Углекислый газ -Carbon dioxide

Углекислый газ
Структурная формула диоксида углерода с длиной связи
Шаростержневая модель углекислого газа
Заполняющая пространство модель углекислого газа
Имена
Другие имена
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
3DMet
1900390
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ХимПаук
Информационная карта ECHA 100.004.271 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
номер Е Е290 (консерванты)
989
КЕГГ
МеШ Углерод+двуокись
номер РТЭКС
УНИИ
Номер ООН 1013 (газ), 1845 (твердый)
  • InChI=1S/CO2/c2-1-3 ПроверьтеД
    Ключ: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N ПроверьтеД
  • InChI=1/CO2/c2-1-3
    Ключ: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYAO
  • О=С=О
  • С(=О)=О
Характеристики
СО 2 _
Молярная масса 44,009  г·моль −1
вид Бесцветный газ
Запах
Плотность
Критическая точка ( T , P ) 304,128(15) К (30,978(15) °С ),7,3773(30) МПа (72,808 (30) атм )
194,6855(30) К (−78,4645(30) °С ) при1 атм (0,101 325  МПа )
1,45  г/л при 25 °C (77 °F), 100 кПа (0,99 атм)
Давление газа 5,7292(30) МПа ,56,54(30) атм (20°С (293,15 К ))
Кислотность (p K a ) 6.35, 10.33
−20,5·10 −6  см 3 /моль
Теплопроводность 0,01662  Вт·м - 1 ·К- 1 (300 К (27 °С; 80 °F))
Показатель преломления ( nD )
1.00045
Вязкость
0  Д
Структура
Треугольный
Линейный
Термохимия
37,135  Дж/К·моль
214  Дж·моль -1 ·К -1
−393,5  кДж·моль −1
Фармакология
V03AN02 ( ВОЗ )
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
90 000  частей на миллион (человек, 5  мин)
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
PEL (допустимый)
TWA 5000 частей на  миллион (9000  мг/м 3 )
REL (рекомендуется)
TWA 5000 частей на  миллион (9000  мг/м 3 ), ST 30 000  частей на миллион (54 000  мг/м 3 )
IDLH (Непосредственная опасность)
40 000 частей на  миллион
Паспорт безопасности (SDS) Сигма-Олдрич
Родственные соединения
Другие анионы
Другие катионы
Родственные оксиды углерода
Родственные соединения
Страница дополнительных данных
Углекислый газ (страница данных)
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
☒Н проверить  ( что   ?) ПроверьтеД☒Н

Углекислый газ ( химическая формула CO 2 ) представляет собой химическое соединение , состоящее из молекул , каждая из которых имеет один атом углерода , ковалентно связанный двойными связями с двумя атомами кислорода . Он находится в газообразном состоянии при комнатной температуре.

В воздухе углекислый газ прозрачен для видимого света, но поглощает инфракрасное излучение , действуя как парниковый газ . Это следовый газ в атмосфере Земли с концентрацией 417  частей на миллион (около 0,04%) по объему, что выше доиндустриального уровня в 280 частей на миллион. Сжигание ископаемого топлива является основной причиной увеличения концентрации CO 2 , а также основной причиной глобального потепления и изменения климата . Углекислый газ растворим в воде и содержится в подземных водах , озерах , ледяных шапках и морской воде . Когда углекислый газ растворяется в воде, он образует угольную кислоту (H 2 CO 3 ), которая вызывает закисление океана по мере увеличения уровня CO 2 в атмосфере .

Как источник доступного углерода в углеродном цикле , атмосферный углекислый газ является основным источником углерода для жизни на Земле. Его концентрация в доиндустриальной атмосфере Земли с конца докембрия регулировалась организмами и геологическими явлениями. Растения , водоросли и цианобактерии используют энергию солнечного света для синтеза углеводов из углекислого газа и воды в процессе, называемом фотосинтезом , который производит кислород в качестве побочного продукта. В свою очередь, кислород потребляется, а CO 2 выделяется в виде отходов всеми аэробными организмами , когда они метаболизируют органические соединения для производства энергии посредством дыхания . CO 2 выделяется из органических материалов при их разложении или возгорании, например, при лесных пожарах. Поскольку растениям требуется CO 2 для фотосинтеза, а люди и животные зависят от растений в качестве пищи, CO 2 необходим для выживания жизни на земле.

Углекислый газ на 53% плотнее сухого воздуха, но долгоживущий и тщательно перемешивается в атмосфере. Около половины избыточных выбросов CO 2 в атмосферу поглощается поглотителями углерода на суше и в океане . Эти поглотители могут стать насыщенными и летучими, поскольку гниение и лесные пожары приводят к выбросу CO 2 обратно в атмосферу. CO 2 в конечном итоге поглощается (хранится в течение длительного времени) в горных породах и органических отложениях, таких как уголь , нефть и природный газ . Секвестрированный CO 2 выбрасывается в атмосферу при сжигании ископаемого топлива или естественным образом извергается из вулканов , горячих источников , гейзеров , а также когда карбонатные породы растворяются в воде или реагируют с кислотами.

CO 2 является универсальным промышленным материалом, который используется, например, в качестве инертного газа в сварочных работах и ​​огнетушителях , в качестве нагнетающего газа в пневматических пушках и при добыче нефти, а также в качестве сверхкритического жидкого растворителя при декофеинизации кофе и сверхкритической сушке . Это также сырье для синтеза топлива и химикатов. Это нежелательный побочный продукт во многих крупномасштабных процессах окисления , например, при производстве акриловой кислоты (более 5 миллионов тонн в год). Замороженная твердая форма CO 2 , известная как сухой лед , используется в качестве хладагента и абразива при струйной очистке сухим льдом . Это побочный продукт ферментации сахаров при производстве хлеба , пива и вина , и его добавляют в газированные напитки , такие как сельтерская вода и пиво, для шипучести. Он имеет резкий и кислый запах и создает во рту вкус содовой воды , но в обычно встречающихся концентрациях не имеет запаха.

История

Кристаллическая структура сухого льда

Углекислый газ был первым газом, который был описан как дискретное вещество. Примерно в 1640 году фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт заметил, что, когда он сжигал древесный уголь в закрытом сосуде, масса образовавшейся золы была намного меньше массы исходного древесного угля. Его интерпретация заключалась в том, что остальная часть древесного угля превратилась в невидимую субстанцию, которую он назвал «газом» или «диким духом» ( spiritus sylvestris ).

Свойства углекислого газа были дополнительно изучены в 1750-х годах шотландским врачом Джозефом Блэком . Он обнаружил, что известняк ( карбонат кальция ) можно нагревать или обрабатывать кислотами, чтобы получить газ, который он назвал «неподвижным воздухом». Он заметил, что неподвижный воздух плотнее воздуха и не поддерживает ни пламени, ни животной жизни. Блэк также обнаружил, что при пропускании через известковую воду (насыщенный водный раствор гидроксида кальция ) карбонат кальция выпадает в осадок . Он использовал это явление, чтобы проиллюстрировать, что углекислый газ образуется в результате дыхания животных и микробного брожения. В 1772 году английский химик Джозеф Пристли опубликовал статью, озаглавленную « Пропитка воды неподвижным воздухом » , в которой он описал процесс капания серной кислоты (или купоросного масла, как его знал Пристли) на мел для получения углекислого газа и принуждения газа к растворению. растворить, взбалтывая миску с водой в контакте с газом.

