CO2
Oxid węglowy, znany również jako CO2, to związek chemiczny zbudowany z węgla i tlenu. Ma wzór chemiczny CO2, zawierając jeden atom węgla połączony z dwoma atomami tlenu. Tlenek węgla to bezbarwny i bezwonny gaz, który występuje w atmosferze Ziemi w bardzo małej ilości.
Definicja i zastosowanie tlenku węgla:
- Wzór chemiczny: CO2
- Struktura: Tlenek węgla ma strukturę molekularną z jednym atomem węgla i dwoma atomami tlenu.
Zastosowanie tlenku węgla:
-
Fotosynteza: Tlenek węgla jest ważnym składnikiem fotosyntezy, procesu, w którym rośliny i niektóre mikroorganizmy absorbują tlenek węgla z atmosfery i przekształcają go w związki organiczne, takie jak glukoza. Fotosynteza jest podstawowym procesem w tworzeniu pokarmu i tlenu w roślinach.
-
Oddychanie: Tlenek węgla to produkt uboczny metabolizmu organizmów, w tym człowieka. Podczas oddychania organizmy wypuszczają tlenek węgla do atmosfery.
-
Cykl tlenu: Tlenek węgla jest częścią cyklu tlenu, procesu, w którym dochodzi do wymiany między tlenem atmosferycznym a tlenkiem węgla w oceanach i roślinach.
-
Konserwacja żywności: Tlenek węgla czasem jest stosowany jako konserwant w przemyśle spożywczym, aby przedłużyć trwałość żywności.
-
Zwiększanie żyzności gleby: Tlenek węgla może być stosowany do zwiększania żyzności gleby w postaci wapna (tlenku wapnia) lub innych nawozów.
-
Przysmak do pieczenia: W przemyśle spożywczym tlenek węgla jest stosowany jako podstawowy składnik przysmaków do pieczenia, które pomagają podnieść ciasto i uwalniają tlenek węgla w postaci gazu, co zapewnia podmuchanie ciasta.
-
Produkcja napojów: Tlenek węgla występuje w napojach gazowanych, takich jak sody i soki z bąbelkami, gdzie zapewnia bąbelki gazu i odświeżającą smak.
Jest ważne, aby pamiętać, że tlenek węgla to gaz cieplarniany, co oznacza, że przyczynia się do zatrzymywania ciepła w atmosferze i wpływa na zmiany klimatyczne. Dlatego dyskutuje się o potrzebie kontroli jego emisji i poszukiwania sposobów na zmniejszenie jego wpływu na system klimatyczny.
Występowanie w przyrodzie
Oxid węglowy to powszechna część atmosfery ziemskiej, przy czym jego koncentracja[4] w powietrzu zmienia się w zależności od lokalnych warunków, wysokości nad poziomem morza i względnej wilgotności powietrza w atmosferze. W wyniku głównie emisji przemysłu jego średnia koncentracja w powietrzu stale rośnie (patrz sekcja „Wpływ tlenku węgla na globalne ocieplenie”).
Lokalnie bardzo wysoka koncentracja występuje w miejscach jego wylotu z ziemi w wulkanicznie aktywnych obszarach i w niektórych naturalnych wodach mineralnych. Ze względu na to, że jest cięższy niż powietrze, może się w tych miejscach gromadzić i stanowić niebezpieczną pułapkę dla zwierząt i ludzi. Rocznym takim wulkanicznym działalnością dostarczane jest do atmosfery Ziemi około 130–230 Tg, co stanowi tylko 0,5% produkcji CO2 przez ludzkość[5].
Oxid węglowy został również znaleziony w przestrzeni międzygwiazdowej. Jest głównym składnikiem atmosfer planety Wenus i Marsa. Spektroskopowo potwierdzono również jego obecność w kometach.
