Τοδιοξείδιο του άνθρακα (χημικός τύπος CO2) είναι χημική ένωση που αποτελείται από δύο άτομα οξυγόνου ενωμένα μεομοιοπολικό δεσμόμε ένα άτομοάνθρακα. Είναι γραμμικό μόριο χωρίς διπολική ροπή. Περιέχει 27,3 % w/w άνθρακα και 72,7 % w/w οξυγόνο. Μπορεί να αποδοθεί μετοσυντακτικό τύπο : O=C=O. Είναι αέριο συστατικό της γήινης ατμόσφαιρας, άχρωμο, άοσμο και άγευστο σε κανονικές συνθήκες πίεσηςκαιθερμοκρασίαςκαι επίσης είναι ένα από τααέρια του θερμοκηπίου.
Αποτελεί υποπροϊόν όλων τωνκαύσεων ορυκτών καυσίμων (κάρβουνου, πετρελαίου, βενζίνης, φυσικού αερίουκλπ.), αλλά καιτουξύλου, πλαστικώνκ.ά. οργανικών ενώσεων. Παράγεται ακόμα από την αποσύνθεση οργανικών ουσιών. Μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα εκπέμπονται επίσης από ταηφαίστεια* και από τις θερμές πηγές αλλά και από τη διάλυση των ανθρακικών πετρωμάτων. Ενωμένο, μετη μορφή ανθρακικών αλάτων, βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στο στερεό φλοιό της γης. Τα κυριότερα ανθρακικά ορυκτά είναι οι διάφορες ποικιλίες του CaCO3 (ασβεστόλιθοι, ασβεστίτης, μάρμαροκ.ά.), ομαγνησίτης MgCO3, οσιδηρίτης FeCO3, οδολομίτης CaCO3.MgCO3κ.ά. Παράγεται επίσης κατά την αναπνοή όλων των φυτών καιτων ζώων και από τους μύκητεςκαι μικροοργανισμούς που εξαρτώνται άμεσα ή έμμεσα από τα φυτά γιατην τροφή τους.
(*) Σύμφωνα με εκτιμήσεις του Γεωλογικού Ινστιτούτου τωνΗΠΑτα ηφαίστεια παράγουν σε παγκόσμιο επίπεδο 200 εκατομ. τόνους διοξειδίου του άνθρακα ετησίως.
Το διοξείδιο του άνθρακα ήταν ένα από τα πρώτα αέρια που μελετήθηκε ως συστατικό του αέρα. Τον 17ο αιώνα ο Φλαμανδός χημικός Γιάν Μπατίστ φαν Χέλμοντ (Jan Baptist van Helmont) παρατήρησε ότι όταν καίγεται ο άνθρακας σε κλειστό δοχείο, η μάζα της στάχτης που προκύπτει ήταν πολύ μικρότερη από εκείνη του αρχικού άνθρακα. Η ερμηνεία που έδωσε ήταν ότι ο άνθρακας που έλειπε είχε μεταλλαχθεί σεμια αόρατη ουσία, πουτην ονόμασε «αέριο» ή «άγριο πνεύμα». Οι ιδιότητες του διοξειδίου του άνθρακα μελετήθηκαν πιο διεξοδικά στη δεκαετία 1750-1760 από το Σκωτσέζο φυσιολόγο Τζόζεφ Μπλακ (Joseph Black). Αυτός πρόσεξε ότι ο ασβεστόλιθος (ανθρακικό ασβέστιο) όταν θερμαίνεται ή υφίσταται κατεργασία μεοξέα παράγει ένα αέριο πουτο ονόμασε «σταθερό αέρα». Παρατήρησε επίσης ότι ο "σταθερός αέρας" ήταν πυκνότερος από τον αέρα καιδε συντηρούσε ούτε την καύση ούτε τις ζωικές λειτουργίες. ΟΜπλακ παρατήρησε ακόμα ότι όταν διοχετεύονταν φυσαλίδες του αερίου σε υδατικό διάλυμα ασβέστη (υδροξείδιο του ασβεστίου), παραγόταν ίζημα ανθρακικού ασβεστίου. Χρησιμοποίησε μάλιστα αυτή τη διαπίστωσή τουγιανα αποδείξει ότι το διοξείδιο του άνθρακα παράγεται από την αναπνοή των ζώων καιτη μικροβιακή ζύμωση. Το 1772, ο Άγγλος χημικός Τζόζεφ Πρίστλεϋ (Joseph Priestley) δημοσίευσε μια εργασία με τίτλο "Εμπλουτισμός του νερού με Σταθερό Αέρα" στην οποία περιέγραφε μια διαδικασία κατά την οποία όταν έπεφταν σταγόνες θειικού οξέος (ή βιτριόλι όπως το ήξερε ο Πρίστλεϋ) στηνκιμωλία, γιανα παράγουν διοξείδιο του άνθρακα, το αέριο στη συνέχεια όταν διοχετευόταν σεμπολμε νερό, διαλυόταν. Το διοξείδιο του άνθρακα υγροποιήθηκε για πρώτη φορά (σε υψηλές πιέσεις) το 1823 από τονΧάμφρι Ντέιβι (Humphry Davy) καιτο μαθητή τουΜάικλ Φάραντεϊ (Michael Faraday). Η παλιότερη περιγραφή του στερεού διοξειδίου του άνθρακα δόθηκε από τονΣαρλ Τιλοριέ (Charles Thilorier), ο οποίος το1834 άνοιξε ένα δοχείο υπό πίεση με υγρό διοξείδιο του άνθρακα, και διαπίστωσε την ταχεία εξάτμιση του υγρού που μετατράπηκε σε ένα "χιόνι" στερεού CO2.
2. Με πύρωση του ασβεστόλιθου στα ασβεστοκάμινα γιατην παραγωγή ασβέστη (CaO):
CaCO3 → CaO + CO2
3. Με καύση του άνθρακα σε περίσσεια οξυγόνου ή αέρα. Έτσι προκύπτει μίγμα με άλλα αέρια (Ν2, CO) από το οποίο το CO2 απομονώνεται με διάφορες μεθόδους.
