Diòxid de carboni
 | |
| Substància | compost químic, medicament, gas, Gas hivernacle, acidic oxide  , vasodilator agent , conservant, agent fermentant i fluid refrigerant |
|---|---|
| Massa molecular | 43,99 uma |
| Estructura química | |
| Fórmula química | CO₂ |
 | |
SMILES canònic | Model 2D C(=O)=O |
| InChI | Model 3D |
| Propietats | |
| Densitat | 1,9768 g/m³ (a 0 °C, gas) 925 g/m³ (a 0 °C, líquid) 1.560 g/m³ (a -78,5 °C, sòlid) |
| Velocitat del so | 259 m/s (0 °C, gas) |
| Solubilitat | 0,2 g/100 g dissolvent (aigua, 77 °F) |
| Punt de fusió | [convert: nombre no vàlid] |
| Temperatura de sublimació | -78,5 °C i -109 °F |
| Entropia molar estàndard | 213,7 J/mol·K |
| Pressió de vapor | 56,5 atm (a 68 °F) |
| Perills | |
| Límit d'exposició promig ponderat en el temps | 9.000 mg/m³ (10 h, Estats Units d'Amèrica) |
| Límit d'exposició a curt termini | 54.000 mg/m³ (sense valor) |
| IDLH | 72.000 mg/m³ |
 | |
El diòxid de carboni (antigament anomenat biòxid de carboni o anhídrid carbònic), és un gas incolor, inodor, i insípid. La seva composició química és CO₂. No és tòxic però la seva acumulació pot produir la mort per ofegament, car és un gas més pesant que l'aire, i s'acumula fàcilment en els llocs més baixos. El diòxid de carboni està compost per un àtom central de carboni unit amb dos dobles enllaços a dos àtoms d'oxigen, els tres alineats en línia recta;
- O=C=O
És un dels productes finals de la combustió dels combustibles orgànics, i de la respiració dels animals, i alguns vegetals, com en els fongs. Els vegetals que tenen clorofil·la el redueixen, per l'acció combinada d'aquesta substància i la llum, i produeixen oxigen, i carboni que s'incorpora als organismes vegetals.
En processos de combustió, amb poc oxigen, també es genera monòxid de carboni (CO).
El diòxid de carboni és un dels gasos que ajuda a regular la temperatura de la terra gràcies a l'anomenat efecte hivernacle. L'augment actual de la concentració d'aquest gas a l'atmosfera, està creant l'escalfament global del planeta. S'han establert normatives internacionals, com el Protocol de Kyoto, per a intentar reduir aquest augment, però són seguides per molt pocs països. És considerat el segon gas hivernacle més important, després del vapor d'aigua.
Contingut
1 Propietats químiques i físiques
2 Prova de laboratori per a diòxid de carboni
3 Usos
4 Atmosfera
5 Variació en el passat
6 Oceans
7 Contaminant
8 Vegeu també
9 Referències
10 Enllaços externs
Propietats químiques i físiques
El diòxid de carboni és un gas incolor que inhalat a altes concentracions (una activitat perillosa a causa del risc d'asfíxia associat), produeix un gust àcid a la boca i una sensació picant al nas i la gola. Aquests efectes són produïts pel gas que es dissol en les membranes mucoses i a la saliva, formant una solució dèbil d'àcid carbònic. Es pot adonar d'aquesta sensació si intenta ofegar un rot després de beure una beguda carbonatada.
La seva densitat a 25 °C és de 1.98 kg/m³, al voltant d'1,65 vegades la de l'aire, la qual cosa fa que aquest gas tingui tendència a acumular-se en les parts fondes. La molècula de diòxid de carboni (O=C=O) conté dos enllaços dobles i té una forma lineal. No té cap dipol elèctric. Com que ja està completament oxidat, no és gaire reactiu i, en particular, no és inflamable.
A temperatures per sota -78 °C, el diòxid de carboni canvia directament des d'un gas fins a un sòlid blanc anomenat gel sec durant un procés anomenat deposició. El diòxid de carboni líquid es forma només a pressions superiors a 5.1 atm; a pressió atmosfèrica, passa directament de la fase sòlida a la fase gasosa en un procés anomenat sublimació.
