Kohlendioxid

"CO2" leitet hier weiter. Für andere Verwendungen siehe CO2 (Disambiguierung).

Kohlendioxid
Structural formula of carbon dioxide with bond length
Ball-and-stick model of carbon dioxide
Space-filling model of carbon dioxide
Namen
Andere Namen
  • Kohlensäuregas
  • Kohlensäureanhydrid
  • Kohlenkörperdioxid
  • Kohlenstoff (iv) Oxid
  • R-744 (Kältemittel)
  • R744 (Kältemittel Alternative Rechtschreibung)
  • Trockeneis (feste Phase)
Kennungen
3D-Modell (Jsmol)
3dmet
1900390
Chebi
ChEMBL
Chemspider
Echa Infocard 100.004.271 Edit this at Wikidata
EC -Nummer
  • 204-696-9
E -Nummer E290 (Konservierungsstoffe)
989
Kegg
Gittergewebe Kohlendioxid
Pubchem Cid
RTECS -Nummer
  • FF6400000
Unii
UN -Nummer 1013 (Gas), 1845 (fest)
  • Inchi = 1s/CO2/C2-1-3 check
    Schlüssel: Curltugmzlldi-uhfffaoysa-n check
  • Inchi = 1/CO2/C2-1-3
    Schlüssel: Curltugmzlldi-uHfffaoyao
  • O = c = o
  • C (= o) = o
Eigenschaften
CO2
Molmasse 44.009g · mol–1
Aussehen Farbloses Gas
Geruch
  • Niedrige Konzentrationen: Keine
  • Hohe Konzentrationen: scharf; saur[1]
Dichte
  • 1562 kg/m3 (fest bei 1 atm (100 kPa) und –78,5 ° C (–109,3 ° F)))
  • 1101 kg/m3 (Flüssigkeit bei Sättigung –37 ° C (–35 ° F)))
  • 1.977 kg/m3 (Gas bei 1 atm (100 kPa) und 0 ° C (32 ° F)))
Kritischer Punkt (T, P)) 304.128 (15) k[2] (30,978 (15) ° C), 7.3773 (30) MPA[2] (72,808 (30) ATM))
194.6855 (30) K. (–78,4645 (30) ° C) bei 1 atm (0,101325MPA))
1.45 g/l bei 25 ° C (77 ° F), 100 kPa (0,99 atm)
Dampfdruck 5.7292 (30) MPA, 56,54 (30) atm (20 ° C (293.15 k))
Säure (pKa)) 6.35, 10.33
–20,5 · 10–6 cm3/mol
Wärmeleitfähigkeit 0,01662 W · m–1· K–1 (300 K (27 ° C; 80 ° F))[3]
1.00045
Viskosität
  • 14,90 μPA · s bei 25 ° C (298 K)[4]
  • 70 μPA · s bei –78,5 ° C (194,7 K)
0 D
Struktur
Trigonal
Linear
Thermochemie
37.135 J/k · mol
214 J · mol–1· K–1
–393.5 kj · mol–1
Pharmakologie
V03an02 (WER))
Gefahren
NFPA 704 (Feuerdiamant)
Tödliche Dosis oder Konzentration (LD, LC):
90.000 ppm (menschlich, 5 Mindest)[6]
Niosh (US -amerikanische Gesundheitsgrenzen):
PEL (Zulässig)
 TWA 5000 ppm (9000 mg/m3)[5]
Rel (Empfohlen)
 TWA 5000 ppm (9000 mg/m3), St 30.000 ppm (54.000 mg/m3)[5]
Idlh (Sofortige Gefahr)
 40.000 ppm[5]
Sicherheitsdatenblatt (SDS) Sigma-Aldrich
Verwandte Verbindungen
Sonstiges Anionen
Sonstiges Kationen
Verwandt Kohlenstoff Oxide
Verwandte Verbindungen
Ergänzende Datenseite
Kohlendioxid (Datenseite)
Sofern sonst sonst notiert, werden Daten für Materialien in ihren angegeben Standardzustand (bei 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Infobox -Referenzen

Kohlendioxid (chemische Formel CO2) ist ein chemische Verbindung als farblos auftreten Gas mit einer Dichte um etwa 53% höher als die von trockener Luft. Kohlendioxid Moleküle bestehen aus a Kohlenstoff Atom kovalent doppelt gebunden zu zwei Sauerstoff Atome. Es kommt natürlich vor In der Erdatmosphäre Als ein Spurengas. Die Stromkonzentration beträgt etwa 0,04% (417ppm) nach Volumen, nachdem er aus vorindustriellen Ebenen von 280 ppm gestiegen ist.[9][10] In Wasser bildet es eine saur Lösung aufgrund der Bildung von Kohlensäure (H2CO3). Zu den natürlichen Quellen gehören Vulkane, Waldbrände, heiße Quellen, Geysireund es wird von befreit Carbonatgesteine durch Auflösung in Wasser und Säuren. Da Kohlendioxid in Wasser löslich ist, kommt es natürlich in vor Grundwasser, Flüsse und Seen, Polkappen, Gletscher und Meerwasser. Es ist in Einlagen von vorhanden Petroleum und Erdgas. Kohlendioxid hat einen scharfen und sauren Geruch und erzeugt den Geschmack von Mineralwasser im Mund,[11] Aber bei normalerweise auftretenden Konzentrationen ist es geruchlos.[1]

Als Quelle für verfügbare Kohlenstoff in der Kohlenstoffzyklus, Atmosphärisches Kohlendioxid ist die primäre Kohlenstoffquelle für Leben auf der Erde und ihre Konzentration in der vorindustriellen Atmosphäre der Erde seit spät in der Precambrian wurde von geregelt von Photosynthese Organismen und geologische Phänomene. Pflanzen, Algen und Cyanobakterien verwenden Energie aus Sonnenlicht synthetisieren Kohlenhydrate aus Kohlendioxid und Wasser in einem Prozess namens Photosynthese, das Sauerstoff als Abfallprodukt erzeugt.[12] Wiederum wird Sauerstoff verbraucht und co2 wird von allen als Verschwendung freigesetzt Aerobische Organismen Wenn sie metabolisieren organische Verbindungen Energie produzieren durch Atmung.[13] Da Pflanzen CO erfordern2 Für die Photosynthese und Menschen und Tiere hängen von Pflanzen für Nahrung ab, co2 ist notwendig für das Überleben des Lebens auf Erden.

Es wird über die in Wasser zurückgegeben Fischkiemen und in die Luft über die Lungen von luftatmenden Landtieren, einschließlich Menschen. Kohlendioxid wird während der Prozesse von produziert Verfall von organischen Materialien und der Fermentation von Zucker in brot, Bier und Wein Herstellung. Es wird durch Verbrennung von produziert Holz, Torf und andere organische Materialien und fossile Brennstoffe wie zum Beispiel Kohle, Erdöl und Erdgas. Es ist ein unerwünschtes Nebenprodukt in vielen großen Maßstäben Oxidation Prozesse zum Beispiel bei der Produktion von Acrylsäure (über 5 Millionen Tonnen pro Jahr).[14][15][16]

Es ist ein vielseitiges industrielles Material, das zum Beispiel als Inertgas beim Schweißen verwendet wird und Feuerlöscher, als Druckgas in Luftpistolen und Ölrückgewinnung, als chemischer Ausgangsmaterial und als überkritisches Flüssigkeitslösungsmittel bei der Entkoffeination von Kaffee und überkritischer Trocknen.[17] Es wird zu Trinkwasser hinzugefügt und kohlensäurehaltige Getränke einschließlich Bier und Schaumwein hinzufügen Auffrischung. Die gefrorene feste Form von CO2, bekannt als Trockeneis, wird als Kältemittel und als Schleifmittel in verwendet Trockeneis strahlen. Es ist ein Ausgangspunkt für die Synthese von Kraftstoffen und Chemikalien.[18][19][20][21]

Kohlendioxid ist das bedeutendste langlebigste Treibhausgase in Erdatmosphäre. Seit der Industrielle Revolution, anthropogene Emissionen - hauptsächlich aus der Verwendung fossiler Brennstoffe und Abholzung- haben seine Konzentration in der Atmosphäre schnell erhöht und führt zu Erderwärmung. Kohlendioxid verursacht auch Ozeanversauerung wie es sich leicht in Wasser auflöst, um sich zu formen Kohlensäure.[22]

Geschichte

Kristallstruktur von Trockeneis

Kohlendioxid war das erste Gas, das als diskrete Substanz beschrieben wurde. Um 1640,[23] das flämisch Chemiker Jan Baptist van Helmont beobachtete das, als er brannte Holzkohle in einem geschlossenen Schiff die Masse der resultierenden Asche war viel weniger als die der ursprünglichen Holzkohle. Seine Interpretation war, dass der Rest der Holzkohle in eine unsichtbare Substanz umgewandelt worden war, die er als "Gas" oder "wildem Geist" bezeichnete ("Gas" oder "Wildg Spirit" (Spiritus Sylvestris).[24]

