Какво е CO2 газ?

Въглеродният диоксид е сред многото научни термини, които имат широк спектър от значения и подобен набор от конотации. Ако сте запознати с клетъчното дишане, може да знаете, че въглеродният диоксид газ - съкратено CO₂ - е отпадъчен продукт от тази поредица от реакции при животни, при които кислородът е газ или O₂, е реагент; може също така да знаете, че при растенията този процес всъщност е обратен, с CO₂ служещи като гориво при фотосинтеза и О₂ като отпадъчен продукт.

Може би по-известното, благодарение на политиката и науката за Земята от настоящия век, CO₂ е известен с това, че е парников газ, отговорен за подпомагането на улавянето на топлина в земната атмосфера. CO₂ е страничен продукт от изгарянето на изкопаеми горива и последвалото затопляне на планетата е накарало гражданите на Земята да търсят алтернативни източници на енергия.

Освен тези въпроси, CO₂ газът, елегантно проста молекула, има редица други биохимични и индустриални функции, за които феновете на науката трябва да са наясно.

Въглеродният диоксид е безцветен газ без мирис при стайна температура. Всеки път, когато издишате, молекулите на въглероден диоксид напускат тялото ви и стават част от атмосферата. CO₂ молекулите съдържа един въглероден атом, фланкиран от два кислородни атома, така че молекулата да е с линейна форма:

O = C = O

Всеки въглероден атом образува четири връзки със съседите си в стабилни молекули, докато всеки кислороден атом образува две връзки. По този начин с всяка връзка въглерод-кислород в CO₂ състоящ се от двойна връзка - тоест две двойки споделени електрони - CO₂ е силно стабилен.

Както показва един поглед върху периодичната таблица на елементите (вж. Ресурси), молекулното тегло на въглерода е 12 атомни единици маса (amu), докато това на кислорода е 16 amu. Следователно молекулното тегло на въглеродния диоксид е 12 + 2 (16) = 44. Друг начин да се изрази това е да се каже, че един мол CO₂ има маса 44, като един мол е еквивалентен на 6,02 × 10²³ отделни молекули. (Тази цифра, известна като числото на Авогадро, произтича от факта, че молекулната маса на въглерода е зададена на точно 12 грама, което използваме двойно повече протони въглерод съдържа и тази маса на въглерод съдържа 6,02 × 10²³ въглеродни атоми. Молекулното тегло на всеки друг елемент е структурирано около този стандарт.)

Въглеродният диоксид може да съществува и като течност, състояние, в което се използва като хладилен агент, в пожарогасители и при производството на газирани напитки като сода; и като твърдо вещество, в което състояние се използва като хладилен агент и може да причини измръзване, ако влезе в контакт с кожата.

Въглеродният диоксид често се разбира погрешно като токсичен, тъй като често се свързва със задушаване и дори загуба на живот. Докато достатъчни нива на CO₂ всъщност може да бъде директно токсичен и да причини задушаване, това, което обикновено се случва, е, че CO₂ вместо това се натрупва в резултат или следствие от задушаване. Ако някой спре да диша по някаква причина, CO₂ вече не се изхвърля през белите дробове и следователно се натрупва в кръвта, тъй като няма къде другаде. CO₂ следователно е маркер за задушаване. Приблизително по същия начин водата не е „токсична“ само защото може да доведе до удавяне.

Само малка част от атмосферата се състои от CO₂ - около 1 процент. Въпреки че е страничен продукт от метаболизма на животните, е абсолютно необходимо растенията да оцелеят и е инструментална част от целия свят въглероден цикъл. Растенията приемат CO₂, превръщат го в серия от реакции въглерод и кислород и след това освобождават кислорода в атмосферата, като същевременно задържат въглерода под формата на глюкоза, за да живее и расте. Когато растенията умрат или са изгорени, въглеродът им се рекомбинира с O₂ във въздуха, образувайки CO₂ и завършване на въглеродния цикъл.

Животните генерират въглероден диоксид чрез разграждането на погълнатите въглехидрати, протеини и мазнини в храната. Всички те се метаболизират до глюкоза, шествъглеродна молекула, която след това влиза в клетките и в крайна сметка се превръща във въглероден диоксид и вода, с получената енергия, използвана за захранване на клетъчните дейности. Това се случва в процеса на аеробно дишане (често наричано клетъчно дишане, въпреки че термините не са точно синоними). Цялата глюкоза, която попада в клетките както на прокариотите (бактерии), така и на нерастителните еукариоти (животни и гъби) първо се подлага на гликолиза, която генерира двойка тривъглеродни молекули, наречени пируват. По-голямата част от това влиза в цикъла на Кребс под формата на двувъглеродна молекула ацетил КоА, докато СО₂ е освободен. Високоенергийните електронни носители NADH и FADH₂ които се образуват по време на цикъла на Кребс, след което се отказват от електроните в присъствието на кислород в електронния транспорт верижни реакции, водещи до образуването на голямо количество АТФ, "енергийната валута" на живите клетки нещата.

CO₂ е газ за улавяне на топлина. В много отношения това е нещо добро, тъй като предотвратява загубата на толкова много топлина, че животните като хората не биха могли да оцелеят. Но изгарянето на изкопаеми горива от началото на индустриалната революция през 19 век е добавило значително количество CO₂ газ в атмосферата, което води до глобално затопляне и неговите постепенно влошаващи се ефекти.

В продължение на много хиляди години атмосферната концентрация на CO₂ в атмосферата остава между 200 и 300 части на милион (ppm). До 2017 г. тя се е увеличила до близо 400 ppm, концентрация, която все още се увеличава. Този допълнителен CO₂ улавя топлината и води до промяна на климата. Това се проявява не само при повишаване на средните температури в световен мащаб, но и при повишаване на морското равнище, ледниково топене и др кисела морска вода, по-малки полярни ледени шапки и повишаване на броя на катастрофалните събития (например, урагани). Всички тези проблеми са взаимно свързани и взаимозависими.

Примери за изкопаеми горива включват въглища, нефт (нефт) и природен газ. Те се създават в продължение на милиони години, тъй като мъртвите растителни и животински материали се улавят и погребват под скални слоеве. При благоприятни условия на топлина и налягане тази органична материя се трансформира в гориво. Всички изкопаеми горива съдържат въглерод и те се изгарят, за да се получи енергия и се отделя въглероден диоксид.

Въглеродният диоксид има различни приложения, което е удобно, защото нещата са буквално навсякъде. Както беше отбелязано по-рано, той се използва като хладилен агент, въпреки че това е по-вярно за твърдите и течните форми. Използва се също като аерозолно гориво, родентицид (т.е. отрова за плъхове), компонент на много нискотемпературни физически експерименти и обогатяващ агент във въздуха в оранжериите. Също така се използва за разбиване на нефтени кладенци, в някои видове добив, като модератор в някои ядрени реактори и в специални лазери.

Интересен факт: Чрез основни метаболитни процеси ще произведете около 500 грама CO₂ през следващите 24 часа - дори повече, ако сте активни. Това е повече от един килограм невидим газ, просто излизащ от носа и устата ви, както и от порите ви. Всъщност това е начинът, по който хората отслабват с течение на времето, без да се включват загубите на вода (временни).