Karbondioksid | |
---|---|
IUPAC navn | |
karbondioksid | |
Alternative navn | |
karbondioksid karbondioksid villgass | |
Generelle funksjoner | |
Molekylær eller rå formel | CO 2 |
Molekylmasse ( u ) | 44.009 [1] |
Utseende | fargeløs gass |
CAS-nummer | |
EINECS-nummer | 204-696-9 |
PubChem | 280 |
DrugBank | DB09157 |
SMIL | C(=O)=O |
Fysisk-kjemiske egenskaper | |
Tetthet (g/l, i cs ) | 1022 (31,1 ° C og 5,2 atm) (flytende) 1562 (−78 ° C) (fast) |
Tetthet (kg m −3 , i cs ) | 1,9763 (0 °C), 1,8714 (15 °C), 1,8075 (25 °C) [2] |
Løselighet i vann | 1,69 g / L (20 ° C), 1,48 g / L (25 ° C) [3] |
Smeltepunkt | 216,59 K (−56,56 ° C) ved trippelpunktet [4] |
Koketemperatur | 194,7 K (−78,5 ° C) sublimerer [4] |
Trippelpunkt | 216,5 K (−56,6 ° C) 5,18 × 10 5 Pa |
Kritisk punkt | 304,13 K (30,98 ° C) 7375 × 10 6 Pa [4] |
Damptrykk ( Pa ) ved 293 K. | 5,73 × 10 6 |
Termokjemiske egenskaper | |
Δ f H 0 (kJ mol −1 ) | −393,51 [5] |
Δ f G 0 (kJ mol −1 ) | −394,36 [5] |
S 0 m (J K −1 mol −1 ) | 213,74 [5] |
C 0 p, m (J K −1 mol −1 ) | 37.11 [5] |
Sikkerhetsinformasjon | |
Kjemiske faresymboler | |
Merk følgende | |
Fraser H | 280 - 281 |
Råd P | 282 - 336 + 317 - 403 - 410 + 403 [1] |
Karbondioksid , også kjent som karbondioksid eller karbondioksid , ( formel : CO 2 ) er et karbonmonoksid dannet av ett karbonatom bundet av to dobbeltbindinger til to oksygenatomer . Ved romtemperatur fremstår den som en fargeløs og luktfri gass . Det er naturlig tilstede i atmosfæren , i hydrosfæren og i biosfæren .
Den nåværende atmosfæriske konsentrasjonen av karbondioksid er rundt 0,04 % (418 ppm ), [6] og har vokst fra det førindustrielle nivået hvor den var stabil på rundt 0,03 % (280 ppm). Den atmosfæriske økningen i karbondioksid kan derfor tilskrives menneskelige aktiviteter. [7] Blant de mest forurensende aktivitetene er anerkjent: produksjon av elektrisitet fra forbrenning av naturgass , metan eller kull og transport fra forbrenning av fossilt brensel . Overfloden av karbondioksid i gassform overoppheter atmosfæren gjennom et fenomen som kalles " drivhuseffekten ". I følge denne modellen vil den elektromagnetiske strålingen som kommer fra solen generere mer varme enn den som kommer ut av jorden , og gradvis overopphete planeten. CO 2 vil sammen med andre klimagasser være ansvarlig for å redusere mengden av denne utgående varmen.
I hydrosfæren er CO 2 delvis oppløst i vann med en løselighet på 1,48 g/l under standardbetingelser . I denne forstand kan hav , hav , innsjøer , elver og grunnvann betraktes som reservoarer av karbondioksid, som binder det fra atmosfæren. Imidlertid endrer mengden av CO 2 oppløst i vann pH -verdien , og skaper ubalanse for livsformer.
I biosfæren interagerer karbondioksid med alle levende ting. For autotrofe organismer er CO 2 byggesteinen i organisk materiale: klorofyllfotosyntese bruker CO 2 , H 2 O og solenergi til å produsere organisk materiale og oksygen. For heterotrofe organismer er CO 2 avfallsmolekylet for metabolisme: cellulær respirasjon bruker organisk materiale og oksygen til å produsere CO 2 og H 2 O.
Ved -78 ° C og atmosfærisk trykk fryser karbondioksid i gassform i fast tilstand i en forbindelse som vanligvis kalles tørris . Flytende CO 2 kan ikke eksistere ved atmosfærisk trykk, men eksisterer hvis den er plassert under 31,1 ° C og med et trykk på over 5 atmosfærer.