4. Μετηναλκοολική ζύμωσητων σακχάρων κατά τη διαδικασία παραγωγής αλκοολούχων ποτών, από την οποία προκύπτει πολύ καθαρό διοξείδιο του άνθρακα:
C6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH
5. Μετην καύση όλων των καυσίμων που περιέχουν άνθρακα όπως είναι τομεθάνιο (ως συστατικό του φυσικού αερίου), τα διάφορα κλάσματα τουπετρελαίου (βενζίνη, diesel, κηροζίνηκλπ.) αλλά καιτο κάρβουνο καιτο ξύλο.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2Ο
6. Ως υποπροϊόν των μονάδων παραγωγής υδρογόνου, όπου το μεθάνιο μετατρέπεται σε CO2
Διάγραμμα φάσεων του CO2που δείχνει το τριπλό σημείο (ΤΣ) καιτο κρίσιμο σημείο (ΚΣ)
Είναι αέριο άχρωμο καισε μικρές συγκεντρώσεις είναι και άοσμο. Σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας ηπυκνότητατου είναι 1,98 kg/m3, είναι δηλ. 1,5 φορά πυκνότερο του αέρα.
Σε 1 Atm (δηλ. σε πίεση στο επίπεδο της θάλασσας), μετατρέπεται απευθείας σε στερεό, σε θερμοκρασίες κάτω από -78,51 °C και, αν είναι σε στερεή μορφή, εξαχνώνεται πάνω από τους -78,51 °C.
Στη στερεή του κατάσταση, το διοξείδιο του άνθρακα, είναι γνωστό ως «ξηρός πάγος». Η κρίσιμη θερμοκρασία του είναι 31,1 °C και επομένως υγροποιείται εύκολα στη συνηθισμένη θερμοκρασία αλλά μόνο με συμπίεση (7,38 MPa). Είναι λίγο διαλυτό στο νερό, η διαλυτότητά του όμως αυξάνεται, όπως όλων των αερίων, μετην πίεση. Νερό κορεσμένο από CO2με πίεση λέγεται "νερό του Seltz". Το τριπλό σημείο του διοξειδίου του άνθρακα είναι περίπου 518 kPa στους -56.6 °C.
Υπάρχει καιμια εναλλακτική μορφή άμορφου κρυσταλλικού στερεού διοξειδίου του άνθρακα, όχι όμως σε ατμοσφαιρική πίεση. Αυτή η μορφή γυαλιού, που ονομάζεται "καρμπόνια" παράχθηκε με υπέρψυξη θερμαινόμενου CO2σε ακραίες συνθήκες πίεσης (περίπου 400000 Atm). Η ανακάλυψη αυτή επιβεβαίωσε τη θεωρία ότι το διοξείδιο του άνθρακα θα μπορούσε να υπάρχει σεμια κατάσταση παρόμοια με τις κρυσταλλικές μορφές των άλλων στοιχείων της ομάδας του άνθρακα στον περιοδικό πίνακα όπως τοπυρίτιοκαιτογερμάνιο. Σε αντίθεση όμως μετα διοξείδια του πυριτίου καιτου γερμανίου, η "καρμπόνια" δεν είναι σταθερή σε κανονική πίεση.
Οι διπλοί δεσμοί C=Οστο μόριο του CO2 είναι διάχυτοι
Τομόριοτου διοξειδίου του άνθρακα (O=C=O) περιέχει δύο διπλούς δεσμούς, και έχει γραμμική μορφή. Ηενέργεια κάθε δεσμού[1] C=Ο είναι 799 KJ/mol.
Αποδεικνύεται κβαντομηχανικά ότι η δομή του CO2 περιέχει διάχυτους (μη εντοπισμένους) διπλούς δεσμούς C=Ο (δηλ. τα 4 ηλεκτρόνιατωνπ-δεσμών είναι ελεύθερα να κινούνται σε όλο το μήκος του πυρηνικού σκελετού) και όχι εντοπισμένους επειδή η ολική ενέργεια της βασικής κατάστασης στην πρώτη περίπτωση είναι μικρότερη και επομένως το μόριο είναι σταθερότερο. Το CO2 όπως είναι φανερό δεν έχει διπολική ροπή, είναι δηλ. μόριο μη-πολικό.
Εφόσον στο CO2ο C έχει αριθμό οξείδωσης +4, είναι όξινο κανονικό οξείδιο και ανυδρίτης του διπρωτικού ανθρακικού οξέος (H2CO3) το οποίο είναι ασταθές οξύ και υπάρχει μόνο με μορφή αλάτων (π.χ. Na2CO3) ή σε υδατικό διάλυμα στα αεριούχα ποτά όπου αποκαθίσταται η ισορροπία : CO2 + H2Ο ⇄ H2CO3. Το CO2 είναι γενικά σταθερή ένωση καισε κατάλληλες συνθήκες ανάγεται από διάφορα αναγωγικά προς άνθρακα (C) ή προς μονοξείδιο του άνθρακα (CO), δηλαδή συμπεριφέρεται σανοξειδωτικό.
Το CO2 ανιχνεύεται από την ιδιότητά τουνα σβήνει τη φλόγα και από το ότι σχηματίζει θόλωμα ή ίζημα δυσδιάλυτου ανθρακικού άλατος, όταν διαβιβάζεται σε ασβεστόνερο :
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↘ + H2O
Η αντίδραση μεΚΟΗ (CO2 + 2ΚΟΗ → Κ2CO3 + H2O) χρησιμοποιείται γιατον ποσοτικό προσδιορισμό του CO2σε μίγμα αερίων (δείγμα) : Σε κατάλληλο σκεύος υπάρχει διάλυμα 36 % w/v ΚΟΗ ή 32 % w/v NaOH. Καιτα δύο διαλύματα απορροφούν 30/πλάσιο όγκο CO2. Προτιμάται όμως τοΚΟΗ γιατί το σχηματιζόμενο K2CO3 είναι διαλυτό σε διάλυμα ΚΟΗ ενώ το αντίστοιχο Na2CO3δεν είναι σε διάλυμα NaOH και σχηματίζεται επίπαγος. Στο διάλυμα διοχετεύεται το μίγμα των αερίων που περιέχει το CO2και από τη μείωση του όγκου προσδιορίζεται τελικά το διοξείδιο του άνθρακα, μετην προϋπόθεση βέβαια ότι τα άλλα αέρια του μίγματος δεν αντιδρούν μετοΚΟΗ. Ανοι συγκεντρώσεις του CO2στο δείγμα είναι μικρές, τότε χρησιμοποιείται διάλυμα Ba(OH)2και μετά τη διέλευση του δείγματος, ογκομετρείται η περίσσεια του Ba(OH)2.
