Угљен-диоксид

Угљен-диоксид или угљеник(IV)-оксид је атмосферски природни гас који се састоји од једног атома угљеника и два атома кисеоника спојених ковалентним везама. Хемијска формула овог гаса је CO₂. У стандардним условима температуре и притиска је у гасовитом стању. У Земљиној атмосфери се налази у количини од око 0,041% (по запремини) Део је угљениковог циклуса, а биљке, алге и цијанобактерије га користе у процесу фотосинтезе (у присуству воде деловањем сунчеве светлости) за производњу угљених хидрата, чиме се као нуспроизвод отпушта кисеоник. Међутим, пошто се фотосинтеза не може одвијати у мраку, део угљен-диоксида биљке производе ноћу у процесу дисања.

Угљен-диоксид

Ball-and-stick model of carbon dioxide Space-filling model of carbon dioxide
Називи
Други називи Гас угљеничне киселине Карбонски анхидрид Каркбонски оксид Углјеник оксид Углјеник(IV) оксид Суви лед (чврста фаза)
Идентификација
CAS број	124-38-9 Y
3Д модел (Jmol)	интерактивна слика интерактивна слика
3DMet	B01131
Бајлштајн	1900390
ChEBI	CHEBI:16526 Y
ChemSpider	274 Y
ECHA InfoCard	100.004.271
EC број	204-696-9
Е-бројеви	E290 (конзерванси)
Гмелин Референца	989
KEGG	D00004 Y
MeSH	Carbon+dioxide
PubChem C ID	280
RTECS	FF6400000
UNII	142M471B3J Y
UN број	1013 (гас), 1845 (чврст)
InChI InChI=1S/CO2/c2-1-3 Y Кључ: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Y InChI=1/CO2/c2-1-3 Кључ: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYAO
SMILES O=C=O C(=O)=O
Својства
Хемијска формула	CO2
Моларна маса	44,01 g·mol−1
Агрегатно стање	Безбојни гас
Мирис	Ниске концентрације: нема Високе концентрације: оштар; кисео
Густина	1562 kg/m3 (чврст при 1 atm и −78,5 °C) 1101 kg/m3 (течан при засићењу −37 °C) 1,977 kg/m3 (гас на 1 atm и 0 °C)
Тачка топљења	−56,6 °C; −69,8 °F; 216,6 K (Тројна тачка на 5,1 atm)
Критична тачка (T, P)	31,1 °C (304,2 K), 7,38 MPa (73,8 bar)
Услови сублимације	−78,5 °C; −109,2 °F; 194,7 K (1 atm)
Растворљивост у води	1,45 g/L на 25 °C (77 °F), 100 kPa
Напон паре	5,73 MPa (20 °C)
Киселост (pKa)	6,35, 10,33
Магнетна сусцептибилност	−20,5·10−6 cm³/mol
Индекс рефракције (nD)	1,00045
Вискозност	0,07 cP на −78,5 °C
Диполни момент	0 D
Структура
Кристална решетка/структура	тригонална
Облик молекула (орбитале и хибридизација)	линеаран
Термохемија
Специфични топлотни капацитет, C	37,135 J/K mol
Стандардна моларна ентропија (So298)	214 J·mol−1·K−1
Стандардна енталпија стварања (ΔfHo298)	−393,5 kJ·mol−1
Фармакологија
ATC код	V03AN02 (WHO)
Опасности
Безбедност приликом руковања	Сигма-Алдрич
NFPA 704	0 2 0 SA
Смртоносна доза или концентрација (LD, LC):
LCLo (најнижа објављена)	90,000 ppm (човек, 5 мин)
Границе изложености здравља у САД (NIOSH):
PEL (дозвољено)	TWA 5000 ppm (9000 mg/m³)
REL (препоручено)	TWA 5000 ppm (9000 mg/m³) ST 30,000 ppm (54,000 mg/m³)
IDLH (тренутна опасност)	40,000 ppm
Сродна једињења
Други анјони	Угљен дисулфид Угљеник диселенид Угљен дителурид
Други катјони	Силицијум-диоксид Германијум-диоксид Калај-диоксид Олово-диоксид
Сродна угљенични оксиди	Угљен-моноксид Угљеник субоксид Диугљен-моноксид Угљен триоксид
Сродна једињења	Угљена киселина Карбонил сулфид
Уколико није другачије напоменуто, подаци се односе на стандардно стање материјала (на 25°C [77°F], 100 kPa).
Y верификуј (шта је YН ?)
Референце инфокутије

Угљен-диоксид у природи настаје сагоревањем угља или угљоводоника, ферментацијом шећера у алкохолна пићима, као и дисањем свих живих организама. Људи и копнене животиње га избацују из дисајних органа. Емитују га вулкани, гејзири и врели извори воде те друга места где је Земљина кора танка. Ослобађа се и из карбонатних стена путем растварања. CO₂ се може наћи у језерима на дубинама испод нивоа мора, те измешан са нафтом и природним гасом.

