koldioxid

Koldioxid (vanligtvis koldioxid vid normal användning , men ofta också felaktigt kolsyra kallas) är en kemisk förening av kol och syre och tillhör alltså gruppen koloxider tillsammans med kolmonoxid (även känd som kolmonoxid), kolsuboxid och den instabila koltrioxiden.

Koldioxid är en färglös och luktfri gas. Med en koncentration på ca 0,04 % (för närvarande 381 ppm motsvarande 0,0381 %) är det en naturlig komponent i luften. Det bildas både vid fullständig förbränning av kolhaltiga ämnen med tillräckligt med syre och i levande varelsers organism som en biprodukt av cellandning. CO₂ släpps ut genom andningen. Omvänt kan växter, vissa bakterier och arkéer producera CO₂ omvandlas till biomassa genom koldioxidfixering. Till exempel producerar växter CO₂ från oorganisk CO₂ under fotosyntesen glukos.

Tillverkning

Avfallsprodukt från energiindustrin

Koldioxid bildas när bränslen som innehåller kol förbränns, inklusive alla fossila bränslen. För en given energikälla är mängden CO som produceras₂ beror direkt på mängden bränsle och därmed den omvandlade energin. Även om moderna system och driftprocesser kan använda energin som finns i bränslet bättre än tidigare, kan de inte förhindra att gasen bildas.

Denna produktion uppgår till cirka 36 miljarder ton per år världen över. I avsaknad av en effektiv och ekonomisk kolinfångningsprocess försvinner denna mängd ut i atmosfären och bidrar till den globala uppvärmningen (se nedan).

Teknisk

Tekniskt sett erhålls koldioxid genom förbränning av koks med överskott av luft eller som en biprodukt av kalkförbränning (~530 miljoner ton per år) och efterföljande rening (t.ex. bindning till kaliumkarbonat för att bilda vätekarbonat och efterföljande frigöring genom uppvärmning).

Naturgaskällor (mineralvatten) används också för utvinning.

I laboratorieskala

I laboratoriet genereras koldioxid genom att syror frigör karbonater.

Bevis

En enkel detektering av koldioxid är möjlig med en vattenhaltig kalciumhydroxidlösning (kalkvatten). För detta ändamål införs gasen som ska undersökas i lösningen. Innehåller gasen CO₂ , sedan faller kalciumkarbonat (kalk) ut som ett vitaktigt fast ämne och lösningen blir grumlig. (se Kalkvattenprov)

Koldioxid reagerar med kalciumhydroxid och bildar vatten och kalciumkarbonat.

Fysikaliska egenskaper

Koldioxidmolekylen har en linjär struktur. Även om kol-syrebindningarna är polära, tar deras elektriska dipolmoment ut varandra på grund av molekylär symmetri, så att själva molekylen inte har något elektriskt dipolmoment. Trots de interna dipolmomenten är koldioxid mycket lösligt i vatten och absorberar vissa smala delar av det elektromagnetiska spektrumet i det infraröda området.

Koldioxid används i fast aggregattillstånd under namnet torris inom teknologin. Det smälter inte utan sublimeras vid -78 °C. Men under den kritiska temperaturen på 31 °C kan den kondenseras till en färglös vätska genom att öka trycket. Ett tryck på ca 60 bar krävs vid rumstemperatur, det kritiska trycket vid den kritiska temperaturen är ca 73,7 bar. I flytande form handlas koldioxid i tryckflaskor.

Kemiska egenskaper

Koldioxid löst i vatten bildar kolsyra, H₂ CO₃ , men mer än 99 % av koldioxiden är endast fysiskt löst. Kolsyra som sådan är i jämvikt med sin dissociationsprodukt (art) bikarbonat ("bikarbonat", HCO₃ ) och karbonat (CO₃ ), som står i en proportion till varandra som beror på pH-värdet. Om man fångar de oxoniumjoner som bildas under dissociationen (H, egentligen H₃ O) genom att tillsätta en bas med hydroxidjoner (OH), skiftar andelen till karbonats fördel.

Användning

När torrisen sublimeras bildas en vit dimma från den kalla CO₂ -Luftblandning och kondenserande luftfuktighet, som tidigare använts som effekt inom scenteknik. Idag finns det till exempel dimkylningstillbehör för vanliga förångardimmaskiner som använder flytande CO₂ drivs.

