dwutlenek węgla

Dwutlenek węgla (zwykle dwutlenek węgla w normalnym użytkowaniu) , ale często też błędnie kwas węglowy zwany) jest związkiem chemicznym węgla i tlenu, a zatem należy do grupy tlenków węgla wraz z tlenkiem węgla (znanym również jako tlenek węgla), podtlenkiem węgla i niestabilnym trójtlenkiem węgla.

Dwutlenek węgla jest gazem bezbarwnym i bezwonnym. Przy stężeniu ok. 0,04% (obecnie 381 ppm co odpowiada 0,0381%) jest naturalnym składnikiem powietrza. Powstaje zarówno w całkowitym spalaniu substancji zawierających węgiel z wystarczającą ilością tlenu, jak iw organizmie żywych istot jako produkt uboczny oddychania komórkowego. CO₂ jest uwalniany przez oddech. I odwrotnie, rośliny, niektóre bakterie i archeony są w stanie wytwarzać CO₂ przekształcone w biomasę przez wiązanie dwutlenku węgla. Na przykład rośliny wytwarzają CO₂ z nieorganicznego CO₂ podczas fotosyntezy glukoza.

Produkcja

Produkt odpadowy przemysłu energetycznego

Dwutlenek węgla powstaje podczas spalania paliw zawierających węgiel, w tym wszystkich paliw kopalnych. Dla danego źródła energii ilość wytworzonego CO wynosi₂ zależy bezpośrednio od ilości paliwa, a tym samym od przetworzonej energii. Chociaż nowoczesne systemy i procesy operacyjne mogą lepiej niż w przeszłości wykorzystywać energię zawartą w paliwie, nie są w stanie zapobiec tworzeniu się gazu.

Ta produkcja wynosi około 36 miliardów ton rocznie na całym świecie. W przypadku braku skutecznego i ekonomicznego procesu wychwytywania dwutlenku węgla, ilość ta ucieka do atmosfery i przyczynia się do globalnego ocieplenia (patrz poniżej).

Techniczne

Technicznie, dwutlenek węgla jest uzyskiwany przez spalanie koksu z nadmiarem powietrza lub jako produkt uboczny spalania wapna (~530 mln ton rocznie) i późniejszego oczyszczania (np. wiązania z węglanem potasu z wytworzeniem wodorowęglanu i późniejszego uwolnienia przez ogrzewanie).

Do wydobycia wykorzystywane są również źródła gazu ziemnego (woda mineralna).

W skali laboratoryjnej

W laboratorium dwutlenek węgla jest generowany przez uwalnianie węglanów przez kwasy.

Dowód

Proste wykrywanie dwutlenku węgla jest możliwe za pomocą wodnego roztworu wodorotlenku wapnia (woda wapienna). W tym celu do roztworu wprowadza się badany gaz. Zawiera gaz CO₂ , następnie węglan wapnia (wapno) wytrąca się w postaci białawego ciała stałego i roztwór staje się mętny. (patrz Próbka wody wapiennej)

Dwutlenek węgla reaguje z wodorotlenkiem wapnia, tworząc wodę i węglan wapnia.

Właściwości fizyczne

Cząsteczka dwutlenku węgla ma strukturę liniową. Chociaż wiązania węgiel-tlen są polarne, ich elektryczne momenty dipolowe znoszą się nawzajem ze względu na symetrię molekularną, tak że sama cząsteczka nie ma elektrycznego momentu dipolowego. Niemniej jednak, ze względu na wewnętrzne momenty dipolowe, dwutlenek węgla jest dobrze rozpuszczalny w wodzie i pochłania niektóre wąskie części widma elektromagnetycznego w obszarze podczerwieni.

W technologii stosuje się dwutlenek węgla w postaci kruszywa stałego pod nazwą suchego lodu. Nie topi się, ale sublimuje w temperaturze -78°C. Jednak poniżej temperatury krytycznej 31 °C można ją skondensować w bezbarwną ciecz poprzez zwiększenie ciśnienia. W temperaturze pokojowej wymagane jest ciśnienie ok. 60 bar, ciśnienie krytyczne w temperaturze krytycznej wynosi ok. 73,7 bar. Dwutlenek węgla w postaci płynnej jest sprzedawany w butelkach ciśnieniowych.