Karbondioksid ble oppdaget i 1638 av den belgiske kjemikeren Jean Baptiste van Helmont [8] mens han brant kull i en beholder. Da han så at massen til den resulterende asken var mye mindre enn det opprinnelige kullet, antok han at resten av kullet hadde blitt til et usynlig stoff som han kalte "gass" eller noen ganger "sylvangass". Det var den første gassen som ble oppdaget, og observerte dens dannelse under forbrennings- og gjæringsprosesser . [9]
Egenskapene til karbondioksid ble videre studert i 1750 av den britiske kjemikeren Joseph Black . Han viste at noen alkaliske salter, som kalsium eller natriumkarbonat , kunne produsere en gass når de varmes opp eller behandles med syrer. [10] Denne gassen ble definert av ham som "fast luft" på grunn av det faktum at den var inneholdt, fiksert, innenfor den krystallinske strukturen til kalksteinen. Han observerte også at luften var tettere enn atmosfærisk luft og støttet ikke brenningen av en flamme . Han bestemte også verdiene for latent varme og spesifikk varme . [8] [11]
I 1772 publiserte den engelske kjemikeren Joseph Priestley en artikkel med tittelen Impregnating Water with Fixed Air der han beskrev en prosess med å løse opp karbondioksid i vann, og dermed oppnå kullsyreholdig vann for første gang . [8] [12] I 1781 var Antoine-Laurent de Lavoisier , gjennom forbrenning av karbon med oksygen , i stand til å utlede den kjemiske sammensetningen av denne gassen. [8]
Karbondioksid ble først flytende i 1823 av Humphry Davy og Michael Faraday , og påførte høyt trykk på en beholder. [13] I et forsøk på å få det flytende ved atmosfærisk trykk, senket den franske oppfinneren Adrien-Jean-Pierre Thilorier i 1835 temperaturen til -78 °C og oppnådde dermed den faste formen direkte. [14] Det ble dermed oppdaget at karbondioksid fryser ved -78 ° C, går fra gassform til fast form, eller omvendt, sublimerer fra fast til gassform.
I 1866 utviklet Thaddeus Lowe en karbondioksid- kjølesyklus , brukt til produksjon av is . [15]
Økningen i drivhuseffekten som kan tilskrives menneskelig produksjon av karbondioksid ble påpekt så tidlig som i 1896 av Svante Arrhenius , som relaterte konsentrasjonen av karbondioksid til temperaturen i atmosfæren. [16] Dette forholdet ble ytterligere avklart av mange påfølgende studier. Verdens meteorologiske organisasjon (WMO) har vist en jevn økning i konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren, fra verdien på 280 ppm før den andre industrielle revolusjonen opp til den nåværende verdien på 418 ppm, [6] aldri nådd før i siste 800 000 år. [17] [18] På samme måte var det en sterk økning i gjennomsnittstemperaturene.
I dagens IUPAC - nomenklatur er begrepet "karbondioksid" foreldet: begrepet "anhydrid" angir en spesifikk klasse av organiske forbindelser som karbondioksid ikke tilhører, som er en uorganisk forbindelse . Derfor er navnet "karbondioksid" foretrukket, selv om begrepet karbondioksid nå er forankret i vanlig bruk.
Et karbondioksidmolekyl er dannet av et karbonatom kovalent bundet til to oksygenatomer gjennom to dobbeltbindinger . Karbonatomet har et oksidasjonstall +4, derfor er det i sin maksimalt mulige oksidasjonstilstand , mens de to oksygenatomene har et oksidasjonstall −2: molekylet har ingen globale ladninger og er elektrisk nøytralt. [9]
Geometrien til molekylet er lineær og har derfor en ujevn fordeling av elektroner , med en delvis negativ ladning på begge oksygen og en positiv ladning på karbon. Men gitt sin symmetri med hensyn til karbonatomet, har CO 2 ikke noe elektrisk dipolmoment . Lengden på C=O-dobbeltbindingene er 116,3 µm , kortere enn lengden på C=O-dobbeltbindingen som finnes i andre funksjonelle grupper som karbonyler . [19]
Som et lineært triatomisk molekyl har CO 2 fire vibrasjonsmoduser som resonerer med elektromagnetisk stråling :
Gitt disse vibrasjonsmodusene kan et absorpsjonsspektrum av elektromagnetisk stråling i forhold til CO 2 observeres med topper på 4,25 μm og 15 μm, begge bølgelengdene faller innenfor det infrarøde spekteret. Når et foton med disse egenskapene absorberes av CO 2 vibrerer det med større intensitet og overskuddsenergien spres i varme. Av denne grunn brukes IR-spekteret til å oppdage overflatetemperaturer, og igjen av denne grunn er CO 2 definert som en klimagass .
