Szén-dioxid (CO2) — tulajdonságok, fotoszintézis és klímaváltozás

A szén-dioxid olyan szervezetek végterméke, amelyek az anyagcsere részeként oxigénnel történő cukor-, zsír- és aminosavbontásból nyerik az energiát. Ezt a folyamatot nevezzük sejtlégzésnek. Ide tartozik minden növény, állat, sok gomba és néhány baktérium. A magasabb rendű állatokban a szén-dioxid a vérben jut el a test szöveteiből a tüdőbe, ahol kilélegzik. A növények a légkörből vesznek fel szén-dioxidot, amelyet a fotoszintézis során használnak fel.

A szárazjég vagy szilárd szén-dioxid a _CO2 gáz szilárd állapota -109,3 °F (-78,5°C) alatt. A szárazjég a természetben nem fordul elő a Földön, hanem az ember készíti. Színtelen. Az emberek a szárazjeget arra használják, hogy dolgokat hidegen tartsanak, valamint arra, hogy az italokat szénsavasabbá tegyék, hogy megöljék a hörcsögöket és megfagyasszák a szemölcsöket. A szárazjég gőze fulladást és végül halált okoz. A szárazjég használata esetén óvatosság és szakmai segítség ajánlott.

A szokásos nyomáson nem olvad szilárdból folyadékká, hanem közvetlenül szilárdból gázzá alakul. Ezt nevezzük szublimációnak. Szilárdból közvetlenül gázzá alakul át bármilyen hőmérsékleten, a rendkívül hidegnél magasabb hőmérsékleten. A szárazjég normál léghőmérsékleten szublimálódik. A normál levegőnek kitett szárazjég szén-dioxid gázt bocsát ki, amelynek nincs színe. A szén-dioxid 5,1 atmoszféra feletti nyomáson cseppfolyósítható.

A szárazjégből távozó szén-dioxid gáz olyan hideg, hogy amikor levegővel keveredik, a levegőben lévő vízgőzt köddé hűti, ami sűrű fehér füstnek tűnik. A színházban gyakran használják a köd vagy a füst látszatának keltésére.

A kémikusok a levegő lehűléséből szén-dioxidot nyerhetnek. Ezt légdesztillációnak nevezik. Ez a módszer nem hatékony, mert nagy mennyiségű levegőt kell lehűteni ahhoz, hogy kis mennyiségű CO2-t nyerjenek ki. A kémikusok többféle kémiai reakciót is alkalmazhatnak a szén-dioxid leválasztására. A szén-dioxid a legtöbb sav és a legtöbb fémkarbonát reakciójában keletkezik. Például a sósav és a kalcium-karbonát (mészkő vagy kréta) közötti reakcióban szén-dioxid keletkezik:

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}}} }

A szénsav (_H2CO3) ezután vízre és _CO2-re bomlik. Az ilyen reakciók habzást vagy buborékképződést, vagy mindkettőt okozzák. Az iparban az ilyen reakciókat sokszor használják a hulladék savas áramok semlegesítésére.

A széles körben használt vegyszer, a hígított mészkő (CaO) 850 °C-on történő hevítésével állítható elő. Ebben a reakcióban _CO2 is keletkezik:

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

Szén-dioxid keletkezik az összes széntartalmú tüzelőanyag, például a metán (földgáz), a kőolajpárlatok (benzin, dízel, kerozin, propán), a szén vagy a fa elégetésekor is. A legtöbb esetben víz is felszabadul. A metán és az oxigén közötti kémiai reakció például a következő:

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} }

A szén-dioxidot az acélművekben állítják elő. A vasat az oxidjaiból koksszal nagyolvasztókemencében redukálják, nyersvasat és szén-dioxidot előállítva:

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}}} }

Az élesztő a cukrot szén-dioxid és etanol (más néven alkohol) előállítása érdekében szén-dioxidot és etanolt metabolizál a borok, sörök és más szeszes italok, de a bioetanol előállítása során is:

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} }

Minden aerob szervezet CO
_{2-t, amikor a} sejtek mitokondriumaiban szénhidrátokat, zsírsavakat és fehérjéket oxidálnak. A nagyszámú reakció rendkívül összetett és nem könnyen leírható. (Ide tartozik a sejtlégzés, az anaerob légzés és a fotoszintézis). A fotoautotrófok (pl. növények, cianobaktériumok) egy másik reakciót alkalmaznak: A növények CO
_{2 -t a} levegőből, és vízzel együtt szénhidrátokká alakítják:

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}}} }

A szén-dioxid vízben oldódik, amelyben spontán átalakul _CO2 és H
_2CO
3 (szénsav) között_. A CO
₂, H
_2CO
3 és a deprotonált formák HCO-
₃ (bikarbonát) és a ^CO2-
₃ (karbonát) arányai a savasságtól (pH) függnek. Semleges vagy enyhén lúgos vízben (pH > 6,5) a bikarbonát forma dominál (>50%), amely a tengervíz pH-jánál a legelterjedtebb (>95%), míg az erősen lúgos vízben (pH > 10,4) a karbonát forma dominál (>50%). A bikarbonát és a karbonát formák nagyon jól oldódnak. Így a levegővel kiegyenlített tengervíz (enyhén lúgos, tipikus pH = 8,2-8,5) literenként kb. 120 mg bikarbonátot tartalmaz.

Ipari termelés

Az ipari szén-dioxid főként hat folyamat során keletkezik:

• A természetes szén-dioxid-források befogásával, ahol a szén-dioxid a savas víz mészkőre vagy dolomitra gyakorolt hatására keletkezik.
• A hidrogéngyártó üzemek melléktermékeként, ahol a metánt _CO2-vé alakítják;
• Fosszilis tüzelőanyagok vagy fa elégetéséből;
• A cukor erjedésének melléktermékeként a sör, whisky és más alkoholtartalmú italok főzésénél;
• A mészkő termikus bomlásából származó CaCO
  ₃, a mész (kalcium-oxid, CaO) előállítása során_;

A szén-dioxid egyszerű kémiai reakcióval hozható létre:

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

szén + oxigén → szén-dioxid