Die Eigenschaften von Kohlendioxid wurden in den 1750er Jahren von der weiter untersucht schottisch Arzt Joseph Black. Er fand das Kalkstein (Kalziumkarbonat) könnte erhitzt oder behandelt werden Säuren Um ein Gas zu erhalten, nannte er "feste Luft". Er beobachtete, dass die feste Luft dichter war als Luft und stützte weder Flammen noch Tierleben. Schwarz fand das auch, als er durchblutete Kalkwasser (eine gesättigte wässrige Lösung von Kalziumhydroxid), es würde Präzipitat Kalziumkarbonat. Er verwendete dieses Phänomen, um zu veranschaulichen, dass Kohlendioxid durch tierische Atmung und mikrobielle Fermentation erzeugt wird. 1772 englischer Chemiker Joseph Priestley veröffentlichte ein Papier mit dem Titel Imprägnierenden Wasser mit fester Luft in dem er einen Prozess des Tropfens beschrieb Schwefelsäure (oder Öl von Vitriol Wie Priestley es wusste) auf Kreide, um Kohlendioxid zu produzieren und das Gas zu zwingen, sich aufzulösen, indem eine Wasserschüssel in Kontakt mit dem Gas aufgeregt wird.[25]

Kohlendioxid wurde 1823 zuerst verflüssige (bei erhöhten Drücken) durch Humphry Davy und Michael Faraday.[26] Die früheste Beschreibung von festem Kohlendioxid (Trockeneis) wurde vom französischen Erfinder gegeben Adrien-Jean-Pierre Thilorier, der 1835 einen Druckbehälter aus flüssigem Kohlendioxid eröffnete, nur um festzustellen2.[27][28]

Chemische und physikalische Eigenschaften

Struktur, Bindung und molekulare Schwingungen

Siehe auch: Molekular Orbital -Diagramm § Kohlendioxid

Das Symmetrie eines Kohlendioxidmoleküls ist linear und Zentrosymmetrie bei seiner Gleichgewichtsgeometrie. Das Länge des Kohlenstoffoxygenbindung In Kohlendioxid beträgt 116,3PM, merklich kürzer als die ungefähr 140-pm-Länge einer typischen Einzel-C-O-Bindung und kürzer als die meisten anderen C-O-Multiplikationsbindungen funktionelle Gruppen wie zum Beispiel Carbonyls.[29] Da es zentrosymmetrisch ist, hat das Molekül keine Elektrischer Dipolmoment.

Oszillationen ausdehnen und biegen des co2 Kohlendioxidmolekül. Oben links: Symmetrische Dehnung. Oben rechts: Antisymmetrische Dehnung. Untere Linie: Entartes Paar Biegemodi.

Als lineares triatomisches Molekül, CO2 hat vier Schwingungsmodi Wie im Diagramm gezeigt. In den symmetrischen und antisymmetrischen Streckmodi bewegen sich die Atome entlang der Achse des Moleküls. Es gibt zwei Biegemodi, die sind degenerieren, was bedeutet, dass sie aufgrund der Symmetrie des Moleküls die gleiche Frequenz und gleiche Energie haben. Wenn ein Molekül eine Oberfläche berührt oder ein anderes Molekül berührt, können sich die beiden Biegemodi in der Frequenz unterscheiden, da die Wechselwirkung für die beiden Modi unterschiedlich ist. Einige der Schwingungsmodi werden in der beobachtet Infrarot -Spektrum: der antisymmetrische Dehnungsmodus bei Wellenzahl 2349 cm–1 (Wellenlänge 4,25 μm) und das degenerierte Paar Biegemodi bei 667 cm–1 (Wellenlänge 15 μm). Der symmetrische Dehnungsmodus erzeugt keinen elektrischen Dipol und wird in der IR -Spektroskopie nicht beobachtet, aber er wird in durch nachgewiesen Raman -Spektroskopie bei 1388 cm–1 (Wellenlänge 7,2 μm).[30]

In der Gasphase erfahren Kohlendioxidmoleküle erhebliche Schwingungsbewegungen und behalten keine feste Struktur. Jedoch in a Coulomb -Explosionsbildgebung Experiment kann ein sofortiges Bild der molekularen Struktur abgeleitet werden. Ein solches Experiment[31] wurde für Kohlendioxid durchgeführt. Das Ergebnis dieses Experiments und die Schlussfolgerung theoretischer Berechnungen[32] basierend auf einem ab Initio potentielle Energieoberfläche des Moleküls ist, dass keines der Moleküle in der Gasphase immer genau linear ist.

In wässriger Lösung

Siehe auch: Kohlensäure

Kohlendioxid ist löslich in Wasser, in dem es sich reversibel bildet H
2CO
3 (Kohlensäure), das ist a schwache Säure da ist seine Ionisation in Wasser unvollständig.

CO
2 + H
2O ⇌ H
2CO
3

Das Hydratationsgleichgewichtskonstante von Kohlensäure ist (bei 25 ° C). Daher wird der Großteil des Kohlendioxids nicht in Kohlensäure umgewandelt, sondern bleibt als co2 Moleküle, die den pH -Wert nicht beeinflussen.

Die relativen Konzentrationen von CO
2, H
2CO
3, und die deprotoniert Formen HCO−
3 (Bikarbonat) und CO2–
3(Karbonat) Abhängig von der pH. Wie in a gezeigt Bjerrum -PlotIn neutralem oder leicht alkalischem Wasser (pH> 6,5) überwiegt die Bicarbonat -Form (> 50%) am häufigsten im pH -Wert des Meerwassers zum am häufigsten vorkommenden (> 95%). In sehr alkalischem Wasser (pH> 10,4) ist die vorherrschende (> 50%) Form Carbonat. Die Ozeane, die leicht alkalisch mit typischem pH = 8,2–8,5 sind, enthalten etwa 120 mg Bicarbonat pro Liter.

Sein diprotischCarbonsäure hat zwei Säure -Dissoziationskonstanten, der erste für die Dissoziation in das Bicarbonat (auch als Hydrogencarbonat genannt) (HCO3−):

H2CO3 ⇌ HCO3− + H+
KA1 = 2.5×10–4mol/l; pKA1 = 3,6 bei 25 ° C.[29]

Dies ist das Stimmt Erste Säure -Dissoziationskonstante, definiert als , wo der Nenner nur kovalent gebunden h enthält H.2CO3 und beinhaltet keine hydratisierte CO2(aq). Der viel kleinere und oft zitierte Wert in der Nähe 4.16×10–7 ist ein ersichtlich Wert berechnet auf der (falschen) Annahme, dass alle gelöst wurden2 ist als Kohlensäure vorhanden, so dass das . Seit dem größten Teil der aufgelösten CO2 bleibt wie co2 Moleküle, KA1(scheinbar) hat einen viel größeren Nenner und einen viel kleineren Wert als der wahre KA1.[33]

Das Bicarbonat -Ion ist ein Amphoter Spezies, die je nach pH -Wert der Lösung als Säure oder als Basis wirken können. Bei hohem pH dissoziiert es erheblich in die Karbonat Ion (co32–):

HCO3− ⇌ co32– + H+
KA2 = 4.69×10–11mol/l; pKA2 = 10.329

In Organismen wird die Carbonsäureproduktion durch die katalysiert Enzym, Carboanhydrase.

Chemische Reaktionen von CO2

CO2 ist ein wirksames Elektrophil eine elektrophile Reaktivität haben, die vergleichbar ist mit Benzaldehyd oder stark α, β-ungesättigte Carbonylverbindungen. Im Gegensatz zu Elektrophilen ähnlicher Reaktivität die Reaktionen von Nucleophilen mit CO jedoch2 sind thermodynamisch weniger bevorzugt und sind oft als stark reversibel.[34] Nur sehr starke Nucleophile wie die Karbanionen zur Verfügung gestellt von Grignard -Reagenzien und Organolithiumverbindungen reagieren mit co2 geben Carboxylate:

MR + co2 → Rco2M
wo m = Li oder Mg Br und r = Alkyl oder Aryl.

Im Metallkohlendioxidkomplexe, Co2 dient als a Ligand, was die Umwandlung von co erleichtern kann2 zu anderen Chemikalien.[35]

Die Reduktion von CO2 zu CO ist normalerweise eine schwierige und langsame Reaktion:

CO2 + 2 e− + 2h+ → co + h2O

Photoautotrophen (d.h. Pflanzen und Cyanobakterien) Verwenden Sie die im Sonnenlicht enthaltene Energie zu Photosynthese einfach Zucker von co2 aus Luft und Wasser absorbiert:

n CO2 + n H
2O → (CH
2Ö)
n + n O
2

Das Redoxpotential für diese Reaktion in der Nähe von pH 7 beträgt etwa –0,53 V gegen das Standard -Wasserstoffelektrode. Das nickelhaltige Enzym Kohlenmonoxiddehydrogenase katalysiert diesen Prozess.[36]

Physikalische Eigenschaften

Weitere Informationen: Kohlendioxiddaten
Pellets aus "Trockeneis", eine gemeinsame Form von festem Kohlendioxid

Kohlendioxid ist farblos. Bei niedrigen Konzentrationen ist das Gas geruchlos; Bei ausreichend hohen Konzentrationen hat es jedoch einen scharfen, sauren Geruch.[1] Bei Standardtemperatur und DruckDie Dichte von Kohlendioxid beträgt etwa 1,98 kg/m3ca. 1,53 -mal das von Luft.[37]

Kohlendioxid hat bei Drücken unten keinen flüssigen Zustand 0,51795(10) MPA[2] (5.11177(99) atm). Bei einem Druck von 1 Geldautomat (0,101325MPA), das Gas Einlagen direkt zu einem Feststoff bei Temperaturen unten 194.6855 (30) K.[2] (–78,4645 (30) ° C) und der Feststoff Sublimes direkt zu einem Gas über dieser Temperatur. Kohlendioxid wird in seinem Festzustand allgemein genannt Trockeneis.