Ved romtemperatur og trykk er karbondioksid en fargeløs og luktfri gass . Dens tetthet ved omgivelsestemperatur og trykk er 1,5 ganger høyere enn luft [11] og har derfor en tendens til å stratifisere på bunnen av lukkede og uventilerte omgivelser. Når temperaturen synker, er den første tilstandsendringen som skjer frosten fra gass til fast stoff . Faktisk, ved -78,2 ° C, fryser den gassformige CO 2 til et fast stoff som vanligvis kalles " tørris ". [22] Motsatt skjer sublimering av tørris til gassformig CO 2 .
Den flytende tilstanden nås bare hvis det påføres mer enn 5,2 atmosfærers trykk og temperaturer under 31,1 °C. Hvis lavere temperaturer påføres høye trykk (som de som brukes for å oppnå flytende CO 2 ), nås trippelpunktet ved -56,6 ° C , det vil si et øyeblikk hvor den faste, flytende og gassformige tilstanden eksisterer samtidig. Når 72,8 atm og 30,9 ° C brukes, nås det kritiske punktet , et tidspunkt da væske- og gasstilstanden blandes i en væske kalt " superkritisk karbondioksid ".
Ved å kjøle ned CO 2 til trykk på over 400 000 atm, oppnås et glasslignende amorft fast stoff kalt " karbonia ", som sublimeres til gassform så snart trykket slippes. [23]
Når konsentrasjonen øker, forblir ikke den gassformige CO 2 luktfri og smakløs. Ved høye konsentrasjoner, som reagerer delvis med vannet i slimhinnene i nesen og munnen , produserer den karbonsyre . Å puste inn en atmosfære spesielt rik på CO 2 gir derfor en skarp og sur lukt og smak, samt en følelse av irritasjon i de øvre luftveiene.
Reaksjonen den utfører med vann er formelt sett en solvatisering , hvis likevekt forskyves mot dannelsen av karbonsyre da denne lett dissosieres til karbonationer (HCO 3 - og CO 3 2− ) som deretter sekvestreres fra kalsium , natrium og kaliumioner i løsning for å danne kalsiumkarbonat , natriumkarbonat, natriumbikarbonat , etc.
Ved temperaturer over 1700 ° C omdannes karbondioksid delvis til karbonmonoksid og oksygen: [9]
Å redusere CO 2 til CO er en veldig langsom og generelt vanskelig prosess, men det kan skje:
Autotrofe organismer bruker det til å bygge organisk materiale gjennom klorofyllfotosyntese . Heterotrofe organismer produserer avfall gjennom cellulær respirasjon .
Kjemisk sett er karbondioksid et elektrofilt reagens . Den reagerer med Grignards reagenser og andre organometalliske forbindelser for å gi de tilsvarende karboksylsyrene i en reaksjon som kalles karbonisering .
Den reagerer også med fenol i Kolbe-reaksjonen for å gi 2-hydroksybenzosyre, dvs. salisylsyre , forløperen til aspirin .
CO 2 er en integrert del av karbonkretsløpet , et biogeokjemisk kretsløp der karbon utveksles mellom atmosfæren , hydrosfæren , litosfæren og biosfæren . Karbon er i denne sammenheng ikke alltid i form av CO 2 , men det kan finnes som metan (CH 4 ), som karbonationer (HCO 3 - og CO 3 2− ), som organiske molekyler ( glukose , cellulose , etc. . .) eller også som biologiske makromolekyler ( nukleinsyrer , karbohydrater , proteiner og lipider ).
