−57 °C (216 K) (pod tlakem)
Oxid uhličitý (chemický vzorec: CO2) je chemická sloučenina složená ze dvou atomů kyslíku kovalentně vázaných na jediný atom uhlíku. Je to plyn při standardní teplotě a tlaku a v tomto stavu se vyskytuje v zemské atmosféře. V současnosti je v zemské atmosféře v celosvětovém průměru koncentrace přibližně 383 ppm objemových[1], i když se to liší jak podle místa, tak podle času. Oxid uhličitý je důležitý skleníkový plyn, protože přenáší viditelné světlo, ale v infračerveném záření silně absorbuje.
Oxid uhličitý je produkován všemi živočichy, rostlinami, houbami a mikroorganismy během dýchání a je používán rostlinami během fotosyntézy k výrobě cukrů, které mohou být buď znovu spotřebovány během dýchání, nebo použity jako surovina pro růst rostlin. Je tedy hlavní složkou koloběhu uhlíku. Oxid uhličitý vzniká jako vedlejší produkt spalování fosilních paliv nebo rostlinných látek, kromě jiných chemických procesů. Anorganický oxid uhličitý je produkován sopkami a jinými geotermálními procesy, jako jsou horké prameny.
Oxid uhličitý nemá při tlaku nižším než 5,1 atm kapalný stav, ale při teplotách nižších než -78 °C je pevná látka. V pevném stavu se oxid uhličitý běžně nazývá suchý led.
Chemické a fyzikální vlastnosti
Schéma fáze tlaku a teploty oxidu uhličitého znázorňující trojný bod oxidu uhličitého
Při standardní teplotě a tlaku se hustota oxidu uhličitého pohybuje kolem 1,98 kg/m³, což je přibližně 1,5násobek hustoty vzduchu. Molekula oxidu uhličitého (O=C=O) obsahuje dvě dvojné vazby a má lineární tvar. Nemá elektrický dipól, a protože je plně zoxidovaná, je mírně reaktivní a nehořlavá, ale podporuje spalování kovů, jako je hořčík.
Malé pelety suchého ledu sublimující na vzduchu.
Křišťálová struktura suchého ledu
Při teplotě −78,51° C nebo -109,3° F se oxid uhličitý sublimací mění přímo z pevné fáze na plynnou fázi, nebo z plynné na pevnou prostřednictvím depozice. Pevný oxid uhličitý se běžně nazývá „suchý led“, což je druhová ochranná známka. Poprvé byl pozorován v roce 1825 francouzským chemikem Charlesem Thilorierem. Suchý led se běžně používá jako chladicí prostředek a je poměrně levný. Vhodnou vlastností pro tento účel je, že tuhý oxid uhličitý se sublimuje přímo do plynné fáze a nezanechává žádnou kapalinu. Často se vyskytuje v potravinách a laboratořích a používá se také v lodním průmyslu. Největším nechlazovacím využitím suchého ledu je tryskání.
Tekutý oxid uhličitý se tvoří pouze při tlacích nad 5,1 atm; trojný bod oxidu uhličitého je asi 518 kPa při −56,6 °C (viz fázový diagram, výše). Kritický bod je 7,38 MPa při 31,1 °C.[3]
Alternativní forma pevného oxidu uhličitého, amorfní forma podobná sklu, je možná, i když ne za atmosférického tlaku.[4] Tato forma skla, zvaná karbonia, vznikala superchlazením zahřátého CO2 za extrémního tlaku (40-48 GPa nebo asi 400 000 atmosfér) v diamantové kovadlině. Tento objev potvrdil teorii, že oxid uhličitý by mohl existovat ve skleněném stavu podobném ostatním členům své elementární rodiny, jako křemík (křemičité sklo) a germanium. Na rozdíl od křemičitého a germánského skla však karbonové sklo není stabilní za normálních tlaků a po uvolnění tlaku se vrací zpět k plynu.
Historie lidského porozumění
Oxid uhličitý byl jedním z prvních plynů, který byl popsán jako látka odlišná od vzduchu. V sedmnáctém století vlámský chemik Jan Baptist van Helmont pozoroval, že při spalování dřevěného uhlí v uzavřené nádobě byla hmotnost vzniklého popela mnohem menší než hmotnost původního dřevěného uhlí. Jeho výklad byl, že zbytek dřevěného uhlí byl přeměněn na neviditelnou látku, kterou nazval „plyn“ nebo „divoký duch“ (spiritus sylvestre).
