Mi a szén-dioxid és hogyan fedezték fel?

Joseph Black skót kémikus és orvos azonosította először a szén-dioxidot az 1750-es években. Szobahőmérsékleten (20-25 oC) a szén-dioxid szagtalan, színtelen gáz, amely enyhén savas és nem gyúlékony.
A szén-dioxid a CO2 molekuláris képletű molekula. A lineáris molekula egy szénatomból áll, amely két oxigénatomhoz kétszeresen kötődik, O=C=O.
Bár a szén-dioxid főként gáz halmazállapotú, van szilárd és folyékony formája is. Csak -78 oC alatti hőmérsékleten lehet szilárd halmazállapotú. Folyékony szén-dioxid főként akkor létezik, ha a szén-dioxid vízben oldódik. A szén-dioxid csak akkor oldódik vízben, ha a nyomást fenntartják. A nyomás csökkenése után a CO2 gáz megpróbál a levegőbe távozni. Erre az eseményre jellemző, hogy a CO2 buborékok képződnek a vízben.

CO2-molekula

A szén-dioxid tulajdonságai

A szén-dioxidnak számos fizikai és kémiai tulajdonsága van, ami a szén-dioxidhoz tartozik.
Itt ezeket egy táblázatban foglaljuk össze.

tulajdonság

érték

molekulatömeg

specifikus súly

1.53 21 oC-on

Kritikus sűrűség

468 kg/m3

Koncentráció a levegőben

370,3 * 107 ppm

Szabályozhatóság

magas

folyadék

nyomás < 415.8 kPa

Szilárd

Hőmérséklet < -78 oC

Henry-állandó az oldhatóságra

298.15 mol/ kg * bar

Vízoldékonyság

0,9 vol/vol 20 oC-on

Hol található a Földön szén-dioxid?

A szén-dioxid elsősorban a levegőben, de a szén körforgásának részeként a vízben is megtalálható. Egy magyarázat és egy sematikus ábrázolás segítségével megmutatjuk, hogyan működik a szén körforgása. –> Térjünk át a szénciklusra.

A szén-dioxid emberi felhasználása

A szén-dioxidot az ember sokféleképpen használja fel. A legismertebb példa az üdítőitalokban és a sörben való felhasználása, hogy azok szénsavasak legyenek. A sütőpor vagy élesztő által kibocsátott szén-dioxid a süteménytésztát keleszti.
Néhány tűzoltó készülék szén-dioxidot használ, mert az sűrűbb, mint a levegő. A szén-dioxid nehézsége miatt képes elfedni a tüzet. Megakadályozza, hogy oxigén jusson a tűzhöz, és ennek következtében az égő anyagot megfosztja az égés folytatásához szükséges oxigéntől.
A szén-dioxidot a szuperkritikus fluid extrakciónak nevezett technológiában is használják, amelyet a kávé koffeinmentesítésére használnak. A szén-dioxid szilárd formáját, közismert nevén a szárazjeget színházakban használják színpadi ködök létrehozására és olyan dolgok buborékosítására, mint a “varázsitalok”.

A szén-dioxid szerepe a környezeti folyamatokban

A szén-dioxid az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló gáz a légkörben. A szén-dioxid fontos szerepet játszik a létfontosságú növényi és állati folyamatokban, például a fotoszintézisben és a légzésben. Ezeket a folyamatokat itt röviden ismertetjük.
A zöld növények a szén-dioxidot és a vizet táplálékvegyületekké, például glükózzá és oxigénné alakítják. Ezt a folyamatot fotoszintézisnek nevezzük.
A fotoszintézis reakciója a következő:
6 CO2 + 6 H2O –> C6H12O6 + 6 O2
A növények és az állatok viszont a táplálékvegyületeket oxigénnel egyesülve átalakítják, hogy a növekedéshez és más élettevékenységekhez szükséges energiát szabadítsanak fel. Ez a légzési folyamat a fotoszintézis fordítottja.
A légzési reakció a következő:
C6H12O6 + 6 O2 –> 6 CO2 + 6 H2O
A fotoszintézis és a légzés fontos szerepet játszik a szénkörforgásban, és egyensúlyban vannak egymással.
A fotoszintézis az év melegebb időszakában, a légzés pedig a hidegebb időszakban dominál. Mindkét folyamat azonban egész évben zajlik. Összességében tehát a légkör szén-dioxid tartalma a vegetációs időszakban csökken, az év többi részében pedig nő.
Mivel az északi és a déli féltekén az évszakok ellentétesek, a légkör szén-dioxid tartalma északon nő, míg délen csökken, és fordítva. A ciklus az északi féltekén egyértelműbben jelen van; mivel ott viszonylag több a szárazföldi tömeg és a szárazföldi növényzet. A déli féltekén az óceánok dominálnak.