Många drycker innehåller koldioxid för att få en bättre uppfriskande effekt när man dricker. I vissa drycker framställs det genom jäsning (öl, mousserande vin), i andra är det konstgjort tillsatt (lemonad, sodavatten) eller naturligt mineralvatten som innehåller koldioxid. Som livsmedelstillsats bär den beteckningen E 290. Under tillverkningen pumpas koldioxid in i drycken under högt tryck, där cirka 0,2 % av den reagerar med vatten och bildar kolsyra; det mesta löses som en gas i vattnet. Om trycket sjunker när kärlet öppnas uppstår kärnbildning, så att överskottet av löst gas försvinner i form av bubblor och stiger. Bubblbildningen av gasen och den sura smaken av kolsyran på tungan när man dricker stimulerar smaklökarna, vilket ger en uppfriskande effekt.

Koldioxid används också i brandsläckare eftersom den tränger undan syre från brandkällan (se även CO2-släckare, brandbekämpning, släckningsmedel).

Koldioxid används som gödningsmedel i växthus. Anledningen är CO₂ som produceras av fotosyntetisk konsumtion -Brist på otillräcklig tillförsel av frisk luft, särskilt på vintern med stängd ventilation, eftersom växter CO₂ behov som grundämne. Koldioxiden tillförs antingen direkt som en ren gas (relativt dyr) eller som en förbränningsprodukt från propan eller naturgas (koppling av gödsling och uppvärmning). Den möjliga avkastningsökningen beror på hur allvarlig bristen på CO₂ är är och hur stark ljustillförseln är för växterna. Koldioxid används också i akvaristik som gödningsmedel för vattenväxter (CO₂ -spridare). CO₂ -Innehållet i vattnet kan ökas (andningen, men på bekostnad av syrehalten). (Se även: koldioxidgödsling)

Superkritisk koldioxid har hög löslighet för opolära ämnen och kan ersätta giftiga organiska lösningsmedel. Det används som ett extraktionsmedel, till exempel för att extrahera naturliga ämnen som koffein (tillverkning av koffeinfri kaffe genom koffeinering), och som lösningsmedel för rengöring och avfettning, till exempel av wafers inom halvledarindustrin och nyligen även av textilier (kemtvätt). Det pågår för närvarande intensiv forskning om att använda superkritisk koldioxid som reaktionsmedium för framställning av finkemikalier (t.ex. för framställning av smakämnen), eftersom isolerade enzymer ofta förblir aktiva i dem och inga rester av lösningsmedel (i motsats till organiska lösningsmedel). kvar i produkterna.

Koldioxid används som köldmedium under beteckningen R744 eller R-744 i fordons- och stationära luftkonditioneringssystem, inom industriell kylteknik, stormarknads- och transportkylning och i varuautomater. Den har en stor volymetrisk kylkapacitet (högre effektivitet i en given volym), hög miljökompatibilitet (global uppvärmningspotential jämfört med köldmedier som används idag, cirka 1/1000 per kg; ingen ozonnedbrytningspotential; återvinning från industriell avfallsgas) och vid samtidigt kan den användas i värmecykler som i varmvattenpumpar och fordonsvärmare kan användas.

Koldioxid används också som skyddsgas inom svetsteknik – antingen i sin rena form eller oftare som tillsats till argon och/eller helium. Eftersom koldioxid är termodynamiskt instabil vid höga temperaturer, kallas det inte för en inert gas utan som en aktiv gas.

CO₂ används även i laxermedel (suppositorier). Genom en kemisk reaktion under upplösningen av suppositoriet, CO₂ släpper och sträcker ut tarmen, vilket i sin tur utlöser tarmreflexen.

I allt högre grad CO₂ används i kombination med en automatiserad blästringsprocess för att skapa ytor med hög renhet. Med sin kombination av mekaniska, termiska och kemiska egenskaper, CO₂ -Snö tar bort och tar bort en mängd olika ytföroreningar utan att lämna några rester.

I så kallade CO₂ -Anläggningar används nyligen även för att bedöva grisar före slakt. För att göra detta sänks de i grupper i en paternosterlift i en grop som innehåller minst 90 % CO₂ innehåller och förlorar medvetandet.

CO₂ i atmosfären och växthuseffekten

Huvudartikel:Växthuseffekten

Koldioxid absorberar en del av den termiska strålningen (infraröd strålning), medan kortvågig strålning, dvs. H. det mesta av solstrålningen, kan passera igenom. Denna egenskap gör koldioxid till en så kallad växthusgas. Efter vattenånga är koldioxid den mest potenta av växthusgaserna sett till sin andel, även om den specifika effektiviteten av metan och ozon är högre. Alla växthusgaser ökar tillsammans medeltemperaturen på jordens yta från cirka −18 °C till +15 °C (naturlig växthuseffekt). Koldioxid står för omkring 9 till 26 % av denna totala effekt och är därför till stor del ansvarig för det beboeliga klimatet på jorden.

