Περιεχόμενο
- Τι είναι το διοξείδιο του άνθρακα;
- Διοξείδιο του άνθρακα στον μεταβολισμό
- Διοξείδιο του άνθρακα και κλιματική αλλαγή
- Χρήσεις του CO2 στη βιομηχανία
Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένας από τους πολυάριθμους επιστημονικούς όρους που φέρει ένα ευρύ φάσμα σημασιών και μια παρόμοια ευρεία ποικιλία συνειρμών. Αν είστε εξοικειωμένοι με την κυτταρική αναπνοή, μπορεί να γνωρίζετε ότι το αέριο διοξειδίου του άνθρακα - συντομογραφία CO2 - είναι ένα απόβλητο προϊόν αυτής της σειράς αντιδράσεων σε ζώα, στα οποία το οξυγόνο ή το Ο2, είναι ένα αντιδραστήριο. μπορεί επίσης να γνωρίζετε ότι σε φυτά, αυτή η διαδικασία είναι στην πραγματικότητα αναστρέψιμη, με CO2 που χρησιμεύει ως καύσιμο στη φωτοσύνθεση και Ο2 ως προϊόν αποβλήτων.
Ίσως πιο περίφημα, χάρη στην πολιτική και την επιστήμη της γης του τρέχοντος αιώνα, ο CO2 είναι πασίγνωστο για το γεγονός ότι είναι ένα αέριο θερμοκηπίου, υπεύθυνο για να βοηθήσει να παγιδεύει θερμότητα στην ατμόσφαιρα της Γης. CO2 είναι υποπροϊόν της καύσης ορυκτών καυσίμων και η επακόλουθη θέρμανση του πλανήτη οδήγησε τους πολίτες της Γης σε αναζήτηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας.
Εκτός από αυτά τα θέματα, η CO2 το αέριο, ένα κομψά απλό μόριο, έχει μια σειρά από άλλες βιοχημικές και βιομηχανικές λειτουργίες που πρέπει να γνωρίζουν οι οπαδοί της επιστήμης.
Τι είναι το διοξείδιο του άνθρακα;
Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα άχρωμο, άοσμο αέριο σε θερμοκρασία δωματίου. Κάθε φορά που εκπνέετε, τα μόρια του διοξειδίου του άνθρακα εγκαταλείπουν το σώμα σας και γίνονται μέρος της ατμόσφαιρας. CO2 τα μόρια περιέχουν ένα μόνο άτομο άνθρακα πλαισιωμένο από δύο άτομα οξυγόνου, έτσι ώστε το μόριο να είναι γραμμικό σε μορφή:
Ο = C = O
Κάθε άτομο άνθρακα σχηματίζει τέσσερις δεσμούς με τους γείτονές του σε σταθερά μόρια, ενώ κάθε άτομο οξυγόνου σχηματίζει δύο δεσμούς. Έτσι, με κάθε δεσμό άνθρακα-οξυγόνου στο CO2 που αποτελείται από ένα διπλό δεσμό - δηλαδή δύο ζεύγη κοινών ηλεκτρονίων - CO2 είναι εξαιρετικά σταθερή.
Όπως βλέπουμε σε έναν περιοδικό πίνακα των στοιχείων (βλ. Πόροι), το μοριακό βάρος του άνθρακα είναι 12 μονάδες ατομικής μάζας (amu), ενώ το οξυγόνο είναι 16 amu. Το μοριακό βάρος του διοξειδίου του άνθρακα είναι 12 + 2 (16) = 44. Ένας άλλος τρόπος για να εκφραστεί αυτό είναι να πει κανείς ότι ένα γραμμομόριο CO2 έχει μια μάζα 44, με ένα mole να ισοδυναμεί με 6.02 χ 1023 μεμονωμένα μόρια. (Ο αριθμός αυτός, γνωστός ως αριθμός Avogadros, προέρχεται από το γεγονός ότι η μοριακή μάζα του άνθρακα ορίζεται ακριβώς στα 12 γραμμάρια, τα οποία είμαστε διπλάσια από τον αριθμό των πρωτονίων που περιέχει ο άνθρακας και αυτή η μάζα άνθρακα περιέχει 6.02 × 1023 άτομα άνθρακα. Το μοριακό βάρος κάθε άλλου στοιχείου σχεδιάστηκε γύρω από αυτό το πρότυπο.)
Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί επίσης να υπάρχει ως υγρό, κατάσταση στην οποία χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο, σε πυροσβεστήρες και στην παραγωγή ανθρακούχων ποτών όπως σόδα. και ως στερεό, σε ποια κατάσταση χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο και μπορεί να προκαλέσει κρυοπαγήματα αν έρθει σε επαφή με το δέρμα.
Διοξείδιο του άνθρακα στον μεταβολισμό
Το διοξείδιο του άνθρακα συχνά παρερμηνεύεται ως τοξικό επειδή συχνά συνδέεται με ασφυξία και ακόμη και απώλεια ζωής. Ενώ επαρκή επίπεδα CO2 μπορεί στην πραγματικότητα να είναι άμεσα τοξικά και να προκαλέσει ασφυξία, αυτό που συμβαίνει συνήθως είναι ότι η CO2 αντί να συσσωρεύεται ως αποτέλεσμα ή συνέπεια ασφυξίας. Εάν κάποιος σταματήσει να αναπνέει για οποιονδήποτε λόγο, CO2 δεν εκπέμπεται πλέον στους πνεύμονες και επομένως συσσωρεύεται στο αίμα καθώς δεν έχει πουθενά αλλού. CO2 είναι επομένως ένας δείκτης ασφυξίας. Με σχεδόν τον ίδιο τρόπο, το νερό δεν είναι "τοξικό" απλά επειδή μπορεί να οδηγήσει σε πνιγμό.
Μόνο ένα μικρό κλάσμα της ατμόσφαιρας αποτελείται από CO2 - περίπου 1 τοις εκατό. Ενώ είναι ένα παραπροϊόν του μεταβολισμού των ζώων, είναι απολύτως απαραίτητο να επιβιώσουν τα φυτά και αποτελούν συστατικό μέρος της παγκόσμιας άνθρακα. Φυτά παίρνουν στο CO2, την μετατρέπουν σε μια σειρά από αντιδράσεις άνθρακα και οξυγόνου και στη συνέχεια απελευθερώνουν το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα διατηρώντας ταυτόχρονα τον άνθρακα με τη μορφή γλυκόζης για να ζήσει και να αναπτυχθεί. Όταν τα φυτά πεθαίνουν ή καίγονται, ο άνθρακας τους ανασυνδυάζεται με Ο2 στον αέρα, σχηματίζοντας CO2 και ολοκλήρωση του κύκλου άνθρακα.
Τα ζώα παράγουν διοξείδιο του άνθρακα μέσω της διάσπασης των απορροφούμενων υδατανθράκων, των πρωτεϊνών και των λιπών στα τρόφιμα. Όλα αυτά μεταβολίζονται σε γλυκόζη, ένα μόριο έξι ατόμων άνθρακα που εισέρχεται στη συνέχεια σε κύτταρα και τελικά γίνεται διοξείδιο του άνθρακα και νερό, με την ενέργεια που προκύπτει για να τροφοδοτήσει τις κυτταρικές δραστηριότητες. Αυτό συμβαίνει μέσω της διαδικασίας αερόβιας αναπνοής (συχνά καλούμενη κυτταρική αναπνοή, αν και οι όροι δεν είναι ακριβώς συνώνυμοι). Όλες οι γλυκόζη που εισέρχονται στα κύτταρα των προκαρυωτικών (βακτήρια) και των μη φυτικών ευκαρυωτικών (ζώα και μύκητες) υποβάλλονται πρώτα σε γλυκόλυση, η οποία παράγει ένα ζεύγος μορίων τριών ατόμων άνθρακα που ονομάζεται πυροσταφυλικό. Το μεγαλύτερο μέρος αυτού εισέρχεται στον κύκλο Krebs με τη μορφή του μορίου δύο ατόμων άνθρακα ακετύλιο CoA, ενώ το CO2 απελευθερώνεται. Οι φορείς υψηλής ενέργειας ενέργειας NADH και FADH2 που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια του κύκλου του Krebs, στη συνέχεια παραδίδουν ηλεκτρόνια παρουσία οξυγόνου στις αλυσιδωτές αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα το σχηματισμό πολλών ATP, το «ενεργειακό νόμισμα» των κυττάρων των ζωντανών πραγμάτων.