Углекислый газ был впервые сжижен (при повышенном давлении) в 1823 году Гемфри Дэви и Майклом Фарадеем . Самое раннее описание твердого углекислого газа ( сухого льда ) дал французский изобретатель Адриен-Жан-Пьер Тилорье , который в 1835 году открыл сосуд под давлением с жидким углекислым газом только для того, чтобы обнаружить, что охлаждение, вызванное быстрым испарением жидкого образовался «снег» из твердого CO 2 .

Химические и физические свойства

Структура, связь и молекулярные колебания

Симметрия молекулы углекислого газа является линейной и центросимметричной в ее равновесной геометрии. Длина связи углерод-кислород в диоксиде углерода составляет 116,3  пм , что заметно меньше, чем примерно 140 пм длины типичной одинарной связи С-О, и короче, чем у большинства других функциональных групп с множественными связями С-О, таких как карбонилы . Поскольку она центросимметрична, молекула не имеет электрического дипольного момента .

Растяжительные и изгибные колебания молекулы углекислого газа СО 2 . Вверху слева: симметричное растяжение. Вверху справа: антисимметричное растяжение. Нижняя строка: вырожденная пара изгибных мод.

Как линейная трехатомная молекула, CO 2 имеет четыре формы колебаний, как показано на диаграмме. В симметричном и антисимметричном режимах растяжения атомы движутся вдоль оси молекулы. Есть две моды изгиба, которые являются вырожденными , что означает, что они имеют одинаковую частоту и одинаковую энергию из-за симметрии молекулы. Когда молекула касается поверхности или другой молекулы, две моды изгиба могут различаться по частоте, потому что взаимодействие двух мод различно. Некоторые колебательные моды наблюдаются в инфракрасном (ИК) спектре : антисимметричная валентная мода при волновом числе 2349 см - 1 (длина волны 4,25 мкм) и вырожденная пара деформационных мод при 667 см- 1 (длина волны 15 мкм). Симметричная мода растяжения не создает электрического диполя, поэтому не наблюдается в ИК-спектроскопии, но обнаруживается в спектроскопии комбинационного рассеяния при 1388 см -1 (длина волны 7,2 мкм).

В газовой фазе молекулы углекислого газа совершают значительные колебательные движения и не сохраняют фиксированной структуры. Однако в эксперименте по визуализации кулоновского взрыва можно вывести мгновенное изображение молекулярной структуры. Такой эксперимент был проведен для двуокиси углерода. Результатом этого эксперимента и выводом теоретических расчетов, основанных на поверхности потенциальной энергии молекулы ab initio , является то, что ни одна из молекул в газовой фазе никогда не бывает строго линейной.

В водном растворе

Углекислый газ растворим в воде, в которой обратимо образует Н 2 СО 3 (угольную кислоту), которая является слабой кислотой , так как ее ионизация в воде неполная.

Константа равновесия гидратации угольной кислоты при 25 °C составляет:

Следовательно, большая часть углекислого газа не превращается в угольную кислоту, а остается в виде молекул СО 2 , не влияя на рН.

Относительные концентрации CO 2 , H 2 CO 3 и депротонированных форм HCO3( бикарбонат ) и CO2-3( карбонат ) зависят от рН . Как показано на графике Бьеррума , в нейтральной или слабощелочной воде (рН > 6,5) преобладает бикарбонатная форма (> 50%), становясь наиболее распространенной (> 95%) при рН морской воды. В очень щелочной воде (pH > 10,4) преобладающей (> 50%) формой является карбонат. Океаны, будучи слабощелочными с типичным pH = 8,2–8,5, содержат около 120 мг бикарбоната на литр.

Будучи дипротонной , угольная кислота имеет две константы диссоциации кислоты , первая для диссоциации на бикарбонатный (также называемый гидрокарбонатным) ион ( HCO3):

К а1 =2,5 × 10-4 моль  /л ; р К а1 = 3,6 при 25 °С.

Это истинная первая константа диссоциации кислоты, определяемая как

где знаменатель включает только ковалентно связанный H 2 CO 3 и не включает гидратированный CO 2 (водн.) . Гораздо меньшее и часто цитируемое значение около4,16 × 10 -7 является кажущимся значением, рассчитанным на основе (неверного) предположения, что весь растворенный CO 2 присутствует в виде угольной кислоты, так что

Поскольку большая часть растворенного CO 2 остается в виде молекул CO 2 , K a1 (кажущаяся) имеет гораздо больший знаменатель и гораздо меньшее значение, чем истинное K a1 .

Ион бикарбоната представляет собой амфотерный вид, который может действовать как кислота или как основание, в зависимости от pH раствора. При высоком pH он значительно диссоциирует на ион карбоната ( CO2-3):

К а2 =4,69 × 10-11 моль  /л ; р К а2 = 10,329

В организме образование угольной кислоты катализируется ферментом карбоангидразой .

Химические реакции CO 2

CO 2 является сильным электрофилом , обладающим электрофильной реакционной способностью, сравнимой с бензальдегидом или сильными α,β-ненасыщенными карбонильными соединениями . Однако, в отличие от электрофилов с аналогичной реакционной способностью, реакции нуклеофилов с СО 2 термодинамически менее благоприятны и часто оказываются сильно обратимыми. Только очень сильные нуклеофилы, такие как карбанионы реактивов Гриньяра и литийорганические соединения, реагируют с CO 2 с образованием карбоксилатов :

где M = Li или MgBr и R = алкил или арил .

В комплексах двуокиси углерода металлов СО 2 служит лигандом , который может способствовать превращению СО 2 в другие химические вещества.

Восстановление CO 2 до CO обычно является трудной и медленной реакцией:

Фотоавтотрофы (т.е. растения и цианобактерии ) используют энергию, содержащуюся в солнечном свете, для фотосинтеза простых сахаров из CO 2 , поглощаемого из воздуха и воды:

Окислительно- восстановительный потенциал для этой реакции около pH 7 составляет около -0,53 В по сравнению со стандартным водородным электродом . Этот процесс катализирует никельсодержащий фермент моноксиддегидрогеназа .

Физические свойства

Гранулы «сухого льда», распространенной формы твердого диоксида углерода.

Углекислый газ бесцветен. При низких концентрациях газ не имеет запаха; однако при достаточно высоких концентрациях имеет резкий кислый запах. При стандартной температуре и давлении плотность углекислого газа составляет около 1,98 кг/м 3 , что примерно в 1,53 раза больше, чем у воздуха .

Углекислый газ не имеет жидкого состояния при давлениях ниже0,517 95 (10) МПа (5,111 77 (99) атм ). При давлении 1 атм (0,101 325  МПа ), газ сразу переходит в твердое состояние при температурах ниже194,6855(30) К (-78,4645 (30) ° C ), и твердое вещество возгоняется непосредственно в газ выше этой температуры. В твердом состоянии углекислый газ обычно называют сухим льдом .

Фазовая диаграмма давление-температура углекислого газа. Обратите внимание, что это логарифмическая диаграмма.