CO₂ - Procentandelen i jordens atmosfär har varit föremål för betydande fluktuationer under jordens historia, vilket har olika biologiska, kemiska och fysikaliska orsaker. I minst 650 000 år har dock andelen alltid legat under 280 ppm. CO₂ koncentrationen under de senaste 10 000 åren har varit relativt konstant på 280 ppm. Balansen i koldioxidcykeln var alltså i stort sett balanserad under denna tid. I och med industrialiseringens början på 1800-talet ökade CO₂ andel i atmosfären till 381 ppm hittills (2006) och ökar t.ex. För närvarande ytterligare med i genomsnitt 1,5 till 2 ppm per år.

Denna ökning beror på det antropogena, dvs. H. konstgjorda, CO₂ -Utsläpp på cirka 36,3 Gt eller cirka 9,9 Gt kol (8,4 GtC från förbränning av fossila bränslen och 1,5 ± 0,5 GtC från markanvändning) per år. Detta står endast för en liten del av koldioxiden, som huvudsakligen kommer från naturliga källor, på cirka 550 Gt CO₂ årligen eller 150 Gt kol ut, men orsakar ett nettoinflöde eftersom balansen av naturlig CO₂ cykeln är noll. Den antropogena CO₂ -Utsläppen absorberas delvis av naturliga koldioxidsänkor, så att endast cirka 45 % av antropogen koldioxid ackumuleras i atmosfären.

Man tror av de allra flesta forskare att mänskligt orsakade ökningar av växthusgaser i atmosfären bidrar till den antropogena växthuseffekten som leder till global uppvärmning. CO₂ ger ett betydande bidrag till uppvärmningen , som frigörs genom förbränning av de fossila bränslena olja, naturgas och kol, medan förbränning av biomassa och bränslen som härrör från den endast släpper ut CO₂ i balansen - Frigör mängder som tidigare bundits fotosyntetiskt. Konsekvenserna av den globala uppvärmningen bör minskas genom klimatskydd.

I allmänhet har vetenskapen sedan åtminstone 1990-talet erkänt att det finns statistiskt signifikanta klimatförändringar och att en av orsakerna är ökningen av koncentrationen av koldioxid i atmosfären. Denna misstanke, som till en början förknippades med större osäkerhet, har blivit allt mer underbyggd under forskningens gång och efter hårda kontroverser om global uppvärmning och är nu till stor del en vetenskaplig konsensus. De observerade temperaturdata kan inte förklaras utan att ta hänsyn till växthusgaser.

Fysiologiska effekter och faror

CO₂ -Koncentrationer (Vol%) i luft och effekter på människor:

• 0,038 %:Aktuell luftburen koncentration
• 0,15 %:Riktlinje för hygienisk inomhusluft för frisk luft
• 0,3 %:MIC-nivå under vilken det inte finns några hälsoproblem från långvarig exponering
• 0,5 % (9 g/m³):TLV för daglig exponering på åtta timmar per dag
• 1,5 %:Ökning av andningstidsvolymen med mer än 40 %.
• 4 %:utandning
• 5 %:Förekomst av huvudvärk, yrsel och medvetslöshet
• 8 %:medvetslöshet, döden inträffar efter 30-60 minuter

Olyckor med CO₂ händer om och om igen . I vinkällare, fodersilos, brunnar och septiktankar kan avsevärda mängder CO₂ ansamlas som ett resultat av jäsningsprocesser form. Vid jäsning av en liter must produceras upp till 50 liter jäsgas. Om tillräcklig ventilation inte tillhandahålls kommer farliga nivåer att bildas på grund av den högre densiteten av CO₂ jämfört med luft, särskilt nära marken (koldioxidsjö ).

Den direkta skadliga effekten på djur och människor kan baseras på förskjutningen av syre i luften i enskilda fall. Den populära synen, CO₂ är ofarligt i sig och fungerar bara genom att tränga undan det syre som behövs för livet, men är fel. Därav det gamla ljustestet inte användbart för att upptäcka farlig syrebrist. På grund av förskjutningen av luft (sänkning av O₂ partialtryck till mindre än 130 mbar) på grund av den tyngre koldioxiden kan det ytterligare om de skadliga effekterna av CO₂ kan också leda till kvävning på grund av syrebrist.

CO₂ löst i blodet aktiverar hjärnans andningscentrum i en fysiologisk (naturlig) och något ökad koncentration, men i en betydligt högre koncentration leder det till en minskning eller till och med eliminering av reflexandningsstimulansen (andningsdepression, andningsstopp). Dessa effekter kommer mycket snabbare än kvävning.