Vlastnosti oxidu uhličitého zkoumal důkladněji v 50. letech 17. století skotský lékař Joseph Black. Zjistil, že vápenec (uhličitan vápenatý) může být zahříván nebo upravován kyselinami, aby vznikl plyn, který nazval „stálým vzduchem“. Poznamenal, že stálý vzduch je hustší než vzduch a nepodporuje ani plamen, ani živočišný život. Zjistil také, že když bublá vodným roztokem vápna (hydroxid vápenatý), sráží uhličitan vápenatý. Použil tento jev k ilustraci toho, že oxid uhličitý vzniká zvířecím dýcháním a mikrobiální fermentací. V roce 1772 anglický chemik Joseph Priestley publikoval práci nazvanou Impregnující voda s pevným vzduchem, ve které popsal proces odkapávání kyseliny sírové (nebo oleje z vitriolu, jak ho Priestley znal) na křídu, aby vznikl oxid uhličitý, a nutí plyn rozpustit protřepáním misky s vodou v kontaktu s plynem.[5]
Oxid uhličitý byl poprvé zkapalněn (při zvýšeném tlaku) v roce 1823 Humphrym Davym a Michaelem Faradayem.[6] Nejstarší popis pevného oxidu uhličitého podal Charles Thilorier, který v roce 1834 otevřel tlakovou nádobu s kapalným oxidem uhličitým, jen aby zjistil, že chlazení vzniklé rychlým odpařováním kapaliny přineslo „sníh“ pevného CO2.[7]
Oxid uhličitý lze získat destilací vzduchem. Tím se však získá jen velmi malé množství CO2. Velké množství chemických reakcí dává oxid uhličitý, například reakce mezi většinou kyselin a většinou uhličitanů kovů. Například reakce mezi kyselinou sírovou a uhličitanem vápenatým (vápenec nebo křída) je znázorněna níže:
H2CO3 se pak rozkládá na vodu a CO2. Takové reakce jsou doprovázeny pěněním nebo bubláním, případně obojím. V průmyslu jsou takové reakce rozšířené, protože mohou být použity k neutralizaci toků odpadních kyselin.
Výroba nehašeného vápna (CaO) je chemická látka, která má široké využití, z vápence zahřátím na cca 850 °C také produkuje CO2:
Spalováním všech paliv obsahujících uhlík, jako je metan (zemní plyn), ropné destiláty (benzín, nafta, petrolej, propan), ale také uhlí a dřeva, vznikne oxid uhličitý a ve většině případů i voda. Jako příklad je níže uvedena chemická reakce mezi metanem a kyslíkem.
Kvasinky produkují oxid uhličitý a etanol, také známý jako alkohol, při výrobě vín, piv a jiných destilátů:
Bubliny oxidu uhličitého v nealkoholickém nápoji.
Oxid uhličitý používá potravinářský průmysl, ropný průmysl a chemický průmysl.[8] Používá se v mnoha spotřebních výrobcích, které vyžadují stlačený plyn, protože je levný a nehořlavý a protože prochází fázovým přechodem z plynu na kapalinu při pokojové teplotě při dosažitelném tlaku přibližně 60 barů (870 psi, 59 atm), což umožňuje, aby se do dané nádoby vešlo mnohem více oxidu uhličitého, než by tomu bylo jinak. Záchranné vesty často obsahují nádoby s stlačeným oxidem uhličitým pro rychlé nafouknutí. Hliníkové kapsle se také prodávají jako dodávky stlačeného plynu pro airguny, paintballové značkovače, pro nafukování pneumatik pro jízdní kola a pro výrobu seltzeru. Rychlé odpařování kapalného oxidu uhličitého se používá pro odstřelování v uhelných dolech. Vysoké koncentrace oxidu uhličitého mohou být také použity k hubení škůdců, jako je například mol Common Clothes.
Oxid uhličitý se používá k výrobě sycených nealkoholických nápojů a sodové vody. Uhličení v pivu a šumivém víně tradičně vzniká přirozeným kvašením, ale někteří výrobci tyto nápoje uhličijí uměle.
