Hvad er CO2-gas?

Kuldioxid er blandt de mange videnskabelige udtryk, der bærer en bred vifte af betydninger og en tilsvarende bred vifte af konnotationer. Hvis du er fortrolig med cellulær respiration, kan du vide, at kuldioxidgas - forkortet CO₂ - er et affaldsprodukt fra denne række reaktioner hos dyr, hvor iltgas eller O₂er en reaktant; du ved muligvis også, at i planter er denne proces faktisk vendt med CO₂ tjener som brændstof i fotosyntese og O₂ som affaldsprodukt.

Måske mere berømt takket være det nuværende århundredes politik og jordvidenskab, CO₂ er berygtet for at være en drivhusgas, der er ansvarlig for at hjælpe med at fange varme i jordens atmosfære. CO₂ er et biprodukt fra afbrænding af fossile brændstoffer, og den deraf følgende opvarmning af planeten har ført jordens borgere på jagt efter alternative energikilder.

Bortset fra disse problemer, CO₂ gas, et elegant simpelt molekyle, har en række andre biokemiske og industrielle funktioner, som videnskabsfans skal være opmærksomme på.

Kuldioxid er en farveløs, lugtfri gas ved stuetemperatur. Hver gang du udånder, forlader kuldioxidmolekyler din krop og bliver en del af atmosfæren. CO₂ molekyler indeholder et enkelt carbonatom flankeret af to iltatomer, således at molekylet har lineær form:

O = C = O

Hvert kulstofatom danner fire bindinger med sine naboer i stabile molekyler, mens hvert iltatom danner to bindinger. Således med hver kulstof-iltbinding i CO₂ bestående af en dobbeltbinding - det vil sige to par delte elektroner - CO₂ er meget stabil.

Som et blik på en periodisk tabel over elementer afslører (se ressourcer), er kulstofets molekylvægt 12 atommasseenheder (amu), mens ilt er 16 amu. Molekylvægten af ​​kuldioxid er således 12 + 2 (16) = 44. En anden måde at udtrykke dette på er at sige, at en mol CO₂ har en masse på 44, hvor en mol svarer til 6,02 × 10²³ individuelle molekyler. (Denne figur, kendt som Avogadros nummer, er afledt af det faktum, at den molekylære masse af kulstof er sat til nøjagtigt 12 gram, som os to gange antallet af protoner kulstof indeholder, og denne masse kulstof indeholder 6,02 × 10²³ kulstofatomer. Molekylvægten af ​​hvert andet element var struktureret omkring denne standard.)

Kuldioxid kan også eksistere som en væske, en tilstand, hvori den bruges som kølemiddel, i ildslukkere og i produktionen af ​​kulsyreholdige drikkevarer såsom sodavand; og som et fast stof, i hvilken tilstand det bruges som kølemiddel og kan forårsage forfrysninger, hvis det kommer i kontakt med huden.

Kuldioxid misforstås ofte som værende giftig, fordi det ofte er forbundet med kvælning og endda tab af menneskeliv. Mens tilstrækkelige niveauer af CO₂ kan faktisk være direkte giftigt og forårsage kvælning, hvad der normalt sker er, at CO₂ i stedet opbygges som et resultat eller en konsekvens af kvælning. Hvis nogen holder op med at trække vejret af en eller anden grund, CO₂ udvises ikke længere gennem lungerne og bygger sig derfor op i blodbanen, da den ikke har andre steder at gå. CO₂ er derfor en markør for kvælning. På nogenlunde samme måde er vand ikke "giftigt" kun fordi det kan føre til drukning.

Kun en lille brøkdel af atmosfæren består af CO₂ - omkring 1 procent. Selv om det er et biprodukt af animalsk stofskifte, er det absolut nødvendigt for planter at overleve og er en instrumentel del af det verdensomspændende kulstofcyklus. Planter tager CO₂konverter det i en række reaktioner kulstof og ilt, og frigør derefter iltet til atmosfæren, mens du holder kulstof i form af glukose for at leve og vokse. Når planter dør eller brændes, rekombineres deres kulstof med O₂ i luften og danner CO₂ og færdiggørelse af kulstofcyklussen.

