Oxid uhličitý

Z Wikipédie

Oxid uhličitý je atmosferický plyn tvorený dvoma atómami kyslíka a jedným atómom uhlíka. Jeho sumárny chemický vzorec je CO₂. Je bezfarebný, nehorľavý, málo reaktívny, ťažší než vzduch. Vzniká ako produkt biologických procesov, napríklad dýchania a kvasenia a ako produkt horenia zlúčenín uhlíka vo vzduchu. Pri normálnom tlaku v neviazanej forme sa vyskytuje vo forme plynu, pri normálnom tlaku nestabilná pevná forma sa nazýva suchý ľad.

Obsah 1 Chemické reakcie 2 Výskyt v prírode 3 Chemické vlastnosti 4 Využitie 5 Vplyv oxidu uhličitého na globálne otepľovanie 6 Oxid uhličitý a biomasa 7 Historické súvislosti 8 Literatúra 9 Iné projekty

[upraviť] Chemické reakcie

Oxid uhličitý, pri vyšších koncentráciách môže v ústach mať slabo nakyslú chuť. Vzniká reakciou uhlíka s kyslíkom (spaľovaním):

C + O₂ → CO₂,

horením oxidu uhoľnatého (napr. svietiplynu):

2 CO + O₂ → 2 CO₂,

alebo organických látok, napr. metánu:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O,

a to vždy za vývinu značného množstva tepla. Podobnými reakciami môžme popísať i spaľovanie fosílnych palív a biomasy. Je tiež produktom dýchania väčšiny živých organizmov, kde je spolu s vodou konečným produktom metabolickej premeny živín obsiahnutých v potrave živočíchov.

V laboratóriu sa väčšinou pripravuje reakciou uhličitanov, predovšetkým uhličitanu vápenatého so silnými kyselinami napr. chlorovodíkovou:

CaCO₃ + 2 HCl → CO₂ + CaCl₂ + H₂O.

Priemyslene sa vyrába tepelným rozkladom (žíhaním) vápenca (uhličitanu vápenatého):

CaCO₃ → CaO + CO₂.

Po chemickej stránce je oxid uhličitý veľmi stály a ani pri veľmi vysokých teplotách nad 2000 °C sa nerozkladá. Vo vode sa ľahko rozpúšťa, pričom sa pri tom zčasti (asi z 0,003 %) zlučuje s vodou na kyselinu uhličitú:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃.

Oxid uhličitý reaguje so silnými hydroxidami za vzniku solí, ktoré sa vyskytujú v dvoch formách, ako uhličitany a hydrogenuhličitany (starším názvom kyslé uhličitany); napr. s hydroxidom sodným vzniká buď hydrogenuhličitan sodný:

CO₂ + NaOH → NaHCO₃,

alebo pri väčšom množstve hydroxidu uhličitan sodný:

CO₂ + 2 NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.

V zelených rastlinách je oxid uhličitý asimilovaný v procese zvanom fotosyntéza za katalytického pôsobenia chlorofylu a dodávky energie vo forme svetelných kvant na monosacharidy podľa celkovej rovnice:

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Spaľovanie sacharidov v tele živočíchov (a rastlín v noci) je opačným chemickým procesom (podobne ako kvasenie cukrov pôsobením kvasiniek).

Pri geologickom vývoji planetárnych telies hrá v chemizme oxidu uhličitého významnú rolu rovnováha medzi oxidom uhličitým a oxidom kremičitým podľa vzťahu:

CaCO₃ + SiO₂ ↔ CO₂ + CaSiO₃.

Za bežných teplôt panujúcich na Zemi je táto rovnováha posunutá takmer úplne vľavo, takže veľké množstvo oxidu uhličitého je viazané v uhličitanových horninách. Ak stúpne teplota zhruba nad 350 °C, rovnováha sa vychýli takmer úplne vpravo a oxid kremičitý vytlačí z hornín oxid uhličitý, ktorý prejde do atmosféry. Týmto mechanizmom sa vysvetľuje veľmi hustá atmosféra planéty Venuše, zložená prevažne z oxidu uhličitého.