Druck -Temperatur Phasendiagramm von Kohlendioxid. Beachten Sie, dass es sich um ein Protokoll-Lin-Diagramm handelt.

Flüssiges Kohlendioxid Formen nur bei Druck Oben 0,51795(10) MPA[2] (5.11177(99) atm); das dreifacher Punkt von Kohlendioxid ist 216.592 (3) k[2] (–56,558 (3) ° C) bei 0,51795(10) MPA[2] (5.11177(99) atm) (Siehe Phasendiagramm). Das kritischer Punkt ist 304.128 (15) k[2] (30,978 (15) ° C) bei 7.3773 (30) MPA[2] (72,808 (30) ATM). Eine andere Form von festem Kohlendioxid, das bei hohem Druck beobachtet wird, ist ein amorph Glasähnlich fest.[38] Diese Form von Glas, genannt Carbonia, wird von produziert von Unterkühlung beheizte co2 bei extremem Druck (40–48GPA, oder ungefähr 400.000 Atmosphären) in a Diamantanvil. Diese Entdeckung bestätigte die Theorie, dass Kohlendioxid in einem Glaszustand existieren könnte, der anderen Mitgliedern ihrer Elementarfamilie ähnelt, wie Siliciumdioxid (Kieselglas) und Germanium -Dioxid. Im Gegensatz zu Siliciumdioxid- und Germaniengläser ist Carbonia -Glas jedoch bei normalen Drücken nicht stabil und kehrt beim Lösen von Gas zurück.

Bei Temperaturen und Drücken über dem kritischen Punkt verhält sich Kohlendioxid wie a superkritische Flüssigkeit bekannt als Superkritischer Kohlendioxid.

Isolation und Produktion

Kohlendioxid kann durch erhalten werden Destillation Aus Luft, aber die Methode ist ineffizient. Industriell ist Kohlendioxid überwiegend ein nicht weitergeleitetes Abfallprodukt, das nach verschiedenen Methoden hergestellt wird, die auf verschiedenen Maßstäben praktiziert werden können.[39]

Das Verbrennung von allen Kraftstoffe auf Kohlenstoffbasis, wie zum Beispiel Methan (Erdgas), Erdöldestillate (Benzin, Diesel-, Kerosin, Propan), Kohle, Holz und generische organische Substanz erzeugen Kohlendioxid und, außer im Fall von reinem Kohlenstoff, Wasser. Als Beispiel die chemische Reaktion zwischen Methan und Sauerstoff:

CH
4 + 2 O
2 → CO
2 + 2 H
2O

Eisen wird von seinen Oxiden mit reduziert Koks in einem Hochofen, produzieren Roheisen und Kohlendioxid:[40]

Kohlendioxid ist ein Nebenprodukt der industriellen Produktion von Wasserstoff durch Dampfreformierung und die Reaktion der Wassergasverschiebung in Ammoniakproduktion. Diese Prozesse beginnen mit der Reaktion von Wasser und Erdgas (hauptsächlich Methan).[41] Dies ist eine Hauptquelle für Kohlendioxid für Lebensmittelqualität zur Verwendung bei der Kohlensäure von Bier und alkoholfreie Getränkeund wird auch für atemberaubende Tiere verwendet, wie z. Geflügel. Im Sommer 2018 entstand in Europa ein Mangel an Kohlendioxid für diese Zwecke aufgrund der vorübergehenden Abschaltung mehrerer Ammoniakanlagen zur Erhaltung.[42]

Karbonate

Es wird durch thermische Zersetzung von Kalkstein produziert, Caco
3 durch Erhitzen (Berechnung) bei etwa 850 ° C (1,560 ° F) bei der Herstellung von Quicklime (Calciumoxid, Cao), eine Verbindung, die viele industrielle Verwendungszwecke hat:

Caco
3 → Cao + CO
2

Säuren befreien co2 aus den meisten Metallcarbonaten. Folglich kann es direkt aus natürlichen Kohlendioxid erhalten werden Federn, wo es durch die Wirkung von angesäuertem Wasser an erzeugt wird Kalkstein oder Dolomit. Die Reaktion zwischen Salzsäure und Calciumcarbonat (Kalkstein oder Kreide) ist unten dargestellt:

Caco
3 + 2 HCl → CaCl
2 + H
2CO
3

Das Kohlensäure (H
2CO
3) dann zersetzt sich auf Wasser und Co.2:

H
2CO
3 → CO
2 + H
2O

Solche Reaktionen werden von Schäumen oder Blasen oder beides begleitet, wenn das Gas freigesetzt wird. Sie haben in der Industrie weit verbreitete Verwendungszwecke, da sie verwendet werden können, um Abfallsäureströme zu neutralisieren.

Fermentation

Kohlendioxid ist ein Nebenprodukt der Fermentation von Zucker in der Brauen von Bier, Whiskey und andere alkoholische Getränke und in der Produktion von Bioethanol. Hefe metabolisiert Zucker, um CO zu produzieren2 und Ethanol, auch als Alkohol bekannt, wie folgt:

C
6H
12O
6 → 2 CO
2 + 2 C
2H
5OH

Alle aerob Organismen produzieren co2 Wenn sie oxidieren Kohlenhydrate, Fettsäuren, und Proteine. Die große Anzahl der beteiligten Reaktionen ist außerordentlich komplex und nicht leicht beschrieben. Beziehen auf (Zellatmung, anaerobe Atmung und Photosynthese). Die Gleichung für die Atmung von Glukose und anderen Monosaccharide ist:

C
6H
12O
6 + 6 O
2 → 6 CO
2 + 6 H
2O

Anaerobe Organismen zersetzen organisches Material, das Methan und Kohlendioxid zusammen mit Spuren anderer Verbindungen produziert.[43] Unabhängig von der Art des organischen Materials folgt die Produktion von Gasen gut definiert kinetisches Muster. Kohlendioxid umfasst etwa 40–45% des Gas, das aus der Zersetzung in Deponien ausgeht (bezeichnet ".Deponie Gas"). Der größte Teil der verbleibenden 50–55% ist Methan.[44]

Anwendungen

Kohlendioxid wird von der Lebensmittelindustrie, der Ölindustrie und der chemischen Industrie verwendet.[39] Die Verbindung hat unterschiedliche kommerzielle Verwendungszwecke, aber eine ihrer größten Verwendungszwecke als Chemikalie ist die Produktion von kohlensäurehaltigen Getränken. Es liefert das Glanz in kohlensäurehaltigen Getränken wie Soda -Wasser, Bier und funkelnden Wein.

Vorläufer von Chemikalien

In der chemischen Industrie wird Kohlendioxid hauptsächlich als Bestandteil der Produktion von konsumiert Harnstoff, wobei ein kleinerer Teil zur Herstellung verwendet wird Methanol und eine Reihe anderer Produkte.[45] Einige Carboxsäurerivate wie z. Natriumsalicylat werden mit co hergestellt2 bis zum Kolbe-Schmitt-Reaktion.[46]

Zusätzlich zu herkömmlichen Prozessen mit CO2 Für die chemische Produktion werden auch elektrochemische Methoden auf Forschungsebene untersucht. Insbesondere die Nutzung erneuerbarer Energien für die Herstellung von Kraftstoffen aus CO2 (wie Methanol) ist attraktiv, da dies zu Brennstoffen führen kann, die leicht transportieren und in konventionellen Verbrennungstechnologien verwendet werden könnten, aber kein Netto -CO haben könnten2 Emissionen.[47]

Landwirtschaft

Pflanzen benötigen Kohlendioxid, um Photosynthese durchzuführen. Die Atmosphären von Gewächshäusern können (wenn von großer Größe, müssen) mit zusätzlichem CO angereichert werden2 die Rate des Pflanzenwachstums aufrechterhalten und erhöhen.[48][49] In sehr hohen Konzentrationen (100 -mal atmosphärische Konzentration oder höher) kann Kohlendioxid für die Lebensdauer toxisch sein. Daher werden die Konzentration auf 10.000 ppm (1%) oder mehr für mehrere Stunden angehoben, die Schädlinge wie z. Weißfliegen und Spinnenmilben in einem Gewächshaus.[50]

Lebensmittel

Kohlendioxidblasen in einem Erfrischungsgetränk Blasen

Kohlendioxid ist a Lebensmittelzusatz Wird als Treibmittel- und Säureregulierungsbehörde in der Lebensmittelindustrie verwendet. Es ist für die Verwendung in der EU zugelassen[51] (aufgeführt als E -Nummer E290), wir[52] und Australien und Neuseeland[53] (aufgeführt von seinem INS -Nummer 290).

