Јаглерод диоксид

Структура, сврзување и молекулски вибраци

Симетријата на молекулата на јаглерод диоксид е линеарна и центросиметрична во нејзината рамнотежна геометрија. Должината на јаглерод-кислород врската во јаглерод диоксидот е 116,3 pm, значително пократка од приближно 140-pm должината на типична единечна C–O врска и пократка од повеќето други функционални групи со повеќекратна C–O врска, како што се карбонилите.^[19] Бидејќи е центросиметрична, молекулата нема електричен диполен момент.

Како линеарна триатомска молекула, CO
2 има четири вибрациони модови како што е прикажано на дијаграмот. Во модовите на симетрично и антисиметрично истегнување, атомите се движат по оската на молекулата. Постојат два начини на свиткување, кои се дегенерирани, што значи дека имаат иста фреквенција и иста енергија, поради симетријата на молекулата. Кога молекулата допира површина или допира друга молекула, двата модови на свиткување може да се разликуваат по фреквенција бидејќи интеракцијата е различна за двата модови. Некои од вибрационите модови се забележани во инфрацрвениот (IR) спектар: антисиметричниот мод на истегнување на брановиот број 2349 cm⁻¹ (бранова должина 4,25 μm) и дегенерираниот пар на модови на свиткување на 667 cm⁻¹ (бранова должина 15 μm). Симетричниот мод на истегнување не создава електричен дипол, така што не е забележан во IR спектроскопијата, но е откриен со Раманска спектроскопија на 1388 cm⁻¹ (бранова должина 7,2 μm).^[20]

Во гасната фаза, молекулите на јаглерод диоксид подлежат на значителни вибрациони движења и не одржуваат фиксна структура. Меѓутоа, во експеримент на снимање со Кулонова експлозија, може да се заклучи моментална слика на молекуларната структура. Ваков експеримент^[21] е направен за јаглерод диоксид. Резултатот од овој експеримент и заклучокот од теоретските пресметки^[22] врз основа на ab initio потенцијалната енергетска површина на молекулата, е дека ниту една од молекулите во гасната фаза никогаш не е точно линеарна. Овој контраинтуитивен резултат е тривијален поради фактот што елементот за волумен на јадреното движење исчезнува за линеарни геометрии.^[22] Ова е така за сите молекули (освен двоатомските!).

Во воден раствор

Јаглерод диоксидот е растворлив во вода, во која реверзибилно формира H
2CO
3 (јаглеродна киселина), која е слаба киселина бидејќи нејзината јонизација во вода е нецелосна.

${\displaystyle {\ce {CO2 + H2O <=> H2CO3}}}$

Рамнотежната константа на хидратација на јаглеродната киселина на 25 °C е:

${\displaystyle K_{\mathrm {h} }={\frac {{\ce {[H2CO3]}}}{{\ce {[CO2_{(aq)}]}}}}=1.70\times 10^{-3}}$

Оттука, поголемиот дел од јаглеродниот диоксид не се претвора во јаглеродна киселина, туку останува како CO
2 молекули, кои не влијаат на pH вредноста.

Релативните концентрации на CO
2, H
2CO
3, депротонираната форма HCO−
3 (бикарбонат) и CO2−
3(карбонат) зависат од pH вредноста. Како што е прикажано во Bjerrum кривата (прикажана подолу), во неутрална или малку алкална вода (pH > 6,5), бикарбонатната форма преовладува (> 50 %) и станува најзастапена (> 95 %) на pH на морската вода. Во многу алкална вода (pH > 10,4), доминантна (> 50 %) форма е карбонат. Океаните, кои се благо алкални со типична pH = 8,2 - 8,5, содржат околу 120 mg бикарбонат на литар.

Бидејќи е дипротична, јаглеродната киселина има две константи на дисоцијација на киселина, првата за дисоцијација во бикарбонат (исто така наречен хидрохенкарбонат) јон (HCO−
3):

${\displaystyle {\ce {H2CO3 <=> HCO3- + H+}}}$

K_a1 = 2,5⋅10^-4 mol/litre; pK_a1 = 3.6 at 25 °C.^[19]

Ова е вистинската прва константа на дисоцијација на киселината, дефинирана како

${\displaystyle K_{\mathrm {a1} }={\frac {{\ce {[HCO3- ][H+]}}}{{\ce {[H2CO3]}}}}}$

каде што именителот вклучува само ковалентно врзан H
2CO
3 и не вклучува хидриран CO
2
(aq). Многу помалата и често цитирана вредност близу 4,16⋅10^-7 е привидна вредност пресметана врз основа на (неточната) претпоставка дека целиот растворен CO
2 е присутен како јаглеродна киселина, така што

${\displaystyle K_{\mathrm {a1} }{\rm {(apparent)}}={\frac {{\ce {[HCO3- ][H+]}}}{{\ce {[H2CO3] + [CO2_{(aq)}]}}}}}$

Бидејќи најголемиот дел од растворените CO
2 останува како CO
2 молекули, K_a1 (очигледно) има многу поголем именител и многу помала вредност од вистинската K_a1.^[23]

Бикарбонатниот јон е амфотерен вид кој може да дејствува како киселина или како база, во зависност од pH на растворот. При висока pH вредност, значително се дисоцира во карбонатниот јон (CO2−
3):

${\displaystyle {\ce {HCO3- <=> CO3^2- + H+}}}$

K_a2 = 4,69⋅10^-11 mol/litre; pK_a2 = 10.329

Во организмите, производството на јаглеродна киселина се катализира од ензимот, јаглеродна анхидраза.