El diòxid de carboni és soluble en aigua, en la qual espontàniament s'interconverteix entre CO2 i H2CO3 (àcid carbònic). Les concentracions relatives de CO2, H2CO3, i els anions HCO3- (hidrogencarbonat) i CO32- (carbonat) depenen del pH. En aigua neutra o una mica alcalina (pH > 6.5), la forma hidrogencarbonat predomina, mentre que en aigua molt alcalina l'anió predominant és el carbonat. L'hidrogencarbonat i el carbonat són molt solubles en aigua, de tal manera que l'aigua de l'oceà en equilibri amb l'aire (lleugerament alcalina amb un pH típic 8.2-8.5) conté al voltant de 120 mg d'hidrogencarbonat per litre, equivalent al CO2 contingut en 130 litres d'aire.
Prova de laboratori per a diòxid de carboni
Quan una fèrula encesa s'introdueix a una proveta que conté diòxid de carboni, la flama s'extingeix immediatament, com carboni el diòxid no dóna suport a combustió (certs extintors contenen carboni diòxid per extingir la flama). Naturalment si s'està insegur de quin gas estem analitzant fer la prova amb una fèrula il·luminada pot no ser una bona idea (hidrogen, gas natural, etc.) Aquest mètode és inconclusiu perquè u altres gasos com el nitrogen poden extingir una flama. Per a confirmar que el gas sigui diòxid de carboni, es pot fer borbollejar a través d'una solució d'hidròxid de calci (aigua de calç). L'aigua de calç es tornarà lletosa si hi ha CO2 present a causa de la formació de carbonat de calci.
Aquestes proves qualitatives clàssiques s'utilitzen sovint en escoles i per demostrar principis científics bàsics. En un laboratori modern, els mètodes es fan servir mètodes com l'espectroscòpia infraroja per detectar i confirmar la presència de CO2. Un exemple de l'ús d'espectroscòpia d'IR per a detectar CO2 és la mesura de la concentració de CO2 atmosfèric per a controlar l'abast de l'efecte hivernacle.
Usos
El diòxid de carboni en estat líquid i sòlid s'empra com a refrigerant, especialment en el sector alimentari, durant el transport i emmagatzematge de gelats i altres aliments congelats. El diòxid de carboni sòlid s'anomena "gel sec" i s'utilitza especialment per a remeses petites on un equip de refrigeració no serià pràctic.
El diòxid de carboni s'utilitza també per produir refrescs carbonatats i sifó. El caramel anomenat Peta Zetas es pressuritza amb gas de diòxid de carboni a aproximadament 40 atm. Quan posem el caramel a la boca, es dissol (just com qualsevol altre caramel dur) i allibera les bombolles de gas amb un "pop" audible. Tradicionalment, la gasificació de la cervesa i el Cava es produeix durant fermentació natural, però alguns fabricants carbonaten aquestes begudes artificialment, però el producte és d'inferior qualitat.
Els llevats produeixen diòxid de carboni la qual cosa fa que la massa augmenti i es torni més esponjosa. Existeixen dos tipus principals de llevats: Els formats per microorganismes, com el llevat del pa que produeixen el diòxid de carboni per fermentació de la massa, i els químics, que produeixen el diòxid de carboni per la descomposició dels carbonats a causa de l'escalfor o a l'exposició a àcids.
El diòxid de carboni s'utilitza sovint com un gas pressuritzat barat, no inflamable. Els bots salvavides, sovint contenen bombones pressuritzades de diòxid de carboni per al seu inflament ràpid. També s'empra en armes de gas comprimit i en el paintball i per a inflar pneumàtics de bicicletes. La vaporització ràpida de CO2 líquid s'utilitza per fer voladures en mines de carbó.
El diòxid de carboni és el gas comprimit més freqüentment utilitzat per a sistemes pneumàtics en Robots de Combat. El diòxid de carboni és ideal per aquesta aplicació perquè a temperatura ambient es converteix en un líquid a una pressió de 60 bars. Un dipòsit de diòxid de carboni líquid proporciona una pressió constant de 60 bars fins que el dipòsit és gairebé buit. En canvi un tanc d'aire comprimit reduiria gradualment la seva pressió amb l'ús.