Η διαλυτότητα του CO2 (g/L) στο νερό σε συνάρτηση μετην πίεση (σε bar) σε διάφορες θερμοκρασίες
Ηδιαλυτότητατου CO2στο νερό εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως η πίεση του CO2 σε ισορροπία μετο διάλυμα (η διαλυτότητα αυξάνεται με αύξηση της πίεσης), η θερμοκρασία (η διαλυτότητα ελαττώνεται με αύξηση της θερμοκρασίας), τοpH (η διαλυτότητα του CO2 αυξάνεται μετην αύξηση του pH), η παρουσία άλλων ουσιών (η διαλυτότητα μειώνεται μετην παρουσία ενώσεων όπως τοχλωριούχο νάτριο, αλλά μπορεί καινα αυξηθεί ή να μειωθεί μετην αύξηση της συγκέντρωσης των οργανικών ενώσεων). Σε θερμοκρασία δωματίου (25 °C), η διαλυτότητα του CO2 είναι περίπου 90 mL ανά 100 mL νερού. Σε υδατικό διάλυμα, το διοξείδιο του άνθρακα βρίσκεται με διάφορες μορφές :
CO2(aq) + H2Ο ⇄ H2CO3 ⇄ HCO3- + H+ ⇄ CO32- + 2H+
Ταανιόντατου παραπάνω σχήματος αντιδρούν μεκατιόνταπου πιθανόν υπάρχουν στο νερό, παράγοντας αδιάλυτα άλατα. Έτσι, ανπ.χ. υπάρχουν ιόντα Ca2+ ή/και Mg2+ τότε σχηματίζονται αδιάλυτα CaCO3και MgCO3τα οποία, δεσμεύοντας τα CO32-, μετατοπίζουν την ισορροπία προς τα δεξιά αυξάνοντας την οξύτητα του νερού.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ακόμη ότι τοκαρβονικό οξύπου παράγεται κατά την διάλυση του CO2 στο νερό είναι ακόμη ένας λόγος πουη αύξηση του CO2 από ανθρωπογενείς παράγοντες απειλεί την ισορροπία του οικοσυστήματος, αφού η αυξημένη οξύτητα του νερού προκαλεί προβλήματα στους θαλάσσιους οργανισμούς
Το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία τροφίμων, τη βιομηχανία πετρελαίου, καιτη χημική βιομηχανία. Βρίσκει εφαρμογές σε πολλά καταναλωτικά προϊόντα που απαιτούν πεπιεσμένο αέριο γιατί είναι φθηνό και άφλεκτο, και λόγω του ότι μεταβαίνει από την αέρια φάση στην υγρή σε θερμοκρασία δωματίου καισε χαμηλή, σχετικά, πίεση. Τα σωσίβια γιλέκα συχνά περιέχουν CO2 υπό πίεση. Πωλούνται επίσης μικρές κάψουλες από αλουμίνιομε συμπιεσμένο CO2για αεροβόλα όπλα, για φούσκωμα των ελαστικών των ποδηλάτων καιγιατην παρασκευή αναβραζόντων δισκίων φαρμάκων. Η ταχεία εξάτμισητου υγρού διοξειδίου του άνθρακα χρησιμοποιείται για ανατινάξεις σε ορυχεία άνθρακα. Οι υψηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν γιατην εξολόθρευση επιβλαβών εντόμων, όπως ο σκόρος των ρούχων.
Το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται γιατην παραγωγή αεριούχων ποτών και σόδας. Η περιεκτικότητα των ανθρακούχων ποτών σε CO2 οφείλεται σε φυσικούς λόγους (ζύμωση), μπορεί όμως να διοχετευθεί ανθρακικό καιμε τεχνητούς τρόπους. Σύμφωνα με έρευνες του 2009 από το Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στοΣαν Ντιέγκο και ερευνητών των αμερικανικών Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας, τα μόρια διοξειδίου του άνθρακα ενεργοποιούν ένα ένζυμο που υπάρχει στους υποδοχείς της γλώσσας γιατην γεύση του ξινού, της καρβονική ανυδράση 4, παράγοντας την αίσθηση της αντίστοιχης γεύσης. Επίσης τα μόρια του ενεργοποιούν τους υποδοχείς αφής στο στόμα, αφήνοντας μια χαρακτηριστική αίσθηση.[2]
Μια καραμέλα που ονομάζεται Pop Rocks συμπιέζεται με διοξείδιο του άνθρακα περίπου στα 40 bar. Όταν η καραμέλα μπαίνει στο στόμα, διαλύεται και απελευθερώνει φυσαλίδες αερίου. Η μαγιά της αρτοποιίας παράγει διοξείδιο του άνθρακα από τη ζύμωση τωνσακχάρωνστο εσωτερικό της ζύμης, ενώ άλλα προϊόντα, όπως το baking powder καιη μαγειρική σόδα, απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα όταν θερμαίνονται ή όταν εκτεθούν σε οξέα.
Το διοξείδιο του άνθρακα επειδή είναι άφλεκτο χρησιμοποιείται υπό πίεση σε ορισμένους πυροσβεστήρες που είναι σχεδιασμένοι για κατάσβεση πυρκαγιών που οφείλονται σε ηλεκτρικά βραχυκυκλώματα. Επίσης ειδικοί πυροσβεστήρες με CO2 χρησιμοποιούνται καιγιατην πυροπροστασία πλοίων και μηχανοστασίων. Όμως τα συστήματα πυρασφάλειας που βασίζονται στο διοξείδιο του άνθρακα έχουν συνδεθεί καιμε πολλούς θανάτους.