Cukroví zvané Pop Rocks se natlakuje plynem oxidu uhličitého o objemu asi 40 barů (600 psi). Po vložení do úst se rozpouští (stejně jako jiné tvrdé cukroví) a se slyšitelným lupnutím uvolňuje bublinky plynu.
Kysličníky produkují oxid uhličitý, který způsobuje kynutí těsta. Pekařské kvasnice produkují oxid uhličitý kvašením cukrů v těstě, zatímco chemické kvasnice jako prášek do pečiva a jedlá soda uvolňují oxid uhličitý při zahřátí nebo při vystavení kyselinám.
Oxid uhličitý je nejčastěji používaný stlačený plyn pro pneumatické systémy v přenosných tlakových nástrojích a bojových robotech.
Oxid uhličitý hasí plameny a některé hasicí přístroje, zejména ty, které jsou určeny pro požáry v elektrických rozvodech, obsahují pod tlakem kapalný oxid uhličitý. Oxid uhličitý nachází využití také jako atmosféra pro svařování, i když ve svařovacím oblouku reaguje na oxidaci většiny kovů. Použití v automobilovém průmyslu je běžné i přes významné důkazy, že svary vyrobené v oxidu uhličitém jsou křehčí než svary vyrobené v inertnějším prostředí a že takové svarové spoje se časem kazí kvůli tvorbě kyseliny uhličité. Používá se jako svařovací plyn především proto, že je mnohem levnější než inertnější plyny, jako je argon nebo helium.
Tekutý oxid uhličitý je dobrým rozpouštědlem pro mnoho lipofilních organických sloučenin a používá se k odstraňování kofeinu z kávy. Nejprve se zelená kávová zrna namočí do vody. Fazole se umístí do horní části sloupce vysokého sedmdesát stop (21 metrů). Kapalina oxidu uhličitého při teplotě asi 93 stupňů Celsia vstupuje do spodní části sloupce. Kofein se rozptyluje ven z fazolí a do oxidu uhličitého.
Oxid uhličitý začal přitahovat pozornost ve farmaceutickém a dalším chemickém zpracovatelském průmyslu jako méně toxická alternativa k tradičnějším rozpouštědlům, jako jsou organochloridy. Z tohoto důvodu ho používají některé čistírny oděvů. (Viz zelená chemie.)
Rostliny potřebují oxid uhličitý k fotosyntéze a skleníky mohou obohacovat svou atmosféru o další CO2, aby podpořily růst rostlin, protože jeho nízká koncentrace v dnešní atmosféře je těsně nad úrovní „udušení“ u zelených rostlin. Pokles koncentrace oxidu uhličitého ve skleníku související s fotosyntézou může zelené rostliny zabít. Při vysokých koncentracích je oxid uhličitý toxický pro život zvířat, takže zvýšení koncentrace na 10 000 ppm (1%) na několik hodin může eliminovat škůdce, jako jsou bělouši a roztoči ve skleníku.
Bylo navrženo, aby oxid uhličitý z výroby elektrické energie byl probubláván do jezírek, kde by rostly řasy, které by pak mohly být přeměněny na palivo z bionafty.[9]
V medicíně se až 5% oxidu uhličitého přidává do čistého kyslíku pro stimulaci dýchání po apnoe a stabilizaci bilance O2/CO2 v krvi.
Běžným typem průmyslového plynového laseru je laser s oxidem uhličitým.
Oxid uhličitý lze také kombinovat s oxidem limonen z pomerančových slupek nebo jinými epoxidy za účelem vytvoření polymerů a plastů.[10]
Oxid uhličitý se používá při zvýšené těžbě ropy, kdy je injektován do ropných vrtů nebo v jejich blízkosti, obvykle za nadkritických podmínek. Působí jako tlakové činidlo a po rozpuštění v podzemní surové ropě výrazně snižuje její viskozitu, což umožňuje rychlejší průtok ropy zeminou do jímacího vrtu.[11] Na vyspělých ropných polích se používají rozsáhlé potrubní sítě, které přivádějí oxid uhličitý do míst injektáže.