Хемиски реакции на CO₂

CO
2 е моќен електрофил кој има електрофилна реактивност што е споредлива со бензалдехид или силни α, β-незаситени карбонилни соединенија. Меѓутоа, за разлика од електрофилите со слична реактивност, реакциите на нуклеофилите со CO
2 се термодинамички помалку фаворизирани и често се открива дека се многу реверзибилни.^[24] Само многу силни нуклеофили, како карбанионите обезбедени од Грињардовите реагенси и органолитиумските соединенија реагираат со CO
2 за добивање карбоксилати:

${\displaystyle {\ce {MR + CO2 -> RCO2M}}}$

каде M = Li или Mg Br, а R = алкил или арил.

Во металните комплекси на јаглерод диоксид, CO
2 служи како лиганд, кој може да ја олесни конверзијата на CO
2 на други хемикалии.^[25]

Редукцијата на CO
2 до CO е обично тешка и бавна реакција:

${\displaystyle {\ce {CO2 + 2 e- + 2H+ -> CO + H2O}}}$

Фотоавтотрофите (т.е. растенијата и цијанобактериите) ја користат енергијата содржана во сончевата светлина за фотосинтеза на едноставни шеќери од CO
2 апсорбирани од воздухот и водата:

${\displaystyle {\ce {{\mathit {n}}CO2{}+{\mathit {n}}H2O->(CH2O)_{\mathit {n}}{}+{\mathit {n}}O2}}}$

Редокс потенцијалот за оваа реакција во близина на pH 7 е околу -0,53 V наспроти стандардната водородна електрода. Ензимот јаглерод моноксид дехидрогеназа кој содржи никел го катализира овој процес.^[26]

Физички својства

Јаглерод диоксидот е безбоен. При ниски концентрации гасот е без мирис; сепак, при доволно високи концентрации, има остар, кисел мирис.^[1] При стандардна температура и притисок, густината на јаглеродниот диоксид е околу 1,98 kg/m³, околу 1,53 пати поголема од онаа на воздухот.^[27]

Јаглерод диоксидот нема течна состојба при притисок под 0,51795 ± (10) MPa ^[2] (5,11177 ± (99) atm). При притисок од 1 atm (0,101325 MPa), гасот се депонира директно на цврсто тело на температури под 194,6855 ± (30)  K (-78,4645 ± (30) °C) и цврстата состојба сублимира директно до гас над оваа температура. Во својата цврста состојба, јаглерод диоксидот најчесто се нарекува сув мраз.

Течниот јаглерод диоксид се формира само при притисок над 0,51795 ± (10) MPa^[2] (5,11177 ± (99) atm); тројната точка на јаглерод диоксид е 216,592 ± (3) K^[2] (−56,558 ± (3) °C) на 0,51795 ± (10) MPa^[2] (5,11177 ± (99) atm) (види фазен дијаграм). Критичната точка е на 304.128 ± (15) K^[2] (30.978 ± (15) °C) и на 7.3773 ± (30) MPa (72.808 ± (30) atm).^[2] Друга форма на цврст јаглерод диоксид, забележана при висок притисок е аморфна цврстина слична на стакло. Оваа форма на стакло, наречена карбонија, се произведува со суперладење загреан CO
2 при екстремен притисок (40–48 GPa или околу 400.000 атмосфери) во дијамантска наковална. Ова откритие ја потврди теоријата дека јаглерод диоксидот може да постои во стаклена состојба слична на другите членови на неговото елементарно семејство, како што се силициум диоксид (силика стакло) и германиум диоксид. Меѓутоа, за разлика од силициумските и германските очила, карбонското стакло не е стабилно при нормални притисоци и се враќа во гас кога ќе се ослободи притисокот.

На температури и притисоци над критичната точка, јаглеродниот диоксид се однесува како суперкритична течност позната како суперкритичен јаглерод диоксид.

Табела на термички и физички својства на заситениот течен јаглерод диоксид:^[28][29]

Табела на термички и физички својства на јаглерод диоксид (CO
2) при атмосферски притисок:^[28][29]

Јаглерод диоксидот е краен производ на клеточното дишење кај организмите кои добиваат енергија со разградување на шеќери, масти и аминокиселини со кислород како дел од нивниот метаболизам. Ова ги вклучува сите растенија, алги и животни и аеробни габи и бактерии. Кај ’рбетниците, јаглеродниот диоксид патува во крвта од ткивата на телото до кожата (на пример, водоземци) или жабрите (на пример, рибите), од каде што се раствора во водата или до белите дробови од каде што се издишува. За време на активната фотосинтеза, растенијата можат да апсорбираат повеќе јаглерод диоксид од атмосферата отколку што ослободуваат при дишењето.

Фотосинтеза и фиксација на јаглерод

Фиксацијата на јаглеродот е биохемиски процес со кој атмосферскиот јаглерод диоксид е инкорпориран од растенија, алги и цијанобактерии во органски молекули богати со енергија како што е гликозата, со што се создава сопствена храна со фотосинтеза. Фотосинтезата користи јаглерод диоксид и вода за производство на шеќери од кои може да се конструираат други органски соединенија, а кислородот се произведува како нуспроизвод.

Рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза оксигеназа, вообичаено скратено RuBisCO, е ензимот вклучен во првиот главен чекор на фиксација на јаглеродот, производството на две молекули на 3-фосфоглицерат од CO₂ и рибулоза бисфосфат, како што е прикажано на дијаграмот лево.

Се смета дека RuBisCO е единствениот најзастапен белковини на Земјата.^[30]

Фототрофите ги користат производите од нивната фотосинтеза како внатрешни извори на храна и како суровина за биосинтеза на посложени органски молекули, како што се полисахариди, нуклеински киселини и белковини. Тие се користат за сопствен раст, а исто така и како основа на синџирите и мрежите на исхрана кои ги хранат другите организми, вклучително и животните како нас. Некои важни фототрофи, коколитофорите синтетизираат тврди лушпи од калциум карбонат.^[31] Глобално значаен вид коколитофор е Emiliania huxleyi чии скали на калцит ја формираа основата на многу седиментни карпи како варовникот, каде што претходно атмосферскиот јаглерод може да остане фиксиран за геолошки временски размери.

