Wat is CO2-gas?

Kooldioxide is een van de vele wetenschappelijke termen met een breed scala aan betekenissen en een even breed scala aan connotaties. Als u bekend bent met cellulaire ademhaling, weet u misschien dat kooldioxidegas - afgekort CO₂ – is een afvalproduct van deze reeks reacties bij dieren, waarbij zuurstofgas, of O₂, is een reactant; je weet misschien ook dat dit proces in planten in feite omgekeerd is, met CO₂ dienen als brandstof voor fotosynthese en O₂ als afvalproduct.

Misschien wel beroemder, dankzij de politiek en aardwetenschappen van de huidige eeuw, CO₂ is berucht als een broeikasgas, dat verantwoordelijk is voor het helpen vasthouden van warmte in de atmosfeer van de aarde. CO₂ is een bijproduct van de verbranding van fossiele brandstoffen, en de daaruit voortvloeiende opwarming van de planeet heeft de burgers van de aarde ertoe gebracht op zoek te gaan naar alternatieve energiebronnen.

Afgezien van deze problemen, CO₂ gas, een elegant eenvoudig molecuul, heeft een aantal andere biochemische en industriële functies waarvan wetenschapsfans zich bewust moeten zijn.

Kooldioxide is een kleurloos, geurloos gas bij kamertemperatuur. Elke keer dat je uitademt, verlaten koolstofdioxidemoleculen je lichaam en worden ze onderdeel van de atmosfeer. CO₂ moleculen bevat een enkel koolstofatoom geflankeerd door twee zuurstofatomen, zodat het molecuul lineair van vorm is:

O=C=O

Elk koolstofatoom vormt vier bindingen met zijn buren in stabiele moleculen, terwijl elk zuurstofatoom twee bindingen vormt. Dus met elke koolstof-zuurstofbinding in CO₂ bestaande uit een dubbele binding - dat wil zeggen twee paar gedeelde elektronen - CO₂ is zeer stabiel.

Zoals een blik op een periodiek systeem der elementen onthult (zie bronnen), is het molecuulgewicht van koolstof 12 atomaire massa-eenheden (amu), terwijl dat van zuurstof 16 amu is. Het molecuulgewicht van kooldioxide is dus 12 + 2 (16) = 44. Een andere manier om dit uit te drukken is door te zeggen dat één mol CO₂ heeft een massa van 44, waarbij één mol gelijk is aan 6,02 × 10²³ individuele moleculen. (Dit getal, bekend als het getal van Avogadro, is afgeleid van het feit dat de molecuulmassa van koolstof is ingesteld op precies 12 gram, wat ons tweemaal het aantal protonen koolstof bevat, en deze massa koolstof bevat 6,02 × 10²³ koolstof atomen. Het molecuulgewicht van elk ander element was rond deze standaard gestructureerd.)

Kooldioxide kan ook als vloeistof voorkomen, een toestand waarin het wordt gebruikt als koelmiddel, in brandblussers en bij de productie van koolzuurhoudende dranken zoals frisdrank; en als een vaste stof, in welke staat het als koelmiddel wordt gebruikt en bevriezing kan veroorzaken als het in contact komt met de huid.

Kooldioxide wordt vaak verkeerd begrepen als giftig omdat het vaak wordt geassocieerd met verstikking en zelfs verlies van mensenlevens. Terwijl voldoende CO .-niveaus₂ kan namelijk direct giftig zijn en verstikking veroorzaken, wat meestal gebeurt is dat CO₂ in plaats daarvan bouwt zich op als gevolg of gevolg van verstikking. Als iemand om welke reden dan ook stopt met ademen, CO₂ wordt niet langer via de longen uitgestoten en hoopt zich daarom op in de bloedbaan omdat het nergens anders heen kan. CO₂ is daarom een ​​marker van verstikking. Op ongeveer dezelfde manier is water niet "giftig" alleen omdat het kan leiden tot verdrinking.

Slechts een klein deel van de atmosfeer bestaat uit CO₂ – ongeveer 1 procent. Hoewel het een bijproduct is van het metabolisme van dieren, is het absoluut noodzakelijk voor planten om te overleven en is het een belangrijk onderdeel van de wereldwijde koolstof cyclus. Planten nemen CO. op₂, zet het in een reeks reacties koolstof en zuurstof om en laat de zuurstof vervolgens vrij in de atmosfeer terwijl de koolstof in de vorm van glucose wordt vastgehouden om te leven en te groeien. Wanneer planten sterven of worden verbrand, recombineert hun koolstof met O₂ in de lucht, onder vorming van CO₂ en het voltooien van de koolstofcyclus.