Жидкий углекислый газ образуется только при давлении выше0,517 95 (10) МПа (5,111 77 (99) атм ); тройная точка углекислого газа216,592(3) К (−56,558(3) °С ) при0,517 95 (10) МПа (5,111 77 (99) атм ) (см. фазовую диаграмму). Критическая точка _304,128(15) К (30,978(15) °С ) при7,3773(30) МПа (72,808 (30) атм ). Другая форма твердого диоксида углерода, наблюдаемая при высоком давлении, представляет собой аморфное стеклообразное твердое вещество. Эта форма стекла, называемая карбонией , производится путем переохлаждения нагретого CO 2 при экстремальных давлениях (40–48  ГПа , или около 400 000 атмосфер) в алмазной наковальне . Это открытие подтвердило теорию о том, что двуокись углерода может существовать в стеклянном состоянии, аналогичном другим членам его семейства элементов, таким как двуокись кремния (кремнеземное стекло) и двуокись германия . Однако, в отличие от кварцевых и германиевых стекол, карбоновое стекло не является стабильным при нормальном давлении и превращается в газ при сбросе давления.

При температурах и давлениях выше критической точки двуокись углерода ведет себя как сверхкритическая жидкость , известная как сверхкритическая двуокись углерода .

Таблица теплофизических свойств насыщенного жидкого диоксида углерода:

Температура (°С) Плотность (кг/м^3) Удельная теплоемкость (кДж/кг·К) Кинематическая вязкость (м^2/с) Проводимость (Вт/м·К) Температуропроводность (м^2/с) Число Прандтля Объемный модуль (K^-1)
-50 1156,34 1,84 1.19Э-07 0,0855 4.02Э-08 2,96 -
-40 1117,77 1,88 1.18Э-07 0,1011 4.81Э-08 2,46 -
-30 1076,76 1,97 1.17Э-07 0,1116 5.27Э-08 2,22 -
-20 1032,39 2,05 1.15Э-07 0,1151 5.45Э-08 2.12 -
-10 983,38 2.18 1.13Э-07 0,1099 5.13Э-08 2.2 -
0 926,99 2,47 1.08Э-07 0,1045 4.58Э-08 2,38 -
10 860.03 3.14 1.01Э-07 0,0971 3.61Э-08 2,8 -
20 772,57 5 9.10E-08 0,0872 2.22Э-08 4.1 1.40Э-02
30 597,81 36,4 8.00Э-08 0,0703 0,279Э-08 28,7 -

Таблица теплофизических свойств углекислого газа (СО2) при атмосферном давлении:

Температура (К) Плотность (кг/м^3) Удельная теплоемкость (кДж/кг °C) Динамическая вязкость (кг/мс) Кинематическая вязкость (м^2/с) Теплопроводность (Вт/м °C) Температуропроводность (м^2/с) Число Прандтля
220 2,4733 0,783 1.11Э-05 4.49Э-06 0,010805 5.92Э-06 0,818
250 2.1657 0,804 1.26Э-05 5.81Э-06 0,012884 7.40Э-06 0,793
300 1,7973 0,871 1.50Э-05 8.32Э-06 0,016572 1.06Э-05 0,77
350 1,5362 0,9 1.72Э-05 1.12Э-05 0,02047 1.48Э-05 0,755
400 1,3424 0,942 1.93Э-05 1.44Э-05 0,02461 1.95Э-05 0,738
450 1.1918 0,98 2.13Э-05 1.79Э-05 0,02897 2.48Э-05 0,721
500 1.0732 1,013 2.33Э-05 2.17Э-05 0,03352 3.08Э-05 0,702
550 0,9739 1,047 2.51Э-05 2.57Э-05 0,03821 3.75Э-05 0,685
600 0,8938 1,076 2.68Э-05 3.00E-05 0,04311 4.48Э-05 0,668
650 0,8143 1.1 2.88Э-05 3.54Э-05 0,0445 4.97Э-05 0,712
700 0,7564 1.13E+00 3.05Э-05 4.03Э-05 0,0481 5.63Э-05 0,717
750 0,7057 1,15 3.21Э-05 4.55Э-05 0,0517 6.37Э-05 0,714
800 0,6614 1.17E+00 3.37Э-05 5.10Э-05 0,0551 7.12Э-05 0,716

Изоляция и производство

Углекислый газ можно получить перегонкой из воздуха, но этот метод малоэффективен. В промышленности двуокись углерода преимущественно является нерегенерируемым отходом, производимым несколькими способами, которые можно применять в различных масштабах.

При сгорании всех углеродсодержащих видов топлива , таких как метан ( природный газ ), нефтяные дистилляты ( бензин , дизельное топливо , керосин , пропан ), уголь, древесина и обычные органические вещества, образуется двуокись углерода и, за исключением чистого углерода, вода. . Например, химическая реакция между метаном и кислородом :

Железо восстанавливается из его оксидов коксом в доменной печи с получением чугуна и углекислого газа:

Углекислый газ является побочным продуктом промышленного производства водорода путем паровой конверсии и реакции конверсии водяного газа при производстве аммиака . Эти процессы начинаются с реакции воды и природного газа (преимущественно метана). Это основной источник пищевого диоксида углерода для газирования пива и безалкогольных напитков , а также для оглушения животных, таких как домашняя птица . Летом 2018 года в Европе возникла нехватка углекислого газа для этих целей из-за временной остановки на ремонт нескольких аммиачных заводов.

Карбонаты

Производится путем термического разложения известняка CaCO .
3
путем нагревания ( прокаливания ) примерно до 850 ° C (1560 ° F) при производстве негашеной извести ( оксид кальция , CaO ), соединения, которое имеет множество промышленных применений:

Кислоты высвобождают CO 2 из большинства карбонатов металлов. Следовательно, его можно получить непосредственно из природных источников углекислого газа , где он образуется при воздействии подкисленной воды на известняк или доломит . Ниже показана реакция между соляной кислотой и карбонатом кальция (известняком или мелом):

Угольная кислота ( H
2
СО
3
) затем разлагается на воду и CO 2 :

Такие реакции сопровождаются вспениванием или пузырением, или и тем, и другим при выделении газа. Они широко используются в промышленности, поскольку их можно использовать для нейтрализации потоков сточных кислот.

Ферментация

Углекислый газ является побочным продуктом ферментации сахара при варке пива , виски и других алкогольных напитков , а также при производстве биоэтанола . Дрожжи метаболизируют сахар с образованием CO 2 и этанола , также известного как спирт, следующим образом:

Все аэробные организмы производят СО 2 при окислении углеводов , жирных кислот и белков . Большое количество вовлеченных реакций чрезвычайно сложны и не поддаются простому описанию. См. ( клеточное дыхание , анаэробное дыхание и фотосинтез ). Уравнение дыхания глюкозы и других моносахаридов :

Анаэробные организмы разлагают органический материал с образованием метана и углекислого газа вместе со следами других соединений. Независимо от типа органического материала образование газов следует четко определенной кинетической схеме . Углекислый газ составляет около 40–45% газа, образующегося при разложении на свалках (так называемый « свалочный газ »). Большую часть оставшихся 50–55% составляет метан.

Приложения

Углекислый газ используется в пищевой, нефтяной и химической промышленности. Соединение имеет различное коммерческое применение, но одно из его самых больших применений в качестве химического вещества - это производство газированных напитков; он придает искристость газированным напиткам, таким как газированная вода, пиво и игристое вино.

Предшественник химических веществ

В химической промышленности диоксид углерода в основном используется в качестве ингредиента при производстве мочевины , а меньшая часть используется для производства метанола и ряда других продуктов. Некоторые производные карбоновых кислот, такие как салицилат натрия , получают с использованием СО 2 по реакции Кольбе-Шмитта .

