Dwutlenek węgla

Rola biologiczna

Dwutlenek węgla jest produktem końcowym w organizmach, które w ramach metabolizmu uzyskują energię z rozkładu cukrów, tłuszczów i aminokwasów przy udziale tlenu. Jest to proces znany jako oddychanie komórkowe. Dotyczy to wszystkich roślin, zwierząt, wielu grzybów i niektórych bakterii. U zwierząt wyższych dwutlenek węgla przemieszcza się we krwi z tkanek organizmu do płuc, gdzie jest wydychany. Rośliny pobierają dwutlenek węgla z atmosfery i wykorzystują go w procesie fotosyntezy.

Suchy lód

Suchy lód, czyli stały dwutlenek węgla, to stan stały gazu _{CO2 o temperaturze} poniżej -109,3 °F (-78,5°C). Suchy lód nie występuje naturalnie na Ziemi, lecz jest wytwarzany przez człowieka. Jest on bezbarwny. Ludzie używają suchego lodu do chłodzenia rzeczy, robienia napojów gazowanych, zabijania świstaków i zamrażania brodawek. Opary suchego lodu powodują uduszenie, a w konsekwencji śmierć. Zaleca się ostrożność i profesjonalną pomoc w każdym przypadku użycia suchego lodu.

Przy zwykłym ciśnieniu nie stopi się z ciała stałego w ciecz, ale zamiast tego zmieni się bezpośrednio z ciała stałego w gaz. Nazywa się to sublimacją. Zmienia się on bezpośrednio z ciała stałego w gaz w każdej temperaturze wyższej niż ekstremalnie niska. Suchy lód sublimuje w normalnej temperaturze powietrza. Suchy lód wystawiony na działanie normalnego powietrza wydziela gazowy dwutlenek węgla, który nie ma koloru. Dwutlenek węgla może ulec skropleniu przy ciśnieniu powyżej 5,1 atmosfery.

Gazowy dwutlenek węgla, który wydobywa się z suchego lodu jest tak zimny, że kiedy miesza się z powietrzem, schładza parę wodną w powietrzu do postaci mgły, która wygląda jak gęsty biały dym. Jest on często używany w teatrze, aby stworzyć wrażenie mgły lub dymu.

Suchy lód po włożeniu do wody

Izolacja i produkcja

Chemicy mogą uzyskać dwutlenek węgla z chłodzonego powietrza. Nazywają to destylacją powietrza. Metoda ta jest nieefektywna, ponieważ duża ilość powietrza musi zostać schłodzona, aby wydobyć niewielką ilość CO2. Chemicy mogą również użyć kilku różnych reakcji chemicznych do oddzielenia dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla powstaje w reakcjach pomiędzy większością kwasów i większością węglanów metali. Na przykład, w reakcji pomiędzy kwasem solnym a węglanem wapnia (wapień lub kreda) powstaje dwutlenek węgla:

2 H C l + C a C O 3 ⟶ C a C l 2 + H 2 C O 3 {{displaystyle {2} HCl+CaCO_{3} CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}} }

Kwas węglowy (_H2CO3) rozkłada się następnie na wodę i _CO2. Takie reakcje powodują pienienie się lub bulgotanie, lub jedno i drugie. W przemyśle, takie reakcje są wielokrotnie wykorzystywane do neutralizacji strumieni kwasów odpadowych.

Wapno palone (CaO), substancja chemiczna o szerokim zastosowaniu, może być wytworzona poprzez podgrzanie kamienia wapiennego do temperatury około 850 °C. W wyniku tej reakcji powstaje również CO2. W tej reakcji powstaje również _CO2:

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

Dwutlenek węgla powstaje również podczas spalania wszystkich paliw zawierających węgiel, takich jak metan (gaz ziemny), destylaty ropy naftowej (benzyna, olej napędowy, nafta, propan), węgiel lub drewno. W większości przypadków uwalniana jest również woda. Przykładem może być reakcja chemiczna pomiędzy metanem a tlenem:

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}} }

Dwutlenek węgla jest wytwarzany w hutach stali. Żelazo jest redukowane z tlenków za pomocą koksu w wielkim piecu, gdzie powstaje surówka i dwutlenek węgla:

F e 2 O 3 + 3 C O ⟶ 2 F e + 3 C O 2 { {displaystyle {Fe_{2}O_{3}+3} CO ⟶ 2 Fe+3} CO_{2}} }

Drożdże metabolizują cukier w celu wytworzenia dwutlenku węgla i etanolu, znanego również jako alkohol, wykorzystywanego do produkcji win, piwa i innych napojów alkoholowych, ale także do produkcji bioetanolu:

C 6 H 12 O 6 ⟶ 2 C O 2 + 2 C 2 H 5 O H {C_{6}H_{12}O_{6} ⟶ ⟶ 2 CO_{2}+2 C_{2}H_{5}OH}} }

Wszystkie organizmy tlenowe wytwarzają CO
₂ podczas utleniania węglowodanów, kwasów tłuszczowych i białek w mitochondriach komórkowych. Duża liczba zachodzących reakcji jest niezwykle złożona i niełatwa do opisania. (Należą do nich oddychanie komórkowe, oddychanie beztlenowe i fotosynteza). Fotoautotrofy (np. rośliny, cyjanobakterie) wykorzystują inną reakcję: Rośliny pochłaniają CO
₂ z powietrza i wraz z wodą reagują z nim tworząc węglowodany:

n C O 2 + n H 2 O ⟶ ( C H 2 O ) n + n O 2 { {displaystyle {nCO_{2}+nH_{2}O (CH_{2}O)n+nO_{2}}} }

Dwutlenek węgla jest rozpuszczalny w wodzie, w której spontanicznie przekształca się w _CO2 i H
_2CO
3 (kwas węglowy). Względne stężenia CO
₂, H
_2CO
3, oraz zdeprotonowanych form HCO-
₃ (wodorowęglan) i ^CO2-
₃(węglan) zależy od kwasowości (pH). W wodzie obojętnej lub lekko zasadowej (pH > 6,5) przeważa forma wodorowęglanowa (>50%) stając się najbardziej dominującą (>95%) przy pH wody morskiej, natomiast w wodzie bardzo zasadowej (pH > 10,4) dominującą (>50%) formą jest węglanowa. Formy wodorowęglanowe i węglanowe są bardzo dobrze rozpuszczalne. Tak więc, woda oceaniczna wyrównana powietrzem (łagodnie alkaliczna z typowym pH = 8,2-8,5) zawiera około 120 mg wodorowęglanów na litr.

Produkcja przemysłowa

Przemysłowy dwutlenek węgla jest wytwarzany głównie w sześciu procesach:

• Poprzez wychwytywanie naturalnych źródeł dwutlenku węgla, gdzie powstaje on w wyniku działania zakwaszonej wody na wapień lub dolomit.
• Jako produkt uboczny w zakładach produkujących wodór, gdzie metan jest przekształcany w _CO2;
• Ze spalania paliw kopalnych lub drewna;
• Jako produkt uboczny fermentacji cukru przy warzeniu piwa, whisky i innych napojów alkoholowych;
• Z rozkładu termicznego wapienia, CaCO
  ₃, przy produkcji wapna (tlenek wapnia, CaO);

Reakcja chemiczna

Dwutlenek węgla może powstać w wyniku prostej reakcji chemicznej:

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

węgiel + tlen → dwutlenek węgla