Oxid uhličitý (CO2) — definícia, vlastnosti a vplyv na klímu

Biologická úloha

Oxid uhličitý je konečným produktom organizmov, ktoré získavajú energiu rozkladom cukrov, tukov a aminokyselín pomocou kyslíka v rámci svojho metabolizmu. Tento proces je známy ako bunkové dýchanie. Patria sem všetky rastliny, živočíchy, mnohé huby a niektoré baktérie. U vyšších živočíchov putuje oxid uhličitý v krvi z telesných tkanív do pľúc, kde sa vydychuje. Rastliny prijímajú oxid uhličitý z atmosféry, aby ho využili pri fotosyntéze.

Suchý ľad

Suchý ľad alebo tuhý oxid uhličitý je tuhé skupenstvo plynu _{CO2 pri teplote} nižšej ako -109,3 °F (-78,5 °C). Suchý ľad sa na Zemi nevyskytuje prirodzene, ale je vyrobený človekom. Je bezfarebný. Ľudia používajú suchý ľad na ochladzovanie vecí, výrobu šumivých nápojov, zabíjanie sysľov a zmrazovanie bradavíc. Výpary suchého ľadu spôsobujú dusenie a nakoniec smrť. Pri každom použití suchého ľadu sa odporúča opatrnosť a odborná pomoc.

Pri bežnom tlaku sa neroztaví z pevného skupenstva na kvapalné, ale priamo sa zmení z pevného na plynné. Tento proces sa nazýva sublimácia. Z pevnej látky sa priamo zmení na plyn pri akejkoľvek teplote vyššej ako pri extrémne nízkych teplotách. Suchý ľad sublimuje pri bežnej teplote vzduchu. Suchý ľad vystavený normálnemu vzduchu vylučuje plynný oxid uhličitý, ktorý nemá farbu. Oxid uhličitý môže skvapalnieť pri tlaku vyššom ako 5,1 atmosféry.

Plynný oxid uhličitý vznikajúci zo suchého ľadu je taký studený, že keď sa zmieša so vzduchom, ochladí vodnú paru vo vzduchu na hmlu, ktorá vyzerá ako hustý biely dym. Často sa používa v divadle na vytvorenie dojmu hmly alebo dymu.

Izolácia a výroba

Chemici môžu získať oxid uhličitý z chladného vzduchu. Nazýva sa to destilácia vzduchu. Táto metóda je neefektívna, pretože na získanie malého množstva CO2 sa musí ochladiť veľké množstvo vzduchu. Chemici môžu na separáciu oxidu uhličitého použiť aj niekoľko rôznych chemických reakcií. Oxid uhličitý vzniká pri reakciách medzi väčšinou kyselín a väčšinou uhličitanov kovov. Napríklad reakciou medzi kyselinou chlorovodíkovou a uhličitanom vápenatým (vápenec alebo krieda) vzniká oxid uhličitý:

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

Kyselina uhličitá (_H2CO3) sa potom rozkladá na vodu a _CO2. Takéto reakcie spôsobujú penenie alebo bublanie, prípadne oboje. V priemysle sa takéto reakcie mnohokrát používajú na neutralizáciu tokov odpadových kyselín.

Pálené vápno (CaO), chemická látka, ktorá má široké využitie, sa dá vyrobiť zahriatím vápenca na teplotu približne 850 °C. Pri tejto reakcii vzniká aj _CO2:

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

Oxid uhličitý vzniká aj pri spaľovaní všetkých palív obsahujúcich uhlík, ako je metán (zemný plyn), ropné destiláty (benzín, nafta, petrolej, propán), uhlie alebo drevo. Vo väčšine prípadov sa uvoľňuje aj voda. Ako príklad možno uviesť chemickú reakciu medzi metánom a kyslíkom:

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} }

Oxid uhličitý sa vyrába v oceliarňach. Železo sa redukuje z oxidov pomocou koksu vo vysokej peci, pričom vzniká surové železo a oxid uhličitý:

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

Kvasinky metabolizujú cukor na oxid uhličitý a etanol, známy aj ako alkohol, pri výrobe vína, piva a iných liehovín, ale aj pri výrobe bioetanolu:

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

Všetky aeróbne organizmy produkujú CO
₂ pri oxidácii sacharidov, mastných kyselín a bielkovín v mitochondriách buniek. Veľký počet reakcií, ktoré sa na tom podieľajú, je mimoriadne zložitý a nedá sa jednoducho opísať. (Patrí k nim bunkové dýchanie, anaeróbne dýchanie a fotosyntéza). Fotoautotrofy (t. j. rastliny, sinice) používajú inú reakciu: Rastliny absorbujú CO
₂ zo vzduchu a spolu s vodou ho zreagujú na sacharidy:

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

Oxid uhličitý je rozpustný vo vode, v ktorej sa spontánne mení na _CO2 a H
_2CO
3 (kyselina uhličitá). Relatívne koncentrácie CO
₂, H
_2CO
3 a deprotonovaných foriem HCO-
₃ (hydrogénuhličitan) a ^CO2-
₃ (uhličitany) závisia od kyslosti (pH). V neutrálnej alebo mierne alkalickej vode (pH > 6,5) prevláda bikarbonátová forma (> 50 %), ktorá sa stáva najrozšírenejšou (> 95 %) pri pH morskej vody, zatiaľ čo vo veľmi alkalickej vode (pH > 10,4) prevláda (> 50 %) uhličitanová forma. Hydrogénuhličitany a uhličitany sú veľmi dobre rozpustné. Takže oceánska voda vyrovnaná vzduchom (mierne alkalická s typickým pH = 8,2 - 8,5) obsahuje približne 120 mg hydrogénuhličitanov na liter.

Priemyselná výroba

Priemyselný oxid uhličitý vzniká najmä pri šiestich procesoch:

• Zachytávaním prírodných prameňov oxidu uhličitého, ktorý vzniká pôsobením okyslenej vody na vápenec alebo dolomit.
• Ako vedľajší produkt zariadení na výrobu vodíka, kde sa metán premieňa na _CO2;
• Zo spaľovania fosílnych palív alebo dreva;
• Ako vedľajší produkt fermentácie cukru pri výrobe piva, whisky a iných alkoholických nápojov;
• Z tepelného rozkladu vápenca vzniká CaCO
  ₃ pri výrobe vápna (oxid vápenatý, CaO);

Chemická reakcia

Oxid uhličitý môže vzniknúť jednoduchou chemickou reakciou:

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

uhlík + kyslík → oxid uhličitý