В дополнение к обычным процессам, использующим CO 2 для химического производства, электрохимические методы также изучаются на исследовательском уровне. В частности, использование возобновляемых источников энергии для производства топлива из СО 2 (такого как метанол) является привлекательным, поскольку это может привести к получению топлива, которое можно было бы легко транспортировать и использовать в рамках традиционных технологий сжигания, но при этом нет чистых выбросов СО 2 .

сельское хозяйство

Для фотосинтеза растениям требуется углекислый газ. Атмосферу теплиц можно (если они большие, то и необходимо) обогащать дополнительным количеством СО 2 для поддержания и увеличения скорости роста растений. При очень высоких концентрациях (в 100 раз выше концентрации в атмосфере) углекислый газ может быть ядовитым для животных, поэтому повышение концентрации до 10 000 частей на миллион (1%) или выше в течение нескольких часов уничтожит вредителей, таких как белокрылки и паутинные клещи . теплица.

Еда

Пузырьки углекислого газа в безалкогольном напитке

Углекислый газ — пищевая добавка , используемая в пищевой промышленности в качестве пропеллента и регулятора кислотности. Он одобрен для использования в ЕС (в списке E номер E290), США и Австралии и Новой Зеландии (в списке INS номер 290).

Конфета под названием Pop Rocks находится под давлением углекислого газа около 4000  кПа (40  бар ; 580  фунтов на квадратный дюйм ). При попадании в рот он растворяется (как и другие леденцы) и высвобождает пузырьки газа со слышимым хлопком.

Разрыхлители заставляют тесто подниматься, выделяя углекислый газ. Пекарские дрожжи производят углекислый газ путем ферментации сахаров в тесте, в то время как химические разрыхлители, такие как разрыхлитель и пищевая сода , выделяют углекислый газ при нагревании или воздействии кислот .

Напитки

Углекислый газ используется для производства газированных безалкогольных напитков и содовой воды . Традиционно газирование пива и игристых вин происходило путем естественного брожения, но многие производители газируют эти напитки углекислым газом, полученным в процессе ферментации. В случае пива в бутылках и кегах наиболее распространенным методом является карбонизация рециркулируемым углекислым газом. За исключением британского настоящего эля , разливное пиво обычно переливается из бочонков в холодильной камере или подвале в разливочные краны на барной стойке с использованием углекислого газа под давлением, иногда смешанного с азотом.

Вкус газированной воды (и связанные с ним вкусовые ощущения в других газированных напитках) является результатом растворенного углекислого газа, а не лопающихся пузырьков газа. Карбоангидраза 4 превращается в угольную кислоту , что приводит к кислому вкусу, а также растворенный углекислый газ вызывает соматосенсорную реакцию.

Виноделие

Сухой лед используется для сохранения винограда после сбора урожая.

Углекислый газ в виде сухого льда часто используется на этапе холодного замачивания в виноделии для быстрого охлаждения гроздей винограда после сбора, чтобы предотвратить самопроизвольное брожение дикими дрожжами . Основное преимущество использования сухого льда перед водяным льдом заключается в том, что он охлаждает виноград без добавления какой-либо дополнительной воды, которая может снизить концентрацию сахара в виноградном сусле и, следовательно, концентрацию алкоголя в готовом вине. Углекислый газ также используется для создания гипоксической среды для углекислой мацерации , процесса, используемого для производства вина Божоле .

Углекислый газ иногда используется для заполнения винных бутылок или других емкостей для хранения , таких как бочки, для предотвращения окисления, хотя у него есть проблема, заключающаяся в том, что он может растворяться в вине, делая ранее спокойное вино слегка шипучим. По этой причине профессиональные виноделы предпочитают другие газы, такие как азот или аргон .

Потрясающие животные

Углекислый газ часто используется для «оглушения» животных перед забоем. «Оглушение» может быть неправильным, так как животные не теряют сознание сразу и могут страдать.

Инертный газ

Углекислый газ является одним из наиболее часто используемых сжатых газов для пневматических (газ под давлением) систем в переносных инструментах, работающих под давлением. Углекислый газ также используется в качестве атмосферы для сварки , хотя в сварочной дуге он вступает в реакцию, окисляя большинство металлов. Использование в автомобильной промышленности является обычным явлением, несмотря на многочисленные доказательства того, что сварные швы, выполненные в углекислом газе, более хрупкие , чем сварные швы, выполненные в более инертной атмосфере. При использовании для сварки MIG использование CO 2 иногда называют сваркой MAG для металла с активным газом, поскольку CO 2 может вступать в реакцию при таких высоких температурах. Она имеет тенденцию образовывать более горячую лужу, чем действительно инертная атмосфера, улучшая характеристики потока. Хотя это может быть связано с атмосферными реакциями, происходящими на месте лужи. Обычно это противоположно желаемому эффекту при сварке, так как имеет тенденцию к охрупчиванию участка, но может не быть проблемой при обычной сварке низкоуглеродистой стали, где конечная пластичность не является серьезной проблемой.

Углекислый газ используется во многих потребительских товарах, для которых требуется газ под давлением, потому что он недорог и негорюч, а также потому, что он претерпевает фазовый переход из газа в жидкость при комнатной температуре при достижимом давлении примерно 60  бар (870  фунтов на квадратный дюйм ; 59  атм ), что позволяет гораздо больше углекислого газа, чтобы поместиться в данном контейнере, чем в противном случае. Спасательные жилеты часто содержат канистры с углекислым газом под давлением для быстрого надувания. Алюминиевые капсулы CO 2 также продаются в качестве источников сжатого газа для пневматических пистолетов , маркеров/пистолетов для пейнтбола , для накачивания велосипедных шин и для приготовления газированной воды . Высокие концентрации углекислого газа также могут быть использованы для уничтожения вредителей. Жидкая двуокись углерода используется при сверхкритической сушке некоторых пищевых продуктов и технологических материалов, при подготовке препаратов для сканирующей электронной микроскопии и при декофеинизации кофейных зерен .

Огнетушитель

Использование огнетушителя CO 2

Углекислый газ можно использовать для тушения пламени, заливая газом окружающую среду вокруг пламени. Сам по себе он не тушит пламя, а лишает пламя кислорода, вытесняя его. Некоторые огнетушители , особенно те, которые предназначены для тушения электрических пожаров , содержат жидкий углекислый газ под давлением. Углекислотные огнетушители хорошо справляются с небольшими горючими жидкостями и электрическими возгораниями, но не с обычными горючими пожарами, поскольку они не охлаждают значительно горящие вещества, а при рассеивании углекислого газа могут загореться под воздействием атмосферного кислорода . Они в основном используются в серверных комнатах.

Углекислый газ также нашел широкое применение в качестве огнетушащего вещества в стационарных системах противопожарной защиты для локального применения конкретных опасностей и тотального затопления защищаемого помещения. Стандарты Международной морской организации признают углекислотные системы для противопожарной защиты трюмов и машинных отделений. Системы противопожарной защиты на основе двуокиси углерода были связаны с несколькими смертельными случаями, потому что они могут вызвать удушье в достаточно высоких концентрациях. Обзор систем CO 2 выявил 51 инцидент в период с 1975 г. по дату составления отчета (2000 г.), в результате которых 72 человека погибли и 145 получили ранения.

