Anidride carbonica
L'anidride carbonica (CO2) è un composto chimico. È un gas a temperatura ambiente. È fatto di un atomo di carbonio e due di ossigeno. Le persone e gli animali rilasciano anidride carbonica quando respirano. Inoltre, ogni volta che qualcosa di organico viene bruciato (o si accende un fuoco), produce anidride carbonica. Le piante usano l'anidride carbonica per produrre cibo. Questo processo è chiamato fotosintesi. Le proprietà dell'anidride carbonica furono studiate dallo scienziato scozzese Joseph Black negli anni 1750.
L'anidride carbonica è un gas a effetto serra. I gas a effetto serra intrappolano l'energia termica. I gas a effetto serra cambiano il clima e il tempo sul nostro pianeta, la Terra. Questo è chiamato cambiamento climatico. I gas di serra sono una causa del riscaldamento globale, l'aumento della temperatura della superficie terrestre.
Formula strutturale dell'anidride carbonica. C è il carbonio e O è l'ossigeno. Le linee doppie rappresentano il doppio legame chimico tra gli atomi.
Un'immagine per mostrare semplicemente come gli atomi possono riempire lo spazio. Il nero è il carbonio e il rosso è l'ossigeno.
Ruolo biologico
L'anidride carbonica è un prodotto finale negli organismi che ottengono energia dalla scomposizione di zuccheri, grassi e aminoacidi con l'ossigeno come parte del loro metabolismo. Questo è un processo noto come respirazione cellulare. Questo include tutte le piante, gli animali, molti funghi e alcuni batteri. Negli animali superiori, l'anidride carbonica viaggia nel sangue dai tessuti del corpo ai polmoni dove viene espirata. Le piante prendono l'anidride carbonica dall'atmosfera per usarla nella fotosintesi.
Ghiaccio secco
Il ghiaccio secco, o anidride carbonica solida, è lo stato solido del gas CO2 al di sotto di -109,3 °F (-78,5°C). Il ghiaccio secco non si trova naturalmente sulla terra ma è prodotto dall'uomo. È incolore. La gente usa il ghiaccio secco per rendere le cose fredde, e per rendere le bevande frizzanti, uccidere gli scoiattoli e congelare le verruche. Il vapore del ghiaccio secco causa il soffocamento e alla fine la morte. Si raccomanda cautela e assistenza professionale ogni volta che si usa il ghiaccio secco.
Alla pressione abituale non si fonde da un solido a un liquido, ma cambia direttamente da un solido a un gas. Questo è chiamato sublimazione. Passerà direttamente da un solido a un gas a qualsiasi temperatura superiore a quelle estremamente fredde. Il ghiaccio secco sublima alla normale temperatura dell'aria. Il ghiaccio secco esposto all'aria normale emette gas di anidride carbonica che non ha colore. L'anidride carbonica può essere liquefatta ad una pressione superiore a 5,1 atmosfere.
L'anidride carbonica gassosa che esce dal ghiaccio secco è così fredda che quando si mescola con l'aria raffredda il vapore acqueo nell'aria fino a formare la nebbia, che appare come un denso fumo bianco. È spesso usato in teatro per creare l'aspetto della nebbia o del fumo.
Ghiaccio secco se messo in acqua
Isolamento e produzione
I chimici possono ottenere anidride carbonica dal raffreddamento dell'aria. La chiamano distillazione dell'aria. Questo metodo è inefficiente perché una grande quantità di aria deve essere raffreddata per estrarre una piccola quantità di CO2. I chimici possono anche usare diverse reazioni chimiche per separare l'anidride carbonica. L'anidride carbonica è prodotta nelle reazioni tra la maggior parte degli acidi e la maggior parte dei carbonati metallici. Per esempio, la reazione tra l'acido cloridrico e il carbonato di calcio (calcare o gesso) produce anidride carbonica:
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}} } 
L'acido carbonico (H2CO3) si decompone poi in acqua e CO2. Tali reazioni causano schiuma o bolle, o entrambi. Nell'industria, tali reazioni sono usate molte volte per neutralizzare i flussi di acido di scarto.
La calce viva (CaO), una sostanza chimica di largo uso, può essere prodotta riscaldando il calcare a circa 850 °C. Questa reazione produce anche CO2:
C a C O 3 ⟶ C a O + C O 2 {displaystyle \mathrm {CaCO_{3}longrightarrow CaO+CO_{2}} } 
L'anidride carbonica si produce anche nella combustione di tutti i combustibili contenenti carbonio, come il metano (gas naturale), i distillati di petrolio (benzina, diesel, cherosene, propano), il carbone o il legno. Nella maggior parte dei casi, viene rilasciata anche acqua. Come esempio la reazione chimica tra metano e ossigeno è:
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} } 
L'anidride carbonica è prodotta nelle acciaierie. Il ferro viene ridotto dai suoi ossidi con il coke in un altoforno, producendo ghisa e anidride carbonica:
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}} } 
Il lievito metabolizza lo zucchero per produrre anidride carbonica ed etanolo, noto anche come alcol, nella produzione di vini, birre e altri alcolici, ma anche nella produzione di bioetanolo:
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} } 
Tutti gli organismi aerobici producono CO
2 quando ossidano carboidrati, acidi grassi e proteine nei mitocondri delle cellule. Il gran numero di reazioni coinvolte sono estremamente complesse e non sono facilmente descrivibili. (Includono la respirazione cellulare, la respirazione anaerobica e la fotosintesi). I fotoautotrofi (cioè le piante, i cianobatteri) usano un'altra reazione: Le piante assorbono CO
2 dall'aria e, insieme all'acqua, la fanno reagire per formare carboidrati:
n C O 2 + n H 2 O ⟶ ( C H 2 O ) n + n O 2 {displaystyle \mathrm {nCO_{2}+nH_{2}O (CH_{2}O)n+nO_{2}} } 
L'anidride carbonica è solubile in acqua, nella quale si interconverte spontaneamente tra CO2 e H
2CO
3 (acido carbonico). Le concentrazioni relative di CO
2, H
2CO
3, e delle forme deprotonate HCO-
3 (bicarbonato) e CO2-
3(carbonato) dipendono dall'acidità (pH). In acqua neutra o leggermente alcalina (pH > 6,5), la forma bicarbonato predomina (>50%) diventando la più prevalente (>95%) al pH dell'acqua di mare, mentre in acqua molto alcalina (pH > 10,4) la forma predominante (>50%) è il carbonato. Le forme bicarbonato e carbonato sono molto solubili. Così, l'acqua oceanica equilibrata all'aria (leggermente alcalina con pH tipico = 8,2-8,5) contiene circa 120 mg di bicarbonato per litro.
Produzione industriale
L'anidride carbonica industriale è prodotta principalmente da sei processi:
- Catturando le sorgenti naturali di anidride carbonica dove è prodotta dall'azione dell'acqua acidificata sul calcare o sulla dolomite.
- Come sottoprodotto degli impianti di produzione di idrogeno, dove il metano viene convertito in CO2;
- Dalla combustione di combustibili fossili o legno;
- Come sottoprodotto della fermentazione dello zucchero nella produzione di birra, whisky e altre bevande alcoliche;
- Dalla decomposizione termica del calcare, CaCO
3, nella fabbricazione della calce (ossido di calcio, CaO);
Reazione chimica
L'anidride carbonica può essere creata con una semplice reazione chimica:
C + O 2 ⟶ C O 2 {displaystyle \mathrm {C+O_{2}longrightarrow CO_{2}} } 
Domande e risposte
D: Che cos'è l'anidride carbonica?
R: L'anidride carbonica è un composto chimico acido, composto da un atomo di carbonio e due di ossigeno, ed è un gas a temperatura ambiente.
D: Come viene rilasciata l'anidride carbonica nell'atmosfera?
R: Gli esseri umani e gli animali rilasciano anidride carbonica quando espirano e ogni volta che si brucia qualcosa di organico o si accende un fuoco.
D: Che cos'è la fotosintesi?
R: La fotosintesi è il processo attraverso il quale le piante utilizzano l'anidride carbonica per produrre cibo.
D: Chi ha studiato le proprietà dell'anidride carbonica?
R: Lo scienziato scozzese Joseph Black studiò le proprietà dell'anidride carbonica nel 1750.
D: Che cos'è un gas a effetto serra?
R: Un gas serra è un gas che intrappola l'energia termica e modifica il clima e il tempo del pianeta.
D: In che modo l'anidride carbonica contribuisce al cambiamento climatico?
R: L'anidride carbonica è un gas a effetto serra che contribuisce al cambiamento climatico intrappolando l'energia termica e causando il riscaldamento globale, ossia l'aumento della temperatura superficiale della Terra.
D: Come è stata regolata la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre?
R: La concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre è stata regolata da organismi fotosintetici e da fenomeni geologici, soprattutto vulcani, sin dalla fine dell'era Precambriana.
