Въглероден диоксид

химично съединение
(пренасочване от Въглероден двуокис)

Въглеродният диоксид (въглероден двуокис[2]) е химично съединение. Молекулата му се състои от един атом въглерод и два атома кислород. Химичната формула на въглеродния диоксид е CO2. Той е газ без цвят и без миризма (при ниски до средни концентрации; при високи концентрации има остра и задушлива миризма). Получава се като продукт при дишането на живите организми, както и при горенето. Участва като изходно вещество при фотосинтезата на растенията. Натрупването му в по-големи от нормалните количества в атмосферата води до парников ефект.

Химични и физични свойства

редактиране

Въглеродният диоксид е безцветен газ. Плътността му при 25 °C е 1,98 kg/m³, която е 1,65 пъти по-голяма от тази на въздуха. Молекулата на въглеродния диоксид (O=C=O) съдържа две двойни връзки и има линейна форма. Последната няма диполен момент. Тъй като е напълно окислена, не е много реактивоспособна и в частност е невъзпламенима.

При температури под −78.5 °C въглеродният диоксид променя агрегатното си състояние от газообразно в твърдо – десублимация. Твърдият въглероден диоксид се нарича „сух лед“, процесът на получаване се нарича утаяване. При атмосферно налягане сухият лед преминава директно от твърдо в газообразно състояние при процес, наречен сублимация. Течен въглероден диоксид се получава само при налягане над 5,1 bar.

Въглеродният диоксид е разтворим във вода, при което той спонтанно се преобразува във въглеродна киселина (H2CO3) и обратно в CO2. Процесът се нарича „газиране“, а продуктът е „газирана вода“.

CO2 при големи концентрации предизвиква кисел вкус в устата и жилене (дразнение) на гърлото и носа. Тези ефекти са в резултат на образуването на слаб разтвор на въглеродна киселина на тези места.

Съдържанието на въглероден диоксид във вдишвания въздух или в някаква газова смес е субективният критерий, предизвикващ чувство на задушаване. Човек няма рецептори за недостатъчно съдържание на кислород, което е фатално.

Употреба и разпространение

редактиране
  • При производство на безалкохолни напитки
  • При производството на пукащи бонбони. Тяхното производството се извършва под налягане и в присъствие на СО2
  • За производство на сода бикарбонат
  • Като необходим компонент за фотосинтезата. Използва се за засилване растежа на растенията при тяхното отглеждане във водни или сухоземни среди
  • Като евтин незапалим газ в пожарогасителите
  • В пневматичните оръжия
  • Течният СО2 е добър разтворител на много органични съединения и се използва за премахване на кофеина от кафето, както и във фармацевтиката
  • В медицината се използва за стимулация на дишането и при балансиране на кръвта, като се прибавя 5% СО2 към кислорода
  • Течният и твърдият СО2 са много добри охладители и като такива се използват широко в хранително-вкусовата промишленост.

СО2 е крайният продукт, който организмите отделят, когато получават енергия при разграждането на захари и мазнини с кислород и е част от техния метаболизъм. Това важи и за всички растения, животни, много гъби и някои бактерии. При висшите животни СО2 се транспортира от хемоглобина в кръвта, от тъканите към белите дробове, където се отделя. При растенията участва във фотосинтезата. Океанът е един от големите консуматори на СО2.

Съдържанието на СО2 във въздуха варира между 0,03% (300 ppm) и 0,06% (600 ppm), в зависимост от района, а в издишания въздух е приблизително 4,5%. Когато СО2 се вдиша във високи концентрации (повече от 5% обемни), води моментално до опасност за живота и здравето на животните и хората. Максималното допустимо безопасно ниво за възрастни за 8-часов работен ден е 0,5% (5000 ppm), а за деца и възрастни с белодробни заболявания е значително по-ниско. Хората, които вдишат 7 – 10% СО2, могат моментално или след няколко минути да изпаднат в безсъзнание или кома.

Съдържание на СО2 в земната атмосфера

редактиране

През 1953 г. американският учен Чарлз Кийлинг започва да изследва как карбонатът постига химично равновесие в разтвор от вода, варовик и атмосферен въглероден диоксид. За тази цел конструира прецизен уред, който измерва извлечения от водата СО2. В отдалечена от производствени центрове и жилищни зони местност в окръг Монтерей, щата Калифорния, Кийлинг измерва концентрация на СО2 в земната атмосфера от 310 ppm (0,031%). Скоро след това открива денонощните и годишните колебания на концентрацията на СО2 в земната атмосфера.[3]

Предвид общото тегло на земната атмосфера, което се оценява на 5,1х1018 кг, концентрация от 1 ppm означава общо съдържание на 5,1 Gt (гигатона) CO2 в нея. И понеже молекулната маса на въглеродния диоксид М(CO2) = 44, а молекулната маса на въглерода М(C) = 12, 1 ppm CO2 = 5,1 Gt (гигатона) CO2 = 1,39 Gt въглерод (С).

През 1956 г. Роджър Ревел от Института по океанография „Скрипс“ и Хари Уекслър от Метеорологичната служба на САЩ се присъединяват към изследванията на Кийлинг, като предлагат през предстоящата Година на геофизиката (1957-1958) да се проведе едно по-мащабно глобално измерване на атмосферните концентрации на CO2 в множество отдалечени и предполагаемо незасегнати от замърсяване локации. През март 1958 г. Кийлинг инсталира на Мауна Лоа първия си инфрачервен газов анализатор, който през първия ден регистрира концентрация на CO2 313 ppm (0,0313%).[3]

През 2020 г. концентрацията на СО2 в земната атмосфера вече надвишава 415 ppm (0,0415%). За периода 1958 - 2020 увеличението е около 100 ppm, което е около 1,6 ppm годишно или 22,4 милиона тона CO2 на ден.[3]

Парников ефект

редактиране

През последните двеста години, много промишлени процеси са били използвани за производство на енергия (главно изгаряне на изкопаеми горива), които отделят големи количества въглероден диоксид в атмосферата (заедно с други замърсители). Наред с намаляването на растителността на планетата, след обезлесяването и други фактори, естественият баланс на въглеродния диоксид и неговото количество в атмосферата е редуциран до такава степен, че днес нивото на въглероден диоксид в атмосферата е 1,5 пъти по-голямо, отколкото преди 200 години. Тъй като въглеродният диоксид е един от най-разпространените парникови газове, се предполага, че това покачване е причина за глобалното затопляне.

  1. chem.libretexts.org // Посетен на 25 януари 2019 г.
  2. В химичната терминология окис е заменено с оксид през 1980-те години; вж Оксид
  3. а б в Краус, Лорънс М. Науката за климатичните промени. София, Сиела, 2022. ISBN 9789542841173. с. 200.