Сверхкритический CO 2 в качестве растворителя

Жидкая двуокись углерода является хорошим растворителем для многих липофильных органических соединений и используется для удаления кофеина из кофе . Углекислый газ привлек внимание в фармацевтической и других отраслях химической промышленности как менее токсичная альтернатива более традиционным растворителям, таким как органохлориды . По этой причине его также используют некоторые химчистки . Его используют при приготовлении некоторых аэрогелей из-за свойств сверхкритического диоксида углерода.

Медицинское и фармакологическое использование

В медицине к кислороду добавляют до 5% углекислого газа (концентрация в 130 раз выше атмосферного) для стимуляции дыхания после апноэ и для стабилизации кислорода .
2
/СО
2
баланс в крови.

Углекислый газ может смешиваться с кислородом до 50%, образуя вдыхаемый газ; он известен как карбоген и имеет множество медицинских и исследовательских целей.

Другим медицинским применением являются мофетты , сухие курорты, которые используют углекислый газ из поствулканических выбросов в терапевтических целях.

Энергия

Сверхкритический CO 2 используется в качестве рабочего тела в двигателе силового цикла Аллама .

Восстановление ископаемого топлива

Углекислый газ используется для повышения нефтеотдачи, когда он закачивается в добывающие нефтяные скважины или рядом с ними, обычно в сверхкритических условиях, когда он смешивается с нефтью. Этот подход может увеличить первоначальную нефтеотдачу за счет снижения остаточной нефтенасыщенности на 7-23% в дополнение к первичной добыче . Он действует как агент, повышающий давление, и при растворении в подземной сырой нефти значительно снижает ее вязкость, а также изменяет химический состав поверхности, позволяя нефти быстрее течь через резервуар к скважине для удаления. На зрелых нефтяных месторождениях для транспортировки углекислого газа к точкам закачки используются разветвленные сети трубопроводов.

При улучшенном извлечении метана из угольных пластов углекислый газ будет закачиваться в угольный пласт для вытеснения метана, в отличие от современных методов, которые в основном основаны на удалении воды (для снижения давления), чтобы заставить угольный пласт высвободить захваченный метан.

Биотрансформация в топливо

Было предложено направлять CO 2 от производства электроэнергии в пруды, чтобы стимулировать рост водорослей , которые затем можно было бы преобразовать в биодизельное топливо. Штамм цианобактерии Synechococcus elongatus был генетически сконструирован для производства изобутиральдегида и изобутанола в качестве топлива из CO 2 с помощью фотосинтеза.

Исследователи разработали процесс, называемый электролизом, с использованием ферментов, выделенных из бактерий, для запуска химических реакций, которые превращают CO 2 в топливо.

Хладагент
Сравнение фазовых диаграмм давление-температура диоксида углерода (красный) и воды (синий) в виде логарифмической диаграммы с точками фазовых переходов при 1 атмосфере.

Жидкий и твердый диоксид углерода являются важными хладагентами , особенно в пищевой промышленности, где они используются при транспортировке и хранении мороженого и других замороженных продуктов. Твердый углекислый газ называется «сухим льдом» и используется для небольших поставок, где холодильное оборудование нецелесообразно. Твердый углекислый газ всегда ниже -78,5 ° C (-109,3 ° F) при обычном атмосферном давлении, независимо от температуры воздуха.

Жидкий диоксид углерода (отраслевая номенклатура R744 или R-744) использовался в качестве хладагента до использования дихлордифторметана (R12, соединение хлорфторуглерода (CFC)). CO 2 может пережить возрождение, потому что один из основных заменителей CFC, 1,1,1,2-тетрафторэтан ( R134a , соединение гидрофторуглерода (HFC)), способствует изменению климата больше, чем CO 2 . Физические свойства СО 2 весьма благоприятны для целей охлаждения, охлаждения и обогрева, поскольку он обладает высокой объемной холодопроизводительностью. Из-за необходимости работать при давлении до 130 бар (1900 фунтов на кв. дюйм; 13000 кПа) для систем CO 2 требуются резервуары с высокой механической устойчивостью и компоненты, которые уже были разработаны для массового производства во многих секторах. В автомобильном кондиционировании более чем в 90% всех условий вождения для широт выше 50° CO 2 (R744) работает более эффективно, чем системы, использующие ГФУ (например, R134a). Его экологические преимущества ( ПГП равен 1, не разрушает озоновый слой, не токсичен, негорюч) может сделать его будущей рабочей жидкостью для замены существующих ГФУ в автомобилях, супермаркетах и ​​водонагревателях с тепловым насосом, среди прочего. Coca-Cola внедрила охладители напитков на основе СО 2 , а армия США заинтересована в технологии охлаждения и нагревания на СО 2 .

Незначительное использование

Углекислый лазер

Углекислый газ является средой генерации в углекислотном лазере , который является одним из первых типов лазеров.

Углекислый газ можно использовать в качестве средства контроля pH в плавательных бассейнах путем непрерывного добавления газа в воду, что предотвращает повышение pH. Среди преимуществ этого - отказ от работы с (более опасными) кислотами. Точно так же он также используется в поддерживающих рифовых аквариумах , где он обычно используется в кальциевых реакторах для временного снижения pH воды, пропускаемой через карбонат кальция , чтобы позволить карбонату кальция более свободно растворяться в воде, где он используется некоторыми кораллами для построения скелета.

Используется в качестве теплоносителя первого контура в британском усовершенствованном газоохлаждаемом реакторе для производства атомной энергии.

Индукция углекислым газом обычно используется для эвтаназии лабораторных исследовательских животных. Методы введения СО 2 включают помещение животных непосредственно в закрытую, предварительно заполненную камеру, содержащую СО 2 , или воздействие постепенно увеличивающейся концентрации СО 2 . В рекомендациях Американской ветеринарной медицинской ассоциации от 2020 года по индукции углекислого газа указано, что скорость перемещения от 30% до 70% объема камеры или клетки в минуту является оптимальной для гуманной эвтаназии мелких грызунов. Процентное содержание CO 2 различается для разных видов, исходя из установленных оптимальных процентных соотношений для минимизации стресса.

Углекислый газ также используется в нескольких связанных методах очистки и подготовки поверхности .

В атмосфере Земли

Кривая килинга концентрации CO 2 в атмосфере

Углекислый газ в атмосфере Земли представляет собой следовый газ , имеющий глобальную среднюю концентрацию 415 частей на миллион по объему (или 630 частей на миллион по массе) по состоянию на конец 2020 года . весной и летом в северном полушарии , когда растения потребляют газ, и поднимается осенью и зимой в северном полушарии, когда растения впадают в спячку или умирают и разлагаются. Концентрации также различаются в зависимости от региона, наиболее сильно у земли и гораздо меньших вариаций наверху. В городских районах концентрации, как правило, выше, а внутри помещений они могут достигать 10-кратного фонового уровня. Выбросы CO 2 также привели к тому, что с 1980 года стратосфера сжалась на 400 метров, что может повлиять на работу спутников, системы GPS и радиосвязь.

