Vad är CO2-gas?

Koldioxid är bland de många vetenskapliga termer som har ett brett spektrum av betydelser och ett liknande brett spektrum av konnotationer. Om du är bekant med cellulär andning kanske du vet att koldioxidgas - förkortat CO₂ - är en avfallsprodukt av denna serie reaktioner hos djur, i vilka syrgas eller O₂, är en reaktant; Du kanske också vet att i växter är denna process i själva verket omvänd med CO₂ fungerar som ett bränsle i fotosyntes och O₂ som en avfallsprodukt.

Kanske mer känt tack vare det nuvarande århundradets politik och jordvetenskap, CO₂ är ökänd för att vara en växthusgas, ansvarig för att hjälpa till att fånga värme i jordens atmosfär. CO₂ är en biprodukt av förbränning av fossila bränslen, och den efterföljande uppvärmningen av planeten har lett till att medborgarna på jorden har strävat efter alternativa energikällor.

Bortsett från dessa frågor, CO₂ gas, en elegant enkel molekyl, har ett antal andra biokemiska och industriella funktioner som vetenskapsfans bör vara medvetna om.

Koldioxid är en färglös, luktfri gas vid rumstemperatur. Varje gång du andas ut lämnar koldioxidmolekyler din kropp och blir en del av atmosfären. CO₂ molekyler innehåller en enda kolatom flankerad av två syreatomer, så att molekylen har linjär form:

O = C = O

Varje kolatom bildar fyra bindningar med sina grannar i stabila molekyler, medan varje syreatom bildar två bindningar. Således med varje kol-syrebindning i CO₂ bestående av en dubbelbindning - det vill säga två par delade elektroner - CO₂ är mycket stabil.

Som en blick på ett periodiskt system av element avslöjar (se Resurser) är molekylvikten av kol 12 atommasseenheter (amu), medan syre är 16 amu. Molekylvikten för koldioxid är således 12 + 2 (16) = 44. Ett annat sätt att uttrycka detta är att säga att en mol CO₂ har en massa på 44, varvid en mol motsvarar 6,02 × 10²³ enskilda molekyler. (Denna siffra, känd som Avogadros nummer, härleds från det faktum att kolmolekylmassan är inställd på exakt 12 gram, vilket oss dubbelt så många proton kol innehåller, och denna massa kol innehåller 6,02 × 10²³ kolatomer. Molekylvikten för alla andra element strukturerades kring denna standard.)

Koldioxid kan också existera som en vätska, ett tillstånd där den används som kylmedel, i brandsläckare och vid framställning av kolsyrade drycker såsom läsk; och som ett fast ämne, i vilket tillstånd det används som kylmedel och kan orsaka frostskador om det kommer i kontakt med huden.

Koldioxid missförstås ofta vara giftigt eftersom det ofta förknippas med kvävning och till och med förlust av liv. Medan tillräckliga nivåer av CO₂ kan faktiskt vara direkt giftigt och orsaka kvävning, det som vanligtvis händer är att CO₂ istället byggs upp som ett resultat eller en följd av kvävning. Om någon av någon anledning slutar andas, CO₂ utvisas inte längre genom lungorna och byggs därför upp i blodomloppet eftersom det inte har någon annanstans att gå. CO₂ är därför en kvävningsmarkör. På ungefär samma sätt är vatten inte "giftigt" bara för att det kan leda till drunkning.

Endast en liten del av atmosfären består av CO₂ - cirka 1 procent. Även om det är en biprodukt av djurets ämnesomsättning, är det absolut nödvändigt för växter att överleva och är en instrumentell del av den globala kolets kretslopp. Växter tar in CO₂, omvandla det till en serie reaktioner kol och syre och släpp sedan ut syret till atmosfären medan kolet behålls i form av glukos för att leva och växa. När växter dör eller bränns, återförenas deras kol med O₂ i luften och bildar CO₂ och slutföra kolcykeln.

Djur genererar koldioxid genom nedbrytningen av intagna kolhydrater, proteiner och fetter i maten. Alla dessa metaboliseras till glukos, en sexkolmolekyl som sedan kommer in i celler och i slutändan blir koldioxid och vatten, med den resulterande energin som används för att driva cellulära aktiviteter. Detta sker genom aerob andning (ofta kallad cellulär andning, även om termerna inte är exakt synonyma). All glukos som kommer in i cellerna hos både prokaryoter (bakterier) och icke-växt eukaryoter (djur) och svampar) genomgår först glykolys, vilket genererar ett par trekolmolekyler som kallas pyruvat. Det mesta av detta går in i Krebs-cykeln i form av tvåkolmolekylen acetyl CoA, medan CO₂ befrias. Elektronbärarna med hög energi NADH och FADH₂ som bildas under Krebs-cykeln ger sedan upp elektroner i närvaro av syre i elektrontransporten kedjereaktioner, vilket resulterar i bildandet av en hel del ATP, "energivalutan" för levande celler saker.

CO₂ är en värmefångande gas. I många avseenden är detta bra, eftersom det hindrar jorden från att förlora så mycket värme att djur som människor inte skulle kunna överleva. Men förbränningen av fossila bränslen sedan den industriella revolutionens början på 1800-talet har lagt till en betydande mängd koldioxid₂ gas till atmosfären, vilket leder till global uppvärmning och dess gradvis försämrade effekter.

Under många tusen år har den atmosfäriska koncentrationen av CO₂ i atmosfären förblev mellan 200 och 300 delar per miljon (ppm). År 2017 hade den stigit till nästan 400 ppm, en koncentration som fortfarande ökar. Denna extra CO₂ fångar upp värme och får klimatet att förändras. Detta manifesteras inte bara i stigande medeltemperaturer över hela världen utan i stigande havsnivåer, glacial smältning, mer surt havsvatten, mindre iskappar och en ökning av antalet katastrofala händelser (till exempel orkaner). Dessa problem är alla inbördes relaterade och beroende av varandra.

Exempel på fossila bränslen inkluderar kol, petroleum (olja) och naturgas. Dessa skapas under en miljonårsperiod när döda växt- och djurmaterial fastnar och begravs under stenlager. Under gynnsamma värme- och tryckförhållanden omvandlas detta organiska material till ett bränsle. Alla fossila bränslen innehåller kol, och dessa förbränns för att ge energi och koldioxid släpps ut.

Koldioxidgas har olika användningsområden, vilket är praktiskt eftersom grejerna bokstavligen finns överallt. Som tidigare noterats används det som ett köldmedium, även om detta är mer sant för fasta och flytande former. Det används också som ett aerosoldrivmedel, ett rodenticid (dvs. råttgift), en komponent i fysikförsök med mycket låg temperatur och ett berikande medel i luften i växthus. Det används också vid sprickbildning av oljekällor, i vissa typer av gruvdrift, som moderator i vissa kärnreaktorer och i speciella lasrar.

Intressant faktum: Genom grundläggande metaboliska processer kommer du att producera cirka 500 gram CO₂ under de närmaste 24 timmarna - ännu mer om du är aktiv. Det är mer än ett pund osynlig gas, bara sveper ut ur näsan och munnen såväl som från dina porer. Detta är faktiskt hur människor går ner i vikt över tiden, inklusive vattenförluster (tillfälliga).