Sadržaj
- Što je ugljični dioksid?
- Ugljikov dioksid u metabolizmu
- Ugljični dioksid i klimatske promjene
- Upotreba CO2 u industriji
Ugljični dioksid je među mnogim znanstvenim pojmovima koji nosi širok raspon značenja i sličan široki niz konotacija. Ako ste upoznati sa staničnim disanjem, možda znate da je ugljični dioksid - skraćeno CO2 - je otpadni produkt ove serije reakcija kod životinja u kojima su kisik ili O2, je reaktant; možda znate i da je kod biljaka taj proces naprotiv obrnut, sa CO2 služeći kao gorivo u fotosintezi i O2 kao otpadni proizvod.
Možda još poznatije, zahvaljujući politici i znanosti o Zemlji tekućeg stoljeća, CO2 nije poznat po tome što koristi staklenički plin koji je odgovoran za pomoć u hvatanju topline u Zemljinoj atmosferi. CO2 nusproizvod je izgaranja fosilnih goriva, a posljedično zagrijavanje planete dovelo je građane Zemlje u potragu za alternativnim izvorima energije.
Osim ovih pitanja, CO2 plin, elegantno jednostavna molekula, ima i niz drugih biokemijskih i industrijskih funkcija kojih bi fanovi znanosti trebali biti svjesni.
Što je ugljični dioksid?
Ugljični dioksid je bezbojni plin na sobnoj temperaturi. Svaki put kada izdahnete, molekule ugljičnog dioksida napuštaju vaše tijelo i postaju dio atmosfere. CO2 molekula sadrži jedan atom ugljika s dva atoma kisika, tako da je molekula linearnog oblika:
O = C = O
Svaki atom ugljika formira četiri veze sa svojim susjedima u stabilnim molekulama, dok svaki atom kisika tvori dvije veze. Dakle, sa svakom vezom ugljik-kisik u CO2 koji se sastoji od dvostruke veze - to jest dva para dijeljenih elektrona - CO2 vrlo je stabilna.
Kao što pogled na periodičnu tablicu elemenata otkriva (vidi Resursi), molekulska masa ugljika je 12 atomskih jedinica mase (amu), dok je kisika 16 amu. Molekularna težina ugljičnog dioksida je, dakle, 12 + 2 (16) = 44. Drugi način da se to izrazi je reći da je jedan mol CO2 ima masu od 44, pri čemu je jedan mol ekvivalentan 6,02 × 1023 pojedinačne molekule. (Ova brojka, poznata kao Avogadros broj, proizlazi iz činjenice da je molekulska masa ugljika postavljena na točno 12 grama, što je dvostruko više od protonskog ugljika, a ova masa ugljika sadrži 6,02 × 1023 atomi ugljika. Molekularna težina svakog drugog elementa strukturirana je oko ovog standarda.)
Ugljični dioksid može postojati i kao tekućina, stanje u kojem se koristi kao rashladno sredstvo, u aparatima za gašenje požara i proizvodnji gaziranih pića poput sode; i kao kruta tvar se u tom stanju koristi kao rashladno sredstvo i može doći do smrzavanja ako dođe u kontakt s kožom.
Ugljikov dioksid u metabolizmu
Ugljični dioksid se često pogrešno shvaća kao toksičan jer je često povezan s zagušenjem, pa čak i gubitkom života. Iako su dovoljne razine CO2 zapravo mogu biti izravno toksični i uzrokovati asfiksiju, ono što se obično događa je da CO2 umjesto toga nastaje kao rezultat ili posljedica zagušenja. Ako netko prestane disati iz bilo kojeg razloga, CO2 više se ne izbacuje kroz pluća i zato se nakuplja u krvotoku kao što nema kamo drugdje. CO2 stoga je oznaka asfiksije. Otprilike na isti način voda nije "toksična" samo zato što može dovesti do utapljanja.
Samo mali dio atmosfere sastoji se od CO2 - oko 1 posto. Iako je nusproizvod životinjskog metabolizma, biljkama je to prijeko potrebno za preživljavanje i sastavni je dio svijeta ciklus ugljika, Biljke uzimaju CO2, pretvaraju ga u nizu reakcija ugljik i kisik, a zatim oslobađaju kisik u atmosferu zadržavajući ugljik u obliku glukoze da živi i raste. Kad biljke umiru ili su spaljene, njihov ugljik se rekombinira s O2 u zraku, tvoreći CO2 i dovršavanje ciklusa ugljika.
Životinje stvaraju ugljični dioksid razgradnjom unesenih ugljikohidrata, proteina i masti u hrani. Sve se to metabolizira u glukozu, molekulu sa šest ugljika koja zatim ulazi u stanice i na kraju postaje ugljični dioksid i voda, a dobivena energija se koristi za napajanje staničnih aktivnosti. To se događa postupkom aerobnog disanja (često se naziva stanično disanje, iako pojmovi nisu točno sinonimni). Sva glukoza koja ulazi u stanice i prokariota (bakterija) i ne biljnih eukariota (životinja i gljivica) prvo se podvrgava glikolizi, čime se stvara par molekula tri ugljika koji se naziva piruvat. Većina toga ulazi u Krebsov ciklus u obliku dvo-ugljikove molekule acetil CoA, dok CO2 oslobođen je. Visokoenergetski nosači elektrona NADH i FADH2 koji nastaju tijekom Krebsova ciklusa, tada se odriču elektrona u prisutnosti kisika u reakcijama transportnih lanaca elektrona, što rezultira stvaranjem velikog dijela ATP-a, "energetske valute" stanica živih bića.
Ugljični dioksid i klimatske promjene
CO2 je plin koji hvata toplinu. U mnogočemu je to dobra stvar jer sprečava Zemlju da izgubi toliko topline da životinje poput ljudi ne bi mogle preživjeti. No izgaranje fosilnih goriva od početka industrijske revolucije u 19. stoljeću dodalo je značajnu količinu CO2 plina u atmosferu, što dovodi do globalnog zagrijavanja i njegovih postupnih pogoršavajućih učinaka.
Već tisućama godina atmosferska koncentracija CO2 u atmosferi je ostalo između 200 i 300 dijelova na milijun (ppm). Do 2017. godine porasla je na gotovo 400 ppm, koncentracija koja se i dalje povećava. Ovaj dodatni CO2 zadržava toplinu i uzrokuje promjenu klime. To se očituje ne samo u porastu prosječnih temperatura u cijelom svijetu, već i u porastu razine mora, ledenjacima, kiselijoj morskoj vodi, manjim polarnim ledenim kapama i velikom broju katastrofalnih događaja (na primjer, uragana). Svi su ti problemi međusobno povezani i međusobno ovisni.
Primjeri fosilnih goriva uključuju ugljen, naftu (naftu) i prirodni plin. Oni se stvaraju tijekom razdoblja od više milijuna godina, dok mrtvi biljni i životinjski materijal postaju zarobljeni i zakopani pod slojevima stijena. Pod povoljnim uvjetima topline i tlaka, ova organska tvar se pretvara u gorivo. Sva fosilna goriva sadrže ugljik, koji se sagorijevaju da bi se dobila energija, te se oslobađa ugljični dioksid.
Upotreba CO2 u industriji
Plin ugljični dioksid ima razne namjene, što je prikladno jer je stvar doslovno posvuda. Kao što je prethodno napomenuto, koristi se kao rashladno sredstvo, ali to se više odnosi na čvrste i tekuće oblike. Također se koristi kao aerosolno potisno sredstvo, rodenticid (tj. Otrov za štakore), komponenta fizikalnih eksperimenata s niskim temperaturama i sredstvo za obogaćivanje u zraku unutar staklenika. Također se koristi u lomljenju naftnih bušotina, u nekim vrstama miniranja, kao moderator u određenim nuklearnim reaktorima i u posebnim laserima.
Zanimljiva činjenica: Kroz osnovne metaboličke procese, proizvest ćete oko 500 grama CO2 u naredna 24 sata - još više ako ste aktivni. To je više od jedne kilograma nevidljivog plina, koji vam samo curi iz nosa i usta, kao i iz vaših pora. U stvari, to je način na koji ljudi s vremenom gube kilograme, ne računajući vode (privremene) gubitke.