Oxid uhličitý

Z Multimediaexpo.cz

Verze z 2. 12. 2014, 08:47

Oxid uhličitý, archaicky uhlec, je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu; při vyšších koncentracích může v ústech mít slabě nakyslou chuť. Je těžší než vzduch. Vzniká reakcí uhlíku s kyslíkem (spalováním):

C + O₂ → CO₂,

hořením oxidu uhelnatého (například svítiplynu):

2 CO + O₂ → 2 CO₂,

nebo organických látek, například methanu:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O,

a to vždy za vývinu značného množství tepla. Podobnými reakcemi můžeme popsat i spalování fosilních paliv a biomasy. Je také produktem dýchání většiny živých organismů, kde je spolu s vodou konečným produktem metabolické přeměny živin obsažených v potravě. V laboratoři se většinou připravuje reakcí uhličitanů, především uhličitanu vápenatého se silnými kyselinami například chlorovodíkovou:

CaCO₃ + 2 HCl → CO₂ + CaCl₂ + H₂O.

Průmyslově se vyrábí tepelným rozkladem (žíháním) vápence (uhličitanu vápenatého):

CaCO₃ → CaO + CO₂.

Po chemické stránce je oxid uhličitý velice stálý a ani při velmi vysokých teplotách nad 2 000 °C se znatelně nerozkládá. Ve vodě se snadno rozpouští, přičemž se přitom zčásti (asi z 0,003 %) slučuje s vodou na kyselinu uhličitou:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃.

Oxid uhličitý reaguje se silnými hydroxidy za vzniku solí, které se vyskytují ve dvou formách, jako uhličitany a hydrogenuhličitany (starším názvem kyselé uhličitany); například s hydroxidem sodným vzniká buď hydrogenuhličitan sodný:

CO₂ + NaOH → NaHCO₃,

nebo při větším množství hydroxidu uhličitan sodný:

CO₂ + 2 NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.

V zelených rostlinách je oxid uhličitý asimilován v procesu zvaném fotosyntéza za katalytického působení chlorofylu a dodávky energie ve formě světelných kvant na monosacharidy podle celkové rovnice:

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Spalování sacharidů v těle živočichů (i rostlin v noci) je chemickým procesem právě opačným, stejně tak kvašení cukrů působením kvasinek. Při geologickém vývoji planetárních těles hraje v chemismu oxidu uhličitého významnou roli rovnováha mezi oxidem uhličitým a oxidem křemičitým v kompetici o vápník podle vztahu:

CaCO₃ + SiO₂ ↔ CO₂ + CaSiO₃.

Za běžných teplot panujících na Zemi je tato rovnováha posunuta téměř úplně vlevo, takže velké množství oxidu uhličitého je vázáno v uhličitanových horninách. Stoupne-li teplota zhruba nad 350 °C, rovnováha se vychýlí téměř úplně vpravo a oxid křemičitý vytěsní z hornin oxid uhličitý, který přejde do atmosféry. Tímto mechanismem se vysvětluje velmi hustá atmosféra planety Venuše, složená převážně z oxidu uhličitého. Při ochlazení pod -80 °C mění plynný oxid uhličitý svoje skupenství přímo na pevné (desublimuje) za vzniku bezbarvé tuhé látky, nazývané suchý led.

Oxid uhličitý je nedýchatelný a ve vyšších koncentracích může způsobit ztrátu vědomí a smrt. Naruší totiž uhličitanovou rovnováhu v krvi a způsobí tak acidosu. Stejně tak ovšem pokles pod jeho normální koncentraci může způsobit alkalosu.

Výskyt v přírodě

Horní koláčový graf ukazuje složení suchého vzduchu. Oxid uhličitý představuje azurový podíl dolního grafu

Oxid uhličitý je běžnou součástí zemské atmosféry, přičemž jeho koncentrace (průměrně  0,038 % v roce 2004) v ovzduší kolísá v závislosti na místních podmínkách, na výšce nad povrchem a relativní vlhkosti vzduchu v ovzduší. V důsledku zejména průmyslových emisí jeho průměrná koncentrace ve vzduchu stále roste (viz odstavec „Vliv oxidu uhličitého na globální oteplování“). Lokálně velmi vysoká koncentrace je v místech jeho výronu sopečných plynů ze země ve vulkanicky aktivních oblastech a v některých přírodních minerálních vodách. Vzhledem k tomu, že je těžší než vzduch může se v takových místech hromadit a představovat nebezpečnou past pro zvířata i lidi. Ročně tak vulkanické aktivity dodávají do ovzduší Země přibližně 130 až 230 Tg, což představuje řádově jen 1 až 2 % produkce CO₂ lidstvem. Oxid uhličitý byl také nalezen v mezihvězdném prostoru. Je hlavní složkou atmosfér planet Venuše a Mars. Spektroskopicky byl prokázán i v řadě komet.

Využití

Oxid uhličitý je průmyslově lehce dostupný plyn. Využívá se jako:

• chemická surovina pro výrobu:
  • anorganických uhličitanů
  • methanolu
  • polykarbonátů
  • polyuretanů
  • karbamátů
  • isokyanátů
  • a jiných organických sloučenin
• hnací plyn a ochranná atmosféra pro potravinářské účely
• součást perlivých nápojů
• náplň sněhových hasicích přístrojů
• chladicí médium (suchý led)
• v medicíně se přidává (do 5 %) ke kyslíku pro zvýšení efektivity dýchání
• hnojivo v akvaristice

Vliv oxidu uhličitého na globální oteplování

Koncentrace CO₂ v atmosféře od roku 1750

Oxid uhličitý se podílí na vzniku skleníkového efektu. Největší podíl na skleníkovém efektu však překvapivě nemá oxid uhličitý ale vodní pára^[1][2], která se na něm podílí z více než 60 procent^[3]. Jeho nárůst v ovzduší, což je považováno za hlavní příčinu globálního oteplování, je způsoben zejména spalováním fosilních paliv a úbytkem lesů. Naštěstí zatím nejvýkonnější ekosystém poutající vzdušný oxid uhličitý - mořský fytoplankton - není dosud příliš narušen. Velké množství oxidu uhličitého je také rozpuštěno ve světových mořích a oceánech, které tak regulují jeho množství v atmosféře. Pozvolný nárůst globální teploty však negativně ovlivňuje rozpustnost CO₂ v mořské vodě a pozitivní zpětnou vazbou se tak dostává zpět do vzduchu další dodatečné množství tohoto skleníkového plynu. Naštěstí většina oxidu uhličitého je v mořské vodě vázána chemicky ve formě uhličitanových a hydrogenuhličitanových iontů, za což vděčíme jeho reakci s vápenatými minerály podle rovnice:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ←→ Ca²⁺ + 2 HCO₃^-

Tato rovnováha se však se zvyšující teplotou posunuje doleva. Také intenzita fotosyntézy fytoplanktonem je závislá na optimální teplotě a s jejím růstem nad optimum klesá.

Oxid uhličitý a biomasa

Kromě spalování biomasy či bioplynu vzniká oxid uhličitý také během kompostování. Navíc část organické hmoty zůstává na poli jako posklizňové (potěžební) zbytky, a kořenový systém. V průběhu anaerobní digesce a kompostování je velká část organické hmoty přeměněna na stabilizované organo-minerální hnojivo s vysokým podílem humusových látek, takže velký podíl uhlíku zůstává dlouhodobě fixován v humusu, který zlepšuje vlastnosti půd (vododržnost, pufrační kapacitu, …). Navíc zlepšené vlastnosti půdy mají za následek vyšší výnosy, a tedy i intenzivnější asimilaci CO₂ během fotosyntézy.

Historická poznámka

Oxid uhličitý byl první chemickou sloučeninou, která byla popsána jako plyn odlišný od vzduchu. V 17. století vlámský chemik Jan Baptist van Helmont zjistil, že při spalování dřevěného uhlí v uzavřené nádobě váha zbylého popele je menší, než původního uhlí. Vysvětlil to přeměnou části uhlí na neviditelnou substanci, kterou nazval plyn spiritus sylvestre.

V polovině 18. století vlastnosti tohoto plynu studoval podrobněji skotský lékař Joseph Black. Zjistil, že zahříváním vápence nebo jeho reakcí s kyselinami vzniká plyn, který nazval „fixovatelný vzduch“ („fixed air“), protože jej bylo možno vázat silnými zásadami (například hydroxidem vápenatým). Zjistil také, že je těžší než vzduch a že na rozdíl od normálního vzduchu nepodporuje hoření a že zvířata v něm hynou. Vázání na hydroxid vápenatý použil k důkazu, že je ve vydechovaném vzduchu a také, že se uvolňuje při procesu kvašení (fermentace).

Toxikologické hledisko

Koncentrace oxidu uhličitého ve vdechovaném vzduchu od 10 % výše má za následek rychlou ztrátu vědomí a při delší expozici smrt. Nebezpečí hrozí například v silážních či kanalizačních prostorech.^[4]

Literatura

• Neftel, A., H. Friedli, E. Moore, H. Lotscher, H. Oeschger, U. Siegenthaler, and B. Stauffer. 1994. Historical carbon dioxide record from the Siple Station ice core. pp. 11-14. In T.A. Boden, D.P. Kaiser, R.J. Sepanski, and F.W. Stoss (eds.) Trends'93: A Compendium of Data on Global Change. ORNL/CDIAC-65. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tenn. U.S.A.
• Keeling, C.D., and T.P. Whorf. 1994. Atmospheric carbon dioxide records from sites in the SIO air sampling network. pp. 16-26. In T.A. Boden, D.P. Kaiser, R.J. Sepanski, and F.W. Stoss (eds.) Trends'93: A Compendium of Data on Global Change. ORNL/CDIAC-65. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tenn. U.S.A.
• WALTER, Carsten, STUPAVSKÝ, Vladimír: Velký CO2 podvod. Biom.cz [online]. 2008-12-15 [cit. 2009-06-09]. Dostupné z WWW: <http://biom.cz/cz/odborne-clanky/velky-co2-podvod>. ISSN: 1801-2655.
• NÁTR, Lubomír. 2006. Země jako skleník : proč s bát CO2?. vydala Academia, ISBN:80-200-1362-8

Reference

1. ↑ http://www.fi.muni.cz/~tomp/envi/eseje/vymola/esej.doc
2. ↑ http://www.cenia.cz/www/webapp.nsf/webfiles/files-TT-sklen.%20efekt.pdf/$FILE/sklen.%20efekt.pdf
3. ↑ Nátr L.: Země jako skleník, kapitola 4.4 na str. 53
4. ↑ Bardoděj, Z.: Chemie v hygieně a toxikologii. LFH UK, Praha 1988.

Externí odkazy

• Emise oxidu uhličitého podle zemí, v absolutních číslech,na 1000 obyvatel.
• Oxid uhličitý a další skleníkové plyny