Den atmosfæriske konsentrasjonen av karbondioksid har variert enormt i løpet av de 4,54 milliarder årene av jordens historie . Det antas å ha vært tilstede i jordens første atmosfære kort tid etter dannelsen av jorden [24] og at vulkansk aktivitet og asteroidebombardement økte konsentrasjonen i løpet av de neste 2 milliarder årene. [25] En viktig del av karbondioksidutslippene ble snart oppløst i vann og innlemmet i karbonatsedimenter . Takket være disse sedimentene kan det i dag anslås at konsentrasjonen av CO 2 steg i hele prekambrium opp til 4000 ppm . [26]
Den massive produksjonen av oksygen ved cyanobakteriell fotosyntese førte til en masseutryddelse av primordiale livsformer kalt en oksygenkatastrofe som drastisk endret sammensetningen av jordens atmosfære, slik at den lignet den moderne. Den atmosfæriske konsentrasjonen av CO 2 som antas å være typisk for den perioden er, også i dette tilfellet, et anslag gjort på studiet av karbonisotopene i karbonatbergartene.
Temperaturregistreringer fra de siste 420 millioner årene indikerer at atmosfæriske CO 2 -konsentrasjoner nådde en topp på rundt 2000 ppm i løpet av devonperioden (for rundt 380 millioner år siden) og igjen i Trias (220–200 millioner år). Begge disse periodene tilsvarer stort sett masseutryddelser: den sene devoniske masseutryddelsen og den permiske-trias-masseutryddelsen . CO 2 -konsentrasjoner er avledet fra flere faktorer: antall stomata observert på fossile blader [27] og konsentrasjonen av fytan som et nedbrytningsprodukt av klorofyll . [28]
For omtrent 34 millioner år siden, da den mindre utryddelsen av Eocen-Oligocen skjedde , er CO 2 anslått å ha vært rundt 760 ppm, [29] og det er geokjemiske bevis på at konsentrasjonene falt til 300 ppm rundt 20 millioner år. Nedgangen i CO2-konsentrasjonen var hovedagenten som fremtvang den antarktiske istiden. [30] Lave konsentrasjoner av CO 2 kan ha vært stimulansen som favoriserte utviklingen av C4-planter , som økte betydelig for mellom 7 og 5 millioner år siden. [28]
Konsentrasjon tilstedeI løpet av den siste geologiske perioden falt karbondioksidkonsentrasjonene til rundt 180 ppm under den kvartære isisen som skjedde for 2 millioner år siden, og klatret deretter tilbake til 280 ppm under mellomistidene . [6] Generelt har det blitt observert at en lav atmosfærisk konsentrasjon av CO 2 ofte er relatert til en istid , selv om det nesten aldri er den eneste utløseren. Prøvetaking av atmosfæren fra den perioden og påfølgende perioder er mulig takket være kjernen av polarhettene på Grønland og Antarktis .
Selv i de siste 200 000 årene, det vil si gjennom historien til Homo Sapiens , har den atmosfæriske mengden karbondioksid svingt mellom 180 ppm og 290 ppm, og markerer is- og mellomistider . Siden begynnelsen av 1900, sammenfallende med hendelsene under den andre industrielle revolusjon , har imidlertid konsentrasjonen økt dramatisk for å nå 400 ppm i 2015. For tiden har gjennomsnittsnivået av CO 2 i jordens atmosfære nådd 419 ppm [6] og den fortsetter å øke med ca. 2 ppm/år etter et eksponentielt mønster [31] [32] og forårsaker fenomenet global oppvarming . Av denne grunn overvåker forskere kontinuerlig atmosfæriske CO 2 -konsentrasjoner og studerer deres innvirkning på biosfæren.
Hver ppm CO 2 i atmosfæren representerer omtrent 2,13 pg (giga-tonn) karbon , eller i form av karbondioksid, 7,82 pg.
Som Keeling-kurven viser , er det en årlig svingning i CO 2 - konsentrasjonen . Nivået synker med ca. 6 eller 7 ppm fra mai til september i vekstsesongen til plantene på den nordlige halvkule , og stiger deretter med ca. 8 eller 9 ppm i vinterperioden. Den nordlige halvkule dominerer den årlige CO 2 - konsentrasjonssyklusen fordi den har en mye større landoverflate og plantebiomasse enn den sørlige halvkule . [33] [34]
Rolle i drivhuseffektenKarbondioksid spiller en betydelig rolle i å gi relativt høye temperaturer på planeten. Til tross for den lave konsentrasjonen sammenlignet med de andre komponentene i atmosfæren , spiller CO 2 også en grunnleggende rolle for å holde temperaturen ganske konstant i dag-natt-temperaturområdet. Uten drivhuseffekten som hovedsakelig skyldes CO 2 , ville jordens gjennomsnittlige overflatetemperatur vært rundt −18 ° C. [35] [36] Drivhuseffekten naturlig tilstede på jorden gjør altså livet slik vi kjenner det mulig .