Растенијата можат да растат дури 50 проценти побрзо во концентрации од 1.000 ppm CO₂ во споредба со условите на околината, иако ова не претпоставува никаква промена во климата и нема ограничување на другите хранливи материи.^[32] Зголемените нивоа на CO₂ предизвикуваат зголемен раст што се рефлектира во приносот на културите што може да се жнее, при што пченицата, оризот и сојата покажуваат зголемување на приносот од 12-14% при покачен CO₂ во FACE експериментите.^[33][34]

Зголемените концентрации на CO₂ во атмосферата резултираат со помалку стомати кои се развиваат на растенијата^[35] што доведува до намалена употреба на вода и зголемена ефикасност во користењето на водата.^[36] FACE студиите покажаа дека збогатувањето со CO₂ доведува до намалени концентрации на микронутриенти во растителните растенија.^[37] Ова може да има негативни ефекти врз другите делови на екосистемите бидејќи тревопасните животни ќе треба да јадат повеќе храна за да добијат иста количина на белковини.^[38]

Концентрацијата на секундарните метаболити како што се фенилпропаноидите и флавоноидите, исто така, може да се промени во растенијата изложени на високи концентрации на CO₂.^[39][40]

Растенијата, исто така, испуштаат CO₂ за време на дишењето и затоа поголемиот дел од растенијата и алгите, кои користат C3 фотосинтеза, се само нето апсорбери во текот на денот. Иако растечката шума ќе апсорбира многу тони CO₂ секоја година, зрелата шума ќе произведе онолку CO₂ од дишењето и распаѓањето на мртвите примероци (на пример, паднатите гранки) колку што се користи во фотосинтезата кај растечките растенија.^[41] Спротивно на долгогодишното мислење дека тие се јаглеродно неутрални, зрелите шуми можат да продолжат да акумулираат јаглерод^[42] и да останат вредни јаглеродни одводи, помагајќи да се одржи јаглеродната рамнотежа во атмосферата на Земјата. Дополнително и клучно за животот на земјата, фотосинтезата од фитопланктонот троши растворен CO₂ во горниот дел на океанот и со тоа ја промовира апсорпцијата на CO₂ од атмосферата.^[43]

Токсичност

Содржината на јаглерод диоксид во свеж воздух (во просек помеѓу нивото на морето и 10 kPa, т.е. околу 30 kм (98.000 ст) надморска височина) варира помеѓу 0,036% (360 ppm) и 0,041% (412 ppm), во зависност од локацијата.^[45]

CO₂ е асфиксирачки гас и не е класифициран како токсичен или штетен во согласност со Глобално хармонизираниот систем за класификација и означување на хемиски стандарди на Економската комисија на Обединетите нации за Европа со користење на упатствата на ОЕCD за тестирање на хемикалии. Во концентрации до 1% (10.000 ppm), ќе направи некои луѓе да се чувствуваат поспани и да им даде чувство на затнатост на белите дробови.^[44] Концентрациите од 7% до 10% (70.000 до 100.000 ppm) може да предизвикаат гушење, дури и во присуство на доволно кислород, манифестирајќи се како вртоглавица, главоболка, дисфункција на видот и слухот и несвестица во рок од неколку минути до еден час.^[46] Физиолошките ефекти од акутната изложеност на јаглерод диоксид се групирани заедно под терминот хиперкапнија, подгрупа на асфиксија.

Бидејќи е потежок од воздухот, на локации каде што гасот излегува од земјата (поради подповршинска вулканска или геотермална активност) во релативно високи концентрации, без дисперзираните ефекти на ветерот, може да се собере на заштитени/забранети локации под просечна земјино ниво, поради што животните сместени во него се задушуваат. Потоа се убиваат и хранилките за мрши привлечени од труповите. Децата се убиени на ист начин во близина на градот Гома од емисиите на CO₂ од блискиот вулкан, на планината Нирагонго.^[47] Свахили терминот за овој феномен е мазуку.

Адаптацијата кон зголемените концентрации на CO₂ се јавува кај луѓето, вклучувајќи модифицирано дишење и производство на бубрежни бикарбонати, со цел да се балансираат ефектите од закиселувањето на крвта (ацидоза). Неколку студии сугерираа дека 2,0 проценти инспирирани концентрации може да се користат за затворени воздушни простори (на пример, подморница), бидејќи адаптацијата е физиолошка и реверзибилна, бидејќи влошувањето на перформансите или нормалната физичка активност не се случува на ова ниво на изложеност пет дена.^[48][49] Сепак, други студии покажуваат намалување на когнитивната функција дури и на многу пониски нивоа.^[50][51] Исто така, со тековната респираторна ацидоза, адаптациските или компензаторните механизми нема да можат да ја сменат таквата состојба.