A szén-dioxid hatása a lúgosságra

A szén-dioxid megváltoztathatja a víz pH-értékét. Ez így működik:
A szén-dioxid vízben enyhén oldódva a következő reakció szerint gyenge sav, a szénsav, H2CO3 keletkezik:
CO2 + H2O –> H2CO3
Ezután a szénsav vízben enyhén és reverzibilisen reagálva hidrónium-kation, H3O+, és a bikarbonátion, HCO3-, keletkezik a következő reakció szerint:
H2CO3 + H2O –> HCO3- + H3O+
Ez a kémiai viselkedés magyarázza, hogy a víz, amelynek normál esetben semleges pH-ja 7, miért savasodik meg körülbelül 5-re.5, amikor levegővel érintkezik.

Az ember által kibocsátott szén-dioxid

 Az emberi tevékenységnek köszönhetően az elmúlt 150 évben jelentősen nőtt a légkörbe kibocsátott CO2 mennyisége. Ennek eredményeként meghaladta a biomasszában, az óceánokban és más nyelőkben megkötött mennyiséget.
A légkör szén-dioxid-koncentrációja az 1850-es 280 ppm-ről 1998-ra 364 ppm-re emelkedett, elsősorban az 1850-ben kezdődött ipari forradalom alatt és után folytatott emberi tevékenységeknek köszönhetően.
A fosszilis tüzelőanyagok elégetésével, cementgyártással, valamint a földek irtásával és az erdők égetésével az ember növelte a levegőben lévő szén-dioxid mennyiségét. A jelenlegi légköri CO2-koncentráció mintegy 22%-a ezeknek az emberi tevékenységeknek köszönhető, figyelembe véve, hogy a szén-dioxid természetes mennyisége nem változott. A következő bekezdésben közelebbről megvizsgáljuk ezeket a hatásokat.

Környezeti problémák – az üvegházhatás

A troposzféra a légkör alsó, mintegy 10-15 kilométer vastagságú része. A troposzférán belül vannak az úgynevezett üvegházhatású gázok. Amikor a napfény eléri a Földet, annak egy része hővé alakul. Az üvegházhatású gázok elnyelik a hő egy részét, és a földfelszín közelében csapdába ejtik, így a föld felmelegszik. Ezt a folyamatot, amelyet általában üvegházhatásnak neveznek, már sok évvel ezelőtt felfedezték, és később laboratóriumi kísérletekkel és légköri mérésekkel igazolták.
Az élet, ahogyan mi ismerjük, csak ennek a természetes üvegházhatásnak köszönhetően létezik, mert ez a folyamat szabályozza a Föld hőmérsékletét. Ha az üvegházhatás nem létezne, az egész Földet jég borítaná.
A troposzférában megkötött hő mennyisége határozza meg a Föld hőmérsékletét. A troposzférában lévő hő mennyisége a légköri üvegházhatású gázok koncentrációjától és attól függ, hogy ezek a gázok mennyi ideig maradnak a légkörben. A legfontosabb üvegházhatású gázok a szén-dioxid, a CFC-k (klór-fluor-szénhidrogének), a nitrogén-oxidok és a metán.
Az 1850-es ipari forradalom kezdete óta az emberi folyamatok olyan üvegházhatású gázok kibocsátását okozzák, mint a CFC-k és a szén-dioxid. Ez környezeti problémát okozott: az üvegházhatású gázok mennyisége olyan nagymértékben megnőtt, hogy a Föld éghajlata megváltozik, mert a hőmérséklet emelkedik. Az üvegházhatás természetellenes növekedését globális felmelegedésnek nevezik. A gyanú szerint a globális felmelegedés a vihartevékenység növekedését, a sarkokon lévő jégsapkák olvadását, ami a lakott kontinensek elárasztását és más környezeti problémákat okozhat.
A szén-dioxid a hidrogénnel együtt a fő üvegházhatású gáz. A hidrogén azonban az ipari folyamatok során nem kerül kibocsátásra. Az ember nem járul hozzá a levegőben lévő hidrogén mennyiségéhez, ez csak a hidrológiai ciklus során változik természetes módon, és ennek következtében nem okozója a globális felmelegedésnek.
A növekvő szén-dioxid-kibocsátás a globális felmelegedés mintegy 50-60%-át okozza. A szén-dioxid-kibocsátás az 1850-es 280 ppm-ről 364 ppm-re emelkedett az 1990-es évekre.
Az előző bekezdésben különböző emberi tevékenységeket említettünk, amelyek hozzájárulnak a szén-dioxid gáz kibocsátásához. E tevékenységek közül az energiatermelésre szolgáló fosszilis tüzelőanyagok elégetése okozza a szén-dioxid