Selv om vann er ansvarlig for mesteparten (rundt 36-70%) av den totale drivhuseffekten, avhenger rollen til vanndamp som drivhusgass av temperaturen. På jorden er karbondioksid den mest relevante og direkte påvirkede klimagassen fra et antropologisk synspunkt. Konseptet med atmosfærisk CO 2 som øker jordtemperaturen ble først publisert av Svante Arrhenius i 1896. [37] Økningen i strålingspådriv på grunn av økningen av CO 2 i jordens atmosfære er basert på de fysiske egenskapene til CO 2 . Økningen i forsering forårsaker ytterligere endringer i jordens energibalanse og, på lang sikt, i jordens klima. [38]
Naturlige kilder og fangstDen naturlige utslipp av CO 2 til atmosfæren skjer hovedsakelig på grunn av vulkanutbrudd , fumaroler , geysirer eller branner . Den cellulære respirasjonen til heterotrofe organismer produserer også CO 2 , i en reaksjon som i hovedsak er en forbrenning av glukose . I motsetning til ekte forbrenning, styres imidlertid reaksjonshastigheten av enzymer , som gjør at energien som produseres ikke umiddelbart kan spres i varme, men lagres i andre former.
Den omvendte reaksjonen av respirasjon kalles klorofyllfotosyntese og er den mest effektive naturlige metoden for sekvestrering og fiksering av atmosfærisk karbon. CO 2 er også et produkt av alkoholisk gjæring , en metabolisme som ligner på respirasjon, men som skjer i fravær av oksygen av mange bakterier.
Andre mikroorganismer bryter ned organisk materiale og produserer en blanding av metan og CO 2 kalt biogass . [14]
Antropogene kilder og fangstDen menneskelige aktiviteten som frigjør mest CO 2 til atmosfæren er forbrenning av ethvert karbonbasert materiale ( metan , petroleum , parafin , tre , kull , papir , etc.). For eksempel produserer forbrenningen av ett molekyl metan ett molekyl CO 2 og to H 2 O, som vist ved reaksjonen:
Denne spesielle aktiviteten er grunnlaget for mange andre, for eksempel produksjon av elektrisitet , bevegelse av kjøretøy eller deponering av avfall . Hogst og avskoging er også menneskelige aktiviteter som i betydelig grad bidrar til økningen i atmosfærisk konsentrasjon av CO 2 . I dette tilfellet, ikke ved å introdusere nye molekyler i miljøet, men ved å fjerne organismene som naturlig fjerner det, og derfor favorisere dets akkumulering. Avskoging antas å være den andre årsaken til global oppvarming , etter forbrenning av karbonbaserte materialer. [39]
Mange industrielle prosesser produserer CO 2 som avfall. Den mest påvirkende av dem er legeringen av jernoksider med koks for å danne støpejern . [15] Ammoniakkproduksjon er også ansvarlig for dannelsen av CO 2 så vel som hydrogen . Sommeren 2018 oppsto en CO 2 -mangel i Europa på grunn av midlertidig stenging av flere ammoniakkanlegg for vedlikehold. [16]
Noen tekniske forslag har blitt fremsatt for fangst av karbondioksid direkte fra atmosfæren, men utviklingen, selv om den er lovende, er bare i sin spede begynnelse. Det pågår for tiden eksperimenter med prototyper, [40] [41] [42] [43] men det er ennå ikke mulig å forutsi om det vil være mulig å bruke dem i stor skala.
