Obsah
- Čo je oxid uhličitý?
- Oxid uhličitý v metabolizme
- Oxid uhličitý a zmena podnebia
- Použitie CO2 v priemysle
Oxid uhličitý patrí medzi mnoho vedeckých pojmov, ktoré majú širokú škálu významov a podobne širokú škálu konotácií. Ak ste oboznámení s bunkovým dýchaním, možno viete, že plynný oxid uhličitý - CO2 - je odpadom z tejto série reakcií u zvierat, v ktorých je kyslík alebo kyslík2, je reaktant; možno tiež viete, že v rastlinách je tento proces v skutočnosti obrátený s CO2 slúži ako palivo pri fotosyntéze a O2 ako odpadový produkt.
Možno ešte slávnejšie je, že vďaka politike a vede o Zemi súčasného storočia, CO2 je známy tým, že je skleníkový plyn zodpovedný za pomoc pri zachytávaní tepla v zemskej atmosfére. CO2 je vedľajším produktom spaľovania fosílnych palív a následné otepľovanie planéty viedlo občanov Zeme k hľadaniu alternatívnych zdrojov energie.
Okrem týchto otázok, CO2 plyn, elegantne jednoduchá molekula, má množstvo ďalších biochemických a priemyselných funkcií, o ktorých by vedci vedy mali vedieť.
Čo je oxid uhličitý?
Oxid uhličitý je bezfarebný plyn bez zápachu pri izbovej teplote. Vždy, keď vydýchate, molekuly oxidu uhličitého opustia vaše telo a stanú sa súčasťou atmosféry. CO2 molekuly obsahujú jeden atóm uhlíka ohraničený dvoma atómami kyslíka, takže molekula má lineárny tvar:
O = C = O
Každý atóm uhlíka tvorí štyri väzby so svojimi susedmi v stabilných molekulách, zatiaľ čo každý atóm kyslíka tvorí dve väzby. Teda pri každej väzbe uhlík-kyslík v CO2 pozostáva z dvojitej väzby, to znamená z dvoch párov zdieľaných elektrónov - CO2 je vysoko stabilný.
Ako je zrejmé z periodickej tabuľky prvkov (pozri zdroje), molekulová hmotnosť uhlíka je 12 atómových hmotnostných jednotiek (amu), zatiaľ čo hmotnosť kyslíka je 16 amu. Molekulová hmotnosť oxidu uhličitého je teda 12 + 2 (16) = 44. Ďalším spôsobom, ako to vyjadriť, je povedať, že jeden mól CO2 má hmotnosť 44, pričom jeden mól zodpovedá 6,02 x 1023 jednotlivé molekuly. (Táto hodnota, známa ako Avogadrosovo číslo, je odvodená zo skutočnosti, že molekulová hmotnosť uhlíka je nastavená na presne 12 gramov, čo nám dvojnásobok počtu protónového uhlíka obsahuje a táto hmotnosť uhlíka obsahuje 6,02 × 1023 atómy uhlíka. Molekulová hmotnosť každého iného prvku bola štruktúrovaná okolo tohto štandardu.)
Oxid uhličitý môže tiež existovať ako kvapalina, stav, v ktorom sa používa ako chladivo, v hasiacich prístrojoch a pri výrobe sýtených nápojov, ako je sóda; a ako tuhá látka, v ktorej sa používa ako chladivo a pri kontakte s pokožkou môže spôsobiť omrzliny.
Oxid uhličitý v metabolizme
Oxid uhličitý je často nepochopený ako toxický, pretože sa často spája s zadusením a dokonca so stratami na životoch. Zatiaľ čo dostatočné úrovne CO2 môže byť v skutočnosti priamo toxický a spôsobiť zadusenie, čo sa zvyčajne stáva, že CO2 namiesto toho sa hromadí v dôsledku alebo v dôsledku zadusenia. Ak niekto z akéhokoľvek dôvodu prestane dýchať, CO2 už nie je vylúčený cez pľúca, a preto sa hromadí v krvnom riečisku, pretože nemá kam ísť. CO2 je preto znakom zadusenia. Zhruba rovnakým spôsobom nie je voda „toxická“ len preto, že môže viesť k utopeniu.
Iba malá časť atmosféry pozostáva z CO2 - asi 1 percento. Aj keď je to vedľajší produkt metabolizmu zvierat, je absolútne nevyhnutné, aby rastliny prežili a sú neoddeliteľnou súčasťou celosvetového uhlíkový cyklus, Rastliny prijímajú CO2, premieňajte ho v sérii reakcií na uhlík a kyslík a potom uvoľnite kyslík do atmosféry, pričom si zachováte uhlík vo forme glukózy, aby mohol žiť a rásť. Keď rastliny odumrú alebo sú spálené, ich uhlík sa spája s O2 vo vzduchu, tvoriaci CO2 a dokončenie uhlíkového cyklu.