Διοξείδιο του άνθρακα και κλιματική αλλαγή
CO2 είναι ένα αέριο παγίδευσης θερμότητας. Από πολλές απόψεις, αυτό είναι ένα καλό πράγμα, καθώς εμποδίζει τη Γη να χάσει τόσο πολύ θερμότητα ώστε ζώα όπως οι άνθρωποι να μην είναι σε θέση να επιβιώσουν. Αλλά η καύση ορυκτών καυσίμων από την έναρξη της Βιομηχανικής Επανάστασης του 19ου αιώνα έχει προσθέσει σημαντική ποσότητα CO2 φυσικού αερίου στην ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα την υπερθέρμανση του πλανήτη και τις σταδιακά επιδεινούμενες επιπτώσεις.
Για πολλές χιλιάδες χρόνια, η ατμοσφαιρική συγκέντρωση του CO2 στην ατμόσφαιρα παρέμεινε μεταξύ 200 και 300 μέρη ανά εκατομμύριο (ppm). Μέχρι το 2017, είχε αυξηθεί σε περίπου 400 ppm, συγκέντρωση που εξακολουθεί να αυξάνεται. Αυτό το επιπλέον CO2 παγιδεύει θερμότητα και αναγκάζει το κλίμα να αλλάξει. Αυτό δεν εκδηλώνεται μόνο στις αυξανόμενες μέσες θερμοκρασίες παγκοσμίως, αλλά σε ανερχόμενα επίπεδα της θάλασσας, παγόμορφα λιώσιμα, πιο όξινα θαλασσινά νερά, μικρότερα πολικά παγοκεφάλια και αύξηση του αριθμού καταστροφικών γεγονότων (για παράδειγμα, τυφώνες). Όλα αυτά τα προβλήματα είναι αλληλένδετα και αλληλεξαρτώμενα.
Παραδείγματα ορυκτών καυσίμων περιλαμβάνουν άνθρακα, πετρέλαιο (πετρέλαιο) και φυσικό αέριο. Αυτά δημιουργούνται για μια περίοδο εκατομμυρίων ετών καθώς τα νεκρά φυτά και το ζωικό υλικό παγιδεύονται και θάβονται κάτω από στρώματα βράχου. Υπό ευνοϊκές συνθήκες θερμότητας και πίεσης, αυτή η οργανική ύλη μετατρέπεται σε καύσιμο. Όλα τα ορυκτά καύσιμα περιέχουν άνθρακα και αυτά καίγονται για να αποδώσουν ενέργεια και απελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα.
Χρήσεις του CO2 στη βιομηχανία
Το αέριο διοξείδιο του άνθρακα έχει μια ποικιλία χρήσεων, το οποίο είναι βολικό επειδή τα πράγματα είναι κυριολεκτικά παντού. Όπως σημειώθηκε προηγουμένως, χρησιμοποιείται ως ψυκτικό, αν και αυτό ισχύει περισσότερο για τις στερεές και υγρές μορφές. Χρησιμοποιείται επίσης ως προωθητικό αεροζόλ, ένα τρωκτικοκτόνο (δηλ. Δηλητήριο αρουραίων), ένα συστατικό των πειραμάτων φυσικής χαμηλής θερμοκρασίας και ένας παράγοντας εμπλουτισμού στον αέρα μέσα σε θερμοκήπια. Χρησιμοποιείται επίσης για τη διάσπαση πετρελαιοπηγών, σε ορισμένους τύπους εξορυκτικών δραστηριοτήτων, ως συντονιστής σε ορισμένους πυρηνικούς αντιδραστήρες και σε ειδικά λέιζερ.
Ενδιαφέρον: Με βασικές μεταβολικές διεργασίες, θα παράγετε περίπου 500 γραμμάρια CO2 στις επόμενες 24 ώρες - ακόμη περισσότερο αν είστε ενεργός. Αυτό είναι περισσότερο από ένα κιλό αόρατο φυσικό αέριο, απλά βγαίνει από τη μύτη και το στόμα σας, καθώς και από τους πόρους σας. Αυτό, στην πραγματικότητα, είναι ο τρόπος με τον οποίο οι άνθρωποι χάνουν βάρος με την πάροδο του χρόνου, χωρίς να συμπεριλαμβάνονται οι απώλειες νερού (προσωρινές).