Karbondioksid kommer inn i løsningen i en mengde på ca. 1,48 g / L under standardforhold for trykk og temperatur. Gassens løselighet avtar etter hvert som vanntemperaturen øker , bortsett fra når både trykk og temperatur overstiger ekstreme verdier (296 atmosfærer og 120 °C) som bare finnes i nærheten av dype geotermiske ventiler . [17] Mesteparten av CO 2 som absorberes av havene danner karbonsyre i likevekt med bikarbonat- og karbonationer. Økningen av CO 2 i atmosfæren har ført til en reduksjon i alkaliniteten til sjøvann og det fryktes at dette kan påvirke vannlevende organismer negativt. Spesielt, med synkende alkalinitet, reduseres tilgjengeligheten av karbonater for skjelldannelse , [18] selv om det er bevis på økt skjellproduksjon hos enkelte arter. [19]
Det er omtrent femti ganger mer oppløst karbondioksid i havene enn det er i atmosfæren. Havet fungerer som en enorm karbonvask og har absorbert omtrent en tredjedel av CO2 som slippes ut av menneskelig aktivitet. [20]
Ettersom konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren øker, forårsaker den økte absorpsjonen av karbondioksid i havene en målbar reduksjon i pH i havet, som omtales som havforsuring . Denne reduksjonen i pH påvirker biologiske systemer i havene, hovedsakelig forkalkende organismer. Disse effektene spenner over næringskjeden fra autotrofer til heterotrofer og inkluderer organismer som kokolitoforer , koraller , foraminiferer , pigghuder , krepsdyr og bløtdyr . Under normale forhold er kalsiumkarbonat stabilt i overflatevann siden karbonationen er i overmettede konsentrasjoner. Men når pH i havet synker, synker også konsentrasjonen av dette ionet og når karbonatet blir undermettet og kalsiumkarbonatstrukturene er sårbare for oppløsning. [22] Koraller, [23] [24] [25] kokolitoforer, [26] [27] [29] korallalger, [30] foraminiferer, [31] bløtdyr [32] og pteropoder [33] gjennomgår redusert forkalkning eller større oppløsning.
Naturlige kilder og fangstOppløsningen av karbonatbergarter forårsaker en rekke reaksjoner, på slutten av hvilke CO 2 produseres . For eksempel, når en kalsiumkarbonatbasert bergart møter en syre, har den en tendens til å oppløses i henhold til følgende reaksjon:
Tilstedeværelsen av karbonsyre forsurer miljøet enda mer, og genererer en positiv tilbakemeldingsmekanisme som stadig øker surheten. Til slutt dissosieres karbonsyre, avhengig av pH og konsentrasjonen i løsningen, til H 2 O og CO 2 etter reaksjonen:
Denne dissosiasjonsreaksjonen skjer også i blodårene i lungene våre: når partialtrykket av CO 2 er lavt, skifter likevekten mot produktene, og produserer CO 2 . Tilbake til karbonatbergartene, når temperaturen øker (ca. 850 ° C ved standardtrykk), dissosierer kalsiumkarbonatet seg til CaO og CO 2 . Karbonat- og bikarbonationene blir konsumert av fotosyntetiske organismer som fjerner karbonet fra syklusen og fikserer det i kalsiumkarbonatbergarter. Hydrogenkarbonationet produseres ved påvirkning av fritt karbondioksid på kalksteinsbergarter - et eksempel er oppløsningsreaksjonen av kalsiumkarbonat :
Karbondioksid er et sluttprodukt av cellulær respirasjon i heterotrofe organismer , mens det er en av mellomreaktantene ved fotosyntese for autotrofe organismer . Dette betyr at CO 2 brukes, på forskjellige måter, av nesten alle levende ting.
I autotrofe organismerSettet av autotrofe organismer inkluderer alle de levende vesener som er i stand til å selvsyntetisere sine organiske molekyler med utgangspunkt i de uorganiske som miljøet tilbyr, for eksempel CO 2 . Denne enorme gruppen av organismer kan videre deles inn i:
Et annet eksempel er de lilla sulfobakteriene , som i fravær av lys kan oksidere svovel fra hydrogensulfid til elementært svovel , og forbruke CO 2 og O 2 . I nærvær av lys kan disse mikroorganismene utføre anoksygen klorofyllfotosyntese .
Heterotrofe organismer, på den annen side, er alle de levende vesener som ikke er i stand til å selvsyntetisere sine egne organiske molekyler med utgangspunkt i de uorganiske som miljøet tilbyr. Dyr , sopp og noen bakterier faller inn i denne kategorien .
Hos virveldyr går karbondioksid i blodet fra kroppsvev til huden (for eksempel amfibier) eller gjeller (for eksempel fisk), hvorfra det løses opp i vann, eller til lungene der det pustes ut.