Właściwości chemiczne

Dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie tworzy kwas węglowy, H₂ CO₃ , ale ponad 99% dwutlenku węgla jest rozpuszczane tylko fizycznie. Kwas węglowy jako taki jest w równowadze z produktem dysocjacji (gatunek) wodorowęglanem („wodorowęglanem”, HCO₃ ) i węglany (CO₃ ), które są w stosunku do siebie proporcjonalne zależne od wartości pH. Jeśli złapie się jony oksoniowe powstałe podczas dysocjacji (H, właściwie H₃ O) przez dodanie zasady z jonami wodorotlenkowymi (OH) proporcja przesuwa się na korzyść węglanu.

Wykorzystanie

Gdy suchy lód sublimuje, z zimnego CO₂ tworzy się biała mgła -Mieszanka powietrza i wilgoć kondensacyjna, która była wcześniej wykorzystywana jako efekt w technologii scenicznej. Obecnie, na przykład, istnieją osprzęt do chłodzenia mgłą do normalnych wytwornic mgły parownikowej, które wykorzystują ciekły CO₂ obsługiwane.

Wiele napojów zawiera dwutlenek węgla w celu uzyskania lepszego efektu orzeźwienia podczas picia. W niektórych napojach powstaje w wyniku fermentacji (piwo, wino musujące), w innych jest dodawana sztucznie (lemoniada, woda sodowa) lub stosowana jest naturalna woda mineralna zawierająca dwutlenek węgla. Jako dodatek do żywności nosi oznaczenie E 290. Podczas produkcji dwutlenek węgla jest pompowany do napoju pod wysokim ciśnieniem, gdzie około 0,2% reaguje z wodą tworząc kwas węglowy; większość z nich jest rozpuszczona w wodzie jako gaz. Jeśli ciśnienie spada po otwarciu naczynia, następuje zarodkowanie, dzięki czemu nadmiar rozpuszczonego gazu ulatnia się w postaci pęcherzyków i unosi się. Tworzenie się pęcherzyków gazu i kwaśny smak kwasu węglowego na języku podczas picia pobudzają kubki smakowe, dając efekt odświeżający.

Dwutlenek węgla jest również używany w gaśnicach, ponieważ wypiera tlen ze źródła ognia (patrz także Gaśnica CO2, gaśnica, środek gaśniczy).

Dwutlenek węgla jest używany jako nawóz w szklarniach. Powodem jest CO₂ wytwarzany przez zużycie fotosyntezy -Brak niedostatecznego dopływu świeżego powietrza, szczególnie zimą przy zamkniętej wentylacji, ponieważ rośliny CO₂ potrzeba jako substancja podstawowa. Dwutlenek węgla jest wprowadzany albo bezpośrednio jako czysty gaz (stosunkowo drogi) albo jako produkt spalania propanu lub gazu ziemnego (sprzężenie nawożenia i ogrzewania). Możliwy wzrost wydajności zależy od tego, jak poważny jest brak CO₂ jest i jak silne jest źródło światła dla roślin. Dwutlenek węgla wykorzystywany jest również w akwarystyce jako nawóz dla roślin wodnych (CO₂ -dyfuzor). CO₂ -Zawartość w wodzie może być zwiększona (oddychanie, ale kosztem zawartości tlenu). (Zobacz też: nawożenie dwutlenkiem węgla)

Dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym ma wysoką rozpuszczalność dla substancji niepolarnych i może zastąpić toksyczne rozpuszczalniki organiczne. Wykorzystywany jest jako środek do ekstrakcji, np. do ekstrakcji substancji naturalnych, takich jak kofeina (produkcja bezkofeinowej kawy poprzez dekofeinizację) oraz jako rozpuszczalnik do czyszczenia i odtłuszczania np. wafli w przemyśle półprzewodnikowym, a ostatnio także tekstyliów (czyszczenie na sucho). Obecnie prowadzone są intensywne badania nad wykorzystaniem nadkrytycznego dwutlenku węgla jako medium reakcyjnego do produkcji chemikaliów wysokowartościowych (np. do produkcji aromatów), ponieważ wyizolowane enzymy często pozostają w nich aktywne i nie zawierają pozostałości rozpuszczalnika (w przeciwieństwie do rozpuszczalników organicznych) pozostają w produktach.

Dwutlenek węgla jest stosowany jako czynnik chłodniczy pod oznaczeniem R744 lub R-744 w samochodowych i stacjonarnych systemach klimatyzacji, w chłodnictwie przemysłowym, chłodnictwie w supermarketach i transporcie oraz w automatach sprzedających. Charakteryzuje się dużą objętościową wydajnością chłodniczą (wyższa wydajność w danej objętości), wysoką kompatybilnością środowiskową (potencjał globalnego ocieplenia w porównaniu do obecnie stosowanych czynników chłodniczych, około 1/1000 na kg; brak potencjału niszczenia warstwy ozonowej; odzysk z przemysłowych gazów odlotowych) oraz jednocześnie może być używany w cyklach grzewczych, jak w pompach do ciepłej wody i nagrzewnicach samochodowych.