Eine Süßigkeit rief Pop rockt wird mit Kohlendioxidgas unter Druck gesetzt[54] bei ca. 4.000KPA (40Bar; 580Psi). Wenn es in den Mund gelegt wird, löst es sich (genau wie andere harte Süßigkeiten) auf und löst die Gasblasen mit einem hörbaren Pop frei.

Sauerteig -Agenten Lassen Sie den Teig steigen, indem Sie Kohlendioxid produzieren.[55] Bäckerhefe erzeugt Kohlendioxid durch Fermentation von Zucker im Teig Backpulver und Backsoda Kohlendioxid freisetzen, wenn sie erhitzt werden oder wenn sie ausgesetzt werden Säuren.

Getränke

Kohlendioxid wird zur Herstellung verwendet mit Kohlensäure alkoholfreie Getränke und Mineralwasser. Traditionell kam die Kohlensäure von Bier und funkelnden Wein durch natürliche Fermentation, aber viele Hersteller, die diese Getränke mit Kohlendioxid aus dem Fermentationsprozess erholt wurden. Bei abgefülltem und keggiertem Bier ist die häufigste Methode die Carbonation mit recyceltem Kohlendioxid. Mit Ausnahme von Briten Real Ale, Fassbier wird normalerweise von Fass in einem kalten Raum oder Keller übersetzt, um mit Druckdioxid mit Stickstoff gemischt zu werden.

Der Geschmack von Soda -Wasser (und verwandte Geschmacksempfindungen in anderen kohlensäurehaltigen Getränken) ist eher eine Auswirkung des gelösten Kohlendioxids als des Gasblasens. Kohlensäureanhydrase 4 konvertiert zu Kohlensäure führt zu a sauer Geschmack und auch das gelöste Kohlendioxid induziert a Somatosensor Antwort.[56]

Wein machen

Trockeneis zur Erhaltung von Trauben nach der Ernte

Kohlendioxid in Form von Trockeneis wird oft während der kalten Einweihphase in verwendet Wein machen zu kühlen Cluster von Trauben schnell nach der Auswahl, um spontan zu verhindern Fermentation von Wild Hefe. Der Hauptvorteil der Verwendung von Trockeneis über Wassereis besteht darin, dass es die Trauben abkühlt, ohne zusätzliches Wasser hinzuzufügen, das die Zuckerkonzentration in der verringert Traube mussund so die Alkohol Konzentration im fertigen Wein. Kohlendioxid wird auch verwendet, um eine hypoxische Umgebung für zu schaffen Karabonakmaation, der Prozess zur Herstellung Beaujolais Wein.

Kohlendioxid wird manchmal verwendet, um Weinflaschen oder andere aufzufüllen Lagerung Gefäße wie Fässer, um Oxidation zu verhindern, obwohl es das Problem hat, dass es sich in den Wein auflösen kann, wodurch ein bisher noch stiller Wein etwas sprudelnd ist. Aus diesem Grund andere Gase wie Stickstoff- oder Argon werden für diesen Prozess von professionellen Weinherstellern bevorzugt.

Atemberaubende Tiere

Kohlendioxid wird häufig verwendet, um Tiere vor dem Schlachten zu "betäuben".[57] "Atemberaubend" kann eine Fehlbezeichnung sein, da die Tiere nicht sofort ausgeschlagen werden und möglicherweise in Not erkranken.[58][59]

Inertgas

Kohlendioxid ist eine der am häufigsten verwendeten Druckgase für pneumatische (Druckgas-) Systeme in tragbaren Druckwerkzeugen. Kohlendioxid wird auch als Atmosphäre für verwendet SchweißenObwohl im Schweißbogen, reagiert es auf oxidieren die meisten Metalle. Die Verwendung in der Automobilindustrie ist häufig, obwohl wesentliche Hinweise darauf, dass Schweißnähte in Kohlendioxid mehr sind spröde als die in träge atmosphären. Wenn verwendet MIG -Schweißen, Co2 Die Verwendung wird manchmal als MAG -Schweißen für Metall -Aktivgas als Co bezeichnet2 kann bei diesen hohen Temperaturen reagieren. Es neigt dazu, eine heißere Pfütze zu produzieren als wirklich inerte Atmosphären, was die Flusseigenschaften verbessert. Dies kann jedoch auf atmosphärische Reaktionen zurückzuführen sein, die an der Pfütze auftreten. Dies ist normalerweise das Gegenteil des gewünschten Effekts beim Schweißen, da es dazu neigt, die Stelle zu verlegen, aber möglicherweise kein Problem für das allgemeine Weichstahlschweißen ist, bei dem die endgültige Duktilität kein Hauptanliegen darstellt.

Kohlendioxid wird in vielen Konsumgütern verwendet, die Druckgas erfordern, da es kostengünstig und nicht flammbar ist. Da es bei Raumtemperatur bei einem erreichbaren Druck von ca. 60 einen Phasenübergang von Gas zu Flüssigkeit unterliegtBar (870Psi; 59Geldautomat), und viel mehr Kohlendioxid in einen bestimmten Behälter zuzulassen als sonst. Lebensjacken enthalten häufig Kanister mit gedruckter Kohlendioxid zur schnellen Inflation. Aluminium Kapseln von co2 werden auch als Lieferungen von Druckgas für verkauft Luftgewehre, Paintball Markierungen/Waffen, aufblasen Fahrradreifen und zur Herstellung kohlensäurehaltiges Wasser. Hohe Konzentrationen an Kohlendioxid können auch verwendet werden, um Schädlinge abzutöten. Flüssiges Kohlendioxid wird in verwendet überkritischer Trocknen von einigen Lebensmittelprodukten und technologischen Materialien bei der Zubereitung von Exemplaren für Rasterelektronenmikroskopie[60] und in der Entschaffenheit von Kaffeebohnen.

Feuerlöscher

Verwendung eines CO2 Feuerlöscher

Kohlendioxid kann verwendet werden, um Flammen zu löschen, indem die Umwelt um die Flamme mit dem Gas überflutet wird. Es reagiert nicht selbst auf das Löschen der Flamme, sondern verhungert die Flamme des Sauerstoffs, indem sie sie verdrängt. Etwas Feuerlöscher, besonders für diejenigen, für die elektrische Brände, enthalten flüssiger Kohlendioxid unter Druck. Kohlendioxidlöscher funktionieren gut auf kleinen brennbaren flüssigen und elektrischen Bränden, jedoch nicht auf gewöhnlichen brennbaren Bränden atmosphärischer Sauerstoff. Sie werden hauptsächlich in Serverräumen verwendet.[61]

Kohlendioxid wurde auch häufig als Löschmittel in festen Brandschutzsystemen für die lokale Anwendung spezifischer Gefahren und die Gesamtüberschwemmung eines geschützten Raums verwendet.[62] International Maritime Organization Standards erkennen Kohlendioxidsysteme für den Brandschutz von Schiffsbeständen und Motorräumen. Kohlendioxidbasierte Brandschutzsysteme wurden mit mehreren Todesfällen in Verbindung gebracht, da dies in ausreichend hohen Konzentrationen Ersticken verursachen kann. Eine Überprüfung von CO2 Systeme identifizierten 51 Vorfälle zwischen 1975 und dem Datum des Berichts (2000) und verursachten 72 Todesfälle und 145 Verletzungen.[63]

Superkritischer co2 als Lösungsmittel

Siehe auch: Superkritischer Kohlendioxid und Grüne Chemie

Flüssiges Kohlendioxid ist gut Lösungsmittel für viele lipophil organische Verbindungen und wird verwendet, um zu entfernen Koffein aus Kaffee.[17] Kohlendioxid hat in der Aufmerksamkeit erregt pharmazeutisch und andere chemische Verarbeitungsindustrien als weniger toxische Alternative zu traditionelleren Lösungsmitteln wie z. Organochloride. Es wird auch von einigen verwendet Trockenreiniger deshalb. Es wird bei der Herstellung einiger verwendet Aerogele Wegen der Eigenschaften von überkritischem Kohlendioxid.

Medizinische und pharmakologische Anwendungen

In der Medizin wird bis zu 5% Kohlendioxid (130 -mal atmosphärische Konzentration) zum Sauerstoff zur Stimulierung des Atmens zugesetzt Apnoe und um das zu stabilisieren O
2/Co
2 Gleichgewicht im Blut.

Kohlendioxid kann mit bis zu 50% Sauerstoff gemischt werden und bilden ein inhalierbares Gas. Dies ist bekannt als als Karbogen und hat eine Vielzahl von Medizin- und Forschungsnutzungen.

Ein weiterer medizinischer Gebrauch sind die Mofette, trockene Spas, die Kohlendioxid aus post-vulkanischer Entladung für therapeutische Zwecke verwenden.