Под 1%

Постојат неколку студии за здравствените ефекти од долгорочната континуирана изложеност на CO₂ врз луѓето и животните на нивоа под 1%. Ограничувањата на професионалната изложеност на CO₂ се поставени во Соединетите Држави на 0,5% (5000 ppm) за период од осум часа.^[52] При оваа концентрација на CO₂, екипажот на Меѓународната вселенска станица доживеа главоболки, летаргија, ментална бавност, емоционална иритација и нарушување на спиењето.^[53] Студиите кај животни со 0,5% CO₂ покажаа калцификација на бубрезите и губење на коскената маса по осум недели изложеност.^[54] Студија на луѓе изложени во сесии од 2,5 часа покажа значајни негативни ефекти врз когнитивните способности при концентрации од 0,1 % (1000 ppm) CO₂ веројатно поради зголемувањето на церебралниот проток на крв предизвикано од CO₂.^[50] Друга студија забележа пад на нивото на основна активност и употребата на информации на 1000 ppm, во споредба со 500 ppm.^[51] Сепак, прегледот на литературата покажа дека повеќето студии за феноменот на јаглерод диоксид предизвикале когнитивно оштетување да имаат мал ефект врз донесувањето одлуки на високо ниво и повеќето од студиите биле збунети со несоодветни дизајни на студијата, удобност во околината, несигурности во дозите на изложеност и користени различни когнитивни проценки.^[55] Слично на тоа, една студија за ефектите од концентрацијата на CO₂ во кацигите за мотоцикли беше критикувана поради сомнителна методологија во незабележувањето на самоизјавите на возачите на мотоцикли и преземањето мерења со помош на манекени. Понатаму кога беа постигнати нормални услови за мотоцикл (како што се брзини на автопат или во град) или визирот беше подигнат, концентрацијата на CO₂ се намали на безбедно ниво (0,2 %).^[56][57]

Вентилација

Лошата вентилација е една од главните причини за прекумерните концентрации на CO₂ во затворени простори, што доведува до лош квалитет на воздухот во затворените простории. Диференцијалот на јаглерод диоксид над концентрациите на отворено при стабилни услови (кога зафатеноста и работата на системот за вентилација се доволно долги што концентрацијата на CO₂ е стабилизирана) понекогаш се користат за да се проценат стапките на вентилација по лице. Повисоките концентрации на CO₂ се поврзани со здравјето на патниците, удобноста и влошувањето на перформансите.^[58][59] Стапките на вентилација со стандардот ASHRAE 62.1–2007 може да резултираат со концентрации во затворен простор до 2.100 ppm над надворешните услови на околината. Така, ако концентрацијата на отворено е 400 ppm, концентрациите во затворен простор може да достигнат 2.500 ppm со стапки на вентилација што го задоволуваат овој индустриски консензусен стандард. Концентрациите во слабо проветрени простори може да се најдат дури и повисоки од ова (опсег од 3.000 или 4.000 ppm).

Рударите, кои се особено ранливи на изложеност на гас поради недоволна вентилација, ги нарекуваат мешавините од јаглерод диоксид и азот како „црна влажност“, „влажно пригушување“ или „стит“. Пред да се развијат поефективни технологии, рударите честопати следеа за опасните нивоа на црна влага и други гасови во окната во рудникот со носење на канаринец во кафез додека работеа. Канаринецот е почувствителен на гасови за асфиксија отколку луѓето и кога ќе онесвести, ќе престане да пее и ќе падне од седалото. Дејвиевата ламба, исто така, може да детектира високи нивоа на црна влага (која тоне и се собира во близина на подот) со помалку светло согорување, додека метанот, уште еден гас што предизвикува задушување и ризик од експлозија, би направил ламбата да гори посилно.

Во февруари 2020 година, три лица починаа од гушење на забава во Москва кога сув мраз (замрзнат CO₂) беше додаден во базенот за да се излади.^[60] Слична несреќа се случи и во 2018 година кога една жена почина од испарувања на CO₂ кои произлегуваат од големото количество сув мраз што го превезувала во нејзиниот автомобил.^[61]

Надворешни региони со покачени концентрации

Локалните концентрации на јаглерод диоксид може да достигнат високи вредности во близина на силни извори, особено оние што се изолирани од околниот терен. На топлиот извор Босолето во близина на Раполано Терме во Тоскана, Италија, сместен во вдлабнатина во облик на чинија со дијаметар од околу 100 м (330 ст), концентрациите на CO₂ се зголемуваат на над 75% преку ноќ, што е доволно за убивање на инсекти и мали животни. По изгрејсонце гасот се дисперзира со конвекција.^[62] Се смета дека високите концентрации на CO₂ произведени од нарушување на длабоката езерска вода заситена со CO₂ предизвикале 37 жртви во езерото Моун, Камерун во 1984 година и 1700 жртви во езерото Ниос, Камерун во 1986 година.^[63]

Содржина

Телото произведува приближно 1,0 kg јаглерод диоксид дневно по лице,^[65] што содржи 290 g јаглерод. Кај луѓето, овој јаглерод диоксид се пренесува преку венскиот систем и се издишува преку белите дробови, што резултира со помали концентрации во артериите. Содржината на јаглерод диоксид во крвта често се дава како парцијален притисок, што е притисок што би го имал јаглеродниот диоксид доколку сам го окупира волуменот.^[66] Кај луѓето, содржината на јаглерод диоксид во крвта е прикажана во соседната табела.

Транспорт во крвта

CO₂ се носи во крвта на три различни начини. (Точните проценти варираат помеѓу артериската и венската крв).

• Мнозинството (околу 70 % до 80 %) се претвора во бикарбонатни јони HCO−
  3 од ензимот карбонска анхидраза во црвените крвни зрнца,^[67] со реакцијата CO
  2 + H
  2O → H
  2CO
  3 → H+
  + HCO−
  3.
• 5–10% се раствора во крвната плазма.^[67]
• 5–10% се врзуваат за хемоглобинот како карбамино соединенија.^[67]

Хемоглобинот, главната молекула што носи кислород во црвените крвни зрнца, носи и кислород и јаглерод диоксид. Сепак, CO₂ врзан за хемоглобинот не се врзува за истото место како кислородот. Наместо тоа, се комбинира со N-терминалните групи на четирите глобински синџири. Меѓутоа, поради алостеричните ефекти врз молекулата на хемоглобинот, врзувањето на CO₂ ја намалува количината на кислород што е врзана за даден парцијален притисок на кислород. Ова е познато како Халдан ефект и е важно во транспортот на јаглерод диоксид од ткивата до белите дробови. Спротивно на тоа, зголемувањето на парцијалниот притисок на CO₂ или пониската pH вредност ќе предизвика исфрлање на кислород од хемоглобинот, што е познато како Боров ефект.