Dwutlenek węgla wykorzystywany jest również jako gaz ochronny w technologii spawania – albo w czystej postaci, albo częściej jako dodatek do argonu i/lub helu. Ponieważ dwutlenek węgla jest termodynamicznie niestabilny w wysokich temperaturach, nie jest określany jako gaz obojętny, ale jako gaz aktywny.

CO₂ stosowany również w środkach przeczyszczających (czopki). Poprzez reakcję chemiczną podczas rozpuszczania czopka CO₂ zwolniony i rozciąga jelito, co z kolei wyzwala odruch jelitowy.

Coraz częściej CO₂ stosowany w połączeniu z automatycznym procesem piaskowania w celu stworzenia powierzchni o wysokiej czystości. Dzięki połączeniu właściwości mechanicznych, termicznych i chemicznych CO₂ -Śnieg usuwa i usuwa szeroką gamę zanieczyszczeń powierzchniowych bez pozostawiania śladów.

W tzw. CO₂ - Urządzenia są ostatnio używane również do ogłuszania świń przed ubojem. W tym celu są opuszczani w grupach windą okrężną do dołu zawierającego co najmniej 90% CO₂ zawiera i traci przytomność.

CO₂ w atmosferze i efekt cieplarniany

Główny artykuł:Efekt cieplarniany

Dwutlenek węgla pochłania część promieniowania cieplnego (podczerwonego), natomiast promieniowanie krótsze, tj. H. większość promieniowania słonecznego może przejść. Ta właściwość sprawia, że ​​dwutlenek węgla jest tak zwanym gazem cieplarnianym. Po parze wodnej dwutlenek węgla jest najpotężniejszym gazem cieplarnianym pod względem swojego udziału, chociaż wydajność właściwa metanu i ozonu jest wyższa. Wszystkie gazy cieplarniane łącznie zwiększają średnią temperaturę na powierzchni Ziemi z około -18°C do +15°C (naturalny efekt cieplarniany). Dwutlenek węgla odpowiada za około 9 do 26% tego ogólnego efektu i dlatego jest w dużej mierze odpowiedzialny za przyjazny klimat na Ziemi.

CO₂ -Procent w atmosferze ziemskiej podlegał w historii Ziemi znacznym wahaniom, które mają różne przyczyny biologiczne, chemiczne i fizyczne. Jednak przez co najmniej 650 000 lat proporcja ta zawsze wynosiła poniżej 280 ppm. CO₂ stężenie w ciągu ostatnich 10 000 lat utrzymywało się na względnie stałym poziomie 280 ppm. Równowaga cyklu dwutlenku węgla była więc w tym czasie w dużym stopniu zrównoważona. Wraz z początkiem industrializacji w XIX wieku CO₂ wzrósł w atmosferze do 381 ppm (2006 r.) i wzrasta m.in. Obecnie dalej średnio o 1,5 do 2 ppm rocznie.

Wzrost ten wynika z antropogenicznego, tj. H. stworzony przez człowieka, CO₂ - Emisje około 36,3 Gt lub około 9,9 Gt węgla (8,4 GtC ze spalania paliw kopalnych i 1,5 ± 0,5 GtC z użytkowania gruntów) rocznie. Stanowi to tylko niewielką część dwutlenku węgla, który pochodzi głównie ze źródeł naturalnych, około 550 Gt CO₂ rocznie lub 150 Gt węgla na zewnątrz, ale powoduje napływ netto, ponieważ bilans naturalnego CO₂ cykl wynosi zero. Antropogeniczny CO₂ - Emisje są częściowo pochłaniane przez naturalne pochłaniacze dwutlenku węgla, tak że tylko około 45% antropogenicznego dwutlenku węgla gromadzi się w atmosferze.

Zdecydowana większość naukowców uważa, że ​​wywołany przez człowieka wzrost gazów cieplarnianych w atmosferze przyczynia się do antropogenicznego efektu cieplarnianego, który prowadzi do globalnego ocieplenia. CO₂ znacząco przyczynia się do ocieplenia , który jest uwalniany poprzez spalanie oleju z paliw kopalnych, gazu ziemnego i węgla, podczas gdy spalanie biomasy i paliw z niej pochodzących emituje jedynie CO₂ w bilansie -Zwolnij ilości wcześniej związane fotosyntetycznie. Konsekwencje globalnego ocieplenia powinny być ograniczane poprzez ochronę klimatu.

