Anidride carbonica (CO2): proprietà, ciclo del carbonio e ruolo climatico

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.

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.

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);

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}} }

carbonio + ossigeno → anidride carbonica