Dieren produceren koolstofdioxide door de afbraak van ingenomen koolhydraten, eiwitten en vetten in voedsel. Al deze worden gemetaboliseerd tot glucose, een molecuul met zes koolstofatomen dat vervolgens de cellen binnengaat en uiteindelijk koolstofdioxide en water wordt, waarbij de resulterende energie wordt gebruikt om cellulaire activiteiten aan te drijven. Dit gebeurt door het proces van aërobe ademhaling (vaak cellulaire ademhaling genoemd, hoewel de termen niet precies synoniem zijn). Alle glucose die de cellen van zowel prokaryoten (bacteriën) als niet-plantaardige eukaryoten (dieren) binnenkomt en schimmels) ondergaat eerst glycolyse, die een paar moleculen met drie koolstofatomen genereert, genaamd pyruvaat. Het meeste hiervan komt in de Krebs-cyclus terecht in de vorm van het twee-koolstofmolecuul acetyl CoA, terwijl CO₂ wordt bevrijd. De hoogenergetische elektronendragers NADH en FADH₂ die tijdens de Krebs-cyclus worden gevormd, geven vervolgens elektronen af ​​in aanwezigheid van zuurstof in het elektronentransport kettingreacties, resulterend in de vorming van veel ATP, de "energievaluta" van de cellen van het leven dingen.

CO₂ is een warmtevasthoudend gas. In veel opzichten is dit een goede zaak, omdat het voorkomt dat de aarde zoveel warmte verliest dat dieren zoals mensen niet zouden kunnen overleven. Maar de verbranding van fossiele brandstoffen sinds het begin van de industriële revolutie in de 19e eeuw heeft een aanzienlijke hoeveelheid CO. toegevoegd₂ gas naar de atmosfeer, wat leidt tot opwarming van de aarde en de geleidelijk verslechterende effecten ervan.

Gedurende vele duizenden jaren is de atmosferische concentratie van CO₂ in de atmosfeer bleef tussen 200 en 300 delen per miljoen (ppm). In 2017 was het gestegen tot bijna 400 ppm, een concentratie die nog steeds toeneemt. Deze extra CO₂ houdt warmte vast en zorgt ervoor dat het klimaat verandert. Dit komt niet alleen tot uiting in stijgende gemiddelde temperaturen wereldwijd, maar ook in stijgende zeespiegels, gletsjersmelten, meer zuur zeewater, kleinere poolkappen en een toename van het aantal catastrofale gebeurtenissen (bijvoorbeeld orkanen). Deze problemen zijn allemaal met elkaar verbonden en onderling afhankelijk.

Voorbeelden van fossiele brandstoffen zijn steenkool, aardolie (olie) en aardgas. Deze ontstaan ​​over een periode van miljoenen jaren doordat dood plantaardig en dierlijk materiaal vast komt te zitten en begraven wordt onder lagen gesteente. Onder gunstige warmte- en drukomstandigheden wordt deze organische stof omgezet in een brandstof. Alle fossiele brandstoffen bevatten koolstof en deze worden verbrand om energie op te leveren, waarbij koolstofdioxide vrijkomt.

Kooldioxidegas heeft verschillende toepassingen, wat handig is omdat het spul letterlijk overal is. Zoals eerder opgemerkt, wordt het gebruikt als koelmiddel, hoewel dit meer geldt voor de vaste en vloeibare vormen. Het wordt ook gebruikt als drijfgas in aërosol, een rodenticide (d.w.z. rattengif), een onderdeel van fysica-experimenten bij zeer lage temperatuur en een verrijkingsmiddel in de lucht in kassen. Het wordt ook gebruikt bij het breken van oliebronnen, in sommige soorten mijnbouw, als moderator in bepaalde kernreactoren en in speciale lasers.

Interessant feitje: via basale stofwisselingsprocessen produceer je ongeveer 500 gram CO₂ in de komende 24 uur – nog meer als je actief bent. Dat is meer dan een pond onzichtbaar gas, dat gewoon uit je neus en mond en uit je poriën komt. Dit is in feite hoe mensen in de loop van de tijd afvallen, exclusief waterverlies (tijdelijk).