Ogólnie rzecz biorąc, nauka dostrzegała co najmniej od lat 90. XX wieku, że zachodzą statystycznie istotne zmiany klimatu, a jedną z przyczyn jest wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze. To podejrzenie, które początkowo wiązało się z większą niepewnością, stało się coraz bardziej uzasadnione w trakcie badań i po zaciekłych sporach dotyczących globalnego ocieplenia i obecnie jest w dużej mierze naukowym konsensusem. Zaobserwowanych danych dotyczących temperatury nie można wyjaśnić bez uwzględnienia gazów cieplarnianych.

Skutki fizjologiczne i zagrożenia

CO₂ -Stężenia (% obj.) w powietrzu i wpływ na ludzi:

• 0,038%:Aktualne stężenie w powietrzu
• 0,15%:Wytyczne dotyczące higieny powietrza w pomieszczeniach na świeże powietrze
• 0,3%:poziom MIC, poniżej którego nie ma problemów zdrowotnych z powodu długotrwałej ekspozycji
• 0,5% (9 g/m³):TLV dla dziennej ekspozycji przez osiem godzin dziennie
• 1,5%:wzrost objętości czasu oddechowego o ponad 40%.
• 4%:wydychany oddech
• 5%:Wystąpienie bólu głowy, zawrotów głowy i utraty przytomności
• 8%:utrata przytomności, śmierć następuje po 30-60 minutach

Wypadki z CO₂ zdarzają się raz po raz . W piwnicach na wino, silosach paszowych, studniach i szambach w wyniku procesów fermentacyjnych mogą gromadzić się znaczne ilości CO₂ Formularz. Podczas fermentacji jednego litra moszczu powstaje do 50 litrów gazu fermentacyjnego. Jeśli nie zostanie zapewniona odpowiednia wentylacja, ze względu na wyższą gęstość CO₂ powstaną niebezpieczne poziomy w porównaniu do powietrza, szczególnie w pobliżu ziemi (jezioro dwutlenku węgla ).

Bezpośredni szkodliwy wpływ na zwierzęta i ludzi może być oparty na wypieraniu tlenu w powietrzu w indywidualnych przypadkach. Popularny pogląd, CO₂ jest nieszkodliwy sam w sobie i działa tylko poprzez wypieranie tlenu niezbędnego do życia, ale jest błędny. Stąd stary test świecy nieprzydatne do wykrywania niebezpiecznych niedoborów tlenu. Z powodu przemieszczania się powietrza (obniżenie O₂ ciśnienie parcjalne do mniej niż 130 mbar) ze względu na cięższy dwutlenek węgla może dodatkowo o szkodliwym wpływie CO₂ może również prowadzić do uduszenia z powodu braku tlenu.

CO₂ rozpuszczony we krwi aktywuje ośrodek oddechowy mózgu w fizjologicznym (naturalnym) i nieco podwyższonym stężeniu, ale w znacznie wyższym stężeniu prowadzi do zmniejszenia lub nawet wyeliminowania odruchowego bodźca oddechowego (depresja oddechowa, zatrzymanie oddychania). Efekty te pojawiają się znacznie szybciej niż uduszenie.

Od około 5 procent CO₂ we wdychanym powietrzu występują bóle i zawroty głowy, a przy wyższych stężeniach dochodzi do przyspieszonego bicia serca (tachykardia), wzrostu ciśnienia krwi, duszności i utraty przytomności (tzw. CO₂ -Znieczulenie). CO₂ -Stężenia 8 procent i wyższe powodują śmierć w ciągu 30 do 60 minut.

Ponadto dwutlenek węgla ma pośredni wpływ na bilans tlenowy krwi. Jeśli w powietrzu lub w słodkiej wodzie jest więcej dwutlenku węgla, wartość pH krwi zostaje obniżona dzięki równowadze dysocjacji kwasu węglowego – krew staje się „bardziej kwaśna”. Ten spadek pH ma wpływ na hemoglobinę. Przy niższym pH jego O₂ spada -Zdolność wiązania. Oznacza to, że z tym samym O₂ - Ilość tlenu w powietrzu może być wiązana i transportowana przez hemoglobinę. Fakt ten jest opisany przez efekt Bohra i efekt Haldane'a. W tkance, do której ma zostać uwolniony tlen, stężenie CO₂ wyższa (=niższa wartość pH, niższa O₂ zdolność wiązania), a tym samym ułatwia O₂ -nałożyć. W płucach sytuacja jest odwrotna, co sprzyja „obciążeniu” hemoglobiny tlenem.