Το CO2 είναι ένα από ταπιο συνηθισμένα αέρια που χρησιμοποιούνται κυρίως σε φορητά υδροπνευματικά συστήματα αλλά καισε ρομποτικά συστήματα που χρησιμοποιούν υδραυλικά συστήματα.
Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να χρησιμοποιηθεί γιατη δημιουργία αδρανούς ατμόσφαιρας μέσα στην οποία γίνονται συγκολλήσεις, ανκαι στις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται οξειδώνει τα περισσότερα μέταλλα. Η χρήση τουστην αυτοκινητοβιομηχανία είναι πολύ συνηθισμένη επειδή είναι πιο φθηνό από το αέριο αργό ή τοήλιο. Πάντως, οι συγκολλήσεις που γίνονται μέσα σε ατμόσφαιρα CO2 είναι πιο εύθραυστες από αυτές που πραγματοποιούνται σεπιο αδρανή ατμόσφαιρα, καιμετο πέρασμα του χρόνου εξασθενούν λόγω σχηματισμού ανθρακικού οξέος.
Το υγρό διοξείδιο του άνθρακα είναι καλός διαλύτηςγια πολλές λιπόφιλες οργανικές ενώσεις, και χρησιμοποιείται γιατην αφαίρεση καφεΐνης από τον καφέ : Αρχικά οι πράσινοι κόκκοι καφέ εμποτίζονται με νερό και τοποθετούνται στην κορυφή στήλης ύψους 21 m. Στη συνέχεια, υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα σε υγρή μορφή (περίπου 93 °C) διοχετεύεται από το κάτω μέρος της στήλης με αποτέλεσμα η καφεΐνη να διαχέεται από τους κόκκους μέσα στο διοξείδιο του άνθρακα.
Το διοξείδιο του άνθρακα έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται στις φαρμακοβιομηχανίες ως λιγότερο τοξική εναλλακτική λύση στη θέση παραδοσιακών διαλυτών όπως είναι τοχλωροφόρμιο (CΗCl3) ή άλλες οργανοχλωριωμένες ενώσεις. Επίσης, για τους ίδιους λόγους, χρησιμοποιείται στο ξηρό καθάρισμα των ρούχων στα στεγνοκαθαριστήρια. Στη χημική βιομηχανία, το CO2 χρησιμοποιείται γιατην παραγωγή ουρίας, ανθρακικών και όξινων ανθρακικών αλάτων και σαλικυλικού νατρίου.
Τα φυτά χρειάζονται το CO2γιατηφωτοσύνθεση. Λόγω της μικρής ατμοσφαιρικής του συγκέντρωσης, το CO2 είναι πρακτικά ο περιοριστικός παράγοντας της ζωής στηΓη, σε σύγκριση με άλλα δύο εξίσου σημαντικά συστατικά - το νερό καιτο ηλιακό φως.
Ενώ ταμη καλλιεργήσιμα ("άγρια") φυτά είναι προσαρμοσμένα στο γεγονός αυτό, μεγάλες εγκαταστάσεις - θερμοκήπια μπορούν να εμπλουτίζουν την ατμόσφαιρα με περίσσεια CO2γιατη διατήρηση της καλλιεργήσιμης χλωρίδας. Ο εμπλουτισμός με CO2δεν πρέπει όμως να είναι υπερβολικός γιαναμην δηλητηριαστούν τα φυτά. Σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις, το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να είναι τοξικό γιατα ζώα. Έτσι η αύξηση της συγκέντρωσης κατά 1% και άνω για αρκετές ώρες, μπορεί να εξαλείψει βλαβερά ζωύφια, αράχνες και ακάρεα στο θερμοκήπιο.
Μελετάται επίσης η διοχέτευση του διοξειδίου του άνθρακα, που προέρχεται από την ηλεκτροπαραγωγή, σε ταμιευτήρες γιατην ανάπτυξη φυκιών πουθα μπορούσαν στη συνέχεια να μετατραπούν σε καύσιμο βιοντίζελ. Ήδη το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται ως η κύρια πηγή άνθρακα γιατα φύκια σπιρουλίνα. Στην ιατρική, το CO2 προστίθεται στο καθαρό οξυγόνο μέχρι ποσοστού 5% γιατην τόνωση της αναπνοής μετά από επεισόδια άπνοιας γιανα σταθεροποιηθεί η ισορροπία O2/CO2στο αίμα.
Το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται στην άντληση του πετρελαίου συνήθως υπό συνθήκες υπερκρίσιμες. Λειτουργεί ταυτόχρονα ως προωθητικό υπό πίεση αλλά καιγιανα μειώσει σημαντικά τοιξώδεςτου πετρελαίου επιτρέποντας έτσι την καλύτερη και γρηγορότερη ροή του προς την επιφάνεια της γεώτρησης.
Το υγρό καιτο στερεό διοξείδιο του άνθρακα είναι σημαντικά ψυκτικά μέσα, κυρίως στη βιομηχανία τροφίμων, όπου χρησιμοποιούνται γιατη μεταφορά και αποθήκευση παγωτών και άλλων κατεψυγμένων προϊόντων. Το στερεό διοξείδιο του άνθρακα ονομάζεται "ξηρός πάγος" και χρησιμοποιείται για μικρές μεταφορές στις οποίες δεν είναι πρακτικά τα ογκώδη ψυγεία.
Το υγρό διοξείδιο του άνθρακα (που ονομάζεται στη βιομηχανία R744 ή R-744) χρησιμοποιήθηκε ως ψυκτικό μέσο, πριν από την ανακάλυψη του R-12[3]. Οι φυσικές ιδιότητές του είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για κατάψυξη ή και απλή ψύξη. Λόγω της λειτουργίας τους σε πιέσεις μέχρι 130 bar, τα ψυκτικά συστήματα που χρησιμοποιούν CO2 απαιτούν ιδιαίτερα ανθεκτικά εξαρτήματα. Στους κλιματισμούς των αυτοκινήτων, σε πάνω από το 90% του συνόλου των συνθηκών οδήγησης, το R744 λειτουργεί πιο αποτελεσματικά από τα συστήματα που χρησιμοποιούν R-134a[4]. Τα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα του CO2 (μη τοξικό, μη εύφλεκτο, φθηνό) θα μπορούσαν στο μέλλον να αποτελέσουν έναν καλό λόγο γιατην αντικατάσταση των σημερινών HFCs[5]των ψυκτικών συστημάτων των αυτοκινήτων, των σούπερ-μάρκετ κλπ.