Утицаји угљен-диоксида на околину су од значајног интереса. Угљен-диоксид је важан стакленички гас, који загрева површину Земље тако што смањује и онемогућава радијацију топлоте у свемир. Атмосферски угљен-диоксид је основни извор угљеника за живот на Земљи, а његова концентрација у Земљиној атмосфери пре индустријске револуције још од касног преткамбријума била је регулисана фотосинтетичким организмима. Међутим, од индустријске револуције до данас брзо је порасла концентрација CO₂ у атмосфери због сагоревања карбонских (фосилних) горива (угља, нафте и природног гаса). Последица повећања концентрације CO₂ у атмосфери је глобално загревање те антропогене климатске промене. Угљен-диоксид је највећи извор закисељавања океана пошто он при растварању у води производи угљену киселину која је слаба киселина те је њена јонизација у води некомплетна (CO₂ + H₂O ⇔ H₂CO₃).

Особине

Под нормалним условима угљен-диоксид је у гасовитом агрегатном стању. Без мириса је, загушљив, незапаљив, тежи од ваздуха. Адијабатском експанзијом (ширењем са високог на атмосферски притисак) делимично прелази у чврсто стање (суви лед).

Физичке

Фазни дијаграм температуре и притиска код угљен-диоксида, приказана је тројна и критична тачка угљен-диоксида

Узорци чврстог угљен-диоксида или сувог леда

То је гас без боје. У мањим концентрацијама је без мириса и укуса. У већим концентрацијама, гас има оштар кисели мирис. При стандардним условима температуре и притиска, густина му је око 1,98 kg/m³ што је око 1,5 пута више од ваздуха те се у затвореним просторима често налази на дну просторије. Угљен-диоксид не може бити у течном стању при притиску испод 5,1 atm. При притиску од 1 atm (приближно „нормалном” притиску на нивоу мора), гас се претвара директно у чврсто стање на температури испод -78,5 °C а изнад те температуре CO₂ у чврстом стању сублимира директно у гас. У свом чврстом стању, угљен-диоксид се често назива и суви лед.

Течни угљен-диоксид се формира само при притиску изнад 5,1 atm. Тројна тачка угљен-диоксида је на око 518 kPa и −56,6 °C. Критична тачка је на 7,38 MPa и 31,1 °C. Проучаван је и другачији облик угљен-диоксида у чврстом стању при високом притиску у аморфном облику сличном стаклу. Тај облик стакла назван карбонија се производи од суперохлађеног CO₂ при изузетно високом притиску (40—48 GPa или 400 хиљада atm) у дијамантској комори. Ово откриће је потврдило теорију да би угљен-диоксид могао да постоји у облику сличном стаклу, попут других чланова исте елементарне породице једињења као што су силикон, силикатно стакло и германијум-диоксид. За разлику од силике и германијског стакла, карбонија стакло није стабилно на нормалном притиску и враћа се у гасно стање када се смањи притисак.

Хемијске

Структура и везе

Молекул угљен-диоксида је праволинијски и централно симетричан. Две C-O везе су једнаке и кратке (116,3 pm), а састоје се из двоструке везе. Пошто је централно симетричан, молекул нема електрични дипол. У складу са овом чињеницом, могуће је уочити само две вибрацијске линије у ИЦ спектру и то: антисиметрично проширење на 2349 cm⁻¹ и савијање у близини 666 cm⁻¹. Постоји и симетрично проширење на 1388 cm⁻¹ које се може уочити само путем Раманове спектроскопије.