Ten pośredni wpływ poprzez wartość pH krwi należy odróżnić od znacznie silniejszej toksyczności tlenku węgla. Jako czynnik kompleksujący, tlenek węgla nieodwracalnie maskuje żelazny rdzeń hemoglobiny, zapobiegając w ten sposób wiązaniu tlenu w czerwonych krwinkach. Jest to inny (bardziej wydajny) mechanizm molekularny niż w przypadku dwutlenku węgla.

Raz za razem całe rodziny padają ofiarą zatrucia gazem fermentacyjnym, ponieważ kilka osób wdycha dwutlenek węgla i traci przytomność podczas ratowania członka rodziny. Pierwszy ratownik naraża się na niebezpieczeństwo tylko podczas próby ratowania – nikt nie może wynieść nieprzytomnej osoby z piwnicy z zapartym tchem. Zamiast tego włącz wentylację (jeśli jest dostępna) i wykonaj połączenie alarmowe.

Ratowanie poszkodowanego z CO₂ - podejrzane sytuacje (piwnica z winami itp.) są możliwe tylko przez profesjonalne służby ratownicze (straż pożarna) z niezależnym aparatem oddechowym.

W rzadkich przypadkach zdarzają się również klęski żywiołowe związane z dwutlenkiem węgla; najsłynniejsza miała miejsce w 1986 roku nad jeziorem Nyos w Kamerunie.

• Saldo buduarowe
• CO₂ -Neutralność
• CO₂ -Ciśnienie cząstkowe patrz ciśnienie cząstkowe
• CO₂ -Sekwestracja
• Handel emisjami
• Globalne ocieplenie i jego konsekwencje
• powietrze
• efekt Pasteura
• Zużycie paliwa (CO₂ udostępnij)
• Lista elektrowni (emisja)
• Zakwaszenie oceanu

Referencje

• Eike Roth:Globalne problemy środowiskowe – przyczyny i rozwiązania. Friedmann, Monachium 2004. (Efekt cieplarniany, w tym jego przyczyny i omówienie wpływu antropogenicznego.) ISBN 3-933431-31-X
• Pörtner:Skutki CO₂ - Wejście i wzrost temperatury w biosferze morskiej (pdf 1,3 MB, 85 str.)
• Bauer, Kurt:O znaczeniu kwasu węglowego w stawach karpiowych. Rybołówstwo w Austrii 44/1991 s.49-64

Źródła

1. ↑ Wpis dotyczący Dwutlenku węgla w bazie danych substancji GESTIS BGIA, pobranej 31 sierpnia 2007 r. (wymagany JavaScript)
2. ↑ Naturalny czynnik chłodniczy R744 (CO₂ )
3. ↑ Siegenthaler, Urs, Thomas F. Stocker, Eric Monnin, Dieter Lüthi, Jakob Schwander, Bernhard Stauffer, Dominique Raynaud, Jean-Marc Barnola, Hubertus Fischer, Valérie Masson-Delmotte i Jean Jouzel (2005):Stabilny cykl węglowy– Stosunki klimatyczne w późnym plejstocenie , w:Nauka, t. 5752, s. 1313-1317, 25 listopada, zob. Streszczenie online
4. ↑ Josep Canadella, Corinne Le Quéré, Michael Raupacha, Christopher Fielde, Erik Buitenhuisc, Philippe Ciaisf, Thomas Conwayg, Nathan Gillettc, R. Houghtonh i Gregg Marland (2007):Wkład do przyspieszenia wzrostu CO2 w atmosferze z działalności gospodarczej, intensywności emisji dwutlenku węgla i wydajności naturalnych pochłaniaczy , w:Proceedings of the National Academy of Sciences, online (PDF)
5. ↑ Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (2001):Zmiany Klimatu 2001 – Trzeci Raport Oceniający IPCC CO₂ -Obwód
6. ↑ Oreskes, Naomi (2004):Konsensus naukowy w sprawie zmian klimatu , w:Science Vol. 306 z 4 grudnia (PDF)
7. ↑ Meehl, A Gerald, Warren M Washington, Caspar M Ammann, Julie M Arblaster, TM L Wigleiy i Claudia Tebaldi (2004):Kombinacje wymuszeń naturalnych i antropogenicznych w klimacie XX wieku , w:Journal of Climate, t. 17, 1 października, s. 3721–3727 (PDF)