Το διοξείδιο του άνθρακα μετη μορφή του ξηρού πάγου χρησιμοποιείται συχνά στα οινοποιεία γιατη γρήγορη ψύξη των σταφυλιών με σκοπό την αποτροπή της πρόωρης ζύμωσης. Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης του ξηρού πάγου σε σχέση μετο παγωμένο νερό είναι ότι ψύχει τα σταφύλια χωρίς προσθήκη νερού το οποίο θα μπορούσε να αραιώσει τα σάκχαρα στο γλεύκος των σταφυλιών και, κατά συνέπεια, να μειώσει τη συγκέντρωση αιθανόληςστο τελικό προϊόν. Το αέριο CO2που προκύπτει από την εξάχνωση του ξηρού πάγου, επειδή είναι βαρύτερο από τον αέρα, συσσωρεύεται στον πυθμένα των δεξαμενών, δημιουργώντας έτσι ένα περιβάλλον που βοηθά στην καταπολέμηση των βακτηρίων, που προέρχονται από τα σταφύλια μέχρι τη στιγμή κατά την οποία θα αρχίσει η ελεγχόμενη ζύμωση. Το διοξείδιο του άνθρακα τοποθετείται μερικές φορές στην κορυφή μπουκαλιών κρασιού ή άλλων δοχείων αποθήκευσης όπως βαρέλια για αποφυγή της οξείδωσης. Επειδή όμως υπάρχει κίνδυνος να διαλυθεί μέσα στο κρασί, αντικαθίσταται συνήθως από άλλα αέρια, όπως άζωτο ή αργό.
Το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται ως μέσο ελέγχου του pH των κολυμβητηρίων. Μετη συνεχή προσθήκη CO2στο νερό, διατηρείται το pH σε χαμηλά επίπεδα. Ανάμεσα στα πλεονεκτήματα αυτής της πρακτικής είναι καιη αποφυγή χρήσης πιο επικίνδυνων οξέων.
Μετρήσεις συγκεντρώσεων CO2 από το Παρατηρητήριο τουΜάουνα Λόαστη Χαβάη
Από το ανθρωπογενές CO2που εκπέμπεται από τα ορυκτά καύσιμα: 50% διαλύεται στους ωκεανούς και απορροφάται από τα επίγεια οικοσυστήματα καιτο 50% διοχετεύεται στην ατμόσφαιρα. Το διοξείδιο του άνθρακα στη γήινη ατμόσφαιρα θεωρείται ιχνοστοιχείομε μέση συγκέντρωση περίπου 385 ppm. Η συνολική μάζα των ατμοσφαιρικών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα είναι περίπου 3×1015 kg (3000 γιγατόνοι). Η συγκέντρωση κυμαίνεται εποχικά (βλέπε διάγραμμα) αλλά καισε περιφερειακή βάση. Η διακύμανση αυτή οφείλεται κατά κύριο λόγο στην εποχική ανάπτυξη των φυτών στο Βόρειο Ημισφαίριο. Οι συγκεντρώσεις του διοξειδίου του άνθρακα στο βορρά μειώνονται κατά τη διάρκεια της άνοιξης καιτου καλοκαιριού καθώς το καταναλώνουν τα φυτά και αυξάνονται το φθινόπωρο καιτο χειμώνα όταν τα φυτά πεθαίνουν και αποσυνθέτονται. Στις αστικές περιοχές οι συγκεντρώσεις είναι γενικά υψηλότερες.
Πεντακόσια εκατομμύρια χρόνια πριν, το διοξείδιο του άνθρακα ήταν 20 φορές περισσότερο από ό,τι σήμερα. Κατά τη διάρκεια της Ιουράσιας Περιόδου, μειώθηκε κατά 4 έως 5 φορές, στη συνέχεια παρατηρήθηκε αργή μείωση και μετά πριν 49 εκατομμύρια χρόνια περίπου, ταχεία μείωση. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες, όπως η καύση ορυκτών καυσίμων καιη αποψίλωση των δασών έχουν προκαλέσει αύξηση της ατμοσφαιρικής συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα κατά περίπου 35% από την αρχή της εποχής της εκβιομηχάνισης.
Έως καιτο 40% των αερίων που εκπέμπονται από ορισμένες ηφαιστειακές δραστηριότητες είναι διοξείδιο του άνθρακα. Εκτιμάται ότι τα ηφαίστεια απελευθερώνουν περίπου 130-230 εκατομμύρια τόνους CO2στην ατμόσφαιρα κάθε χρόνο. Το διοξείδιο του άνθρακα παράγεται επίσης από θερμές πηγές όπως αυτές στο Bossoleto κοντά στην Τοσκάνη της Ιταλίας. Στην κυκλική αυτή τοποθεσία με διάμετρο περίπου 100 μέτρα, οι τοπικές συγκεντρώσεις του CO2 αυξάνονται σε ποσοστό πάνω από 75% μέσα σεμια νύχτα και είναι αρκετές γιανα σκοτώσουν τα έντομα καιτα μικρά ζώα της περιοχής. Οι εκπομπές του CO2 από τις ανθρώπινες δραστηριότητες ανέρχονται σήμερα περίπου σε 27 δισεκατομμύρια τόνους ετησίως και είναι πολύ μεγαλύτερες από τις ποσότητες που εκλύονται από τα ηφαίστεια. Το CO2 θεωρείται αέριο θερμοκηπίου, αφού διαπερνάται από το ορατό φως αλλά απορροφά έντονα στηνυπέρυθρηκαι εγγύς υπέρυθρη περιοχή τουφάσματος.