Регулација на дишењето

Јаглерод диоксидот е еден од посредниците на локалната авторегулација на снабдувањето со крв. Ако неговата концентрација е висока, капиларите се шират за да овозможат поголем проток на крв во тоа ткиво.^[68]

Бикарбонатните јони се клучни за регулирање на pH вредноста на крвта. Стапката на дишење на една личност влијае на нивото на CO₂ во крвта. Премногу бавно или плитко дишење предизвикува респираторна ацидоза, додека пребрзото дишење доведува до хипервентилација, што може да предизвика респираторна алкалоза.^[69]

Иако на телото му е потребен кислород за метаболизмот, ниските нивоа на кислород вообичаено не го стимулираат дишењето. Наместо тоа, дишењето се стимулира со повисоки нивоа на јаглерод диоксид. Како резултат на тоа, дишењето на воздух под низок притисок или гасна мешавина без кислород (како што е чист азот) може да доведе до губење на свеста без воопшто да доживеете глад на воздух. Ова е особено опасно за борбените пилоти на голема височина. Исто така, стјуардесите ги упатуваат патниците, во случај на губење на притисокот во кабината, прво да ја нанесат маската за кислород на себе пред да им помогнат на другите; во спротивно, се ризикува да се изгуби свеста.^[67]

Респираторните центри се обидуваат да одржат артериски притисок на CO₂ од 40 mmHg. Со намерна хипервентилација, содржината на CO₂ во артериската крв може да се намали на 10 - 20 mmHg (содржината на кислород во крвта е малку засегната), а респираторниот нагон е намален. Ова е причината зошто може да се задржи здивот подолго по хипервентилација отколку без хипервентилација. Ова носи ризик дека може да дојде до несвест пред да стане огромна потребата за дишење, поради што хипервентилацијата е особено опасна пред слободното нуркање.^[70]

Атмосфера

Океани

Закиселување на океаните

Јаглеродниот диоксид се раствора во океанот и формира јаглеродна киселина (H₂CO₃), бикарбонат (HCO₃⁻) и карбонат (CO₃²⁻). Во океаните има околу педесет пати повеќе растворен јаглерод диоксид отколку што има во атмосферата. Океаните делуваат како огромен одвод на јаглерод и зафаќаат околу една третина од CO₂ емитиран од човековата активност.^[72]

Хидротермални отвори

Јаглерод диоксидот се внесува и во океаните преку хидротермални отвори. Хидротермалниот отвор на Шампањ, пронајден на северозападниот вулкан Еифуку во Маријанскиот ров, произведува речиси чист течен јаглерод диоксид, едно од двете познати места во светот од 2004 година, а другото е во коритото на Окинава.^[73] Откривањето на подморско езеро со течен јаглерод диоксид во коритото Окинава беше објавено во 2006 година.^[74]

Биолошки процеси

Јаглерод диоксидот е нуспроизвод на ферментација на шеќер при подготовка на пиво, виски и други алкохолни пијалаци и во производството на биоетанол. Квасецот го метаболизира шеќерот за да произведе CO₂ и етанол, исто така познат како алкохол, според следната реакција:

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 -> 2 CO2 + 2 C2H5OH}}}$

Сите аеробни организми произведуваат CO₂ кога оксидираат јаглехидрати, масни киселини и белковини. Големиот број на вклучени реакции се исклучително сложени и не се опишуваат лесно (видете клеточно дишење, анаеробно дишење и фотосинтеза). Равенката за дишење на гликоза и други моносахариди е:

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O}}}$

Анаеробните организми разложуваат органски материјал што произведува метан и јаглерод диоксид заедно со траги од други соединенија.^[75] Без оглед на видот на органскиот материјал, производството на гасови следи добро дефинирана кинетичка шема. Јаглерод диоксидот сочинува околу 40 - 45 % од гасот што произлегува од распаѓањето во депониите (наречен „депонски гас“). Поголемиот дел од преостанатите 50 - 55 % е метан.^[76]

Индустриски процеси

Јаглерод диоксид може да се добие со дестилација од воздух, но методот е неефикасен. Индустриски, јаглерод диоксидот е претежно неповратен отпад, произведен со неколку методи кои може да се практикуваат во различни размери.^[77]

Согорување

Согорувањето на сите горива базирани на јаглерод, како што се метан (природен гас), нафтени дестилати (бензин, дизел, керозин, пропан), јаглен, дрво и генерички органски материи произведува јаглерод диоксид и вода (освен во случај на чист јаглерод). Како пример, хемиската реакција помеѓу метанот и кислородот е:

${\displaystyle {\ce {CH4 + 2 O2-> CO2 + 2 H2O}}}$

Железото се редуцира од неговите оксиди со кокс во висока печка, произведувајќи сурово железо и јаглерод диоксид:^[78]

${\displaystyle {\ce {Fe2O3 + 3 CO -> 3 CO2 + 2 Fe}}}$

Нус-производ од производство на водород

Јаглерод диоксидот е нуспроизвод на индустриското производство на водород со реформирање на пареа и реакција на поместување на воден гас во производството на амонијак. Овие процеси започнуваат со реакција на вода и природен гас (главно метан).^[79] Ова е главен извор на јаглерод диоксид за употреба во карбонизација на пиво и безалкохолни пијалаци, а исто така се користи и за зашеметување на животни како што е живината. Во летото 2018 година во Европа се појави недостиг на јаглерод диоксид за овие цели поради привременото затворање на неколку фабрики за амонијак поради одржување.^[80]

Термичко распаѓање на варовник

Се произведува со термичко распаѓање на варовник, CaCO
3 со загревање (калцинирање) на околу 850 °C (1.560 °F), во производството на жив вар (калциум оксид, CaO), соединение кое има многу индустриски намени:

${\displaystyle {\ce {CaCO3 -> CaO + CO2}}}$

Киселините ослободуваат CO₂ од повеќето метални карбонати. Следствено, може да се добие директно од природни извори на јаглерод диоксид, каде што се добива со дејство на закиселена вода на варовник или доломит. Реакцијата помеѓу хлороводородна киселина и калциум карбонат (варовник) е прикажана подолу:

${\displaystyle {\ce {CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 + H2CO3}}}$

Јаглеродната киселина (H
2CO
3) потоа се распаѓа до вода и CO
2:

${\displaystyle {\ce {H2CO3 -> CO2 + H2O}}}$

Ваквите реакции се придружени со пенење или клокотење или и двете, бидејќи се ослободува гас. Тие имаат широка употреба во индустријата бидејќи можат да се користат за неутрализирање на истекувањето на отпадните киселини.

Јаглерод диоксидот се користи во прехранбената индустрија, нафтената индустрија и хемиската индустрија.^[77] Соединението има различни комерцијални намени, но една од нејзините најголеми употреби како хемикалија е во производството на газирани пијалаци, дава сјај во газираните пијалаци како што се газирана вода, пиво и пенливо вино.

Прекурсор на хемикалии

Во хемиската индустрија, јаглеродниот диоксид главно се консумира како состојка во производството на уреа, а помал дел се користи за производство на метанол и низа други производи.^[81] Некои деривати на карбоксилните киселини како натриум салицилат се подготвуваат со употреба на CO₂ со реакцијата Колбе-Шмит.^[82]

Покрај конвенционалните процеси кои користат CO₂ за хемиско производство, електрохемиските методи исто така се на ниво на истражување. Особено, употребата на обновлива енергија за производство на горива од CO₂ (како што е метанол) е привлечна бидејќи тоа може да резултира со горива што може лесно да се транспортираат и да се користат во рамките на конвенционалните технологии за согорување, но немаат нето емисии на CO₂.^[83]

Земјоделство

На растенијата им е потребен јаглерод диоксид за спроведување на фотосинтезата. Атмосферите на оранжериите може (ако се големи) да се збогатат со дополнителен CO₂ за да се одржи и зголеми стапката на раст на растенијата.^[84][85] При многу високи концентрации (100 пати поголема од атмосферската концентрација), јаглеродниот диоксид може да биде токсичен за животинскиот свет, така што зголемувањето на концентрацијата на 10.000 ppm (1%) или повисоко на неколку часа ќе ги елиминира штетниците како што се бели муви и пајакови грини во стаклената градина.^[86]

Храна

Јаглерод диоксидот е додаток на храната, кој се користи како погонско гориво и регулатор на киселоста во прехранбената индустрија. Тој е одобрен за употреба во ЕУ^[87] (наведено како Е број E290), САД^[88] и Австралија и Нов Зеланд^[89] (наведени според неговиот INS број 290).

Бонбоната наречена Pop Rocks е под притисок со гас од јаглерод диоксид^[90] на околу 4.000 kPa (40 bar; 580 psi). Кога ќе се стави во устата, се раствора (исто како и другите тврди бонбони) и ги ослободува меурчињата со гас со звучен удар.

Средствата за квасец предизвикуваат нараснување на тестото со производство на јаглерод диоксид.^[91] Пекарскиот квасец произведува јаглерод диоксид со ферментација на шеќери во тестото, додека хемиските квасци како прашокот за пециво и сода бикарбонаослободуваат јаглерод диоксид кога се загреваат или ако се изложени на киселини.

Пијалаци

Јаглеродниот диоксид се користи за производство на газирани безалкохолни пијалаци и газирана вода. Традиционално, карбонизацијата на пивото и пенливото вино настана преку природна ферментација, но многу производители ги карбонизираатат овие пијалаци со јаглерод диоксид обновен од процесот на ферментација. Во случај на пиво во шишиња и буриња, најчестиот метод што се користи е карбонизација со рециклиран јаглерод диоксид. Со исклучок на британското вистинско пиво, точеното пиво обично се пренесува од буриња во ладна соба или подрум до чешмите на шипката со помош на јаглерод диоксид под притисок, понекогаш измешан со азот.

Вкусот на газирана вода (и сродните сензации на вкус кај другите газирани пијалаци) е ефект на растворениот јаглерод диоксид кој предизвикува пукање на меурчињата од гасот. Јаглеродната анхидраза 4 го претвора во јаглеродна киселина што доведува до кисел вкус, а исто така растворениот јаглерод диоксид предизвикува соматосензорен одговор.^[92]

Производство на вино

Јаглерод диоксидот во форма на сув мраз често се користи за време на фазата на ладно натопување во производството на вино, за брзо ладење на гроздовите зрна по берењето за да помогне да се спречи спонтана ферментација од дивиот квасец. Главната предност на користењето на сув мраз над воден мраз е тоа што го лади грозјето без додавање дополнителна вода што може да ја намали концентрацијата на шеќер во ширата, а со тоа и концентрацијата на алкохол во готовото вино. Јаглерод диоксидот исто така се користи за создавање хипоксична средина за јаглеродна мацерација, процес што се користи за производство на виното Божоле.

Јаглеродниот диоксид понекогаш се користи за полнење на шишиња со вино или други садови за складирање, како што се буриња, за да се спречи оксидација, иако има проблем што може да се раствори во виното, правејќи го виното кое претходно мирно е малку газирано. Поради оваа причина, други гасови како што се азот или аргон се претпочитаат за овој процес од професионалните производители на вино.