Energie

Superkritischer co2 wird als Arbeitsflüssigkeit in der verwendet Allam -Stromzyklus Motor.

Erholung fossiler Brennstoffe

Kohlendioxid wird in verwendet Verbesserte Ölrückgewinnung wo es in oder an die produzierende Ölbohrungen injiziert wird, normalerweise unter überkritisch Bedingungen, wenn es wird mischbar mit dem Öl. Dieser Ansatz kann die ursprüngliche Ölrückgewinnung erhöhen, indem die Restölsättigung um 7% bis 23% zusätzlich reduziert wird Primärextraktion.[64] Es fungiert sowohl als Druckmittel als auch als unterirdisch aufgelöst Rohöl, reduziert die Viskosität erheblich und wechselt die Oberflächenchemie, sodass das Öl schneller durch das Reservoir zur Entfernung fließen kann.[65] In reifen Ölfeldern werden umfangreiche Rohrnetzwerke verwendet, um das Kohlendioxid zu den Injektionspunkten zu tragen.

Im Verbesserte Kohlebettmethan -Erholung, Kohlendioxid würde in die Kohleflöze gepumpt, um Methan zu verdrängen, im Gegensatz zu aktuellen Methoden, die hauptsächlich auf der Entfernung von Wasser (um Druck zu reduzieren) beruhen, um die Kohlefeigung ihr eingeschlossenes Methan freizusetzen.[66]

Bioumwandlung in Brennstoff

Hauptartikel: CO2 -Erfassung und -nutzung

Es wurde vorgeschlagen, dass co2 von der Stromerzeugung in Teiche gebrochen werden, um das Wachstum von zu stimulieren Algen das könnte dann in konvertiert werden Biodiesel Treibstoff.[67] Ein Stamm der Cyanobacterium Synechococcus elongatus wurde gentechnisch konstruiert, um die Kraftstoffe zu produzieren Isobutyraldehyd und Isobutanol von co2 Verwenden von Photosynthese.[68]

Forscher haben ein Prozess entwickelt, das als Elektrolyse bezeichnet wird, unter Verwendung von Enzymen, die von Bakterien isoliert wurden, um die chemischen Reaktionen auszusetzen, die CO konvertieren2 in Kraftstoffe.[69][70][71]

Kältemittel
Siehe auch: Kältemittel und Nachhaltige Automobilklimaanlage
Vergleich der Druck-Temperaturphasen-Phasendiagramme von Kohlendioxid (rot) und Wasser (blau) als Log-Lin-Diagramm mit Phasenübergängen bei 1 Atmosphäre

Flüssiges und festes Kohlendioxid sind wichtig Kältemittelinsbesondere in der Lebensmittelindustrie, wo sie während des Transports und der Lagerung von Eis und anderen gefrorenen Lebensmitteln beschäftigt sind. Festes Kohlendioxid wird als "Trockeneis" bezeichnet und wird für kleine Sendungen verwendet, bei denen Kühlgeräte nicht praktisch sind. Festes Kohlendioxid liegt bei normalem atmosphärischem Druck immer unter –78,5 ° C (–109,3 ° F), unabhängig von der Lufttemperatur.

Flüssiges Kohlendioxid (Branchennomenklatur R744 oder R-744) wurde vor der Verwendung als Kältemittel verwendet Dichlorodifluormethan (R12, a Chlorfluorkohlenwasserstoff (Vgl.) Verbindung). CO2 Könnte eine Renaissance genießen, weil einer der Hauptersatz für CFCs, 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a, a Hydrofluorkohlenwasserstoff (HFC) Verbindung) trägt zu Klimawandel mehr als co2 tut. CO2 Physikalische Eigenschaften sind für Kühl-, Kühl- und Heizzwecke von hoher volumetrischer Kühlkapazität von großer Bedeutung. Aufgrund der Notwendigkeit, bei Drücken von bis zu 130 bar; 13.000 kPa) zu arbeiten, CO2 Systeme erfordern hoch mechanisch resistente Reservoire und Komponenten, die bereits für die Massenproduktion in vielen Sektoren entwickelt wurden. In der Automobilklimaanlage, in mehr als 90% aller Antriebsbedingungen für Breiten über 50 °, co2 (R744) arbeitet effizienter als Systeme unter Verwendung von HFCs (z. B. R134A). Seine Umweltvorteile (GWP Von 1 könnte es unter anderem die zukünftige Arbeitsflüssigkeit ersetzen, von nicht-Ozone-Abbau, ungiftigem, nicht flammbarem) zukünftiger Arbeitsflüssigkeit zu ersetzen. Coca Cola hat co2-basierte Getränkkühler und die US-Armee interessiert sich für co2 Kühl- und Heiztechnologie.[72][73]

Kleinere Verwendungen

A Kohlendioxidlaser

Kohlendioxid ist das Lasermedium in einem Kohlendioxidlaser, was einer der frühesten Laserstypen ist.

Kohlendioxid kann als Mittel zur Steuerung der verwendet werden pH von Schwimmbädern,[74] Durch kontinuierliches Hinzufügen von Gas zum Wasser und so den pH -Wert steigt. Zu den Vorteilen davon gehört die Vermeidung von (gefährlicheren) Handhabungssäuren. In ähnlicher Weise wird es auch in der Wartung verwendet Riffaquaria, wo es allgemein in verwendet wird in Kalziumreaktoren den pH -Wert des Wassers vorübergehend übertragen zu haben Kalziumkarbonat Um es dem Calciumcarbonat zu ermöglichen, sich frei ins Wasser aufzulösen, wo es von einigen verwendet wird Korallen ihr Skelett bauen.

Wird als Hauptkühlmittel in den Briten verwendet Fortgeschrittener gasgekühlter Reaktor für die Erzeugung von Kernenergie.

Die Kohlendioxidinduktion wird üblicherweise für die Euthanasie von Laborforschungstieren verwendet. Methoden zur Verwaltung von CO2 Geben Sie Tiere direkt in eine geschlossene, vorgefüllte Kammer mit CO ein2, oder Exposition gegenüber einer allmählich zunehmenden Konzentration von CO2. Das American Veterinary Medical Association's 2020 Richtlinien für Kohlendioxidinduktions geben an, dass eine Verschiebungsrate von 30% bis 70% des Kammer- oder Käfigvolumens pro Minute für die humane Sterbehilfe von kleinen Nagetieren optimal ist.[75]: 5, 31 Prozentsätze von co2 variieren für verschiedene Arten, basierend auf identifizierten optimalen Prozentsätzen zur Minimierung von Belastungen.[75]: 22

Kohlendioxid wird auch in mehreren verwandten verwendet Reinigung und Oberflächenvorbereitung Techniken.

In der Erdatmosphäre

Hauptartikel: Kohlendioxid in der Erdatmosphäre und Kohlenstoffzyklus
Keeling -Kurve des atmosphärischen CO2 Konzentration[76]
Atmosphärische co2 Das jährliche Wachstum stieg seit den 1960er Jahren um 300%.[77][78]

Kohlendioxid in Erdatmosphäre ist ein Spurengasmit einer globalen durchschnittlichen Konzentration von 415 Teilen pro Million nach Volumen (oder 630 Teilen pro Million nach Masse) zum Ende des Jahres 2020.[79][80] Atmosphärische co2 Die Konzentrationen schwanken leicht mit den Jahreszeiten und fallen während der Nördliche Hemisphäre Frühling und Sommer, wenn Pflanzen das Gas verbrauchen und im Norden des Herbstes und Winters steigen, wenn Pflanzen ruhen oder sterben und verfallen. Die Konzentrationen variieren auch regional und am stärksten in der Nähe des Bodens mit viel kleineren Variationen in der Luft. In städtischen Gebieten sind die Konzentrationen im Allgemeinen höher[81] und drinnen können sie 10 -mal Hintergrundniveaus erreichen. CO2 Die Emissionen haben auch seit 1980 dazu geführt, dass sich die Stratosphäre um 400 Meter abgeschlossen hat, was sich auf Satellitenbetrieb, GPS -Systeme und Funkkommunikation auswirken könnte.[82]

Die Konzentration von Kohlendioxid ist aufgrund menschlicher Aktivitäten gestiegen.[83] Die Extraktion und Verbrennung von fossile Brennstoffemit Kohlenstoff, die seit vielen Millionen Jahren in der beschlagnahmt wird Lithosphäre, hat die atmosphärische Konzentration von CO verursacht2 Zu Beginn des Beginns um etwa 50% zu erhöhen Alter der Industrialisierung bis zum Jahr 2020.[84][85] Die meisten co2 Aus menschlichen Aktivitäten wird aus brennender Kohle, Erdöl und Erdgas entlassen. Andere große anthropogene Quellen sind Zementproduktion, Abholzungund Biomasse brennen. Menschliche Aktivitäten geben über 30 Milliarden Tonnen CO aus2 (9 Milliarden Tonnen fossiler Kohlenstoff) pro Jahr, während Vulkane nur zwischen 0,2 und 0,3 Milliarden Tonnen CO emittieren2.[86][87] Menschliche Aktivitäten haben CO verursacht2 über Hunderttausende von Jahren nicht mehr zu erhöhen. Derzeit ist etwa die Hälfte des von der freigestellten Kohlendioxids Verbrennung fossiler Brennstoffe bleibt in der Atmosphäre und wird nicht von Vegetation und den Ozeanen absorbiert.[88][89][90][91]