Ηορυκτολογική δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα είναι φυσική μέθοδος δέσμευσης του CO2σε στερεά ορυκτά, όπως μαγνησίτη (MgCO3), ασβεστίτη (CaCO3) καιδολομίτη (CaMg(CO3)2). Τα τελευταία παραμένουν σταθερά για χιλιάδες έως εκατομμύρια χρόνια, εξασφαλίζοντας τημη διαρροή του CO2 πίσω στηνατμόσφαιρα της Γης. Γιατο λόγο αυτό, η συγκεκριμένη μέθοδος θεωρείται από πολλούς επιστήμονες ως η ασφαλέστερη μέθοδος αποθήκευσης CO2με σκοπό την εξισορρόπηση της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής. Η διαδικασία αυτή λαμβάνει χώρα στη φύση με πολύ αργούς ρυθμούς, επομένως τα τελευταία χρόνια σκοπός πολλών επιστημονικών ερευνών είναι να μιμηθούν καινα επιταχύνουν αυτό που κάνει η φύση από μόνη της, στα πλαίσια της εξισορρόπησης της υπερθέρμανσης του πλανήτη.
Η διάλυση του άνθρακα στους ωκεανούς μετη μορφή CO2, H2CO3και ιόντων HCO3-και CO32- είναι περίπου 50 φορές μεγαλύτερη από ότι στην ατμόσφαιρα. Οι ωκεανοί ενεργούν ως μία τεράστια δεξαμενή άνθρακα, και δέχονται περίπου το ένα τρίτο των εκπομπών CO2 από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Η διαλυτότητα του CO2 μειώνεται καθώς η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται.
Ένα μέρος του διαλυμένου CO2 στους ωκεανούς καταναλώνεται γιατη φωτοσύνθεση από οργανισμούς στο νερό, και ένα μικρό ποσοστό συντηρεί τον κύκλο του άνθρακα. Η αύξηση του CO2στην ατμόσφαιρα έχει οδηγήσει σε αύξηση της οξύτητας του θαλασσινού νερού και υπάρχει ανησυχία ότι αυτό μπορεί να επηρεάσει αρνητικά οργανισμούς με κελύφη πουζουνστο νερό, αφού είναι γνωστό ότι τα οξέα διαλυτοποιούν το ανθρακικό ασβέστιο από το οποίο είναι φτιαγμένο το κέλυφος.
Το διοξείδιο του άνθρακα είναι τελικό προϊόν τουμεταβολισμούτων οργανισμών που παίρνουν την ενέργειά τους από τη διάσπαση με οξυγόνο των σακχάρων, τωνλιπώνκαιτωναμινοξέωνμεμια διαδικασία που είναι γνωστή ως κυτταρική αναπνοή. Στους οργανισμούς αυτούς περιλαμβάνονται όλα τα φυτά καιτα ζώα, πολλοί μύκητες και ορισμένα βακτήρια. Στους ανώτερους οργανισμούς, το διοξείδιο του άνθρακα μεταφέρεται μετο αίμα από τους ιστούς του σώματος στους πνεύμονες, από όπου και εκπνέεται.
Ο ρόλος του CO2στη φωτοσύνθεση και στις φυτικές λειτουργίες
Φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία κατά την οποία τα φυτά που περιέχουν χλωροφύλλη, μετη βοήθεια του φωτός καιμε αρχικά αντιδρώντα το νερό καιτο CO2, μετατρέπουν ανόργανες ουσίες σε τροφή. Πρόκειται γιαμια φυσιολογική λειτουργία μετην οποία τα πράσινα φυτά προμηθεύονται τον άνθρακα καιτο οξυγόνο, που είναι απαραίτητα γιατη θρέψη τους. Η φωτοσύνθεση είναι μια εξώθερμη διαδικασία, η συνολική χημική αντίδραση της οποίας είναι : 6CO2 + 6H2Ο → C6H12O6 + 6O2 + 2817 KJ.
Ο μηχανισμός της φωτοσύνθεσης σε γενικές γραμμές είναι ο ακόλουθος: το νερό διαλύει και μεταφέρει το διοξείδιο του άνθρακα μέχρι τακύτταρακαι τους χλωροπλάστεςτων φύλλων. Εκεί μετην ενέργεια του φωτός που απορροφά η χλωροφύλλη, διασπάται το νερό στα στοιχεία του. Το οξυγόνο απελευθερώνεται, ενώ το ατομικό υδρογόνο δεσμεύεται από διάφορα ένζυμα. Έπειτα το υδρογόνο συμμετέχει στις αντιδράσεις μετο διοξείδιο του άνθρακα: CΟ2 + |Η| → (CΗ2Ο)x. Στο δεύτερο στάδιο αντιδράσεων δε χρειάζεται ηλιακή ενέργεια, γι' αυτό οι αντιδράσεις αυτές ονομάζονται "σκοτεινές". Με λίγα λόγια, οιχλωροπλάστες, μετην βοήθεια του φωτός καιτου CO2, παράγουν οξυγόνο και ενέργεια απορροφώντας CO2 κατά την φωτοπερίοδο η οποία δενθα πρέπει να ξεπερνά τις 12 ώρες ημερησίως. Τις υπόλοιπες ώρες απορροφούν οξυγόνο και παράγουν CO2.
Έχει αποδειχθεί ότι τα φυτά μπορούν να αναπτυχθούν μέχρι και 50% ταχύτερα σε συγκεντρώσεις 1000 ppm CO2. Ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι αν αυξηθεί η συγκέντρωση CO2στην ατμόσφαιρα, αυτό θα οδηγήσει σε ταχύτερη ανάπτυξη των φυτών και, επομένως, σε αύξηση της παραγωγής τροφίμων. Μελέτες όμως έχουν δείξει ότι η αύξηση των εκπομπών CO2 οδηγεί σε μείωση της χρήσης του νερού από τα φυτά καισε ελάττωση της συγκέντρωσης των ιχνοστοιχείων σ' αυτά. Αυτό μπορεί να έχει αλυσιδωτές συνέπειες σε άλλους οργανισμούς των οικοσυστημάτων, όπως τα φυτοφάγα ζώα τα οποία θα πρέπει να τρώνε περισσότερο γιανα αποκτήσουν την ίδια ποσότητα πρωτεϊνών. Τα φυτά εκπέμπουν CO2 κατά τη διαδικασία της αναπνοής. Ανκαιτα δάση θα μπορούσαν να απορροφήσουν πολλούς τόνους CO2 κάθε χρόνο, μελέτες αναφέρουν ότι ένα ώριμο δάσος παράγει τόσο πολύ CO2 κατά την αναπνοή καιτην αποσύνθεση των νεκρών δένδρων, όσο χρησιμοποιείται στην βιοσύνθεση καιστην καλλιέργεια των φυτών.