Зашеметување на животни

Јаглеродниот диоксид често се користи за да се „зашеметат“ животните пред колењето.^[93] „Зашеметување“ можеби е погрешен назив, бидејќи животните не се нокаутирани веднаш и може да претрпат неволја.^[94][95]

Инертен гас

Јаглерод диоксид е еден од најчесто користените компримирани гасови за пневматски системи (гас под притисок) во преносни алатки под притисок. Јаглерод диоксид исто така се користи како атмосфера за заварување, иако во лакот за заварување, реагира на оксидација на повеќето метали. Употребата во автомобилската индустрија е вообичаена и покрај значителните докази дека заварите направени во јаглерод диоксид се покршливи од оние направени во поинертни атмосфери. Кога се користи за MIG заварување, употребата на CO₂ понекогаш се нарекува MAG заварување, за Метален Активен Гас, бидејќи CO₂ може да реагира на овие високи температури. Има тенденција да создаде потопла локва од вистински инертни атмосфери, подобрувајќи ги одликите на протокот. Иако, ова може да се должи на атмосферските реакции што се случуваат на местото на локвата. Ова е обично спротивно од саканиот ефект при заварување, бидејќи има тенденција да ја направи покршлива локацијата, но можеби не е проблем за општо заварување со благ челик, каде што крајната еластичност не е голема грижа.

Јаглеродниот диоксид се користи во многу производи за широка потрошувачка за кои е потребен гас под притисок затоа што е евтин и незапалив и затоа што се подложува на фазен премин од гас во течност на собна температура при достижен притисок од приближно 60 bar (870 psi; 59 atm), што овозможува многу повеќе јаглерод диоксид за да се собере во даден контејнер. Спасувачките елеци често содржат канистри со јаглерод диоксид под притисок за брзо надувување. Алуминиумските капсули со CO₂ се продаваат и како залихи на компримиран гас за воздушни пиштоли, маркери/пиштоли за пејнтбол, надувување гуми за велосипеди и за правење газирана вода. Високите концентрации на јаглерод диоксид може да се користат и за убивање на штетниците. Течниот јаглерод диоксид се користи при суперкритично сушење на некои прехранбени производи и технолошки материјали, при подготовка на примероци за скенирање на електронска микроскопија^[96] и во декофеинирање на зрна кафе.

Противпожарен апарат

Јаглерод диоксидот може да се користи за гаснење на пламенот со поплавување на околината околу пламенот со гас. Самата не реагира на гаснење на пламенот, туку го изгладнува пламенот за кислород со негово истиснување. Некои противпожарни апарати, особено оние наменети за електрични пожари, содржат течен јаглерод диоксид под притисок. Апаратите за гаснење на јаглерод диоксид добро работат на мали запаливи течности и електрични пожари, но не и на обични запаливи пожари, бидејќи тие не ги ладат значително запалените материи, а кога јаглеродниот диоксид ќе се распрсне, тие можат да се запалат при изложување на атмосферски кислород. Тие главно се користат во серверски соби.^[97]

Јаглерод диоксидот исто така е широко користен како средство за гаснење во фиксни системи за заштита од пожар за локална примена на специфични опасности и целосно поплавување на заштитен простор.^[98] Стандардите на Меѓународната поморска организација ги препознаваат системите за јаглерод диоксид за заштита од пожари на бродовите и моторните простории. Системите за заштита од пожар базирани на јаглерод диоксид се поврзани со неколку смртни случаи, бидејќи може да предизвикаат задушување во доволно високи концентрации. Прегледот на системите за CO₂ идентификуваше 51 инцидент помеѓу 1975 година и датумот на извештајот (2000), предизвикувајќи 72 смртни случаи и 145 повредени.^[99]

Суперкритичен CO₂ како растворувач

Течниот јаглерод диоксид е добар растворувач за многу липофилни органски соединенија и се користи за отстранување на кофеинот од кафето.^[17] Јаглерод диоксидот го привлече вниманието во фармацевтската и другите хемиски преработувачки индустрии како помалку токсична алтернатива на повеќе традиционални растворувачи како што се органохлоридите. Поради оваа причина, го користат и за хемиско чистење. Се користи во подготовката на некои аерогели поради својствата на суперкритичниот јаглерод диоксид.

Медицинска и фармаколошка употреба

Во медицината, до 5% јаглерод диоксид (130 пати поголема од атмосферската концентрација) се додава во кислородот за стимулација на дишењето по апнеја и за стабилизирање на O
2/CO
2 рамнотежа во крвта.

Јаглерод диоксидот може да се меша со до 50% кислород, формирајќи гас што може да се вдишува; ова е познато како Карбоген и има различни медицински и истражувачки намени.

Друга медицинска употреба се мофетите, суви бањи кои користат јаглерод диоксид од пост-вулкански исцедок за терапевтски цели.

Енергија

Суперкритичниот CO₂ се користи како работна течност во моторот со циклус на моќност Алам.

Обновување на фосилни горива

Јаглерод диоксидот се користи за засилено обновување на нафтата каде што се вбризгува во или во непосредна близина на производствените нафтени бунари, обично во суперкритични услови, кога се меша со маслото. Овој пристап може да го зголеми оригиналното искористување на маслото со намалување на преостанатата заситеност на маслото за 7 - 23 % дополнително на примарната екстракција.^[100] Дејствува и како средство за притисок и кога се раствора во подземната сурова нафта, значително ја намалува неговата вискозност, а менувањето на хемијата на површината овозможува маслото побрзо да тече низ резервоарот до бунарот за отстранување.^[101] Во зрелите нафтени полиња, широки цевководни мрежи се користат за носење на јаглерод диоксид до точките за инјектирање.