Dyr genererer kuldioxid gennem nedbrydning af indtagne kulhydrater, proteiner og fedt i mad. Alle disse metaboliseres til glukose, et seks-kulstofmolekyle, der derefter kommer ind i celler og i sidste ende bliver kuldioxid og vand med den resulterende energi, der bruges til at drive cellulære aktiviteter. Dette sker gennem processen med aerob respiration (ofte kaldet cellulær respiration, selvom udtrykkene ikke er nøjagtigt synonyme). Al glukose, der kommer ind i cellerne i både prokaryoter (bakterier) og ikke-plante eukaryoter (dyr) og svampe) gennemgår først glykolyse, som genererer et par kaldet tre-kulstofmolekyler pyruvat. Det meste af dette går ind i Krebs-cyklussen i form af to-carbon-molekylet acetyl CoA, mens CO₂ er befriet. Elektronbærerne med høj energi NADH og FADH₂ der dannes under Krebs-cyklussen, giver derefter elektroner op i nærvær af ilt i elektrontransporten kædereaktioner, hvilket resulterer i dannelsen af ​​en hel del ATP, "energivalutaen" for de levende celler ting.

CO₂ er en varmefangstgas. I mange henseender er dette en god ting, da det forhindrer Jorden i at miste så meget varme, at dyr som mennesker ikke ville være i stand til at overleve. Men forbrændingen af ​​fossile brændstoffer siden begyndelsen af ​​den industrielle revolution i det 19. århundrede har tilføjet en betydelig mængde CO₂ gas til atmosfæren, hvilket fører til global opvarmning og dens gradvis forværrede virkninger.

I mange tusinder af år har den atmosfæriske koncentration af CO₂ i atmosfæren forblev mellem 200 og 300 dele pr. million (ppm). I 2017 var det steget til næsten 400 ppm, en koncentration, der stadig stiger. Denne ekstra CO₂ fanger varme og får klimaet til at ændre sig. Dette manifesteres ikke kun i stigende gennemsnitstemperaturer over hele verden, men i stigende havniveauer, gletsjemelter mere surt havvand, mindre iskapper og en stigning i antallet af katastrofale hændelser (f.eks. orkaner). Disse problemer er alle indbyrdes forbundne og indbyrdes afhængige.

Eksempler på fossile brændstoffer inkluderer kul, råolie (olie) og naturgas. Disse er skabt over en periode på millioner af år, når dødt plante- og dyremateriale bliver fanget og begravet under lag af sten. Under gunstige varme- og trykforhold omdannes dette organiske stof til et brændstof. Alle fossile brændstoffer indeholder kulstof, og disse brændes for at give energi, og kuldioxid frigøres.

Kuldioxidgas har forskellige anvendelser, hvilket er praktisk, fordi tingene bogstaveligt talt er overalt. Som tidligere nævnt anvendes det som kølemiddel, skønt dette mere gælder for faste og flydende former. Det bruges også som et aerosoldrivmiddel, et rodenticid (dvs. rottegift), en komponent i fysiske eksperimenter med meget lave temperaturer og et berigende middel i luften inde i drivhuse. Det bruges også til brud på oliebrønde, i nogle typer minedrift, som moderator i visse atomreaktorer og i specielle lasere.

Interessant faktum: Gennem grundlæggende metaboliske processer producerer du ca. 500 gram CO₂ i de næste 24 timer - endnu mere, hvis du er aktiv. Det er mere end et pund usynlig gas, der bare svæver ud af din næse og mund såvel som fra dine porer. Dette er faktisk, hvordan folk taber sig over tid, ikke inklusive vand (midlertidige) tab.