Pri ochladení pod -80 °C mení plynný oxid uhličitý svoje skupenstvo priamo na pevné (desublimuje) za vzniku bezfarebnej tuhej látky nazývanej suchý ľad.

Oxid uhličitý je nedýchateľný a vo vyšších koncentráciách môže spôsobiť stratu vedomia a smrť. V krvi sa totiž viaže na hemoglobín a vytláča z neho kyslík, ktorý se potom z pľúcťažšie dostáva do mozgu a tkanív tela.

[upraviť] Výskyt v prírode

Oxid uhličitý je běžnou súčasťou zemskej atmosféry, pričom jeho koncentrácia (priemerne  0,038 % v roku 2004) v ovzduší kolíše v závislosti na miestnych podmienkach, na nadmorskej výške a relatívnej vlhkosti vzduchu v ovzduší. V dôsledku hlavne priemyslových emisií jeho priemerná koncentrácia vo vzduchu stále rastie (viď odstavec „Vplyv oxidu uhličitého na globálne otepľovanie“).

Lokálne veľmi vysoká koncentrácia je v miestach jeho výronu zo zeme vo vulkanicky aktívnych oblastiach a v niektorých prírodných minerálnych vodách. Vzhľadom k tomu, že je ťažši než vzduch môže sa v takýchto miestach hromadiť a predstavovať nebezpečnú pascu pre zvieratá i ľudí. Ročne takto vulkanické aktivity dodávajú do ovzdušia Zeme približne 130 až 230 Tg, čo predstavuje rádovo len 1 až 2 % produkcie CO₂ ľudstvom.

Oxid uhličitý bol tiež nájdený v medzihviezdnom priestore. Je hlavnou zložkou atmosfér planét Venuša a Mars. Spektroskopicky bol dokázaný i v kométach.

[upraviť] Chemické vlastnosti

• Molárna hmotnosť=44,0095(14) g/mol
• Teplota topenia= −57 °C (216 K) (pod tlakem)
• Teplota varu= −78 °C (195 K) (za normálneho tlaku sublimuje)
• Teplota sublimácie= −78,48 °C (195 K)
• Hustota=1,6 g/cm³,pevný; 1,98 kg/m³(plynný)
• Dynamický viskozitný koeficient= 0,07 cP pri −78 °C
• Index lomu=1,00045
• Kritická teplota=31 °C
• Kritický tlak=7390 kPa
• Kritická hustota=0,468 g/cm³
• pKa=6,35 a 10,33
• Rozpustnosť= 1,45 kg/m³
• Štandardná zlučovacia entalpia =-393,51 kJ/mol
• Entalpia topenia=299 J/g
• Entalpia varu=901 J/g
• Štandardná molárna entropia =213,67 J K^-1 mol^-1
• Štandardná zlučovacia Gibbsova energia=-394,36 kJ/mol
• Merné teplo= J K^-1 mol^-1

[upraviť] Využitie

Oxid uhličitý je priemyselne ľahko dostupný plyn. Využíva sa ako:

• chemická surovina pre výrobu:
  • anorganických uhličitanov
  • metanolu
  • polykarbonátov
  • polyuretánov
  • karbamátov
  • isokyanátov
  • iných organických zlúčenín
• hnací plyn a ochranná atmosféra pre potravinárske účely
• súčásť perlivých nápojov
• náplň snehových hasiacich prístrojov
• chladiace médium (suchý ľad)
• v medicíne sa pridáva (do 5 %) ku kyslíku pre zvýšenie efektivity dýchania

[upraviť] Vplyv oxidu uhličitého na globálne otepľovanie

Vo svojej podstate nepredstavuje CO₂ škodlivinu, pretože nie je jedovatý. Pripisuje sa mu však rozhodujúci vplyv na vznik skleníkového efektu. Koncom roku 1997 na Konferencii o ovzduší konanej v Japonsku ( Kjóto ), dospeli rokujúce krajiny k prijatiu obmedzení pre produkciu CO₂. Tieto obmedzenia sú známe pod názvom Kjótsky protokol. Nárast CO₂ v ovzduší, je považovaný za hlavnú príčinu globálneho otepľovania, je spôsobený hlavne spaľovaním fosílnych palív a úbytkom lesov. Naštastie zatiaľ najvýkonnejší ekosystém pútajúci vzdušný oxid uhličitý - morský fytoplanktón - nie je príliš narušený.