Zvieratá produkujú oxid uhličitý rozkladom prijímaných uhľohydrátov, bielkovín a tukov v potrave. Všetky tieto látky sú metabolizované na glukózu, molekulu so šiestimi atómami uhlíka, ktorá potom vstupuje do buniek a nakoniec sa stáva oxidom uhličitým a vodou, pričom výsledná energia sa používa na podporu bunkových aktivít. K tomu dochádza procesom aeróbneho dýchania (často sa nazýva bunkové dýchanie, aj keď pojmy nie sú presne synonymné). Všetka glukóza, ktorá vstupuje do buniek prokaryotov (baktérií) a eukaryotov iných ako rastlín (živočíchov a húb), sa najskôr podrobí glykolýze, ktorá vytvára pár troch uhlíkových molekúl nazývaných pyruvát. Väčšina z toho vstupuje do Krebsovho cyklu vo forme acetyl CoA s dvoma atómami uhlíka, zatiaľ čo CO2 je oslobodený. Vysokoenergetické elektrónové nosiče NADH a FADH2 ktoré sa tvoria počas Krebsovho cyklu, sa potom vzdávajú elektrónov v prítomnosti kyslíka v reťazových reakciách elektrónového transportu, čo vedie k tvorbe veľkého množstva ATP, „energetickej meny“ buniek živých vecí.
Oxid uhličitý a zmena podnebia
CO2 je plyn zachytávajúci teplo. V mnohých ohľadoch je to dobrá vec, pretože bráni Zemi, aby stratila toľko tepla, že zvieratá, ako sú ľudia, nebudú schopné prežiť. Ale spaľovanie fosílnych palív od začiatku priemyselnej revolúcie v 19. storočí prinieslo značné množstvo CO2 plyn do atmosféry, čo vedie ku globálnemu otepľovaniu a jeho postupne sa zhoršujúcim účinkom.
Po mnoho tisíc rokov je atmosférická koncentrácia CO2 v atmosfére zostal medzi 200 a 300 dielmi na milión (ppm). Do roku 2017 stúpla na takmer 400 ppm, koncentrácia sa stále zvyšuje. Tento extra CO2 zachytáva teplo a spôsobuje zmenu podnebia. Prejavuje sa to nielen na stúpajúcich priemerných teplotách na celom svete, ale aj na stúpajúcich hladinách morí, ľadovcových topeniach, kyslejšej morskej vode, menších polárnych ľadovcoch a náraste počtu katastrofických udalostí (napríklad hurikánov). Všetky tieto problémy sú vzájomne prepojené a vzájomne závislé.
Medzi príklady fosílnych palív patrí uhlie, ropa (ropa) a zemný plyn. Tieto sa vytvárajú po milióny rokov, keď sa mŕtve rastliny a živočíšne materiály zachytia a zakopajú pod vrstvy hornín. Za priaznivých tepelných a tlakových podmienok sa táto organická hmota transformuje na palivo. Všetky fosílne palivá obsahujú uhlík a tieto sa spaľujú kvôli získaniu energie a uvoľňuje sa oxid uhličitý.
Použitie CO2 v priemysle
Plynný oxid uhličitý má rôzne využitie, čo je užitočné, pretože materiál je doslova všade. Ako už bolo uvedené, používa sa ako chladivo, aj keď to platí viac o tuhých a kvapalných formách. Používa sa tiež ako aerosólová hnacia látka, rodenticíd (t.j. jed na potkany), súčasť experimentov fyziky pri veľmi nízkych teplotách a ako obohacovacie činidlo vo vzduchu vo skleníkoch. Používa sa tiež pri štiepení ropných vrtov, pri niektorých typoch ťažby, ako moderátor v určitých jadrových reaktoroch a v špeciálnych laseroch.
Zaujímavý fakt: Prostredníctvom základných metabolických procesov budete produkovať asi 500 gramov CO2 v nasledujúcich 24 hodinách - ešte viac, ak ste aktívny. To je viac ako jedna libra neviditeľného plynu, ktorý sa iba krčí z nosa a úst, ako aj z pórov. Toto je v skutočnosti spôsob, ako ľudia schudnú v priebehu času, bez započítania vody (dočasných) strát.