Τοξικότητα του CO2 - Επιδράσεις στο νευρικό σύστημα
Η περιεκτικότητα του καθαρού αέρα σε CO2 (κατά μέσο όρο μεταξύ της στάθμης της θάλασσας και μέχρι ύψους περίπου 30 χλμ.) κυμαίνεται από 0,036 % (360 ppm) έως και 0,039% (390 ppm), ανάλογα μετην τοποθεσία. Η παρατεταμένη έκθεση σε μέτριες συγκεντρώσεις μπορεί να προκαλέσει οξέωσηκαινα έχει αρνητικές συνέπειες γιατο μεταβολισμό τουασβεστίουκαιτουφωσφόρου. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι τοξικό γιατην καρδιά και προκαλεί αρρυθμίες.
Κύρια συμπτώματα της τοξικότητας του CO2 από την αύξηση της περιεκτικότητάς τουστον αέρα.
Η τοξικότητα καιοι επιπτώσεις της αυξάνονται μετην αύξηση της περιεκτικότητας του αέρα σε CO2 :
Σε περιεκτικότητα 1% v/v[6] (γεμάτη αίθουσα με κακό εξαερισμό), το CO2 μπορεί σε παρατεταμένη έκθεση να προκαλέσει υπνηλία.
Σε περιεκτικότητα 2% v/v το CO2 συμπεριφέρεται ως ήπιο ναρκωτικό. Προκαλεί αυξημένη αρτηριακή πίεση και καρδιακό ρυθμό, και μειώνει την ακοή.
Σε περιεκτικότητα περίπου 5% v/v προκαλεί διέγερση του αναπνευστικού κέντρου, ζάλη, σύγχυση και δυσκολία στην αναπνοή συνοδευόμενη από κεφαλαλγία και δύσπνοια.
Σε περιεκτικότητα 8% v/v προκαλεί κεφαλαλγία, εφίδρωση, παραισθήσεις, τρέμουλο και απώλεια συνείδησης μετά την έκθεση για πέντε έως δέκα λεπτά.
Το 1984 στη λίμνη Monoun του Καμερούν αναφέρθηκαν 37 θάνατοι που οφείλονταν σε τοπικά πολύ υψηλές συγκεντρώσεις CO2, το οποίο παράχθηκε από την διατάραξη της λίμνης που ήταν κορεσμένη σε CO2. Το 1986 στη λίμνη Nyos πάλι στοΚαμερούν αναφέρθηκαν 1700 θάνατοι από τα ίδια αίτια.
Λόγω των κινδύνων γιατην υγεία που συνδέονται μετην έκθεση σε CO2, ο Οργανισμός Επαγγελματικής Ασφάλειας και Υγείας τωνΗ.Π.Α., αναφέρει ότι η μέση έκθεση για υγιείς ενήλικες κατά την οκτάωρη εργασίας δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 5000 ppm (0,5%). Το μέγιστο επίπεδο ασφάλειας για βρέφη, παιδιά, ηλικιωμένους και άτομα με προβλήματα υγείας είναι σημαντικά μικρότερη. Για βραχυπρόθεσμες (κάτω των δέκα λεπτών) εκθέσεις, το όριο είναι 30000 ppm (3 %). Ανοι συγκεντρώσεις CO2 υπερβαίνουν το 4% είναι άμεσα επικίνδυνες γιατην υγεία. Η προσαρμογή σε αυξημένα ποσοστά CO2 μεταβάλλεται από άνθρωπο σε άνθρωπο. Η συνεχής παραμονή σε ατμόσφαιρα με CO2 μπορεί γίνει ανεκτή σε περιεκτικότητες 3 % τουλάχιστον για ένα μήνα και 4 % για πάνω από μια εβδομάδα. Υποστηρίχθηκε ότι συγκεντρώσεις 2 % θα μπορούσαν να γίνουν ανεκτές σε κλειστούς χώρους (π.χ. υποβρύχια), δεδομένου ότι η προσαρμογή είναι φυσιολογική και αναστρέψιμη. Μάλιστα δενθα παρατηρηθεί μείωση της απόδοσης στην εργασία ή σε κανονική σωματική δραστηριότητα.
Συγκεντρώσεις CO2 μεταξύ 300 ppm και 2500 ppm, χρησιμοποιούνται ως δείκτες ποιότητας αέρα σε εσωτερικούς χώρους. Σε κλειστούς χώρους με πολλούς ανθρώπους, συγκεντρώσεις μεγαλύτερες από 1000 ppm θα προκαλέσουν δυσφορία σε ποσοστό πάνω από το 20 % των ανθρώπων. Σε 2000 ppm, η πλειοψηφία των ανθρώπων, θα αισθανθεί σε σημαντικό βαθμό ενόχληση, και πολλοί θα υποφέρουν από ναυτία και πονοκεφάλους.
Παλιότερα, η ύπαρξη CO2σε χώρους όπου ζυμωνόταν το κρασί ή σε ορυχεία, γινόταν αντιληπτή από την τοξικότητά του : Οι εργάτες τοποθετούσαν στο πάτωμα του χώρου ένα κλουβί με καναρίνι που είναι πιο ευαίσθητο από τον άνθρωπο. Το CO2 επειδή είναι βαρύτερο από τον αέρα, συσσωρεύονταν στα χαμηλά σημεία καιαντο καναρίνι δηλητηριαζόταν, ο χώρος περιείχε αυξημένα ποσοστά CO2.