При засилено обновување на метанот од јагленовото корито, јаглеродниот диоксид би се испумпувал во јагленот слој за да го помести метанот, за разлика од сегашните методи кои првенствено се потпираат на отстранување на водата (за намалување на притисокот) за да го натераат јагленот слој да го ослободи заробениот метан.^[102]

Био трансформација во гориво

Предложено е CO₂ од производството на електрична енергија да се истура во бари за да се стимулира растот на алгите кои потоа би можеле да го претворат во биодизел-гориво.^[103] Вид на цијанобактеријата Synechococcus elongatus е генетски конструиран да произведува горива изобутиралдехид и изобутанол од CO₂ користејќи фотосинтеза.^[104]

Истражувачите развија процес наречен електролиза, користејќи ензими изолирани од бактерии за да ги поттикнат хемиските реакции кои го претвораат CO₂ во горива.^{[105][106][107]}

Ладилно средство

Течниот јаглерод диоксид (индустриска номенклатура R744 или R-744) се користел како средство за ладење пред употребата на дихлородифлуорометан (R12, соединение на хлорофлуоројаглерод (CFC)). CO₂ е една од главните замени за CFC, 1,1,1,2-тетрафлуороетан (R134a, соединение на флуоројаглеводород (HFC)) и придонесува за климатските промени. Физичките својства на CO₂ се многу поволни за цели на ладење, ладење и греење, со висок волуметриски капацитет за ладење. Поради потребата да се работи при притисок до 130 бари (1.900 psi; 13.000 kPa), CO₂ системите бараат високо механички отпорни резервоари и компоненти кои се веќе развиени за масовно производство во многу сектори. Во автомобилската климатизација, во повеќе од 90% од сите услови за возење на географски широчини повисоки од 50°, CO₂ (R744) работи поефикасно од системите што користат HFC (на пр., R134a). Неговите еколошки предности (GWP од 1, не ја осиромашува озонската обвивка, нетоксичен, незапалив) би можеле да го направат идниот работен флуид што ќе ги замени тековните HFC во автомобилите, супермаркетите и бојлерите за топлинска пумпа, меѓу другото. Coca-Cola ги извади CO₂-базираните ладилници за пијалаци и Армијата на САД е заинтересирана за CO₂ технологија за ладење и греење.^[108][109]

Мали употреби

Јаглерод диоксидот е ласерски медиум во ласерот со јаглерод диоксид, кој е еден од најраните типови на ласери.

Јаглерод диоксидот може да се користи како средство за контрола на pH вредноста на базените,^[110] со постојано додавање гас во водата, со што се спречува зголемувањето на pH вредноста. Меѓу предностите на ова е избегнувањето на ракување со (поопасни) киселини. Слично, се користи и во аквариумите за одржување на гребенот, каде што најчесто се користи во реактори на калциум за привремено намалување на pH на водата што се пренесува преку калциум карбонат со цел да се овозможи калциум карбонатот послободно да се раствори во водата, каде што е користени од некои корали за да го изградат својот скелет.

Се користи како примарна течност за ладење во британскиот напреден реактор, што се лади со гас, за производство на јадрена енергија.

Индукцијата на јаглерод диоксид најчесто се користи за евтаназија на лабораториски истражувачки животни. Методите за администрирање на CO₂ вклучуваат ставање на животните директно во затворена, претходно наполнета комора што содржи CO₂ или изложување на постепено зголемена концентрација на CO₂. Упатствата на Американското ветеринарно медицинско здружение за 2020 година за индукција на јаглерод диоксид наведуваат дека стапката на поместување од 30 – 70 % од волуменот на комората или кафезот во минута е оптимална за хумана евтаназија на мали глодари.^[111] Процентите на CO₂ варираат за различни видови, врз основа на идентификуваните оптимални проценти за минимизирање на вознемиреноста.^[111]

Јаглерод диоксидот исто така се користи во неколку поврзани техники за чистење и подготовка на површината.

Јаглерод диоксидот беше првиот гас што беше опишан како дискретна супстанца. Околу 1640 година,^[112] фламанскиот хемичар Јан Баптист ван Хелмонт забележал дека кога согорувал јаглен во затворен сад, масата на добиената пепел била многу помала од онаа на оригиналниот јаглен. Неговото толкување беше дека остатокот од јагленот бил преточен во невидлива супстанција што тој ја нарекол „гас“ или „див дух“ (spiritus sylvestris).^[113]

Својствата на јаглеродниот диоксид беа дополнително проучувани во 1750-тите од шкотскиот лекар Џозеф Блек. Тој открил дека варовникот (калциум карбонат) може да се загрее или обработи со киселини за да се добие гас што тој го нарекува „фиксен воздух“. Тој забележал дека фиксираниот воздух е погуст од воздухот и не поддржува ниту пламен ниту животински живот. Блек, исто така, откри дека кога ќе се пробие низ варова вода (заситен воден раствор на калциум хидроксид), ќе таложи калциум карбонат. Тој го искористи овој феномен за да илустрира дека јаглеродниот диоксид се произведува со дишење на животните и микробна ферментација. Во 1772 година, англискиот хемичар Џозеф Пристли објави труд со наслов Импрегнирање на вода со фиксен воздух во кој го опиша процесот на капнување на сулфурна киселина (или масло од витриол како што го знаеше Пристли) на креда со цел да се произведе јаглерод диоксид и да се принуди гасот да се раствора со мешање на сад со вода во контакт со гасот.^[114]

Јаглерод диоксидот првпат бил течен (при покачен притисок) во 1823 година од Хемфри Дејви и Мајкл Фарадеј.^[115] Најраниот опис на цврстиот јаглерод диоксид (сув мраз) го дал францускиот пронаоѓач Адриен-Жан-Пјер Тилорие, кој во 1835 година отворил контејнер со течен јаглерод диоксид под притисок, само за да открие дека ладењето предизвикано од брзото испарување на течноста даде „снег“ од цврст CO₂.^[116][117]

• Current global map of carbon dioxide concentration
• CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Carbon Dioxide
• Trends in Atmospheric Carbon Dioxide (NOAA)