Концентрация углекислого газа возросла из-за деятельности человека. Добыча и сжигание ископаемого топлива с использованием углерода, который в течение многих миллионов лет депонировался в литосфере , привел к увеличению концентрации CO 2 в атмосфере примерно на 50% с начала эпохи индустриализации до 2020 года. Большая часть CO 2 в результате деятельности человека выделяется при сжигании угля, нефти и природного газа. Другие крупные антропогенные источники включают производство цемента, вырубку лесов и сжигание биомассы. Человеческая деятельность выбрасывает более 30 миллиардов тонн CO 2 (9 миллиардов тонн ископаемого углерода) в год, в то время как вулканы выделяют лишь от 0,2 до 0,3 миллиарда тонн CO 2 . Человеческая деятельность привела к тому, что содержание CO 2 превысило уровни, невиданные сотни тысяч лет. В настоящее время около половины углекислого газа, выделяющегося при сжигании ископаемого топлива , остается в атмосфере и не поглощается растительностью и океанами.

Будучи прозрачным для видимого света , углекислый газ является парниковым газом , поглощающим и испускающим инфракрасное излучение на двух активных в инфракрасном диапазоне частотах колебаний (см. раздел « Структура и связь » выше). Световое излучение с поверхности Земли наиболее интенсивно в инфракрасной области между 200 и 2500 см -1 , в отличие от светового излучения гораздо более горячего Солнца, которое наиболее интенсивно в видимой области. Поглощение инфракрасного света на частотах колебаний атмосферного CO 2 улавливает энергию у поверхности, нагревая поверхность и нижние слои атмосферы. Меньше энергии достигает верхних слоев атмосферы, которые, следовательно, более холодные из-за этого поглощения.

Ежегодные потоки CO 2 из антропогенных источников (слева) в атмосферу Земли, сушу и стоки океана (справа) с 1960-х годов. Единицы в эквивалентных гигатоннах углерода в год.

Увеличение атмосферных концентраций CO 2 и других долгоживущих парниковых газов, таких как метан, закись азота и озон, усилило их поглощение и испускание инфракрасного излучения, что привело к повышению средней глобальной температуры с середины 20-го века. Углекислый газ вызывает наибольшую озабоченность, потому что он оказывает большее влияние на общее потепление, чем все эти другие газы вместе взятые. Кроме того, время его жизни в атмосфере увеличивается с увеличением совокупного количества извлеченного и сожженного ископаемого углерода из-за дисбаланса, который эта деятельность наложила на быстрый углеродный цикл Земли . Это означает, что некоторая часть (по прогнозам 20-35%) переносимого к настоящему времени ископаемого углерода будет сохраняться в атмосфере в виде повышенных уровней CO 2 в течение многих тысяч лет после того, как эта деятельность по переносу углерода начнет снижаться. Повышение концентрации CO 2 не только приводит к повышению глобальной температуры поверхности, но и повышает глобальную температуру также вызывает увеличение концентрации двуокиси углерода. Это создает положительную обратную связь для изменений, вызванных другими процессами, такими как орбитальные циклы . Пятьсот миллионов лет назад концентрация СО 2 была в 20 раз выше, чем сегодня, уменьшившись до 4–5 раз в течение юрского периода, а затем медленно уменьшаясь, причем особенно быстрое снижение произошло 49 миллионов лет назад.

Локальные концентрации углекислого газа могут достигать высоких значений вблизи сильных источников, особенно тех, которые изолированы окружающей местностью. В горячем источнике Боссолето недалеко от Раполано-Терме в Тоскане , Италия , расположенном в чашеобразной впадине диаметром около 100 м (330 футов), концентрация CO 2 за ночь поднимается до 75%, что достаточно для уничтожения насекомых и мелких животных. После восхода солнца газ рассеивается за счет конвекции. Считается, что высокие концентрации CO 2 , образующиеся в результате возмущения глубоководных озерных вод, насыщенных CO 2 , привели к гибели 37 человек на озере Монун в Камеруне в 1984 году и 1700 человек на озере Ньос в Камеруне в 1986 году.

В океанах

Раковина птерапода, растворенная в морской воде, адаптирована к химическому составу океана , прогнозируемому на 2100 год.

Углекислый газ растворяется в океане с образованием угольной кислоты (H 2 CO 3 ), бикарбоната (HCO 3 ) и карбоната (CO 3 2− ). В океанах растворено примерно в пятьдесят раз больше углекислого газа, чем в атмосфере. Океаны действуют как огромный поглотитель углерода и поглощают около трети CO 2 , выделяемого в результате деятельности человека.

По мере того, как концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивается, повышенное поглощение углекислого газа океанами вызывает заметное снижение рН океанов, что называется подкислением океана . Это снижение pH влияет на биологические системы в океанах, в первую очередь на океанические кальцифицирующие организмы. Эти эффекты охватывают пищевую цепь от автотрофов до гетеротрофов и включают такие организмы, как кокколитофориды , кораллы , фораминиферы , иглокожие , ракообразные и моллюски . В нормальных условиях карбонат кальция стабилен в поверхностных водах, поскольку карбонат-ион находится в перенасыщающих концентрациях. Однако по мере того, как pH океана падает, падает и концентрация этого иона, и когда карбонат становится недонасыщенным, структуры, состоящие из карбоната кальция, становятся уязвимыми для растворения. Кораллы, кокколитофорные водоросли, кораллиновые водоросли, фораминиферы, моллюски и птероподы подвергаются меньшей кальцификации или усиленному растворению при воздействии повышенного содержания CO.
2
.

Растворимость газа уменьшается по мере повышения температуры воды (за исключением случаев, когда и давление превышает 300 бар, и температура превышает 393 К, что наблюдается только вблизи глубоких геотермальных источников), и поэтому скорость поглощения из атмосферы уменьшается по мере повышения температуры океана.

Большая часть поглощенного океаном СО 2 , что составляет около 30% от общего количества выбрасываемого в атмосферу, образует угольную кислоту в равновесии с бикарбонатом. Некоторые из этих химических видов потребляются фотосинтезирующими организмами, которые удаляют углерод из цикла. Увеличение содержания CO 2 в атмосфере привело к снижению щелочности морской воды, и есть опасения, что это может неблагоприятно повлиять на живущие в воде организмы. В частности, с уменьшением щелочности снижается доступность карбонатов для образования раковин, хотя есть данные об усилении образования раковин некоторыми видами при повышенном содержании СО 2 .

Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) в майском 2008 г. «Информационном бюллетене о подкислении океана » заявляет, что:

Океаны поглощают около 50% углекислого газа (CO 2 ), выделяемого при сжигании ископаемого топлива, что приводит к химическим реакциям, снижающим рН океана. Это вызвало увеличение содержания ионов водорода (кислотности) примерно на 30% с начала индустриальной эпохи в результате процесса, известного как «закисление океана». Растущее число исследований продемонстрировало неблагоприятное воздействие на морские организмы, в том числе:

  • Скорость, с которой кораллы, строящие рифы, производят свои скелеты, снижается, в то время как производство многочисленных разновидностей медуз увеличивается.
  • Способность морских водорослей и свободноплавающего зоопланктона сохранять защитный панцирь снижена.
  • Выживаемость личинок морских видов, в том числе промысловых рыб и моллюсков, снижается.

Кроме того, Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) пишет в своем «Изменении климата 2007: обобщающий отчет»:

Поглощение антропогенного углерода с 1750 года привело к тому, что океан стал более кислым со средним снижением pH на 0,1 единицы. Повышение концентрации CO 2 в атмосфере приводит к дальнейшему закислению... Хотя воздействие наблюдаемого закисления океана на морскую биосферу еще не задокументировано, ожидается, что прогрессирующее закисление океанов окажет негативное воздействие на морские раковинообразующие организмы (например, кораллы) и зависимые от них виды.

