Hva er CO2-gass?

Innhold

• Hva er karbondioksid?
• Karbondioksid i stoffskifte
• Karbondioksid og klimaendringer
• Bruk av CO2 i industrien

Karbondioksid er blant de mange vitenskapelige begrepene som har et bredt spekter av betydninger og et lignende bredt utvalg av konnotasjoner. Hvis du er kjent med cellulær respirasjon, vet du kanskje at karbondioksidgass - forkortet CO₂ - er et avfallsprodukt fra denne reaksjonsserien hos dyr, der oksygengass, eller O₂, er en reaktant; Du vet kanskje også at i planter er denne prosessen faktisk reversert, med CO₂ tjener som drivstoff i fotosyntesen og O₂ som et avfallsprodukt.

Kanskje mer kjent, takket være det nåværende århundrets politikk og jordvitenskap, CO₂ er beryktet for å være en klimagass, ansvarlig for å bidra til å fange varme i jordens atmosfære. CO₂ er et biprodukt av forbrenning av fossilt brensel, og den påfølgende oppvarmingen av planeten har ført til jordens borgere på jakt etter alternative energikilder.

Bortsett fra disse problemene, CO₂ gass, et elegant enkelt molekyl, har en rekke andre biokjemiske og industrielle funksjoner som vitenskapsfans bør være klar over.

Hva er karbondioksid?

Karbondioksid er en fargeløs, luktfri gass ved romtemperatur. Hver gang du puster ut, forlater karbondioksidmolekyler kroppen din og blir en del av atmosfæren. CO₂ molekyler inneholder et enkelt karbonatom flankert av to oksygenatomer, slik at molekylet er lineært i form:

O = C = O

Hvert karbonatom danner fire bindinger med sine naboer i stabile molekyler, mens hvert oksygenatom danner to bindinger. Dermed med hver karbon-oksygenbinding i CO₂ som består av en dobbeltbinding - det vil si to par delte elektroner - CO₂ er meget stabil.

Som et blikk på en periodisk oversikt over elementer viser (se Ressurser), er molekylvekten til karbon 12 atommassenheter (amu), mens oksygeninnholdet er 16 amu. Molekylvekten til karbondioksid er således 12 + 2 (16) = 44. En annen måte å uttrykke dette på er å si at en mol CO₂ har en masse på 44, hvor en mol tilsvarer 6,02 × 10²³ individuelle molekyler. (Dette tallet, kjent som Avogadros-tallet, er avledet av det faktum at molekylmassen av karbon er satt til nøyaktig 12 gram, som oss dobbelt så mange protoner som karbon inneholder, og denne karbonmassen inneholder 6,02 × 10²³ karbonatomer. Molekylvekten til alle andre elementer var strukturert rundt denne standarden.)

Karbondioksid kan også eksistere som en væske, en tilstand der den brukes som kjølemiddel, i brannslukningsapparater og i produksjon av kullsyreholdige drikker som brus; og som et fast stoff, i hvilken tilstand det brukes som kjølemiddel og kan forårsake frostskader hvis det kommer i kontakt med huden.

Karbondioksid i stoffskifte

Karbondioksid blir ofte misforstått som giftig fordi det ofte er assosiert med kvelning og til og med tap av liv. Mens tilstrekkelige nivåer av CO₂ kan faktisk være direkte giftig og forårsake kvelning, det som vanligvis skjer er at CO₂ i stedet bygger seg opp som et resultat eller en konsekvens av kvelning. Hvis noen slutter å puste av en eller annen grunn, må CO₂ blir ikke lenger utvist gjennom lungene, og bygger seg derfor opp i blodomløpet som det ikke har noe annet sted å gå. CO₂ er derfor en markør for kvelning. På omtrent samme måte er vann ikke "giftig" bare fordi det kan føre til drukning.