У воденом раствору

Угљен-диоксид је доста топљив у води. Водени раствор реагује кисело (pH око 4), због стварања угљеничне киселине:

CO₂ + H₂O ⇔ H₂CO₃

Ова равнотежа помакнута је јако улево, јер је више од 99% CO₂ растворено као молекул, а само мали део реагује с водом, дајући киселину. Хенријева константа угљене киселине је $K_{\mathrm {h} }={\frac {\rm {[H_{2}CO_{3}]}}{\rm {[CO_{2}(aq)]}}}=1,70\times 10^{-3}$ (на 25 °C). Због тога, већи део угљен-диоксида није прешао у угљену киселину већ је остао као молекул CO₂ без утицаја на pH вредност. Релативна концентрација CO₂ и H₂CO₃ те депротонизованих форми HCO₃⁻ (бикарбонат) и CO₃²⁻ (карбонат) зависе од pH. У неутралним и благо алкалним водама (pH > 6,5) доминира бикарбонатна форма (>50%) и претежна је (>95%) при pH вредности морске воде. У веома алкалним водама (pH > 10,4), доминира карбонатна форма (>50%). Океани, који су благо алкални са типичним вредностима pH од 8,2 до 8,5 садрже око 120 mg бикарбоната по литру.

Пошто је угљена киселина дипротична, има две константе киселе дисоцијације, прва је за дисоцијацију у бикарбонатни јон (хидроген карбонат) (HCO₃⁻):

H₂CO₃ ⇔ HCO₃⁻ + H⁺

K_a1 = 2,5x10^-4 mol/l; pK_a1 = 3,6 на 25 °C.

Ово је права прва константа киселинске дисоцијације, дефинисана као $K_{a1}={\frac {\rm {[HCO_{3}^{-}][H^{+}]}}{\rm {[H_{2}CO_{3}]}}}$, где деноминатор укључује само ковалентну везу H₂CO₃, а не укључује хидратизовани CO₂(aq). Много мања и много чешће спомињана вредност око 4,16x10⁻⁷ је видљива вредност израчуната на бази (нетачне) претпоставке да је сав растворени CO₂ присутан као угљена киселина, тако да је $K_{\mathrm {a1} }{\rm {(vidlji)}}={\frac {\rm {[HCO_{3}^{-}][H^{+}]}}{\rm {[H_{2}CO_{3}]+[CO_{2}(aq)]}}}$. Пошто већина раствореног угљен-диоксида остаје као молекул, K_a1(видљива) има далеко већи деноминатор и много мању вриједност од стварне K_a1.

Бикарбонатни јон је амфотерична врста која може реаговати и као киселина и као база, у зависности од pH вредности раствора. Код виших pH вредности, он се у великој мери дисоцира на карбонатни јон (CO₃²⁻):

HCO₃⁻ ⇔ CO₃²⁻ + H⁺

K_a2 = 4,69x10^-11 mol/l; pK_a2 = 10,329

У организмима, производња угљене киселине се катализује путем ензима карбонатне анхидразе.

Реакције

CO₂ је слаби електрофил. Његова реакција са водом илуструје ову особину, при чему је хидроксид нуклеофил. С њим реагују и други нуклеофили. На пример, карбанјон који се добија из Григнардовог реагенса и органолитијумских једињења реагује са угљен-диоксидом те даје карбоксилате:

MR + CO₂ → RCO₂M (где је M = Li или MgBr, а R = алкил или арил).

У металним-угљик-диоксид комплексима CO₂ служи као лиганд, а може послужити при конверзији CO₂ у друге хемикалије

Редукција CO₂ у угљен-моноксид је обично „тешка” и спора реакција:

CO₂ + 2 e⁻ + 2H⁺ → CO + H₂O

Редокс потенцијал за ову реакцију при pH вредности од приближно 7 се креће око -0,53 V у односу на стандардну водоникову електроду. Ензим угљен-моноксид дехидрогеназа који садржи никал је катализатор у овом процесу.

Примена

• У производњи пића и газираних напитака, заштиту и претакање;
• У хемијској индустрији за добијање карбоната, бикарбоната, ђубрива, синтезних смеса, у неутрализацији алкалних раствора, производњи боја, итд.;
• У техници заваривања, у металургији, ливарству, у хлађењу и заштити производа.

Примена у гашењу пожара

Главни чланак: Пожар

Угљен-диоксид је ефикасно средство које на запаљену материју делује искључиво угушујуће, тако што је изолује од околног ваздуха, при чему је расхлађујући ефекат релативно мали. Он је погодно средство за гашење пожара у затвореним просторијама, јер истискује ваздух из просторија, кад у већини случајева долази до престанка процеса горења. Употребљава се најбоље за гашење пожара на електричним уређајима и инсталацијама под напоном (класе Е), мањих количина запаљивих течности и гасова, пожара класе Б и Ц, док се за гашење пожара лаких метала не препоручује.