Некоторые морские кальцифицирующие организмы (включая коралловые рифы) были выделены крупными исследовательскими агентствами, включая NOAA, Комиссию ОСПАР , Северо-западную ассоциацию сетевых систем наблюдения за океаном и МГЭИК, поскольку их последние исследования показывают, что закисления океана следует ожидать. воздействовать на них негативно.

Углекислый газ также поступает в океаны через гидротермальные источники. Гидротермальный источник Шампани , обнаруженный на северо-западе вулкана Эйфуку в Марианской впадине , производит почти чистый жидкий углекислый газ, это одно из двух известных мест в мире по состоянию на 2004 год, другое находится в Окинавском желобе . В 2006 году сообщалось об обнаружении подводного озера с жидким углекислым газом в Окинавском желобе.

Биологическая роль

Углекислый газ является конечным продуктом клеточного дыхания в организмах, которые получают энергию за счет расщепления сахаров, жиров и аминокислот кислородом в рамках своего метаболизма . Сюда входят все растения, водоросли и животные, а также аэробные грибы и бактерии. У позвоночных углекислый газ попадает с кровью из тканей тела в кожу (например, у земноводных ) или в жабры (например, у рыб ), откуда он растворяется в воде, или в легкие, откуда он выдыхается. При активном фотосинтезе растения могут поглощать из атмосферы больше углекислого газа, чем выделяют при дыхании.

Фотосинтез и фиксация углерода

Обзор цикла Кальвина и фиксации углерода

Фиксация углерода — это биохимический процесс, посредством которого атмосферный углекислый газ включается растениями, водорослями и (цианобактериями) в богатые энергией органические молекулы, такие как глюкоза , таким образом создавая себе пищу путем фотосинтеза. Фотосинтез использует углекислый газ и воду для производства сахаров, из которых могут быть построены другие органические соединения , а кислород производится в качестве побочного продукта.

Рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза оксигеназа , обычно сокращенно RuBisCO, представляет собой фермент , участвующий в первом основном этапе фиксации углерода, производстве двух молекул 3-фосфоглицерата из CO 2 и рибулозобисфосфата , как показано на диаграмме оставил.

RuBisCO считается самым распространенным белком на Земле.

Фототрофы используют продукты своего фотосинтеза как внутренние источники пищи и как сырье для биосинтеза более сложных органических молекул, таких как полисахариды , нуклеиновые кислоты и белки. Они используются для собственного роста, а также в качестве основы пищевых цепей и сетей, питающих другие организмы, включая таких животных, как мы. Некоторые важные фототрофы, кокколитофориды , синтезируют твердые карбонатно -кальциевые чешуйки. Глобально значимым видом кокколитофора является Emiliania huxleyi , чьи кальцитовые чешуйки легли в основу многих осадочных пород , таких как известняк , где то, что ранее было атмосферным углеродом, может оставаться фиксированным в геологических временных масштабах.

Обзор фотосинтеза и дыхания. Углекислый газ (справа) вместе с водой образует кислород и органические соединения (слева) в результате фотосинтеза , которые при вдыхании превращаются в воду и (CO 2 ).

Растения могут расти на 50 процентов быстрее при концентрации CO 2 в 1000 частей на миллион по сравнению с условиями окружающей среды, хотя это предполагает отсутствие изменений климата и ограничений по другим питательным веществам. Повышенный уровень CO 2 вызывает увеличение роста, что отражается на урожайности сельскохозяйственных культур, при этом урожайность пшеницы, риса и сои увеличивается на 12–14% при повышенном уровне CO 2 в экспериментах FACE.

Повышение концентрации CO 2 в атмосфере приводит к тому, что на растениях развивается меньше устьиц, что ведет к сокращению водопотребления и повышению эффективности водопользования . Исследования с использованием FACE показали, что обогащение CO 2 приводит к снижению концентрации питательных микроэлементов в сельскохозяйственных культурах. Это может иметь косвенные последствия для других частей экосистем , поскольку травоядным животным нужно будет есть больше пищи, чтобы получить такое же количество белка.

Концентрация вторичных метаболитов , таких как фенилпропаноиды и флавоноиды, также может изменяться в растениях, подвергающихся воздействию высоких концентраций CO 2 .

Растения также выделяют СО 2 во время дыхания, поэтому большинство растений и водорослей, которые используют фотосинтез С 3 , являются только чистыми поглотителями в течение дня. Хотя растущий лес ежегодно поглощает много тонн CO 2 , зрелый лес будет производить столько же CO 2 в результате дыхания и разложения мертвых особей (например, упавших ветвей), сколько используется для фотосинтеза в растущих растениях. Вопреки давнему мнению, что они являются углеродно-нейтральными, зрелые леса могут продолжать накапливать углерод и оставаться ценными поглотителями углерода , помогая поддерживать баланс углерода в атмосфере Земли. Кроме того, что крайне важно для жизни на Земле, фотосинтез фитопланктоном потребляет растворенный CO 2 в верхних слоях океана и тем самым способствует поглощению CO 2 из атмосферы.

Токсичность

Симптомы отравления углекислым газом по увеличению объемного процента в воздухе.

Содержание углекислого газа в свежем воздухе (в среднем между уровнем моря и уровнем 10 кПа, т. е. на высоте около 30 км (19 миль)) колеблется от 0,036% (360 частей на миллион) до 0,041% (412 частей на миллион), в зависимости от местоположения.

CO 2 является удушающим газом и не классифицируется как токсичный или вредный в соответствии со стандартами Согласованной на глобальном уровне системы классификации и маркировки химических веществ Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций с использованием Руководства ОЭСР по тестированию химических веществ . В концентрациях до 1% (10 000 частей на миллион) он вызывает у некоторых людей сонливость и ощущение заложенности легких. Концентрации от 7% до 10% (от 70 000 до 100 000 частей на миллион) могут вызвать удушье, даже при наличии достаточного количества кислорода, что проявляется головокружением, головной болью, нарушениями зрения и слуха и потерей сознания в течение от нескольких минут до часа. Физиологические эффекты острого воздействия углекислого газа объединяются под термином гиперкапния , разновидность удушья .

Поскольку он тяжелее воздуха, в местах, где газ просачивается из-под земли (из-за подповерхностной вулканической или геотермальной активности) в относительно высоких концентрациях, без рассеивающего воздействия ветра, он может собираться в защищенных / карманных местах ниже средней земли. уровне, вызывая удушье находящихся в нем животных. Затем убивают и питающихся падалью, привлеченных тушами. Точно так же дети были убиты вблизи города Гома выбросами CO 2 из близлежащего вулкана Маунт Ньирагонго . На языке суахили это явление называется мазуку .

Повышение уровня CO 2 угрожало астронавтам Аполлона-13 , которым пришлось адаптировать картриджи из командного модуля для снабжения скруббера углекислого газа в лунном модуле , который они использовали в качестве спасательной шлюпки.

У человека происходит адаптация к повышенным концентрациям СО 2 , включая изменение дыхания и выработку бикарбоната почками, чтобы сбалансировать последствия закисления крови ( ацидоз ). Несколько исследований показали, что 2,0-процентные концентрации во вдыхаемом воздухе могут быть использованы для закрытых воздушных пространств (например, подводная лодка ), поскольку адаптация является физиологической и обратимой, поскольку ухудшение работоспособности или нормальной физической активности не происходит при таком уровне воздействия в течение пяти дней. Тем не менее, другие исследования показывают снижение когнитивной функции даже на гораздо более низких уровнях. Кроме того, при продолжающемся респираторном ацидозе адаптационные или компенсаторные механизмы не смогут обратить такое состояние вспять .