El diòxid de carboni extingeix flames, i alguns extintors, especialment aquells dissenyats per a focs elèctrics, contenen diòxid de carboni líquid a pressió. El diòxid de carboni també troba ús com a atmosfera per soldar-se, encara que en l'arc de soldadura, reacciona per oxidar la majoria dels metalls. L'ús en la indústria d'automoció és comú malgrat que existeix evidència significativa que les soldadures fetes en diòxid de carboni siguin més trencadisses que els fets en atmosferes més inertes, i que aquestes soldadures es deterioren gradualment a causa de la formació d'àcid carbònic. Malgrat aquests inconvenients, s'utilitza com a gas de soldadura principalment perquè és molt menys car que altres gasos inerts com l'argó o l'heli.
El diòxid de carboni en estat supercrític és un bon dissolvent per a molts composts orgànics, i s'utilitza per extreure la cafeïna del cafè i obtenir cafè descafeïnat. Primer, els grans de cafè verds es remullen a aigua i s'introdueixen per la part superior d'una columna de 21 metres d'alt. El diòxid de carboni a aproximadament 93 °C entra pel fons de la columna i la cafeïna es dissol en el diòxid de carboni, deixant els grans de cafè descafeïnats.
El diòxid de carboni ha començat a atreure atenció en les indústries de processament químiques farmacèutiques i altres com a alternativa menys tòxica als dissolvents organoclorats. És utilitzat per alguns tintorers per aquesta raó. (Vegi química verda.)
Les plantes exigeixen diòxid de carboni per realitzar la fotosíntesi, i els hivernacles poden enriquir les seves atmosferes amb CO2 addicional per tal d'estimular creixement de planta. A més els nivells alts de diòxid de carboni en l'atmosfera permeten exterminar eficaçment moltes plagues, per aquest motiu els hivernacles augmentant el nivell de CO2 a 10.000 ppm (Un 1%) durant unes quantes hores per eliminar plagues com la mosca blanca, àcars i altres.
S'ha proposat emprar el diòxid de carboni que actualment s'emet en les centrals elèctriques és borbollejat a basses per cultivar algues que es podrien llavors convertir en biocombustible dièsel.
En medicina, el diòxid de carboni de fins a un 5% s'afegeix a oxigen pur per a l'estimulació de respirar després d'apnea i per estabilitzar l'equilibri d'O2/CO2 en sang.
Un tipus comú de làser de gas industrial, el làser de diòxid de carboni, empra el diòxid de carboni com a molècula pel seu funcionament
El diòxid de carboni també es pot combinar amb el llimone de les taronges o altres epòxids per crear polímers i plàstics.
El diòxid de carboni s'injecta comunament a o adjacent a pous de petroli que produeixen. Servirà com a agent que pressuritza i, quan és dissolt al cru subterrani, redueix significativament la seva viscositat, permetent al petroli fluir més ràpidament a través de la terra fins al pou d'extracció. En jaciments petrolífers madurs, s'utilitzen extenses xarxes de canonades per portar el diòxid de carboni als punts d'injecció.
Atmosfera
Emissions de diòxid de carboni a l'atmosfera per càpita.
L'any 2007 la proporció de CO2 a l'atmosfera de la terra estava al voltant d'un 0,0385% en volum (385 µL/L o ppmv)[1] o un 0,0582% en pes de CO2.Com que la massa de l'atmosfera és de 5,14×1018 kg[2] Això representa aproximadament 3,0 x 1012 tones de CO2 en el conjunt de l'atmosfera. L'increment respecte a l'any anterior,2006, ha estat de 19 mil milions de tones, un 0,6% en pes o de 2,4 ppmv.[1] A causa de l'àrea més gran de terra a l'hemisferi nord, i per tant a una major superfície vegetal en comparació amb l'hemisferi sud, hi ha una fluctuació anual d'aproximadament 5 µL/L, culminant el maig i arribant a un mínim l'octubre al final de l'estació de creixement de l'hemisferi nord, quan la quantitat de biomassa al planeta és més gran.