V chemickém průmyslu se oxid uhličitý používá k výrobě močoviny, uhličitanů a hydrogenuhličitanů a salicylátu sodného.
Tekutý a tuhý oxid uhličitý jsou důležitá chladiva, zejména v potravinářském průmyslu, kde se používají při přepravě a skladování zmrzliny a dalších mražených potravin. Pevný oxid uhličitý se nazývá „suchý led“ a používá se pro malé zásilky, kde chladicí zařízení není praktické.
Kapalný oxid uhličitý (průmyslové názvosloví R744 / R-744) byl používán jako chladivo před objevem R-12 a pravděpodobně zažije renesanci kvůli obavám o životní prostředí. Jeho fyzikální vlastnosti jsou velmi příznivé pro účely chlazení, chlazení a vytápění, má vysoký objemový chladicí výkon. Vzhledem k jeho provozu při tlaku až 130 barů, CO2 systémy vyžadují vysoce odolné komponenty, které již byly vyvinuty pro sériovou výrobu v mnoha odvětvích. V klimatizaci automobilů, ve více než 90% všech jízdních podmínek, R744 funguje efektivněji než systémy používající R-134a. Jeho ekologické výhody (GWP 1, bez poškozování ozonu, netoxický, nehořlavý) by z něj mohly učinit budoucí pracovní tekutinu, která nahradí současné HFC v automobilech, supermarketech, teplovodních tepelných čerpadlech, mimo jiné. Některé aplikace: Coca-Cola má nasazeny chladiče nápojů na bázi CO2 a US Army se zajímá o technologii chlazení a vytápění CO2.[12][13]
Očekává se, že do konce roku 2007 rozhodne světový automobilový průmysl o chladivu nové generace v klimatizaci automobilů. Jednou z diskutovaných možností je CO2. (viz Chladná válka)
Koncentrace CO2 v atmosféře naměřené na observatoři Mauna Loa.
Oxid uhličitý v zemské atmosféře je považován za stopový plyn, který se v současnosti vyskytuje v průměrné koncentraci asi 385 částic na milion objemových nebo 582 částic na milion hmotnostních. Hmotnost zemské atmosféry je 5,14×1018 kg [14], takže celková hmotnost atmosférického oxidu uhličitého je 3,0×1015 kg (3 000 gigatun). Jeho koncentrace se mění sezónně (viz graf vpravo) a také značně na regionální bázi: v městských oblastech je obecně vyšší a uvnitř může dosáhnout desetinásobku atmosférické koncentrace pozadí.
Oxid uhličitý je skleníkový plyn; více viz skleníkový efekt.
V důsledku lidské činnosti, jako je spalování fosilních paliv a odlesňování, se koncentrace atmosférického oxidu uhličitého od počátku industrializace zvýšila asi o 35%.[15]
V roce 1999 bylo v USA vyprodukováno 2 244 804 000 tun CO2 v důsledku výroby elektrické energie. To je výstupní rychlost 0,6083 kg (1,341 libry) za kWh.[16]
Před pěti sty miliony let byl oxid uhličitý dvacetkrát rozšířenější než dnes, během jurského období se snížil na 4-5násobek a poté udržoval pomalý pokles až do průmyslové revoluce.[17]
Až 40 % plynu emitovaného některými sopkami během subanténních sopečných erupcí je oxid uhličitý.[18] Podle nejlepších odhadů sopky uvolňují do atmosféry každý rok přibližně 130-230 milionů tun (145-255 milionů tun) CO2. Oxid uhličitý je také produkován horkými prameny, jako jsou ty v lokalitě Bossoleto poblíž Rapolano Terme v Toskánsku v Itálii. Zde, v prohlubni ve tvaru mísy o průměru asi 100 m, se místní koncentrace CO2 přes noc vyšplhají nad 75 %, což je dostatečné k zabití hmyzu a drobných živočichů, ale rychle se otepluje, když je slunce ozářeno a rozptyluje se konvekcí během dne[19] Místně vysoké koncentrace CO2, produkované narušením hluboké jezerní vody nasycené CO2, si podle všeho vyžádaly 37 obětí na životech u jezera Monoun v Kamerunu v roce 1984 a 1700 obětí u jezera Nyos v Kamerunu v roce 1986[20]. Emise CO2 z lidské činnosti jsou však v současnosti více než 130krát vyšší než množství emitované sopkami, dosahují přibližně 27 miliard tun ročně (30 miliard tun).[21]
V oceánech je ve formě CO2 a produktů hydratace CO2 rozpuštěno asi 50krát více uhlíku než v atmosféře. Oceány fungují jako obrovské úložiště uhlíku, neboť „absorbovaly asi třetinu všech dosavadních emisí CO2 produkovaných lidmi[22]“. Obecně platí, že rozpustnost plynů klesá s teplotou vody. Podle toho se oxid uhličitý uvolňuje z vody oceánů do atmosféry s rostoucí teplotou oceánů.