Från cirka 5 procent CO₂ huvudvärk och yrsel uppstår i inandningsluften och vid högre koncentrationer uppstår ett accelererat hjärtslag (takykardi), blodtryckshöjning, andnöd och medvetslöshet (den så kallade CO₂ -Anestesi). CO₂ -Koncentrationer på 8 procent och högre orsakar dödsfall inom 30 till 60 minuter.

Dessutom har koldioxid en indirekt effekt på syrebalansen i blodet. Om det finns mer koldioxid i luften eller i sötvatten sänks pH-värdet i blodet via kolsyrans dissociationsjämvikt - blodet blir "surare". Hemoglobin påverkas av denna sänkning av pH. Vid lägre pH minskar dess O₂ -Bindningskapacitet. Det betyder med samma O₂ -Mängden syre i luften kan bindas och transporteras av hemoglobin. Detta faktum beskrivs av Bohr-effekten och Haldane-effekten. I vävnaden där syret ska frigöras, koncentrationen av CO₂ högre (=lägre pH-värde, lägre O₂ -bindande kapacitet) och därmed underlättar O₂ -avgift. I lungorna är situationen den omvända, vilket gynnar "laddningen" av hemoglobinet med syre.

Denna indirekta effekt via blodets pH-värde måste särskiljas från kolmonoxidens mycket starkare toxicitet. Som ett komplexbildande medel maskerar kolmonoxid irreversibelt hemoglobinets järnkärna och förhindrar därmed bindningen av syre i de röda blodkropparna. Detta är en annan (effektivare) molekylär mekanism än med koldioxid.

Om och om igen faller hela familjer offer för jäsgasförgiftning eftersom flera personer andas in koldioxid och själva blir medvetslösa när de räddar en familjemedlem. Den första räddningstjänsten utsätter sig bara för fara när han försöker rädda – ingen kan bära ut en medvetslös person ur en källare med tillbakadragen andedräkt. Slå istället på ventilationen (om tillgänglig) och ring ett nödsamtal.

Rädda en skadad från CO₂ - Misstänkta situationer (vinkällare, etc.) är endast möjliga av professionella räddningstjänster (brandkår) med inbyggd andningsapparat.

I sällsynta fall förekommer även naturkatastrofer med koldioxid; den mest kända inträffade 1986 vid sjön Nyos i Kamerun.

• boudouardbalans
• CO₂ -Neutralitet
• CO₂ -Partialtryck se partialtryck
• CO₂ -Sekvestrering
• Handel med utsläppsrätter
• Global uppvärmning och dess konsekvenser
• luft
• pasteureffekt
• Bränsleförbrukning (CO₂ dela)
• Lista över kraftverk (utsläpp)
• Havsförsurning

Referenser

• Eike Roth:Globala miljöproblem – orsaker och lösningar. Friedmann, München 2004. (Växthuseffekten, inklusive dess orsaker och diskussion om antropogen påverkan.) ISBN 3-933431-31-X
• Pörtner:Effekter av CO₂ -Inträde och temperaturökning på den marina biosfären (pdf 1,3 MB, 85 s.)
• Bauer, Kurt:Om vikten av kolsyra i karpdammar. Österrikes fiske 44/1991 s.49-64

Källor

1. ↑ Post om Koldioxid i GESTIS substansdatabas för BGIA, hämtad den 31 augusti 2007 (JavaScript krävs)
2. ↑ Det naturliga köldmediet 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 och Jean Jouzel (2005):Stable Carbon Cycle– Klimatförhållande under sen pleistocen , i:Science, vol. 5752, s. 1313-1317, 25 november, se Sammanfattning online
4. ↑ Josep Canadella, Corinne Le Quéré, Michael Raupacha, Christopher Fielde, Erik Buitenhuisc, Philippe Ciaisf, Thomas Conwayg, Nathan Gillettc, R. Houghtonh och Gregg Marland (2007):Bidrag till att accelerera atmosfärisk CO2-tillväxt från ekonomisk aktivitet, kolintensitet och effektivitet hos naturliga sänkor , i:Proceedings of the National Academy of Sciences, online (PDF)
5. ↑ Intergovernmental Panel on Climate Change (2001):Climate Change 2001 – IPCC Third Assessment Report CO₂ -Krets
6. ↑ Oreskes, Naomi (2004):The Scientific Consensus on Climate Change , i:Science Vol. 306 av 4 december (PDF)
7. ↑ Meehl, A Gerald, Warren M Washington, Caspar M Ammann, Julie M Arblaster, TM L Wigleiy och Claudia Tebaldi (2004):Combinations of Natural and Anthropogenic Forcings in Twentieth-Century Climate , i:Journal of Climate, Vol. 17, 1 oktober, s. 3721–3727 (PDF)