Concentracions atmosfèriques de CO2 mesurades a Mauna Loa.
Malgrat la seva petita concentració, el CO2 és un component molt important de l'atmosfera de Terra, perquè absorbeix la radiació infraroja a les longituds de 4.26 µm (mode vibracional symmetric stretching) i 14.99 µm (mode de vibració bending) i realça per tant l'efecte hivernacle.
Les emissions antropogèniques són actualment de 28 mil milions de tones, això representa només un 5% del flux de CO2 total a l'atmosfera, però és suficient per a crear una acumulació d'aquest gas, ja que no existeixen embornals suficients per a ell.
Emissions globals de carboni fòssil 1800–2000.
Des del començament de la Revolució Industrial, la concentració de CO2 atmosfèrica ha augmentat en aproximadament 110 µL/L o aproximadament un 40%, la majoria d'aquest augment s'ha produït des de 1945. Les mesures mensuals preses a Mauna Loa[3] des de 1958 mostren un augment de 316 ppmv en aquell any a 384 ppmv el 2006, un augment global de 70 µL/L durant la història de 48 anys de les mesures. La crema de combustibles fòssils com carbó i petroli és la causa principal de l'augment del CO2 antropogènic; la desforestació és la segona causa essencial, especialment la produïda en països tropicals per a l'expansió de l'explotació forestal, l'agricultura, la ramaderia i en menor mesura la mineria. Per exemple els incendis forestals a Indonèsia de l'any 1997 poden haver alliberat per si sols una proporció del 13% al 40% de l'emissió de CO2 feta pels combustibles fòssils aquell any. No tot el CO2 emès roman en l'atmosfera; una part se n'absorbeix als oceans, a la biosfera i en les roques. La raó entre el CO2 emès i l'augment de CO2 atmosfèric es coneix com la fracció aerotransportada (Al d'et Keeling., 1995); aquesta varia en períodes curts de temps però és típicament d'un 57% en un període de 5 anys.
Per intentar frenar l'acumulació de CO S'han proposat diverses tècniques per evitar emetre diòxid de carboni a l'atmosfera i retenir-lo en embornals de diòxid de carboni: Emmagatzematge en pous de gas natural o petroli, injecció en aigües oceàniques profundes, en aqüífers de salmorra, en vetes de carbó, etc.
Variació en el passat
El mètode més directe per mesurar les concentracions de diòxid de carboni atmosfèriques per a períodes en què el mostreig directe no fou possible és analitzant les bombolles d'aire (fluid o inclusions de gas) atrapat als casquets glacials de l'Antàrtic o Groenlàndia. Els estudis més àmpliament acceptats s'han fet amb testimonis antàrtics i indiquen que els nivells de CO2 atmosfèrics es trobaven entre els 260-280 ppmv immediatament abans que les emissions industrials comencessin i s'havien mantingut en aquest nivell durant els darrers 10.000 anys.
El registre de gel més llarg prové d'Antàrtida Oriental, on s'ha extret gel d'una edat de 650.000 anys abans del present[4] (on el present es pren com 1950 per convenció). Durant aquest temps, la concentració de diòxid de carboni atmosfèrica ha variat entre 180-210 ppmv durant les glaciacions, augmentant fins a 280-300 µL/L durant els períodes interglacials més calents.
Alguns estudis han discutit l'afirmació que els nivells de CO2 s'han mantingut estables durant el present interglacial (els darrers 10.000 anys). Basat enuna anàlisi de fulles fòssils, Wagner et al.[5] han discutit que els nivells de CO2 durant el període de 7.000 a 10.000 anys B.P. eren significativament més altes (~300 µL/L) i contenien substancials oscil·lacions que es poden relacionar amb variacions del clima. Altres han discutit tals declaracions, suggerint que és més probable que reflecteixin problemes de calibratge que els canvis reals en la concentració de CO2.[6] Pertinent a aquesta disputa és l'observació que els testimonis de gel de Groenlàndia sovint informin de nivells de CO2 més alts i més variables que mesures similars fetes a l'Antàrtida. Tanmateix, els grups responsables de tals mesures (p. ex., Smith et al.[7])) creuen que les variacions en els testimonis de Groenlàndia resulten de la descomposició in situ de la pols del carbonat de calci que es trobava en el gel. Quan els nivells de pols de carbonat en els testimonis de Groenlàndia són baixos, com gairebé sempre ho són en els testimonis de l'Antàrtic, els investigadors comuniquen que hi ha un bon acord entre les mesures de CO2 de Groenlàndia i l'Antàrtida.