Oxid uhličitý je konečným produktem organismů, které získávají energii z odbourávání cukrů, tuků a aminokyselin kyslíkem v rámci svého metabolismu, v procesu známém jako buněčné dýchání. Patří sem všechny rostliny, zvířata, mnoho hub a některé bakterie. U vyšších živočichů putuje oxid uhličitý krví z tělesných tkání do plic, kde je vydechován. V rostlinách využívajících fotosyntézu je oxid uhličitý absorbován z atmosféry.
Rostliny odstraňují oxid uhličitý z atmosféry fotosyntézou, nazývanou také asimilace uhlíku, která využívá světelnou energii k výrobě organických rostlinných materiálů kombinací oxidu uhličitého a vody. Volný kyslík se uvolňuje jako plyn z rozkladu molekul vody, zatímco vodík se štěpí na své protony a elektrony a využívá se k výrobě chemické energie prostřednictvím fotofosforylace. Tato energie je potřebná pro fixaci oxidu uhličitého v Calvinově cyklu za vzniku cukrů. Tyto cukry pak mohou být použity pro růst v rostlině prostřednictvím dýchání.
I když je oxid uhličitý vypuštěn, musí být zaveden do skleníků, aby se udržel růst rostlin, protože koncentrace oxidu uhličitého může během denního světla klesnout až na 200 ppm (limit fotosyntézy fixace uhlíku C3[Jak odkazovat a odkaz na shrnutí nebo text]). Podobná událost v globálním měřítku nastala po permském období, kdy pozemský život téměř vyhynul. Opakování takových podmínek (pokles koncentrace oxidu uhličitého na přibližně 60-65% jeho současné úrovně) by zabilo 99% existujících rostlin a nepochybně by zlikvidovalo lidskou civilizaci (deficit oxidu uhličitého byl také nejpravděpodobnějším důvodem většiny velkých životních „vyhynutí“ na planetě)[Jak odkazovat a odkaz na shrnutí nebo text]. Rostliny mohou potenciálně růst až o 50% rychleji v koncentracích 1000 ppm CO2 ve srovnání s okolními podmínkami.[23]
Rostliny také uvolňují CO2 během dýchání, takže rostliny jsou čistými pohlcovači pouze ve fázích růstu. Například rostoucí les pohltí každý rok mnoho tun CO2, nicméně vzrostlý les vyprodukuje z dýchání a rozkladu mrtvých exemplářů (např. padlých větví) tolik CO2, kolik se používá v biosyntéze u rostoucích rostlin.[24] Bez ohledu na to jsou vzrostlé lesy stále cennými úložišti uhlíku, které pomáhají udržovat rovnováhu v zemské atmosféře. Navíc, a to je pro život na zemi zásadní, fotosyntéza fytoplanktonu pohlcuje rozpuštěný CO2 v horním oceánu a tím podporuje absorpci CO2 z atmosféry.[25]
Obsah oxidu uhličitého na čerstvém vzduchu se pohybuje mezi 0,03% (300 ppm) a 0,06% (600 ppm) v závislosti na poloze (viz grafická mapa CO2 v reálném čase).
Výdech člověka je přibližně 4,5% objemu oxidu uhličitého.
Nebezpečný je při vdechování ve vysokých koncentracích (větších než 5 % objemu, nebo 50 000 ppm). Současná mezní hodnota (TLV) nebo maximální úroveň, která je považována za bezpečnou pro zdravé dospělé po dobu osmihodinového pracovního dne, je 0,5 % (5 000 ppm). Maximální bezpečná úroveň pro kojence, děti, starší osoby a jedince s kardiopulmonálními zdravotními problémy je výrazně nižší.