Während transparent zu sichtbares Licht, Kohlendioxid ist a TreibhausgaseAbsorption und Emission von Infrarotstrahlung an seinen beiden infrarotaktiven Schwingungsfrequenzen (siehe Abschnitt "Struktur und Bindung"Oben). Lichtemission von der Erdoberfläche ist in der Infrarotregion zwischen 200 und 2500 cm am intensivsten–1,[92] im Gegensatz zur leichten Emission aus der viel heißeren Sonne, die in der sichtbaren Region am intensivsten ist. Absorption von Infrarotlicht bei den Schwingungsfrequenzen von Atmosphärischen CO2 Fängt die Energie in der Nähe der Oberfläche und erwärmt die Oberfläche und die niedrigere Atmosphäre. Weniger Energie erreicht die obere Atmosphäre, die daher aufgrund dieser Absorption kühler ist.[93]

Jährliche co2 fließt seit den 1960er Jahren aus anthropogenen Quellen (links) in die Erdatmosphäre, Land und Meeressenke (rechts). Einheiten in gleichwertigem Gigatonnes Carbon pro Jahr.[85]

Erhöhung der atmosphärischen Konzentrationen von CO2 und andere langlebige Treibhausgase wie Methan, Lachgas und Ozon haben ihre Absorption und Emission von Infrarotstrahlung gestärkt, was zu einem Anstieg der durchschnittlichen globalen Temperatur seit Mitte des 20. Jahrhunderts führt. Kohlendioxid ist von größter Bedeutung, da es einen größeren Einfluss der gesamten Erwärmung ausübt als alle anderen Gase zusammen.[84] Es hat außerdem eine Atmosphärische Lebensdauer Dies nimmt mit der kumulativen Menge an extrahierter und verbrannter fossiler Kohlenstoff zu, da diese Aktivität auf die Erde auferlegt wurde Schneller Kohlenstoffzyklus.[94] Dies bedeutet, dass ein gewisses Bruch (eine projizierte 20-35%) des bisher übertragenen fossilen Kohlenstoffs in der Atmosphäre als erhöhter CO bestehen bleibt2 Die Niveaus für viele tausend Jahre nach dem Abflug dieser Kohlenstoffübertragungsaktivitäten.[95][96][97]

Zunehmend ist nicht nur CO2 Konzentrationen führen zu einer Erhöhung der globalen Oberflächentemperatur, aber zunehmende globale Temperaturen führen auch zu erhöhten Konzentrationen von Kohlendioxid. Dies erzeugt a positives Feedback Für Änderungen, die durch andere Prozesse induziert wurden, z. Orbitalzyklen.[98] Vor fünfhundert Millionen Jahren der CO2 Die Konzentration war 20 -mal höher als heute und nahm während der 4- bis 5 Mal ab Jura Periode und dann langsam mit sinken eine besonders schnelle Reduzierung vor 49 Millionen Jahren auftreten.[99][100]

Lokale Konzentrationen von Kohlendioxid können in der Nähe starker Quellen hohe Werte erreichen, insbesondere solche, die durch das umgebende Gelände isoliert werden. Im Bosoleto Hot Spring in der Nähe Rapolano Terme in Toskana, Italien, befindet2 Erhöhen Sie über Nacht über 75%, ausreichend, um Insekten und kleine Tiere abzutöten. Nach Sonnenaufgang wird das Gas durch Konvektion verteilt.[101] Hohe Konzentrationen von CO2 Erzeugt durch Störung des mit CO gesättigten tiefen Seeswassers, das gesättigt ist2 Es wird angenommen, dass 37 Todesfälle bei verursacht wurden Lake Monoun, Kamerun 1984 und 1700 Opfer bei Nyossee, Kamerun im Jahr 1986.[102]

In den Ozeanen

Hauptartikel: Kohlenstoffzyklus
Pterapod -Hülle in Meerwasser gelöst an eine Ozeanchemie projiziert für das Jahr 2100.

Kohlendioxid löst sich im Ozean, um Kohlensäure zu bilden (H2CO3), Bicarbonat (HCO3−) und Carbonat (co32–). In der Atmosphäre gibt es ungefähr fünfzig Mal so viel Kohlendioxid wie in den Ozeanen. Die Ozeane wirken als enorm Kohlenstoffsenkeund haben ungefähr ein Drittel von Co aufgenommen2 durch menschliche Aktivität emittiert.[103]

Wenn die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre zunimmt Ozeanversauerung. Diese Verringerung des pH -Werts wirkt sich auf biologische Systeme in den Ozeanen aus, hauptsächlich ozeanisch Verkalkung Organismen. Diese Effekte umfassen die Nahrungskette aus Autotrophe zu Heterotrophen und umfassen Organismen wie Coccolithophoren, Korallen, Foraminifera, Echinoderms, Krebstiere und Mollusken. Unter normalen Bedingungen ist Calciumcarbonat in Oberflächengewässern stabil Übersättigung Konzentrationen. Wenn der pH -Wert der Ozean fällt, ist auch die Konzentration dieses Ions, und wenn Carbonat untersättigt wird, sind Strukturen aus Calciumcarbonat anfällig für die Auflösung.[104] Korallen,[105][106][107] Coccolithophore -Algen,[108][109][110][111] Koralline Algen,[112] Foraminifera,[113] Schaltier[114] und Pteropoden[115] Erleben Sie eine verringerte Verkalkung oder verbesserte Auflösung, wenn sie erhöht ausgesetzt ist CO
2.

Die Gaslöslichkeit nimmt mit zunehmender Wassertemperatur ab (außer wenn beide Druck 300 bar und die Temperatur 393 K überschreiten, nur in der Nähe der tiefen Geothermie -Lüftungsschlitze gefunden).[116] und daher nimmt die Aufnahmerate aus der Atmosphäre ab, wenn die Meerestemperaturen steigen.

Der größte Teil des CO2 vom Ozean aufgenommen, der etwa 30% der Gesamtmenge in die Atmosphäre ausmacht,[117] bildet Kohlensäure im Gleichgewicht mit Bicarbonat. Einige dieser chemischen Arten werden von photosynthetischen Organismen konsumiert, die Kohlenstoff aus dem Zyklus entfernen. Erhöhte co2 in der Atmosphäre hat zu einer Abnahme geführt Alkalinität des Meerwassers, und es besteht die Sorge, dass dies die im Wasser lebenden Organismen beeinträchtigen kann. Insbesondere mit abnehmender Alkalität nimmt die Verfügbarkeit von Carbonaten zur Bildung von Schalen ab,[118] Obwohl es Hinweise auf eine erhöhte Schalenproduktion durch bestimmte Arten unter erhöhtem CO gibt2 Inhalt.[119]

Die USA Nationales ozeanische und atmosphärische Verwaltung (NOAA) Staaten im Mai 2008 "Zustand des naturwissenschaftlichen Faktenblatts für Ozeanversauerung"[120] das:

Die Ozeane haben etwa 50% des Kohlendioxids (CO) absorbiert2) Aus dem Verbrennen fossiler Brennstoffe freigesetzt, was zu chemischen Reaktionen führt, die den pH -Wert unter dem Ozean senken. Dies hat zu einem Anstieg des Wasserstoffionen (Säure) von etwa 30% seit Beginn des industriellen Zeitalters durch einen als "Ozeanansäuerung" bekannten Prozess geführt. Eine wachsende Anzahl von Studien hat nachteilige Auswirkungen auf Meeresorganismen gezeigt, darunter:

  • Die Rate, mit der die Korallen auf dem Riffbau ihre Skelette produzieren, nimmt ab, während die Produktion zahlreicher Sorten von Quallen zunimmt.
  • Die Fähigkeit von Meeresalgen und freiem Zooplankton, Schutzschalen aufrechtzuerhalten, ist verringert.
  • Das Überleben von Larven -Meeresarten, einschließlich kommerzieller Fisch und Schalentiere, wird verringert.

Außerdem schreibt das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) in ihrem Klimawandel 2007: Synthesebericht:[121]

Die Aufnahme von anthropogenem Kohlenstoff seit 1750 hat dazu geführt, dass der Ozean saurer wurde, wobei eine durchschnittliche Abnahme des pH -Werts von 0,1 Einheiten. Zunehmende atmosphärische co2 Konzentrationen führen zu einer weiteren Ansäuerung ... während die Auswirkungen der beobachteten Ozeanansäuerung auf die Meeresbiosphäre bisher undokumentiert sind, wird erwartet, dass die progressive Ansgesellschaft von Ozeanen negative Auswirkungen auf Meeresschalenbildungsorganismen (z. B. Korallen) und ihre abhängigen Spezies hat.