Canvis en la concentració de diòxid de carboni durant el Fanerozoic (els darrers 542 milions d'anys). El període més recent es troba a banda esquerra del gràfic, i ens mostra que la major part dels darrers 550 million anys han experimentat concentracions de diòxid de carboni significativament més altes que les actuals.
Per a períodes de temps més remots, s'han utilitzat diferents mètodes per intentar determinar els nivells de diòxid de carboni atmosfèrics presents fa milions d'anys. Aquests inclouen les proporcions d'isòtops de bor i carboni en certs tipus de sediments marins, i el nombre d'estomes observat en fulles de plantes fòssils. Si bé aquestes mesures donen estimacions molt menys precises de la concentració de diòxid de carboni que els testimonis de gel, hi ha encara una forta evidència a favor de concentracions de CO2 molt altes (>3.000 ppmv) entre 600 i 400 m.a. BP i entre 200 i 150 m.a. BP.[8]
En escales de temps molt llargues, el contingut de CO2 atmosfèric està determinat per l'equilibri entre els processos geoquímics incloent-hi l'enterrament de carboni orgànic en sediments, la meteorització de les roques de silicat, i el vulcanisme. L'efecte net de desequilibris lleugers en el cicle de carboni durant milions d'anys ha estat reduir la concentració del CO2 atmosfèric. Les velocitats d'aquests processos són extremadament lentes; per això són de pertinència limitada per a resoldre el problema de l'exces de CO2 atmosfèric en períodes de cent anys.
En períodes més recents, la concentració de CO2 atmosfèrica va continuar caient després d'aproximadament 60 m.a. BP, i hi ha evidència geoquímica que les concentracions ja eren de <300 ppmv fa aproximadament 20 m.a. BP. Les concentracions de CO2 baixes poden haver estat l'estímul que hagi afavorit l'evolució de les plantes de C4, que van augmentar en gran manera la seva abundància en el període compres fa entre 7 i 5 m.a. BP.
Si bé les concentracions de CO2 contemporànies són probablement les més altes dels darrers 20 milions d'anys,[9] encara no són tan elevades com varen ser fa uns 50 milions d'anys.
Estudis actuals han intentat determinar com varen ser les condicions del planeta en el passat amb tan altes concentracions de CO2 i els resultats es poden classificar com a sorprenents: Una anàlisi dels sediments mostra que les aigües tropicals de l'Atlàntic tenien una temperatura d'uns 35 °C fa entre 100 i 84 milions d'anys, enfront dels 25 °C que tenen en l'actualitat.[10]
Uns altres sondejos recents mostren que fa 55 milions d'anys l'Àrtic tenia una mitjana de temperatura d'uns 25 °C, i per tant gaudia d'un clima tropical com el de Florida.[11]
ceans
Oceans
Els oceans de la Terra contenen una quantitat enorme de diòxid de carboni en forma d'ions hidrogencarbonat i carbonat— molt més que la quantitat existent en l'atmosfera. L'hidrogencarbonat es produeix en reaccions químiques entre les roques, l'aigua, i el diòxid de carboni. Un exemple és la dissolució de carbonat de calci:
CaCO3+CO2+H2O⇌Ca2++2HCO3−{displaystyle CaCO_{3}+CO_{2}+H_{2}Orightleftharpoons {Ca^{2+}+2{HCO_{3}}^{-}}}
Aquestes reaccions tendeixen a amortir els canvis en el CO2 atmosfèric. Les reaccions entre diòxid de carboni i roques no-carbonatades coms els silicats també afegeixen hidrogencarbonat als mars:
CaSiO3+2CO2+3H2O⇌Ca2++H4SiO4+2HCO3−{displaystyle CaSiO_{3}+2CO_{2}+3H_{2}Orightleftharpoons {Ca^{2+}+H_{4}SiO{}_{4}+2{HCO_{3}}^{-}}}
que poden més tard sofrir l'invers de la reacció citada per formar roques de carbonat, però alliberant només la meitat del CO2, consumida en la primera reacció. En el transcurs de centenars de milions d'anys això ha produït quantitats enormes de roques de carbonat, i ha enretirat la major part del diòxid de carboni de l'atmosfera. Si totes les roques de carbonat a l'escorça terrestre es convertisin de nou en diòxid de carboni, el diòxid de carboni resultant pesaria 40 vegades tant com la resta de l'atmosfera actual i l'atmosfera de la terra seria semblant a la del planeta Venus.