Veľké množstvo oxidu uhličitého je tiež rozpusteného v svetových moriach a oceánoch, ktoré tak regulujú jeho množstvo v atmosfére. Pozvoľný nárast globálnej teploty však negatívne ovplyvňuje rozpustnosť CO₂ v morskej vode a pozitívnou spätnou väzbou sa tak dostáva späť do vzduchu dalšie dodatočné množstvo tohoto skleníkového plynu. Našťastie väčšina oxidu uhličitého je v morskej vode viazaná chemicky vo forme uhličitanových a hydrogenuhličitanových iontov, za čo vďačíme jeho reakciou s vápenatými minerálmi podľa rovnice:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ←→ Ca²⁺ + 2 HCO₃^-

Táto rovnováha sa však so zvyšujúcou teplotou posunuje doľava.

Taktiež intenzita fotosyntézy fytoplanktónom je závislá na optimálnej teplote a s jej rastom nad optimum klesá.

[upraviť] Oxid uhličitý a biomasa

Okrem spaľovania biomasy resp. bioplynu vzniká oxid uhličitý tiež behom kompostovania. Časť organickej hmoty zostáva na poli ako požatvové zbytky a koreňový systém.

V priebehu kompostovania je veľká časť organickej hmoty premenená na stabilizované organo-minerálne hnojivo s vysokým podielom humusových látok, takže veľký podiel uhlíku zostáva dlhodobo fixovaný v humuse, ktorý zlepšuje vlastnosti pôd (vododržnosť, pufračnú kapacitu, a pod.). Naviac zlepšené vlastnosti pôdy majú za následok vyššie výnosy, a teda i intenzívnejšiu asimiláciu CO₂ behom fotosyntézy.

[upraviť] Historické súvislosti

Oxid uhličitý bol prvou chemickou zlúčeninou, ktorá bola popísaná ako plyn odlišný od vzduchu. V 17. tom storočí flámsky chemik Jan Baptist van Helmont zistil, že pri spaľovaní dreveného uhlia v uzatvorenej nádobe váha popela je menšia, než pôvodného uhlia. Vysvetlil to premenou časti uhlia na neviditeľnú substanciu, ktorú nazval plyn spiritus sylvestre.

V polovici 18. teho storočia vlastnosti tohto plynu študoval podrobnejšie škótsky lekár Joseph Black. Zistil, že zahrievaním vápenca alebo jeho reakciou s kyselinami vzniká plyn, ktorý nazval „fixovateľný vzduch“ („fixed air“), pretože ho bolo možné viazať silnými zásadami (napr. hydroxidom vápenatým). Zistil tiež, že je ťažší ako vzduch a že na rozdiel od normálneho vzduchu nepodporuje horenie a že zvieratá v ňom hynú. Viazanie na hydroxid vápenatý použil na dôkaz, že je vo vydychovanom vzduchu a tiež, že sa uvoľňuje pri procese kvasenia (fermentácii).

[upraviť] Literatúra

• Neftel, A., H. Friedli, E. Moore, H. Lotscher, H. Oeschger, U. Siegenthaler, and B. Stauffer. 1994. Historical carbon dioxide record from the Siple Station ice core. pp. 11-14. In T.A. Boden, D.P. Kaiser, R.J. Sepanski, and F.W. Stoss (eds.) Trends'93: A Compendium of Data on Global Change. ORNL/CDIAC-65. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tenn. U.S.A.
• Keeling, C.D., and T.P. Whorf. 1994. Atmospheric carbon dioxide records from sites in the SIO air sampling network. pp. 16-26. In T.A. Boden, D.P. Kaiser, R.J. Sepanski, and F.W. Stoss (eds.) Trends'93: A Compendium of Data on Global Change. ORNL/CDIAC-65. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tenn. U.S.A.

[upraviť] Iné projekty

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Oxid uhličitý