Dwutlenek węgla

DWUTLENEK WĘGLA CO₂ występuje w przyrodzie w stanie wolnym i stanie związanym. W stanie wolnym znajduje się powietrzu ( 0,03% obj. ) i w źródłach mineralnych. Spotyka się go także w wyziewach wulkanicznych. Wydzielany jest w procesach oddychania, natomiast pobierany jest w procesie fotosyntezy. W stanie związanym występuje głównie w postaci węglanów wapnia i magnezu. Tworzy się w procesach oddychania, fermentacji oraz utleniania i spalania połączeń organicznych w powietrzu.

W technice otrzymuje się CO₂ spalając węgiel przy obfitym dostępie powietrza

C + O₂ = CO₂

oraz jako produkt wypalania wapieni w temp. powyżej 1200 K

CaCO₃ = CaO + CO₂

Często wykorzystuje się także CO₂, wydzielający się ze źródeł mineralnych oraz CO₂ wytwarzający się w procesach fermentacyjnych prowadzonych na skalę przemysłową. W pracowni chemicznej dwutlenek węgla wywiązuje się w aparacie Kippa w wyniku działania kwasu solnego na marmur.

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂ + H₂O

Dwutlenek węgla jest gazem bezbarwnym, bez zapachu, o kwaskowatym smaku, nie pali się ani też nie podtrzymuje palenia. Jego gęstość, wynosząca 1,9768 g/l w warunkach normalnych jest 1,53 razy większa od gęstości powietrza. Dwutlenek węgla rozpuszcza się dość dobrze w wodzie, daje się łatwo skroplić ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę krytyczną (304,5 K).  Aby go skroplić w temp. 273 K należy użyć ciśnienia 3,4 MPa, natomiast w temp 223 K – ciśnienia 0,66 MPa. Skroplony CO₂ jest cieczą bezbarwną, ruchliwą. Pod ciśnieniem 0,5 MPa krzepnie w temp. 216, 5 K. Zestalony CO₂, biała krystaliczna masa, sublimuje pod ciśnieniem atmosferycznym w temp. 194,7 K. Skroplony CO₂ jest rozprowadzany w handlu w stalowych butlach. Podczas swobodnego wypływu z butli ciecz paruje bardzo gwałtownie i oziębia się tak bardzo, że częściowo ulega zestaleniu. Otrzymany  w ten sposób tzw. suchy lód wykorzystuje się, zwłaszcza w mieszaninie z alkoholem metylowym, acetonem lub eterem jako bardzo dogodny środek oziębiający.

Cząsteczka dwutlenku węgla ma budowę liniową, atom węgla znajduje się w niej pomiędzy oboma atomami tlenu. Tego rodzaju kształt cząsteczki wskazuje na hybrydyzację digonalną sp atomu węgla. Długość wiązania C – O, wynosząca 116 pm i energia wiązania zbliżają się bardziej do odpowiednich wielkości dla wiązania potrójnego w CO niż dla wiązania podwójnego, np. w HCHO.

Dwutlenek węgla jest bezwodnikiem kwasu węglowego obecnego w małym stężeniu w roztworach wodnych tego gazu i nadającego im słabo kwaśny odczyn.

Zastosowanie:

• Jako substrat do otrzymywania sody amoniakalnej
• Stosowany w cukrownictwie
•  Jako substrat do otrzymywania wody sodowej i lemoniady
• Jako substrat do otrzymywania suchego lodu
• Jako wypełniacz gaśnic, gdyż jako gaz cięższy od powietrza, po wprowadzeniu w sferę pożaru powoduje odcięcie dostępu tlenu
• Wyzyskiwany w chłodnictwie
• Wyzyskiwanie ciekłego dwutlenku węgla znajduje do chłodzenia i mrożenia produktów spożywczych, m.in. makaronów, ciast, przetworów mięsnych, owoców morza, itp.
•  wyzyskiwanie CO₂ w połączeniu z wapieniem lub wapnem jako środka utwardzającego wodę, głównie dla przypadku miękkich wód powierzchniowych, przez producentów wody pitnej
• wyzyskiwanie CO₂ jako gazu ochronnego przy spawaniu niektórych rodzajów stali
• wyzyskiwanie CO₂ jako środku rozdmuchującego, który zastępuje tradycyjne, nieprzyjazne środowisku rozdmuchiwacze, z metody tej korzystają nowoczesne technologie produkujące pianki (poliuretanowe, polistyrenowe) bazujące na CO₂
• wyzyskiwanie ­ CO₂ w tzw. "sprayach" stanowiący gaz napędzający, zastępujący tradycyjne gazy, w przypadku których udowodniono ich niszczący wpływ na warstwę ozonową atmosfery
• wyzyskiwanie CO₂ przez gałęzie przemysłu chemicznego do produkcji wysokowartościowych chemikaliów, takich jak sód, potas, amoniak, wodorowęglany, anilina, kaprolaktam, metionina, węglan potasu, itp.
• Wyzyskiwanie CO₂ w roztworze wodnym gdzie tworzy słaby kwas (kwas węglowy), wykorzystywany do zobojętniania ścieków alkalicznych
• Wyzyskiwanie CO₂ do wzrostu roślin, które dla odpowiedniego rozwoju  wymagają dostępności wody, światła, substancji mineralnych i CO₂, które są wykorzystywane w na drodze fotosyntezy do produkcji związków organicznych
• Wyzyskiwanie CO₂ w postaci  środka gaśniczego w pożarnictwie, co jest korzystne kiedy użycie wody jest niewskazane bądź nieefektywne
• Wyzyskiwanie CO₂ obok wyżej wymienionych ważnych zastosowań również w innych dziedzinach, doceniających  duży potencjał chłodzący zarówno ciekłej jak i stałej fazy CO₂ (przemysł spożywczy, metalurgiczny, recycling kriogeniczny, obróbka odpadów, itp.)
• Wyzyskiwanie CO₂ będącego odpadem z elektrowni węglowej, może służyć zamiast węgla, jako surowiec do produkcji paliwa.