Ниже 1%

Существует несколько исследований воздействия на здоровье длительного непрерывного воздействия CO 2 на людей и животных при уровнях ниже 1%. Пределы воздействия CO 2 на рабочем месте были установлены в Соединенных Штатах на уровне 0,5% (5000 частей на миллион) в течение восьмичасового периода. При такой концентрации СО 2 экипаж Международной космической станции испытывал головные боли, вялость, умственную медлительность, эмоциональное раздражение и нарушение сна. Исследования на животных при 0,5% CO 2 продемонстрировали кальцификацию почек и потерю костной массы после восьми недель воздействия. Исследование людей, подвергшихся воздействию в течение 2,5-часовых сеансов, продемонстрировало значительное негативное влияние на когнитивные способности при таких низких концентрациях, как 0,1% (1000 частей на  миллион) CO 2 , вероятно, из-за вызванного CO 2 увеличения мозгового кровотока. В другом исследовании наблюдалось снижение уровня базовой активности и использования информации при 1000 ppm по сравнению с 500 ppm. Однако обзор литературы показал, что большинство исследований феномена двуокиси углерода вызывали когнитивные нарушения, оказывающие незначительное влияние на принятие решений на высоком уровне, и большинство исследований были сбиты с толку неадекватным дизайном исследований, комфортом окружающей среды, неопределенностью в дозах облучения и используются различные когнитивные тесты. Точно так же исследование влияния концентрации CO 2 в мотоциклетных шлемах подверглось критике за сомнительную методологию, заключающуюся в том, что не учитывались самоотчеты мотоциклистов и проводились измерения с использованием манекенов. Кроме того, когда были достигнуты нормальные условия для мотоцикла (например, скорость на шоссе или в городе) или был поднят визор, концентрация CO 2 снизилась до безопасного уровня (0,2%).

Вентиляция

Плохая вентиляция является одной из основных причин чрезмерной концентрации CO 2 в закрытых помещениях. Дифференциал диоксида углерода выше концентраций наружного воздуха в устойчивых условиях (когда присутствие людей и работа системы вентиляции достаточно продолжительны, чтобы концентрация CO 2 стабилизировалась) иногда используется для оценки интенсивности вентиляции на человека. Более высокие концентрации CO 2 связаны со здоровьем пассажиров, их комфортом и снижением производительности. В соответствии со стандартом ASHRAE 62.1–2007 скорость вентиляции может привести к тому, что концентрации в помещении могут быть на 2100 частей на миллион выше, чем на улице. Таким образом, если концентрация на открытом воздухе составляет 400 частей на миллион, концентрация внутри помещений может достигать 2500 частей на миллион при скорости вентиляции, соответствующей этому отраслевому общепринятому стандарту. Концентрации в плохо вентилируемых помещениях могут быть даже выше (диапазон 3000 или 4000 частей на миллион).

Шахтеры, которые особенно уязвимы к воздействию газа из-за недостаточной вентиляции, называли смеси двуокиси углерода и азота « черной сыростью », «удушающей сыростью» или «стихом». До того, как были разработаны более эффективные технологии, горняки часто контролировали опасные уровни черного конденсата и других газов в шахтных стволах, принося с собой во время работы канарейку в клетке . Канарейка более чувствительна к удушливым газам, чем люди, и, теряя сознание, переставала петь и падала с насеста. Лампа Дэви также может обнаруживать высокие уровни черной сырости (которая опускается и собирается у пола), горя менее ярко, в то время как метан , еще один удушающий газ и опасность взрыва, заставит лампу гореть более ярко.

В феврале 2020 года три человека умерли от удушья на вечеринке в Москве, когда в бассейн добавили сухой лед (замороженный CO 2 ), чтобы охладить его. Похожая авария произошла в 2018 году, когда женщина умерла от паров CO 2 , исходивших от большого количества сухого льда, который она перевозила в своей машине.

физиология человека

Содержание

Референсные диапазоны или средние значения парциального давления двуокиси углерода (сокращенно pCO 2 )
Кровяной отсек ( кПа ) ( мм рт.ст. )
Углекислый газ венозной крови 5,5–6,8 41–51
Альвеолярное давление легочного
газа
4,8 36
Углекислый газ артериальной крови 4,7–6,0 35–45

Организм производит примерно 2,3 фунта (1,0 кг) углекислого газа в день на человека, содержащего 0,63 фунта (290 г) углерода.У людей этот углекислый газ переносится через венозную систему и выдыхается через легкие, что приводит к снижению его концентрации в артериях . Содержание углекислого газа в крови часто дается как парциальное давление , то есть давление, которое имел бы углекислый газ, если бы он один занимал объем. Содержание углекислого газа в крови человека показано в соседней таблице.

Транспорт в крови

CO 2 переносится кровью тремя различными путями. (Точные проценты различаются между артериальной и венозной кровью).

Гемоглобин , основная молекула, несущая кислород в красных кровяных тельцах , переносит как кислород, так и углекислый газ. Однако СО 2 , связанный с гемоглобином, не связывается с тем же центром, что и кислород. Вместо этого он соединяется с N-концевыми группами четырех глобиновых цепей. Однако из-за аллостерических эффектов на молекулу гемоглобина связывание СО 2 уменьшает количество кислорода, связанного при данном парциальном давлении кислорода. Это явление известно как эффект Холдейна и играет важную роль в транспортировке углекислого газа из тканей в легкие. И наоборот, повышение парциального давления СО 2 или более низкий уровень pH вызовет выгрузку кислорода из гемоглобина, что известно как эффект Бора .

Регуляция дыхания

Углекислый газ является одним из медиаторов местной ауторегуляции кровоснабжения. Если его концентрация высока, капилляры расширяются, чтобы обеспечить больший приток крови к этой ткани.

Ионы бикарбоната имеют решающее значение для регулирования рН крови. Частота дыхания человека влияет на уровень СО 2 в его крови. Слишком медленное или поверхностное дыхание вызывает респираторный ацидоз , а слишком быстрое дыхание приводит к гипервентиляции , которая может вызвать респираторный алкалоз .

Хотя организму требуется кислород для обмена веществ, низкий уровень кислорода обычно не стимулирует дыхание. Скорее, дыхание стимулируется более высоким уровнем углекислого газа. В результате вдыхание воздуха низкого давления или газовой смеси без кислорода (например, чистого азота) может привести к потере сознания без ощущения кислородного голодания . Это особенно опасно для летчиков-высотников. По этой же причине бортпроводники инструктируют пассажиров в случае потери давления в салоне сначала надеть кислородную маску на себя, прежде чем помогать другим; в противном случае можно потерять сознание.

Дыхательные центры стараются поддерживать артериальное давление СО 2 на уровне 40 мм рт. При намеренной гипервентиляции содержание СО 2 в артериальной крови может быть снижено до 10–20 мм рт. ст. (на содержание кислорода в крови это мало влияет), снижен дыхательный драйв. Вот почему после гипервентиляции можно задерживать дыхание дольше, чем без гипервентиляции. Это сопряжено с риском потери сознания до того, как потребность в дыхании станет непреодолимой, поэтому гипервентиляция особенно опасна перед фридайвингом.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки