Съдържание
- Какво е въглероден диоксид?
- Въглероден диоксид в метаболизма
- Въглероден диоксид и изменение на климата
- Употреба на CO2 в промишлеността
Въглеродният диоксид е сред многото научни термини, който носи широк спектър от значения и подобен широк спектър от конотации. Ако сте запознати с клетъчното дишане, може да знаете, че газът на въглероден диоксид - съкратено CO2 - е отпадъчен продукт от тази серия от реакции при животни, в които кислороден газ или О2, е реагент; може също да знаете, че при растенията този процес на практика е обратен, с СО2 служещо като гориво при фотосинтезата и О2 като отпадъчен продукт.
Може би по-известен, благодарение на политиката и науката за Земята от настоящия век, CO2 е известен с това, че е парников газ, отговорен за подпомагането на улавянето на топлината в атмосферата на Земята. CO2 е страничен продукт от изгарянето на изкопаеми горива и последвалото затопляне на планетата доведе гражданите на Земята в търсене на алтернативни източници на енергия.
Освен тези въпроси, СО2 газ, елегантно проста молекула, има редица други биохимични и индустриални функции, които феновете на науката трябва да знаят.
Какво е въглероден диоксид?
Въглеродният диоксид е безцветен газ без мирис при стайна температура. Всеки път, когато издишате, молекулите на въглеродния диоксид напускат тялото ви и стават част от атмосферата. CO2 молекулите съдържа един въглероден атом, обграден от два кислородни атома, така че молекулата е с линейна форма:
О = С = О
Всеки въглероден атом образува четири връзки със своите съседи в стабилни молекули, докато всеки кислороден атом образува две връзки. По този начин с всяка въглерод-кислородна връзка в СО2 състоящ се от двойна връзка - тоест две двойки споделени електрони - СО2 е силно стабилен.
Когато погледът към периодичната таблица с елементи разкрива (вж. Ресурси), молекулното тегло на въглерода е 12 атомни масови единици (amu), докато това на кислорода е 16 amu. Следователно молекулното тегло на въглеродния диоксид е 12 + 2 (16) = 44. Друг начин за изразяване на това е да се каже, че един мол СО2 има маса 44, като един мол е еквивалентен на 6,02 × 1023 отделни молекули. (Тази цифра, известна като число на Avogadros, се извлича от факта, че молекулната маса на въглерода е определена на точно 12 грама, което е два пъти повече от броя на протонен въглерод, а тази маса въглерод съдържа 6,02 × 1023 въглеродни атоми. Молекулното тегло на всеки друг елемент е структурирано около този стандарт.)
Въглеродният диоксид може да съществува и като течност, състояние, в което се използва като хладилен агент, в пожарогасители и при производството на газирани напитки като сода; и като твърдо вещество, в което състояние се използва като хладилен агент и може да причини измръзване, ако влезе в контакт с кожата.
Въглероден диоксид в метаболизма
Въглеродният диоксид често се разбира погрешно като токсичен, тъй като често се свързва с задушаване и дори загуба на живот. Докато достатъчни нива на СО2 в действителност могат да бъдат директно токсични и да причинят задушаване, това, което обикновено се случва е, че СО2 вместо това се натрупва в резултат или следствие от задушаване. Ако някой спре да диша по някаква причина, СО2 вече не се изхвърля през белите дробове и следователно се натрупва в кръвообращението, тъй като няма къде да отиде. CO2 следователно е маркер за задушаване. По същия начин водата не е "токсична", просто защото може да доведе до удавяне.
Само малка част от атмосферата се състои от СО2 - около 1 процент. Въпреки че е страничен продукт от животинския метаболизъм, абсолютно е необходимо растенията да оцелеят и е инструментална част от целия свят въглероден цикъл, Растенията приемат CO2, превръща го в серия от реакции въглерод и кислород и след това освобождава кислорода в атмосферата, като същевременно задържа въглерода под формата на глюкоза, за да живее и расте. Когато растенията умират или са изгорени, въглеродът им се рекомбинира с О2 във въздуха, образувайки СО2 и завършване на въглеродния цикъл.
Животните генерират въглероден диоксид чрез разграждането на приетите въглехидрати, протеини и мазнини в храната. Всички те се метаболизират до глюкоза, шест въглеродна молекула, която след това навлиза в клетките и в крайна сметка се превръща в въглероден диоксид и вода, като получената енергия се използва за захранване на клетъчната дейност. Това се случва чрез процеса на аеробно дишане (често се нарича клетъчно дишане, въпреки че термините не са точно синоними). Цялата глюкоза, която влиза в клетките както на прокариоти (бактерии), така и на нерастителни еукариоти (животни и гъби), първо се подлага на гликолиза, което генерира двойка три-въглеродни молекули, наречени пируват. По-голямата част от това влиза в цикъла на Кребс под формата на дву-въглеродна молекула ацетил CoA, докато СО2 е освободен. Високоенергийните носители на електрон NADH и FADH2 които се образуват по време на цикъла на Кребс, след това се отказват от електрони в присъствието на кислород в реакциите на електронната транспортна верига, което води до образуването на голяма част от АТФ, „енергийната валута“ на клетките на живите същества.
Въглероден диоксид и изменение на климата
CO2 е топлинно улавящ газ. В много отношения това е добро, тъй като не позволява на Земята да загуби толкова много топлина, че животни като хората не биха могли да оцелеят. Но изгарянето на изкопаеми горива след началото на индустриалната революция през 19 век добави значително количество CO2 газ в атмосферата, което води до глобално затопляне и постепенно влошаващите му ефекти.
В продължение на много хиляди години атмосферната концентрация на СО2 в атмосферата остана между 200 и 300 части на милион (ppm). До 2017 г. тя се е повишила до близо 400 ppm, концентрация, която все още се увеличава. Този допълнителен CO2 улавя топлината и причинява промяна на климата. Това се проявява не само в повишаващите се средни температури в световен мащаб, но и в повишаващите се нива на морето, ледниковите топи, по-киселата морска вода, по-малките полярни ледени шапки и подем в броя на катастрофални събития (например урагани). Всички тези проблеми са взаимно свързани и взаимозависими.
Примери за изкопаеми горива включват въглища, нефт (нефт) и природен газ. Те са създадени за период от милиони години, след като мъртвите растителни и животински материали стават в капан и погребани под скални слоеве. При благоприятни условия на топлина и налягане тази органична материя се трансформира в гориво. Всички изкопаеми горива съдържат въглерод и те се изгарят, за да получат енергия и се отделя въглероден диоксид.
Употреба на CO2 в промишлеността
Газът от въглероден диоксид има различни приложения, което е удобно, защото нещата са буквално навсякъде. Както бе отбелязано по-рано, той се използва като хладилен агент, въпреки че това е по-вярно за твърдите и течни форми. Използва се също като аерозолно гориво, родентицид (т.е. отрова за плъхове), компонент на физически експерименти с ниски температури и обогатяващ агент във въздуха вътре в оранжерии. Той се използва и за разрушаване на нефтени кладенци, при някои видове добив, като модератор в определени ядрени реактори и в специални лазери.
Интересен факт: Чрез основни метаболитни процеси ще произведете около 500 грама CO2 в следващите 24 часа - още повече, ако сте активни. Това е повече от един килограм невидим газ, който просто излиза от носа и устата, както и от порите ви. Това всъщност е как хората губят тегло с времето, без да включват загубите на вода (временни).