Dwutlenek węgla powstaje na skutek różnych procesów spalania paliw stałych, ciekłych i gazowych, stanowi  także narzędzie w procesie oddychania organizmów żywych. CO₂ znajdujący się w atmosferze nie stanowi bezpośredniego zagrożenia jedynie wtedy, gdy nie następuje naruszenie równowagi biologicznej, co może mieć miejsce w przypadku  nadmiernej jego emisji do atmosfery. CO₂- oprócz roli naturalnego  izolatora termicznego - spełnia w przyrodzie również niezwykle istotne zadanie: stanowi budulec do budowy substancji organicznej roślin. Stanowi on podstawowe źródło węgla, które pobierają rośliny z powietrza w procesie fotosyntezy.

Zielone płuca ziemi, to szczególna nazwa wilgotnych lasów tropikalnych nadana im dlatego że  pobierają z powietrza dwutlenek węgla, i wykorzystują węgiel do budowania pni, konarów i kory. Lasy tropikalne pobierają z powietrza dwutlenek węgla w procesie fotosyntezy a oddają tlen. CO₂ gromadzi się wysoko w górze, tworzy tak jakby koc pochłaniający ciepło słoneczne. Wówczas atmosfera zawiera zbyt małe ilości tlenu, który jest potrzebny zwierzętom, to właśnie wzbudza niepokój w dwutlenku węgla. Jako jeden ze składników atmosfery dwutlenek węgla jest współodpowiedzialny za wzrost temperatury na Ziemi.

Fakty:

• Zanotowano przypadki zgonów ludzi kontrolujących piwnice, w których leżakuje dojrzewające wino. Śmierć nastąpiła w wyniku wydzielającego się tam CO₂ co powodowało zmniejszoną ilość stężenia tlenu
• W Psiej Grocie koło Neapolu, CO₂ wydobywa się z ziemi. Jest to szczególnie niebezpieczne dla małych zwierząt, które wprowadzone do groty zdychają, ponieważ CO₂ jako gaz o większej od powietrza gęstości pozostaje nisko nad ziemią
• W 1896 roku na skutek trzęsienia ziemi w Kamerunie z błotnistego jeziora Nyos zostały uwolnione wielkie ilości CO₂, powodując śmierć ludzi i zwierząt

Normalnie stężenie CO₂ w powietrzu wynosi 0,03% (objętościowo) i dla prawidłowego funkcjonowania organizmu człowieka stężenie to nie powinno być większe. Zdolności adaptacyjne organizmu ludzkiego nie są ograniczone i po pewnym czasie organizm człowieka może przyzwyczaić się do stężenia 0,15%. Jednak słuszne jest stwierdzenie że dwutlenek węgla w większych stężeniach jest szkodliwy:

• Dwutlenek węgla wdychany w stężeniach około 5% przez dłuższy czas powoduje zwiększenie stopniowo stopnia niedotlenienia organizmu i po 30minutach wdychania gazu mogą nastąpić duszności oraz  zaburzenia świadomości, a także drgawki,
• Dwutlenek węgla wdychany w stężeniach około 8-10% powoduje pogłębienie oddechu, duszności, ból głowy, pobudzenie a następnie zawroty głowy, uczucie słabości, drgawki a w końcu utratę świadomości,
• Dwutlenek węgla wdychany w stężeniach około 15% wywołuje ból i zawroty głowy, uczucie ucisku w klatce piersiowej oraz utratę przytomności. Następuje zwolnienia tętna i oddechu, występują duszności i drgawki a następnie śmierć,
• Dwutlenek węgla wdychany w stężeniach około 30-40% powoduje  natychmiastową śmierć, zostaje porażony ośrodkowy układ oddechowy.