Zastosowanie
Oxid węglowy to gaz łatwo dostępny w przemyśle. Stosuje się go jako:
- surowiec chemiczny do produkcji:
- nieorganicznych węglanów
- metanolu
- polikarbonianów
- poliuretanów
- karbamianów
- izocyjanianów
- innych organicznych związków
- nośnik gazu i atmosfera ochronna dla celów spożywczych
- składnik napojów gazowanych
- napełnienie śnieżnych sprzętów gaśniczych
- środek chłodzący (lód suchy)
- w medycynie dodaje się (do 5 %) do tlenku dla zwiększenia skuteczności oddychania
- w akwarystyce do wspomagania wzrostu roślin akwariowych
Wpływ tlenku węgla na globalne ocieplenie
W zasadzie tlenek węgla nie jest szkodliwy, ponieważ nie jest trujący. W końcu roku 1997 na Konferencji dotyczącej atmosfery przeprowadzonej w Japonii (Kjóto), negocjujące kraje doszły do przyjęcia ograniczeń dla produkcji CO2. Te ograniczenia znane są pod nazwą Protokół z Kjóto. Wzrost CO2 w powietrzu jest uważany za główną przyczynę globalnego ocieplenia, jest spowodowany głównie spalaniem paliw kopalnych i zmniejszeniem się lasów. Na szczęście największy ekosystem wiążący powietrzny tlenek węgla – morski fitoplankton – nie jest zbyt zaburzony.
Duża ilość tlenku węgla jest również rozpuszczona w światowych morzach i oceanach, które w ten sposób regulują jego ilość w atmosferze. Stopniowy wzrost globalnej temperatury jednak negatywnie wpływa na rozpuszczalność CO2 w wodzie morskiej i w wyniku pozytywnej pętli sprzężenia zwrotnego dostaje się z powrotem do powietrza dodatkowa ilość tego gazu cieplarnianego. Na szczęście większość tlenku węgla jest w wodzie morskiej chemicznie związana w postaci jonów węglanowych i wodorowęglanowych, za co zawdzięczamy mu reakcję z wapnianymi minerałami podobną do równania:
- CaCO3 + CO2 + H2O ←→ Ca2+ + 2 HCO3-
Ta równowaga jednak z rosnącą temperaturą przesuwa się w lewo.
Również intensywność fotosyntezy fitoplanktonu jest zależna od optymalnej temperatury i z jej wzrostem nad optymalną maleje.
Tlenek węgla i biomasa
Ponadto spalanie biomasy czyli biogazu powoduje powstanie tlenku węgla również podczas kompostowania. Część materii organicznej pozostaje na polu jako resztki pożniwne i system korzeniowy.
Podczas kompostowania duża część materii organicznej jest przekształcana w stabilizowane organo-mineralne nawozy z wysokim udziałem substancji humusowych, więc duży udział węgla pozostaje długoterminowo związany w humusie, który poprawia właściwości gleb (wodochłonność, pojemność buforową itd.). Ponadto poprawione właściwości gleby prowadzą do wyższych plonów, a więc i intensywniejszej asimilacji CO2 podczas fotosyntezy.
Historyczne siedliska
Oxid węglowy był pierwszym związkiem chemicznym, który został opisany jako gaz różniący się od powietrza. W 17. stuleciu flamandzki chemik Jan Baptist van Helmont zauważył, że podczas spalania węgla drzewnego w zamkniętej naczyniu masa popiołu była mniejsza niż masa pierwotnego węgla. Wyjaśnił to przekształceniem części węgla w niewidzialną substancję, którą nazwał gaz spiritus sylvestre.
W połowie 18. stulecia właściwości tego gazu badali bardziej szczegółowo szkocki lekarz Joseph Black. Zauważył, że ogrzewanie wapnia lub jego reakcja z kwasami prowadzi do powstania gazu, który nazwał „fixed air” („powietrze związane”), ponieważ można go było wiązać silnymi zasadami (np. wodorotlenkiem wapnia). Zauważył również, że jest cięższy niż powietrze i że w przeciwieństwie do normalnego powietrza nie wspiera spalania i że zwierzęta w nim umierają. Wiązanie z wodorotlenkiem wapnia użył do dowiedzenia, że znajduje się w wydychanym powietrzu i że uwalnia się podczas procesu fermentacji (kwasowania).