CO 2 er en kvelende gass og er ikke klassifisert som giftig eller skadelig i henhold til standardene til det harmoniserte systemet for klassifisering og merking av kjemikalier (GHS) og OECD . Ved konsentrasjoner så lave som 1 % (10 000 ppm) vil noen mennesker føle seg søvnige og gi lungene en kvelningsfølelse. [52] Konsentrasjoner på 7 % til 10 % (70 000 til 100 000 ppm) kan forårsake kvelning , selv i nærvær av tilstrekkelig oksygen, som manifesterer seg som svimmelhet , hodepine , syns- og auditiv dysfunksjon og tap av bevissthet innen noen få minutter eller et nå. [53] De fysiologiske effektene av akutt eksponering for karbondioksid er gruppert under begrepet hyperkapni , en kategori av kvelning .
Karbondioksid i luften er tilstede i en mengde på ca. 0,04 %, mens den i utåndingsluften etter et pust er ca. 4,5 %. En atmosfære som inneholder mer enn 5 % karbondioksid er kvelende for mennesker og dyr, siden den metter hemoglobinet i blodet og hindrer det i å binde seg til oksygen og dermed blokkerer oksygeneringen av vevet. Av denne grunn, både når det brukes i gassform og når det brukes som tørris, må karbondioksid håndteres i godt ventilerte rom. Grensene satt av OSHA (det amerikanske byrået for sikkerhet på arbeidsplassen) for konsentrasjonen av karbondioksid på arbeidsplassen er 0,5 % (5000 ppm, 9000 mg / mc TLV -TWA [4] ) for kontinuerlig eksponering. STEL- grensen er 3 % (30 000 ppm [4] ). Mesteparten av karbondioksidet i blodet (72 %) er tilstede i form av hydrogenkarbonation , HCO 3 - , der det fungerer som en buffer for regulering av blodets pH , selv om det er sekundært til bufferkraften til proteiner som dekke 3/4 av totalen. Det optimale nivået av hydrogenkarbonation opprettholdes gjennom pustehastigheten og sammentrekningen eller utvidelsen av blodårene og lungegangene. Omtrent 22 % av CO 2 i kroppen finnes i form av karbaminohemoglobin og 6 % i form av fri CO 2 . Hver dag produserer menneskekroppen 12-15 mol CO₂ (288-360 liter) i hvile og opptil 50 mol ved intens fysisk aktivitet. planter karbondioksid fra atmosfæren gjennom fotosyntese, hvorved karbondioksid og vann omdannes til glukose og oksygen. Både i nærvær og i fravær av lys slipper planter også ut karbondioksid som et resultat av cellulær respirasjon.
Karbondioksid er tilstede i høye konsentrasjoner på planeten Venus , hvor det utgjør 96,4% av atmosfæren . [54] På grunn av karbondioksid er drivhuseffekten på Venus spesielt intens, noe som resulterer i at planeten er den varmeste i solsystemet , med hele 750 K (tilsvarende 475 °C ). [55]
Atmosfæren på Mars, derimot, inneholder en mindre mengde karbondioksid enn Venus, men fortsatt betydelig, tilsvarende 85,32 %. Men gitt den reduserte massen til denne planeten, er den ikke i stand til å beholde den i sin forsjeldne atmosfære: faktisk stammer denne prosentandelen delvis fra konsentrasjonen av denne gassen i polarhettene, som er dannet utelukkende av tørris . Karbondioksid er også til stede på noen satellitter på de store planetene, for eksempel er atmosfæren til Callisto ( Jupiters satellitt ) hovedsakelig sammensatt av karbondioksid. [56]
Karbondioksid er resultatet av forbrenningen av en organisk forbindelse i nærvær av en mengde oksygen som er tilstrekkelig til å fullføre oksidasjonen . Det kan også fremstilles ved å reagere et karbonat eller bikarbonat med en syre. [11] I naturen produseres det også av aerobe bakterier under den alkoholiske gjæringsprosessen og er et biprodukt av respirasjon . Planter bruker det til fotosyntese som, ved å kombinere det med vann og ved påvirkning av sollys og klorofyll , forvandler det til glukose som frigjør oksygen som et biprodukt.
Karbondioksid produseres hovedsakelig fra følgende prosesser: [57]
Fast karbondioksid (også kalt tørris eller karbonisk snø [11] ) brukes som et kjølemedium, for eksempel for matkonservering, og har fordelen av at sublimen går direkte fra fast tilstand til gassform og lar temperaturen opprettholdes ved lavere verdier enn is . Spesielt kan den nå temperaturer mellom -70 ° C og -80 ° C hvis den blandes med etylalkohol , aceton eller andre organiske væsker. [11] Karbondioksid brukes også i spesialeffekter for å skape tåkeeffekten.