Начин производње и испоруке

• Добија се пречишћавањем сировог угљендиоксида из природних извора или из процеса хемијске индустрије и утечњавањем у робни гас.
• У челичним судовима - боцама, под притиском од 70-150 бара у течном агрегатном стању или у течном агрегатном стању специјалним транспортним судовима под притиском до суда корисника гаса.

Поступак и материјали

• Гас у сувом стању није кородиван. За влажан гас је неопходна примена легираних челика. За течност се користе легирани челици за ниске температуре. Дозвољена је употреба већине пластичних материјала.
• У раду са гасом или течношћу под притиском треба се придржавати прописаних упутстава и мера заштите.

Суви лед

Суви лед је угљендиоксид у чврстом агрегатном стању на температури од -79º C. Суви лед се производи од течног угљендиоксида при контролисаним условима у специјално конструисаној машини. При овом процесу настаје прво суви снег, а компресијом и суви лед, који се затим пресује кроз екструдерску плочу, и тако добија производ различитих димензија.

• Суви лед се испоручује у блоковима димензија 25 cm x 25 cm x 40 cm, просечне тежине око 25 kg.
• Пакује се и транспортује у изолованим контејнерима у које стаје око 250 kg.

Употреба

Употребе сувог леда су разне од хлађења хране и пића у кетерингу, транспорта крви, крвне плазме и органа на ниским температурама, до чишћења и одмашћивања површина

Примена

Основна употреба је за хлађење у транспорту.

Види још

• Угљен субоксид
• Угљен-моноксид

Литература

• Kaufman, Donald G.; Franz, Cecilia M. (1996). Biosphere 2000: protecting our global environment. Kendall/Hunt Pub. Co. ISBN 978-0-7872-0460-0. Приступљено 11. 10. 2011. 
• Seppänen, O.A.; Fisk, W.J.; Mendell, M.J. (децембар 1999). „Association of Ventilation Rates and CO₂ Concentrations with Health and Other Responses in Commercial and Institutional Buildings” (PDF). Indoor Air. 9 (4): 226—252. PMID 10649857. doi:10.1111/j.1600-0668.1999.00003.x. Архивирано из оригинала (PDF) 27. 12. 2016. г. 
• Shendell, D.G.; Prill, R.; Fisk, W.J.; Apte, M.G.; Blake, D.; Faulkner, D. (октобар 2004). „Associations between classroom CO₂ concentrations and student attendance in Washington and Idaho” (PDF). Indoor Air. 14 (5): 333—341. PMID 15330793. doi:10.1111/j.1600-0668.2004.00251.x. Архивирано из оригинала (PDF) 27. 12. 2016. г. 
• Soentgen, Jens (фебруар 2014). „Hot air: The science and politics of CO₂”. Global Environment. 7 (1): 134—171. doi:10.3197/197337314X13927191904925. 
• Good plant design and operation for onshore carbon capture installations and onshore pipelines: a recommended practice guidance document. Global CCS Institute. Energy Institute and Global Carbon Capture and Storage Institute. 1. 9. 2010. Архивирано из оригинала 7. 11. 2018. г. Приступљено 27. 12. 2018. „'This new title is an essential guide for engineers, managers, procurement specialists and designers working on global carbon capture and storage projects.'” 

Спољашње везе

• Произвођач у Београду
• Интернационална карта хемијске безбедности 0021
• Carbon dioxide MSDS by Amerigas in the SDSdata.org database.
• CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Carbon Dioxide
• ${\ce {CO2}}$ Carbon Dioxide Properties, Uses, Applications
• Dry Ice information Архивирано на сајту Wayback Machine (3. април 2004)
• Trends in Atmospheric Carbon Dioxide (NOAA)
• "A War Gas That Saves Lives". Popular Science, June 1942, pp. 53–57.
• http://googas.ov.ingv.it/ Архивирано на сајту Wayback Machine (13. фебруар 2021)
• Reactions, Thermochemistry, Uses, and Function of Carbon Dioxide Архивирано на сајту Wayback Machine (13. фебруар 2021)
• Carbon Dioxide – Part One
• Carbon Dioxide – Part Two