kibocsátás mintegy 70-75%-át, ez a szén-dioxid-kibocsátás fő forrása. A kibocsátás fennmaradó 20-25%-át a földek irtása és égetése, valamint a gépjárművek kipufogógázainak kibocsátása okozza.
A legtöbb szén-dioxid-kibocsátás a fejlett országokban, például az Egyesült Államokban és Európában az ipari folyamatokból származik. A fejlődő országokból származó szén-dioxid-kibocsátás azonban növekszik. Ebben az évszázadban a szén-dioxid-kibocsátás várhatóan megduplázódik, és várhatóan ezután is tovább emelkedik és problémákat okoz.
A szén-dioxid körülbelül ötven-kétszáz évig marad a troposzférában.
Az első, aki megjósolta, hogy a fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből és más égetési folyamatokból származó szén-dioxid-kibocsátás globális felmelegedést fog okozni, Svante Arrhenius volt, aki 1896-ban publikálta “A levegőben lévő szénsavnak a talaj hőmérsékletére gyakorolt hatásáról” című tanulmányát.
Az 1930-as évek elején megerősítést nyert, hogy a légköri szén-dioxid valóban növekszik. Az 1950-es évek végén, amikor nagy pontosságú mérési technikákat fejlesztettek ki, még több megerősítést találtak. Az 1990-es évekre a globális felmelegedés elmélete széles körben elfogadottá vált, bár nem mindenki által. Azt, hogy a globális felmelegedést valóban a légkörben növekvő szén-dioxid okozza-e, még mindig vitatják.

A levegő szén-dioxid-koncentrációjának emelkedése az elmúlt évtizedekben

A kiotói egyezmény

A világ vezetői 1997 decemberében gyűltek össze a japánországi Kiotóban, hogy fontolóra vegyenek egy világszintű szerződést az üvegházhatású gázok, elsősorban a szén-dioxid kibocsátásának korlátozásáról, amelyről úgy gondolják, hogy globális felmelegedést okoz. Sajnos, míg a kiotói szerződések egy ideig működtek, Amerika most megpróbálja kijátszani őket.

Szén-dioxid és az egészség

A szén-dioxid nélkülözhetetlen az emberi szervezet belső légzéséhez. A belső légzés olyan folyamat, amelynek során az oxigén a test szöveteihez jut, a szén-dioxid pedig távozik belőlük.
A szén-dioxid a vér pH-értékének őrzője, ami elengedhetetlen a túléléshez.
A pufferrendszert, amelyben a szén-dioxid fontos szerepet játszik, karbonátpuffer-nek nevezzük. Ez bikarbonátionokból és oldott szén-dioxidból áll, szénsavval együtt. A szénsav képes semlegesíteni a hidroxidionokat, amelyek hozzáadásával a vér pH-ja megemelkedne. A bikarbonátion képes semlegesíteni a hidrogénionokat, amelyek hozzáadásakor csökkenne a vér pH-ja. Mind a pH-érték növelése, mind a csökkenése életveszélyes.
A szén-dioxid amellett, hogy alapvető puffer az emberi szervezetben, arról is ismert, hogy bizonyos határértéket meghaladó koncentrációban egészségügyi hatásokat okoz.
A szén-dioxid elsődleges egészségügyi veszélyei a következők:
– Fulladás. A szén-dioxid zárt vagy szellőzetlen térben történő felszabadulása okozza. Ez az oxigénkoncentrációt olyan szintre csökkentheti, amely közvetlenül veszélyes az emberi egészségre.
– Fagyás. A szilárd szén-dioxid normál légköri nyomáson mindig -78 oC alatt van, függetlenül a levegő hőmérsékletétől. Ennek az anyagnak a megfelelő védelem nélküli, egy-két másodpercnél hosszabb ideig történő kezelése súlyos hólyagokat és egyéb nem kívánt hatásokat okozhat. Az acélpalackból, például tűzoltó készülékből felszabaduló szén-dioxid gáz hasonló hatásokat okoz.
– Vesekárosodás vagy kóma. Ezt a karbonátpuffer kémiai egyensúlyának zavara okozza. Ha a szén-dioxid-koncentráció növekedése vagy csökkenése miatt az egyensúly felborul, életveszélyes helyzet alakulhat ki.