Karbondioksidet i fast form brukes også til rengjøring av overflater gjennom den kryogene sandblåsingsmetoden , hvor krystaller av karbondioksid kastes mot overflaten som skal renses fra biologiske belegg, mineralsk patina eller andre avleiringer, og eliminerer dem på grunn av den doble effekten. av slitasje og sterk lokalisert avkjøling som fører til sammentrekning og stivning av de berørte delene. En fordel med denne metoden sammenlignet med tradisjonell sandblåsing er knyttet til det faktum at tørrisen som brukes som sand umiddelbart sublimerer, noe som i stor grad reduserer mengden rester som skal deponeres etter inngrepet.
I en atmosfære rik på karbondioksid slukker brannen : av denne grunn inneholder noen typer brannslukningsapparater flytende karbondioksid under trykk ved 73 atm . Redningsvester inneholder også ofte flytende karbondioksidkapsler, som brukes til raskt å blåses opp i en nødssituasjon.
Sprudlende mineralvann og kullsyreholdig brus skyldes tilsetningen av karbondioksid. Noen brus, inkludert øl og musserende viner inneholder karbondioksid som et resultat av gjæringen de har gjennomgått.
Igjen er det karbondioksidet som får deigen til å heve; mange gjær , naturlig eller kjemisk, utvikler karbondioksid ved gjæring eller ved kjemisk reaksjon. Karbondioksid og vann er råmaterialene til fotosyntesen ; ofte er luften inne i drivhusene beriket med karbondioksid for å stimulere plantevekst; dessuten er en atmosfære som inneholder omtrent 1 % karbondioksid dødelig for mange parasitter. Karbongjødsling brukes også i akvarier for å fremme veksten av nedsenkede vannplanter .
Karbondioksid brukes som kjølevæske i kjøle- og klimaanlegg med lav miljøpåvirkning, og er identifisert med forkortelsen R-744. Bruken av CO 2 som kjølevæske er underlagt spesielle forhold siden en transkritisk syklus finner sted . I tillegg brukes karbondioksid i noen typer industrielle lasere . I industrien brukes det som reagens sammen med ammoniakk for produksjon av ammoniumkarbamat , [9] i sin tur brukt til å produsere urea , [9] som finner anvendelse i produksjon av kunstgjødsel og plast . [9] Til slutt, i industrien, blandet med argon eller ren, brukes den som en inert gass for beskyttelse/penetrering av badet under en sveising ( open-arc ). Blant tilsetningsstoffene er det identifisert med initialene E 290 .
Hovedmetoden for å kvitte seg med enorme mengder karbondioksid er klorofyllfotosyntese utført av planter: denne prosessen involverer lys, karbondioksid og vann, og transformerer dem til oksygen og glukose ; den består derfor i å plante og/eller bevare skog fra avskoging og branner . Dette er den enkleste, billigste og mest spontane måten som praktisk talt har skjedd naturlig på planeten vår siden det har vært planter. Det er også en del av tiltakene som kan vedtas under Kyoto-protokollen for å overholde restriksjonene for CO₂-utslipp fra hvert land.
Det studeres kunstige metoder, tilhørende den såkalte " geoengineering ", for fangst og sekvestrering av karbon (på engelsk Carbon Capture and Sequestration , forkortet til CCS) med mål om å fange, transportere og lagre CO 2 for å motvirke økningen i konsentrasjon av denne drivhusgassen i atmosfæren. I dette tilfellet skjer karbondioksidfangsten på steder der det produseres i store mengder: forbrenningsgasser (for eksempel kull- eller gassfyrte termoelektriske anlegg ) eller fra raffineringsrester; "sekvestreringen" består i injeksjonen i undergrunnen hvor karbondioksidet kan forbli segregert takket være ulike kjemisk-fysiske mekanismer.
I dag er det tre hovedområder for geologiske sekvestreringseksperimenter , alle knyttet til oljeindustrien: Weyburn i Canada , I Salah i Algerie og Sleipner i norsk offshore . Mengden karbondioksid beslaglagt av disse prosjektene er i størrelsesorden én million tonn per år, i realiteten en svært beskjeden mengde. Sleipner har vært i drift siden 1995. Disse metodene fjerner ikke formelt karbondioksid, men krever lagring i underjordiske lommer som skal holde på molekylet i tusenvis av år. [61]