Süsihappegaas

Bioloogiline roll

Süsinikdioksiid on lõppsaadus organismides, mis saavad energiat suhkrute, rasvade ja aminohapete lagundamisest hapniku abil ainevahetuse käigus. Seda protsessi nimetatakse rakuhingamiseks. Siia kuuluvad kõik taimed, loomad, paljud seened ja mõned bakterid. Kõrgemate loomade puhul liigub süsihappegaas verega keha kudedest kopsudesse, kus see väljahingatakse. Taimed võtavad atmosfäärist süsihappegaasi, et kasutada seda fotosünteesi käigus.

Kuivjää

Kuivjää ehk tahke süsihappegaas on _CO2 gaasi tahke olek, mis on temperatuuril alla -109,3 °F (-78,5°C). Kuivjää ei esine Maal looduslikult, vaid on inimtekkeline. See on värvitu. Inimesed kasutavad kuiva jääd, et muuta asju külmaks ja jooke gaseerituks, tappa rästikuid ja külmutada tüükaid. Kuiva jää aur põhjustab lämbumist ja lõpuks surma. Kuiva jää kasutamisel on soovitatav olla ettevaatlik ja kasutada professionaalset abi.

Tavalise rõhu all ei sulata see tahkest ainest vedelikuks, vaid muutub otse tahkest ainest gaasiks. Seda nimetatakse sublimatsiooniks. See muutub otse tahkest ainest gaasiks mis tahes temperatuuril, mis on kõrgem kui väga külm temperatuur. Kuivjää sublimeerub tavalisel õhutemperatuuril. Tavalise õhuga kokkupuutel eraldub süsinikdioksiidigaas, millel ei ole värvi. Süsinikdioksiid võib vedeldada rõhu all, mis ületab 5,1 atmosfääri.

Kuivast jääst eralduv süsihappegaas on nii külm, et õhuga segunedes jahutab ta õhus oleva veeauru uduks, mis näeb välja nagu paks valge suits. Seda kasutatakse sageli teatris, et tekitada udu või suitsu muljet.

Kuivjää, kui see pannakse vette

Isoleerimine ja tootmine

Keemikud saavad süsihappegaasi jahutusõhust. Nad nimetavad seda õhu destilleerimiseks. See meetod on ebaefektiivne, sest väikese koguse CO2 eraldamiseks tuleb jahutada suur kogus õhku. Keemikud võivad süsinikdioksiidi eraldamiseks kasutada ka mitmeid erinevaid keemilisi reaktsioone. Süsinikdioksiidi tekib enamiku hapete ja enamiku metallkarbonaatide vahelistes reaktsioonides. Näiteks soolhappe ja kaltsiumkarbonaadi (lubjakivi või kriit) vahelises reaktsioonis tekib süsinikdioksiid:

2 H C l + C a C O 3 ⟶ C a C l 2 + H 2 C O 3 {\displaystyle \mathrm {2\ HCl+CaCO_{3}\longrightarrow CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}}} }

Seejärel laguneb süsihape (_H2CO3) veeks ja _CO2-ks. Sellised reaktsioonid põhjustavad vahutamist või mullitamist või mõlemat. Tööstuses kasutatakse selliseid reaktsioone palju kordi happevoogude neutraliseerimiseks.

Lubjakivi (CaO), mis on laialt levinud kemikaal, saab valmistada kuumutades lubjakivi umbes 850 °C-ni. Selle reaktsiooni käigus tekib ka _CO2:

C a C O 3 ⟶ C a O + C O 2 {\displaystyle \mathrm {CaCO_{3}\longrightarrow CaO+CO_{2}} }

Süsinikdioksiidi tekib ka kõigi süsinikku sisaldavate kütuste, näiteks metaani (maagaas), naftadestillaatide (bensiin, diisel, petrool, propaan), kivisöe või puidu põletamisel. Enamasti eraldub ka vesi. Näiteks on metaani ja hapniku vaheline keemiline reaktsioon:

C H 4 + 2 O 2 ⟶ C O 2 + 2 H 2 O {\displaystyle \mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\longrightarrow CO_{2}+2\ H_{2}O} }

Süsinikdioksiidi toodetakse terasetehastes. Raua redutseeritakse selle oksiididest koos koksiga kõrgahjus, mille tulemuseks on malm ja süsinikdioksiid:

F e 2 O 3 + 3 C O ⟶ 2 F e + 3 C O 2 {\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\ CO\longrightarrow 2\ Fe+3\ CO_{2}} }

Pärm metaboliseerib suhkrut, et toota süsinikdioksiidi ja etanooli, mida tuntakse ka kui alkoholi, veinide, õlle ja muude kangete alkohoolsete jookide, aga ka bioetanooli tootmisel:

C 6 H 12 O 6 ⟶ 2 C O 2 + 2 C 2 H 5 O H {\displaystyle \mathrm {C_{6}H_12}O_6}\longrightarrow 2\ CO_2}+2\ C_2}H_5}OH} }

Kõik aeroobsed organismid toodavad CO
_2, kui nad oksüdeerivad rakkude mitokondrites süsivesikuid, rasvhappeid ja valke. Sellega seotud suur hulk reaktsioone on äärmiselt keerulised ja neid ei ole lihtne kirjeldada. (Nende hulka kuuluvad rakuhingamine, anaeroobne hingamine ja fotosüntees). Fotoautotroofid (st taimed, tsüanobakterid) kasutavad teist reaktsiooni: Taimed neelavad CO
₂ õhust ja reageerivad sellega koos veega, et moodustada süsivesikuid:

n C O 2 + n H 2 O ⟶ ( C H 2 O ) n + n O 2 {\displaystyle \mathrm {nCO_{2}+nH_{2}O\longrightarrow (CH_{2}O)n+nO_{2}}} }

Süsinikdioksiid on vees lahustuv, milles see muundub spontaanselt _CO2 ja H
_2CO
3 (süsihappeks). CO
₂, H
_2CO
3 ja deprootoniseeritud vormide HCO-
₃ (bikarbonaat) ja ^CO2-
₃ (karbonaat) sõltuvad happesusest (pH). Neutraalses või kergelt aluselises vees (pH > 6,5) domineerib bikarbonaatvorm (>50%), mis muutub merevee pH juures kõige enamlevinud (>95%), samas kui väga aluselises vees (pH > 10,4) on valdavaks (>50%) karbonaatvormiks karbonaat. Bikarbonaat- ja karbonaatvormid on väga hästi lahustuvad. Seega sisaldab õhuga tasakaalustatud ookeanivesi (kergelt aluseline, tüüpiline pH = 8,2-8,5) umbes 120 mg bikarbonaati liitri kohta.

Tööstuslik tootmine

Tööstuslik süsihappegaas tekib peamiselt kuue protsessi käigus:

• püüdes kinni looduslikud süsinikdioksiidi allikad, kus see tekib hapestunud vee toimel lubjakivile või dolomiidile.
• Vesiniku tootmisettevõtete kõrvalsaadusena, kus metaan muudetakse _CO2-ks;
• Fossiilsete kütuste või puidu põletamisest;
• Suhkru käärimise kõrvalsaadusena õlle, viski ja muude alkohoolsete jookide valmistamisel;
• Lubjakivi termilisel lagundamisel tekib CaCO
  ₃, lubja (kaltsiumoksiid, CaO) valmistamisel;

Keemiline reaktsioon

Süsinikdioksiidi saab luua lihtsa keemilise reaktsiooniga:

C + O 2 ⟶ C O 2 {\displaystyle \mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}} }

süsinik + hapnik → süsinikdioksiid