Einige marine zusammenfassende Organismen (einschließlich Korallenriffe) wurden von großen Forschungsagenturen, darunter NOAA, herausgelegt, die OSPAR -Kommission, das Northwest Association von vernetzten Ozeanbeobachtungssystemenund das IPCC, weil ihre aktuellste Untersuchung zeigt, dass die Ozeanversauerung sie negativ beeinflusst.[122]

Kohlendioxid wird auch durch hydrothermale Lüftungsschlitze in die Ozeane eingeführt. Das Sekt hydrothermal Mariana Graben, produziert fast reines flüssiges Kohlendioxid, einer von nur zwei bekannten Stellen der Welt ab 2004, der andere in der ist Okinawa Trog.[123] Der Befund eines U -Boot -See mit flüssigem Kohlendioxid im Okinawa -Trog wurde 2006 berichtet.[124]

Biologische Rolle

Kohlendioxid ist ein Endprodukt von Zellatmung in Organismen, die Energie erhalten, indem er Zucker, Fette und Aminosäuren mit Sauerstoff als Teil ihrer Stoffwechsel. Dies umfasst alle Pflanzen, Algen und Tiere und aerob Pilze und Bakterien. Im WirbeltiereDas Kohlendioxid wandert aus den Geweben des Körpers bis zur Haut ins Blut (z. B.,,, Amphibien) oder die Kiemen (z. B.,, Fische), von wo es sich im Wasser oder in die Lunge von wo aus ausatmet. Während der aktiven Photosynthese, Pflanzen können mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbieren als sie freisetzen in der Atmung.

Photosynthese und Kohlenstofffixierung

Überblick über die Calvin -Zyklus und Kohlenstofffixierung

Kohlenstoff-Fixierung ist ein biochemischer Prozess, durch den atmosphärisches Kohlendioxid durch Pflanzen, Algen und (Cyanobakterien) in einbezogen wird energiereich organische Moleküle wie z. Glucoseso erstellen Sie ihr eigenes Essen durch Photosynthese. Photosynthese verwendet Kohlendioxid und Wasser Zucker produzieren, von denen andere andere organische Verbindungen kann konstruiert werden und Sauerstoff wird als Nebenprodukt produziert.

Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase-Oxygenase, üblicherweise nach Rubisco abgekürzt, ist die Enzym am ersten großen Schritt der Kohlenstofffixierung beteiligt, die Produktion von zwei Molekülen von 3-Phosphoglyceration von co2 und Ribulose -Bisphosphat, wie im Diagramm links gezeigt.

Rubisco wird als das am häufigsten vorkommende Protein der Erde angesehen.[125]

Phototrophe Verwenden Sie die Produkte ihrer Photosynthese als interne Nahrungsquellen und als Rohstoff für die Biosynthese von komplexeren organischen Molekülen, wie z. Polysaccharide, Nukleinsäuren und Proteine. Diese werden für ihr eigenes Wachstum und auch als Grundlage der verwendet Nahrungskette und Netze, die andere Organismen füttern, einschließlich Tieren wie uns. Einige wichtige Fototrophen, die Coccolithophoren hart synthetisieren Kalziumkarbonat Waage.[126] Eine global bedeutende Art von Kokkolithophore ist Emiliania Huxleyi Deren Calcit Skalen haben die Grundlage für viele gebildet Sedimentgestein wie zum Beispiel Kalkstein, wo zuvor atmosphärischer Kohlenstoff für geologische Zeitskalen fixiert bleiben kann.

Überblick über Photosynthese und Atmung. Kohlendioxid (rechts) zusammen mit Wasser Sauerstoff und organische Verbindungen (links) durch bilden Photosynthese, welches sein kann respiriert zu Wasser und (co2).

Pflanzen können in Konzentrationen von 1.000 ppm co bis zu 50 Prozent schneller wachsen2 Im Vergleich zu Umgebungsbedingungen, obwohl dies keine Veränderung des Klimas und keine Einschränkung anderer Nährstoffe annimmt.[127] Erhöht co2 Werte verursachen ein erhöhtes Wachstum, das sich in der Ernteertragsrendite widerspiegelt, wobei Weizen, Reis und Sojabohnen eine Erhöhung der Ertragssteigerung von 12 bis 14% unter erhöhtem CO zeigen2 in Gesichtsexperimenten.[128][129]

Erhöhter atmosphärischer co2 Konzentrationen führen zu weniger Stomata auf Pflanzen[130] Dies führt zu einem verringerten Wasserverbrauch und erhöht sich Effizienz der Wassernutzung.[131] Studien verwenden GESICHT haben gezeigt, dass co2 Die Anreicherung führt zu verringerten Konzentrationen von Mikronährstoffen in Ernteanlagen.[132] Dies kann sich auf andere Teile von Knock-on-Effekten auswirken Ökosysteme Da Pflanzenfresser mehr Nahrung essen müssen, um die gleiche Menge an Protein zu gewinnen.[133]

Die Konzentration der Sekundärkonzentration Metaboliten wie Phenylpropanoide und Flavonoide können auch in Pflanzen verändert werden, die hohen CO -Konzentrationen ausgesetzt sind2.[134][135]

Pflanzen werden auch co emittieren2 während der Atmung und damit die Mehrheit der Pflanzen und Algen, die verwenden C3 Photosynthesesind tagsüber nur Netzabsorber. Obwohl ein wachsender Wald viele Tonnen CO absorbieren wird2 Jedes Jahr wird ein reifer Wald so viel CO produzieren2 aus der Atmung und der Zersetzung toter Exemplare (z. B. gefallener Zweige), wie in der Photosynthese in wachsenden Pflanzen verwendet wird.[136] Entgegen der langjährigen Ansicht, dass sie kohlenstoffneutral sind, können reife Wälder weiterhin Kohlenstoff ansammeln[137] und wertvoll bleiben Kohlenstoffsenke, hilft, das Kohlenstoffgleichgewicht der Erdatmosphäre aufrechtzuerhalten. Zusätzlich und entscheidend für das Leben auf der Erde die Photosynthese von Phytoplankton verbraucht gelöstes CO2 im oberen Ozean und fördert dadurch die Absorption von co2 Aus der Atmosphäre.[138]

Toxizität

Siehe auch: Kohlendioxidvergiftung
Symptome der Kohlendioxidtoxizität durch Erhöhen Volumenprozent in der Luft.[139]

Der Kohlendioxidgehalt in frischer Luft (gemittelt zwischen dem Meeresspiegel und 10 kPa, d. H. Eine Höhe von etwa 30 km (19 mi)) variiert je nach Ort zwischen 0,036% (360 ppm) und 0,041% (412 ppm).[140][Klarstellung erforderlich]

CO2 ist ein Erstickungsgas und nicht als giftig oder schädlich eingestuft in Übereinstimmung mit Global harmonisiertes System der Klassifizierung und Kennzeichnung von Chemikalienstandards von Wirtschaftskommission der Vereinten Nationen für Europa durch Verwendung der OECD -Richtlinien für die Prüfung von Chemikalien. In Konzentrationen von bis zu 1% (10.000 ppm) wird es manche Menschen dazu bringen, sich schläfrig zu fühlen und der Lunge ein stickiges Gefühl zu geben.[139] Konzentrationen von 7% bis 10% (70.000 bis 100.000 ppm) können selbst in Gegenwart von ausreichend Sauerstoff zu Ersticken führen, was sich innerhalb weniger Minuten bis eine Stunde als Schwindel, Kopfschmerzen, visuelle und hörende Funktionsstörungen und Bewusstlosigkeit manifestiert.[141] Die physiologischen Wirkungen der akuten Kohlendioxid -Exposition werden unter dem Begriff zusammengefasst Hyperkapnie, eine Teilmenge von Erstickung.

Da es schwerer als Luft ist, an Stellen, an denen das Gas vom Boden (aufgrund der vulkanischen oder geothermischen Aktivität unter der Oberfläche) in relativ hohen Konzentrationen sickert Level, die darin befindliche Tiere ersticken. Zu den Schlachtkörpern angezogenen Aasfutterhäuschen werden dann ebenfalls getötet. Kinder wurden auf die gleiche Weise in der Nähe der Stadt von getötet Goma von co2 Emissionen aus dem nahe gelegenen Vulkan Mount Nyiragongo.[142] Das Swahili Der Begriff für dieses Phänomen ist ''Mazuku'.

Steigende Niveaus von CO2 bedrohte die Apollo 13 Astronauten, die Patronen aus dem Befehlsmodul anpassen mussten, um die zu versorgen Kohlendioxid Scrubber in dem Mondfähre, was sie als Rettungsboot benutzten.

Anpassung an erhöhte Konzentrationen von CO2 tritt beim Menschen vor, einschließlich Modifiziertes Atmen und Nierenbicarbonatproduktion, um die Auswirkungen der Blutversuche auszugleichen (Azidose). Mehrere Studien deuten darauf hin, dass 2,0 -prozent -inspirierte Konzentrationen für geschlossene Lufträume verwendet werden konnten (z. B. a U -Boot) da die Anpassung physiologisch und reversibel ist, da die Leistung in der Leistung oder bei normaler körperlicher Aktivität bei dieser Expositionsniveau fünf Tage lang nicht auftritt.[143][144] Andere Studien zeigen jedoch eine Abnahme der kognitiven Funktion, selbst bei viel niedrigeren Ebenen.[145][146] Auch mit fortlaufender Atemsäure, Anpassung oder Anpassung oder Kompensationsmechanismen können diesen Zustand nicht umkehren können.