Tato čísla platí pro čistý oxid uhličitý. Ve vnitřních prostorách obývaných lidmi bude koncentrace oxidu uhličitého dosahovat vyšších hodnot než v čistém venkovním vzduchu. Koncentrace vyšší než 1000 ppm způsobí nepohodlí u více než 20% cestujících a nepohodlí se bude zvyšovat se zvyšující se koncentrací CO2. Pohodlí budou způsobovat různé plyny pocházející z lidského dýchání a potu, a nikoli samotný CO2. Při 2000 ppm bude většina cestujících pociťovat značnou míru nepohodlí a u mnohých se objeví nevolnost a bolesti hlavy. Koncentrace CO2 mezi 300 a 2500 ppm se používá jako indikátor kvality vnitřního ovzduší.
Akutní toxicita oxidu uhličitého je někdy známá pod názvy, které jí dali horníci: blackdamp (také nazývaný choke damp nebo stythe). Horníci se snažili sami sebe upozornit na nebezpečné hladiny oxidu uhličitého v důlní šachtě tím, že s sebou při práci nosili kanárka v kleci. Kanárek by nevyhnutelně zemřel dříve, než by CO2 dosáhl úrovně toxické pro lidi. Oxid uhličitý způsobil velké ztráty na životech u jezera Nyos v Kamerunu v roce 1986, kdy vzedmutí jezerní vody plné CO2 rychle přikrylo velkou okolní obydlenou oblast.[26] Těžší oxid uhličitý vytlačil životodárný kyslík blízko povrchu a zabil téměř dva tisíce lidí.
CO2 se přenáší krví třemi různými způsoby. (Přesná procenta se liší podle toho, zda jde o arteriální nebo žilní krev).
CO2 vázaný na hemoglobin se neváže na stejné místo jako kyslík. Místo toho se kombinuje s N-koncovými skupinami na čtyřech globinových řetězcích. Nicméně, kvůli alosterickým účinkům na molekulu hemoglobinu, vazba CO2 snižuje množství kyslíku, které je vázáno na daný parciální tlak kyslíku.
Hemoglobin, hlavní molekula přenášející kyslík v červených krvinkách, může přenášet kyslík i oxid uhličitý, i když zcela odlišnými způsoby. Snížená vazba na oxid uhličitý v krvi v důsledku zvýšené hladiny kyslíku je známá jako Haldanův efekt a je důležitá při transportu oxidu uhličitého z tkání do plic. Naopak zvýšení parciálního tlaku CO2 nebo nižší pH způsobí vylučování kyslíku z hemoglobinu. To je známé jako Bohrův efekt.
Oxid uhličitý může být jedním z mediátorů lokální autoregulace krevního zásobení. Pokud je jeho hladina vysoká, kapiláry se rozšiřují, aby umožnily větší průtok krve do této tkáně.
Bikarbonátové ionty jsou klíčové pro regulaci pH krve. Rychlost dýchání ovlivňuje hladinu CO2 v krvi. Příliš pomalé nebo mělké dýchání může způsobit respirační acidózu, zatímco příliš rychlé dýchání může vést k hyperventilaci, která může způsobit respirační alkalózu.
Přestože tělo potřebuje pro metabolismus kyslík, nízká hladina kyslíku dýchání nemotivuje. Dýchání je spíše stimulováno vyšší hladinou oxidu uhličitého. V důsledku toho může dýchání nízkotlakého vzduchu nebo plynné směsi bez přítomnosti kyslíku (například čistého dusíku) vést ke ztrátě vědomí. To je zvláště nebezpečné pro výškové piloty stíhaček. Proto také letušky instruují cestující, aby si v případě ztráty tlaku v kabině nejprve nasadili kyslíkovou masku pro sebe, než pomohou ostatním – jinak hrozí, že člověk upadne do bezvědomí, aniž by si uvědomoval hrozící nebezpečí.[27]
Podle studie Ministerstva zemědělství Spojených států generuje dýchání průměrného člověka přibližně 450 litrů (zhruba 900 gramů) oxidu uhličitého denně.[28]