θερμοκρασία δωματίου.

Ερ: Πώς απελευθερώνεται το διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα;

Α: Οι άνθρωποι και τα ζώα απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα όταν εκπνέουν, και κάθε φορά που καίγεται κάτι οργανικό ή δημιουργείται φωτιά.

Ερ: Τι είναι η φωτοσύνθεση;

Α: Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία μέσω της οποίας τα φυτά χρησιμοποιούν το διοξείδιο του άνθρακα για να δημιουργήσουν τροφή.

Ερ: Ποιος μελέτησε τις ιδιότητες του διοξειδίου του άνθρακα;

Α: Ο Σκωτσέζος επιστήμονας Joseph Black μελέτησε τις ιδιότητες του διοξειδίου του άνθρακα τη δεκαετία του 1750.

Ερ: Τι είναι το αέριο του θερμοκηπίου;

Α: Το αέριο του θερμοκηπίου είναι ένα αέριο που παγιδεύει τη θερμική ενέργεια και αλλάζει το κλίμα και τον καιρό του πλανήτη.

Ερ: Πώς συμβάλλει το διοξείδιο του άνθρακα στην κλιματική αλλαγή;

Α: Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα αέριο του θερμοκηπίου που συμβάλλει στην κλιματική αλλαγή παγιδεύοντας θερμική ενέργεια και προκαλώντας υπερθέρμανση του πλανήτη, δηλαδή αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της Γης.

Ερ: Πώς ρυθμίζεται η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα της Γης;

Α: Η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα της Γης ρυθμίζεται από τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς και τα γεωλογικά φαινόμενα, κυρίως τα ηφαίστεια, από τα τέλη της προκάμβριας εποχής.