Unter 1%

Es gibt nur wenige Studien zu den gesundheitlichen Auswirkungen von langfristig kontinuierlich CO2 Exposition gegenüber Menschen und Tieren bei einem Niveau von unter 1%. Berufliche co2 In den USA wurden in den USA für einen Zeitraum von acht Stunden bei 0,5% (5000 ppm) die Expositionsgrenzen festgelegt.[147] Bei diesem co2 Konzentration, Internationale Raumstation Die Besatzung erlebte Kopfschmerzen, Lethargie, geistige Langsamkeit, emotionale Reizung und Schlafstörungen.[148] Studien an Tieren bei 0,5% CO2 haben nach acht Wochen der Exposition die Nierenverkalkung und den Knochenverlust gezeigt.[149] Eine Studie mit Menschen, die in 2,5 -Stunden -Sitzungen ausgesetzt waren ppm) co2 Wahrscheinlich aufgrund von co2 induzierte Erhöhungen des zerebralen Blutflusses.[145] Eine andere Studie beobachtete einen Rückgang des Grundaktivitätsniveaus und des Informationsverbrauchs bei 1000 ppm im Vergleich zu 500 ppm.[146] Eine Überprüfung der Literatur ergab jedoch, dass die meisten Studien zum Phänomen von Kohlendioxid eine kognitive Beeinträchtigung induzierten, um einen geringen Einfluss auf die Entscheidungsfindung auf hoher Ebene zu haben, und die meisten Studien wurden durch unzureichende Studiendesigns, Umweltkomfort, Unsicherheiten bei Expositionslosen und Expositionslosen und durch unzureichende Studiendesigns verwechselt Unterschiedliche kognitive Bewertungen verwendet.[150] In ähnlicher Weise eine Studie über die Auswirkungen der Konzentration von CO2 In Motorradhelmen wurde kritisiert, dass sie zweifelhafte Methodik haben, um die Selbstberichte von Motorradfahrern nicht zu bemerken und Messungen mit Mannequins zu ergreifen. Weiter, wenn normale Motorradbedingungen erreicht wurden (wie z.2 auf sichere Niveaus zurückgegangen (0,2%).[151][152]

Belüftung

CO2 Konzentrationsmesser Verwendung einer Nichteinschöpfender Infrarotsensor

Schlechte Belüftung ist eine der Hauptursachen für übermäßige CO2 Konzentrationen in geschlossenen Räumen. Kohlendioxiddifferential über den Außenkonzentrationen unter stationären Bedingungen (wenn der Betriebs- und Lüftungssystembetrieb ausreichend lang ist, dass CO2 Die Konzentration hat sich stabilisiert) werden manchmal verwendet, um die Lüftungsraten pro Person abzuschätzen. Höhere co2 Konzentrationen sind mit Gesundheit, Komfort und Leistungsverschlechterung insetzt.[153][154] Ashrae Standard 62,1–2007 Die Lüftungsraten können zu Innenkonzentrationen von bis zu 2.100 ppm über den Umgebungsbedingungen im Freien führen. Wenn die Außenkonzentration 400 ppm beträgt, können die Innenkonzentrationen 2.500 ppm mit Lüftungsraten erreichen, die diesen Branchenkonsensstandard entsprechen. Konzentrationen in schlecht belüfteten Räumen sind noch höher als dieser (Bereich von 3.000 oder 4.000 ppm).

Bergleute, die aufgrund unzureichender Beatmung besonders anfällig für Gasexposition sind, bezeichneten Mischungen aus Kohlendioxid und Stickstoff als "Blackdamp, "" Choke Damp "oder" Stythe ", bevor effektivere Technologien entwickelt wurden, Minenarbeiter würde häufig auf gefährliche Blackdamp- und andere Gase in Minenwellen überwachen, indem er ein Käfig brachte Kanarienvogel mit ihnen, als sie arbeiteten. Der Kanarienvogel ist empfindlicher für erstickende Gase als Menschen, und als er bewusstlos wurde, hörten sie auf zu singen und von seinem Platz zu fallen. Das Karbidlampe Könnte auch hohe Blackdamp -Werte (das sinken und sich in der Nähe des Bodens sammeln) erkennen, indem sie weniger hell brennt, während MethanEin weiteres erstickendes Gas- und Explosionsrisiko würde die Lampe heller brennen lassen.

Im Februar 2020 starben drei Menschen an einer Party in Moskau beim Trockeneis (Frozen Co.2) wurde einem Schwimmbad hinzugefügt, um es abzukühlen.[155] Ein ähnlicher Unfall ereignete sich 2018, als eine Frau an CO starb2 Dämpfe, die von der großen Menge an Trockeneis ausging, die sie in ihrem Auto transportierte.[156]

Menschliche Physiologie

Inhalt

Referenzbereiche oder Durchschnittswerte für Teildruck von Kohlendioxid (abgekürzte PCO2))
Blutkompartiment (KPA) (mm hg))
Venös Blutkohlendioxid 5.5–6,8 41–51[157]
Alveolar Lungen
Gasdruck 		4.8 36
Kohlendioxid arterielles Blut 4.7–6.0 35–45[157]

Der Körper produziert ca. 1,0 kg Kohlendioxid pro Tag pro Person.[158] enthält 0,63 Pfund (290 g) Kohlenstoff. Beim Menschen wird dieses Kohlendioxid durch die getragen Venösesystem und wird durch die Lunge ausgeatmet, was zu niedrigeren Konzentrationen in der führt Arterien. Der Kohlendioxidgehalt des Blutes wird oft als die angegeben Partialdruck, was der Druck ist, den Kohlendioxid gehabt hätte, wenn es allein das Volumen besetzt hätte.[159] Beim Menschen ist der Blutkohlendioxidgehalt in der benachbarten Tabelle dargestellt.

Bluttransport

CO2 wird auf drei verschiedene Arten im Blut getragen. (Die genauen Prozentsätze variieren je nachdem, ob es sich um ein arterielles oder venöses Blut handelt.)

Hämoglobindas wichtigste Sauerstoffmolekül in rote Blutkörperchenträgt sowohl Sauerstoff als auch Kohlendioxid. Allerdings der CO2 An Hämoglobin gebunden ist nicht an die gleiche Stelle wie Sauerstoff. Stattdessen kombiniert es sich mit den N-terminalen Gruppen an den vier Globinketten. Jedoch wegen von allosterisch Auswirkungen auf das Hämoglobinmolekül, die Bindung von CO2 verringert die Sauerstoffmenge, die für einen bestimmten Teildruck des Sauerstoffs gebunden ist. Dies ist als die bekannt Haldane -Effektund ist wichtig für den Transport von Kohlendioxid von den Geweben in die Lunge. Umgekehrt ein Anstieg des Teildrucks von CO2 oder ein niedrigerer pH -Wert führt dazu Bohr -Effekt.

Regulierung der Atmung

Kohlendioxid ist einer der Mediatoren von lokaler Autoregulation der Blutversorgung. Wenn seine Konzentration hoch ist, die Kapillaren Erweitern Sie, um ein größeres Blutfluss zu diesem Gewebe zu ermöglichen.

Bicarbonationen sind entscheidend für die Regulierung des BlutpH -Werts. Die Atemfrequenz einer Person beeinflusst das Niveau von CO2 in ihrem Blut. Atmung, die zu langsam oder flache Ursachen sind Atemwegsäure, während das Atmen zu schnell ist Hyperventilation, was verursachen kann Atemalkalose.

Obwohl der Körper Sauerstoff für den Stoffwechsel benötigt, stimulieren niedrige Sauerstoffspiegel normalerweise nicht die Atmung. Das Atmen wird vielmehr durch höhere Kohlendioxidspiegel stimuliert. Infolge Lufthunger. Dies ist besonders gefährlich für hochwertige Kampfpiloten. Es ist auch der Grund, warum Flugbegleiter Passagiere im Falle eines Verlusts des Kabinendrucks anweisen, die anzuwenden Sauerstoffmaske Zuerst zu sich selbst, bevor sie anderen helfen; Ansonsten riskiert man das Bewusstsein.[160]

Die Atemzentren versuchen, einen arteriellen CO zu erhalten2 Druck von 40 mm Hg. Mit absichtlicher Hyperventilation das CO2 Der Gehalt an arteriellem Blut kann auf 10–20 mm Hg gesenkt werden (der Sauerstoffgehalt des Blutes ist wenig betroffen), und der Atemlaufwerk wird verringert. Aus diesem Grund kann man nach dem Hyperventilieren länger anhalten als ohne Hyperventilating. Dies birgt das Risiko, dass Bewusstlosigkeit entstehen kann, bevor das Atmen überwältigend wird, weshalb die Hyperventilation vor dem freien Tauchen besonders gefährlich ist.

Siehe auch

Verweise

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