Contaminant
El diòxid de carboni dels automòbils s'emet pel tub d'escapament
Es considera un contaminant atmosfèric i un gas hivernacle. L'augment progressiu de diòxid de carboni a l'aire pot conduir al canvi climàtic del planeta (vegeu efecte Callendar i efecte hivernacle). També és causa de la boira fotoquímica a les ciutats. Per això, en principi, al Protocol de Kyoto de 2005 els 192 països signants i ratificants s'havien compromès a disminuir-ne les emissions, tot i que la major part d'ells no ha complert la seva paraula.
Visió reduïda a causa del diòxid de carboni
Es troba a l'aire fresc considerat "net" en proporcions variables entre 0,036% i el 0,039%, però en concentracions grans, de l'ordre de cent vegades més, és mortal. Així, es tracta d'una substància tòxica per a les persones, que produeix efectes narcòtics i problemes respiratoris en una concentració del 2%. En una concentració superior al 3%, el màxim temps d'exposició humana és d'un quart d'hora. Provoca la mort immediata, per aturada respiratòria brusca, quan està al 25%. Una habitació no ventilada sol trobar-se amb un 0,3% a 0,4% de diòxid de carboni a l'aire, per això és important obrir les finestres almenys deu minuts ininterrumputs al dia.
El diòxid de carboni antropogènic es produeix sobretot a les combustions completes (amb prou oxigen per fer-ho) de productes orgànics, com ara paper, fulles, fusta, menjar, deixalles orgàniques (sense prou oxigen, fan metà o biogàs), etc. La major part d'ell prové dels combustibles fòssils dels vehicles i de les centrals tèrmiques, on s'usen per a produir energia en forma d'electricitat.
Vegeu també
- Reacció Bosch
- Carbogen
- Cicle del carboni
- Monòxid de carboni
- Segrest del CO2
- Gel sec
- Escalfament global
- Gasos d'efecte hivernacle
- Gas industrial
- Identitat de Kaya
- Llac Kivu
- Llac Monoun
- Llac Nyos
- Llac meromíctic
- Champagne Pool
- Acidificació de l'oceà
Referències
↑ 1,01,1 «Carbon Dioxide, Methane Rise Sharply in 2007». NOAA, 2008. [Consulta: 24 abril].
↑ «Global atmospheric mass, surface pressure, and water vapor variations». JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, 2008. [Consulta: 24 abril].
↑ Keeling, C.D.; T.P. Whorf. «Atmospheric carbon dioxide record from Mauna Loa». [Consulta: 19 abril 2006].
↑ «Chemical & Engineering News: Latest News - Ice Core Record Extended».
↑ Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher «Rapid atmospheric O2 changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event». PNAS, 99, 19, 2002, pàg. 12011–12014. doi:10.1073/pnas.182420699.
↑ Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker «Early Holocene Atmospheric CO2 Concentrations». Science, 286, 5446, 1999, pàg. 1815. doi:10.1126/science.286.5446.1815a [Consulta: May 26].
↑ Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni «The CO2 concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition». Geophysical Research Letters, 24, 1, 1997, pàg. 1–4.
↑ «Climate Change 2001: The Scientific Basis».
↑ «Climate Change 2001: The Scientific Basis».
↑ «Ocean Was a Hot Tub in Dino Era | LiveScience».
↑ «BBC NEWS | Science/Nature | Arctic's tropical past uncovered».