Bare en liten brøkdel av atmosfæren består av CO₂ - omtrent 1 prosent. Selv om det er et biprodukt av dyremetabolismen, er det absolutt nødvendig for planter å overleve og er en instrumentell del av verdensomspennende karbon syklus. Planter tar inn CO₂, konverter det i en serie reaksjoner karbon og oksygen, og slipp deretter oksygenet til atmosfæren mens du beholder karbonet i form av glukose for å leve og vokse. Når planter dør eller blir brent, rekombinert deres karbon med O₂ i luften, og danner CO₂ og fullføre karbonsyklusen.

Dyr genererer karbondioksid gjennom nedbrytning av inntatt karbohydrater, proteiner og fett i maten. Alle disse blir metabolisert til glukose, et seks-karbon molekyl som deretter kommer inn i celler og til slutt blir karbondioksid og vann, med den resulterende energien som brukes til å drive cellulære aktiviteter. Dette skjer gjennom prosessen med aerob respirasjon (ofte kalt cellulær respirasjon, selv om begrepene ikke er nøyaktig synonyme). All glukose som kommer inn i cellene til både prokaryoter (bakterier) og ikke-plante eukaryoter (dyr og sopp) gjennomgår først glykolyse, som genererer et par tre-karbonmolekyler kalt pyruvat. Det meste av dette kommer inn i Krebs-syklusen i form av to-karbonmolekylet acetyl CoA, mens CO₂ er frigjort. Elektronbærerne NADH og FADH₂ som dannes i løpet av Krebs-syklusen, og deretter gi fra seg elektroner i nærvær av oksygen i elektrontransportkjedereaksjonene, noe som resulterer i dannelsen av mye ATP, "energivalutaen" i cellene til levende ting.

Karbondioksid og klimaendringer

CO₂ er en varmefangende gass. På mange måter er dette en god ting, da det forhindrer jorden fra å miste så mye varme at dyr som mennesker ikke ville være i stand til å overleve. Men forbrenningen av fossilt brensel siden begynnelsen av den industrielle revolusjonen på 1800-tallet har tilført en betydelig mengde CO₂ gass ​​til atmosfæren, noe som fører til global oppvarming og dens gradvis forverrede effekter.

I mange tusen år har den atmosfæriske konsentrasjonen av CO₂ i atmosfæren forble mellom 200 og 300 deler per million (ppm). I 2017 hadde den steget til nesten 400 spm, en konsentrasjon som fortsatt øker. Denne ekstra CO₂ fanger varme og får klimaet til å endre seg. Dette manifesteres ikke bare i stigende gjennomsnittstemperaturer over hele verden, men i stigende havnivå, ismel, mer surt vann, mindre polare iskapper og en uptick i antall katastrofale hendelser (for eksempel orkaner). Disse problemene er sammenhengende og avhengig av hverandre.

Eksempler på fossilt brensel inkluderer kull, petroleum (olje) og naturgass. Disse er skapt over en periode på millioner av år når dødt plante- og animalsk materiale blir fanget og begravet under lag med stein. Under gunstige varme- og trykkforhold transformeres dette organiske materialet til et drivstoff. Alle fossile brensler inneholder karbon, og disse brennes for å gi energi, og karbondioksid frigjøres.

Bruk av CO2 i industrien

Karbondioksidgass har en rekke bruksområder, noe som er nyttig fordi tingene bokstavelig talt er overalt. Som tidligere nevnt, brukes det som et kjølemedium, selv om dette er mer sant for de faste og flytende formene. Det brukes også som et aerosoldrivmiddel, et gnagermiddel (dvs. rottegift), en komponent i fysiske eksperimenter med svært lav temperatur og et berikingsmiddel i luften inne i drivhusene. Den brukes også til brudd av oljebrønner, i noen typer gruvedrift, som moderator i visse atomreaktorer og i spesielle lasere.

Interessant faktum: Gjennom grunnleggende metabolske prosesser vil du produsere omtrent 500 gram CO₂ i løpet av det neste døgnet - enda mer hvis du er aktiv. Det er mer enn ett halvt kilo usynlig gass, bare du flyter ut av nesen og munnen så vel som fra porene dine. Dette er faktisk hvordan mennesker går ned i vekt over tid, ikke inkludert vanlige (midlertidige) tap.