Από τις αρχές του 20ού αιώνα νευρολόγοι και ψυχίατροι είχαν διαπιστώσει ότι το διοξείδιο του άνθρακα επιδρά αρνητικά στο νευρικό σύστημα, προκαλώντας έντονη αγωνία και φόβο, έως και κρίσεις πανικού. Μέχρι το 2009 όμως δεν είχαν καταφέρει ναβρουνμια ικανοποιητική νευροβιολογική εξήγηση του φαινομένου. Πρόσφατα μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Αϊόβα, στις ΗΠΑ, ανακάλυψε ότι ρόλο-κλειδί σε αυτήν τη διαδικασία κατέχει μια πρωτεΐνη, η λεγόμενη ASIC1a. Η πρωτεΐνη αυτή υπάρχει σε αφθονία στην αμυγδαλή, μια περιοχή του εγκεφάλου η οποία, μαζί με άλλες εγκεφαλικές δομές, συναποτελεί το μεταιχμιακό σύστημα του εγκεφάλου, έναν από τους βασικούς ρυθμιστές ανώτερων ψυχικών λειτουργιών όπως τα συναισθήματα καιη συμπεριφορά. Κάνοντας πειράματα με ποντικούς, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι όταν το εγκεφαλικό περιβάλλον γινόταν πιο όξινο η παραγωγή της πρωτεΐνης ASIC1a αυξανόταν στην αμυγδαλή, προκαλώντας συμπεριφορές με τυπικά φοβικά χαρακτηριστικά. Αντίθετα, όταν εξουδετερωνόταν η δράση της συγκεκριμένης πρωτεΐνης, οι συμπεριφορές αυτές δεν εκδηλώνονταν.
Δεδομένου ότι μία από τις βασικές συνέπειες της εισπνοής διοξειδίου του άνθρακα είναι η αύξηση της οξίνισης του εγκεφαλικού περιβάλλοντος, και συνεπώς η άμεση παραγωγή της πρωτεΐνης ASIC1a, οι ερευνητές συμπέραναν ότι για τις κρίσεις πανικού που συνοδεύουν την εισπνοή μεγάλης ποσότητας διοξειδίου του άνθρακα θα πρέπει να ευθύνεται η υψηλή συγκέντρωση της συγκεκριμένης πρωτεΐνης. Πιστεύουν, μάλιστα, ότι ανακαλύπτοντας την ακριβή δράση αυτής της πρωτεΐνης θα μπορέσουν να ερμηνεύσουν και ένα άλλο σχετικό φαινόμενο, την αγχολυτική και άκρως χαλαρωτική επίδραση των αναπνευστικών ασκήσεων.
To CO2 μεταφέρεται στοαίμαμε τρεις διαφορετικούς τρόπους. (Τα ακριβή ποσοστά διαφέρουν ανάλογα μετοαντο αίμα είναι φλεβικό ή αρτηριακό) :
Το μεγαλύτερο μέρος του CO2 (περίπου 70% - 80%), μετατρέπεται σε όξινα ανθρακικά ιόντα (HCO3-) στα ερυθρά αιμοσφαίρια μετην αντίδραση : CO2 + H2Ο ⇄ H2CO3 ⇄ H+ + HCO3-.
Ποσοστό 5% - 10% είναι συνδεδεμένο μετηναιμοσφαιρίνη.
Η αιμοσφαιρίνη, το κύριο μόριο-μεταφορέας οξυγόνου στα ερυθρά αιμοσφαίρια, μεταφέρει καιΟ2και CO2. Ωστόσο, το CO2 δεσμεύεται στο μόριο της αιμοσφαιρίνης σε διαφορετικό μέρος από τοΟ2. Όταν η δέσμευση τουΟ2 είναι αυξημένη, ελαττώνεται η ποσότητα του CO2που δεσμεύεται στην αιμοσφαιρίνη και αντιστρόφως εξαιτίας τουαλλοστερικού φαινομένου. Το CO2 απομακρύνεται από το ανθρώπινο σώμα μετον εξής μηχανισμό : Ηγλυκόζη οξειδώνεται στα κύτταρα σύμφωνα μετο σχήμα : C6H12O6 + 6O2 ⇄ 6CO2 + 6H2Ο + Ενέργεια. Το παραγόμενο CO2 διαλύεται στο νερό και δίνει ανθρακικό οξύ : CO2 + H2Ο ⇄ H2CO3. Το οξύ σύντομα διαχέεται έξω από τα τριχοειδή αγγεία και όταν φθάσει στο αίμα εξουδετερώνεται εν μέρει από το ανθρακικό νάτριο, που υπάρχει εκεί : Na2CO3 + H2CO3 ⇄ 2NaHCO3 (Ι).
Στους πνεύμονες η αντίδραση γίνεται αντίστροφα. Το H2CO3 διαχέεται στις κυψελίδες και διασπάται σε νερό και CO2, το οποίο εμπνέεται. Η απομάκρυνση όμως μιας ποσότητας H2CO3, μετατοπίζει την ισορροπία (Ι) προς τα αριστερά με συνέπεια να διασπάται νέα ποσότητα NaHCO3 προς Na2CO3και H2CO3καιη διαδικασία συνεχίζεται.
Συνήθως ο αέρας της εκπνοής περιέχει 4 % έως 5 % περισσότερο CO2και 4 % έως 5 % λιγότερο Ο2 από τον αέρα της εισπνοής. Η αναπνοή ενός ανθρώπου παράγει περίπου 1 Kg CO2 κάθε μέρα.
↑Διφθορο-διχλωρο-μεθάνιο, CF2Cl2πιο γνωστό ως FREON-12, Χρησιμοποιήθηκε στους κλιματισμούς των αυτοκινήτων πριντο 1995.
↑1,1,1,2-τετραφθορο-αιθάνιο, F3C-CFH2, Genetron 134a, Suva 134a ή και HFC-134a. Ψυκτικό που αντικατέστησε τη δεκαετία του 1990 το R-12.
↑Φθοριωμένοι υδρογονάνθρακες. Αντικατέστησαν στα συστήματα ψύξης τους CFCs που περιείχαν καιχλώριο.
↑% v/v ή % κ.ό. (% όγκο κατ' όγκο). Έκφραση περιεκτικότητας που χρησιμοποιείται κυρίως στα αέρια μίγματα και δηλώνει τα mL ενός αερίου σε 100 mL αερίου μίγματος.
