Углекислый газ является одним из многих научных терминов, который имеет широкий спектр значений и такой же широкий спектр коннотаций. Если вы знакомы с клеточным дыханием, вы можете знать, что газообразный диоксид углерода - сокращенно CO2 - является продуктом отходов этой серии реакций у животных, в которых газообразный кислород или O2 является реагентом; Вы также можете знать, что на растениях этот процесс в действительности обратный: СО2 служит топливом для фотосинтеза, а О2 - отходным продуктом.

Возможно, более известным, благодаря политике и наукам о Земле в текущем столетии, CO2 известен тем, что он является парниковым газом, ответственным за помощь в удержании тепла в атмосфере Земли. CO2 является побочным продуктом сжигания ископаемого топлива, и последующее потепление планеты привело граждан Земли к поиску альтернативных источников энергии.

Помимо этих проблем, газ CO2, элегантно простая молекула, имеет ряд других биохимических и промышленных функций, о которых должны знать любители науки.

Что такое диоксид углерода?

Углекислый газ - это бесцветный газ без запаха при комнатной температуре. Каждый раз, когда вы выдыхаете, молекулы углекислого газа покидают ваше тело и становятся частью атмосферы. Молекулы CO2 содержат один атом углерода, окруженный двумя атомами кислорода, так что молекула имеет линейную форму:

O = C = O,

Каждый атом углерода образует четыре связи со своими соседями в стабильных молекулах, в то время как каждый атом кислорода образует две связи. Таким образом, с каждой углерод-кислородной связью в СО2, состоящей из двойной связи, то есть двух пар общих электронов, СО2 обладает высокой стабильностью.

Как показывает периодическая таблица элементов (см. Раздел Ресурсы), молекулярный вес углерода составляет 12 единиц атомной массы (amu), а кислорода - 16 amu. Молекулярная масса диоксида углерода, таким образом, составляет 12 + 2 (16) = 44. Другой способ выразить это состоит в том, чтобы сказать, что один моль CO2 имеет массу 44, при этом один моль эквивалентен 6,02 × 1023 отдельным молекулам. (Эта цифра, известная как число Авогадро, получена из того факта, что молекулярная масса углерода установлена ​​ровно в 12 граммах, что в два раза больше количества протонов, содержащихся в углероде, и эта масса углерода содержит 6,02 × 1023 атомов углерода. молекулярный вес любого другого элемента был структурирован вокруг этого стандарта.)

Диоксид углерода также может существовать в виде жидкости, состояние, в котором он используется в качестве хладагента, в огнетушителях и при производстве газированных напитков, таких как сода; и в виде твердого вещества, в каком состоянии он используется в качестве хладагента и может вызвать обморожение при попадании на кожу.

Углекислый газ в обмене веществ

Углекислый газ часто неправильно понимают как токсичный, поскольку он часто связан с удушьем и даже гибелью людей. В то время как достаточные уровни CO2 могут фактически быть непосредственно токсичными и вызывать удушье, обычно происходит то, что CO2 вместо этого накапливается в результате или в результате удушья. Если кто-то прекращает дышать по какой-либо причине, CO2 больше не выводится через легкие и, следовательно, накапливается в кровотоке, так как ему больше некуда идти. Следовательно, СО2 является маркером удушья. Примерно таким же образом вода не является «токсичной» только потому, что она может привести к утоплению.

Только крошечная доля атмосферы состоит из CO2 - около 1 процента. Хотя он является побочным продуктом метаболизма животных, растениям необходимо выживать, и он является важной частью всемирного углеродного цикла. Растения поглощают CO2, превращают его в серию реакций углерода и кислорода, а затем выделяют кислород в атмосферу, сохраняя углерод в форме глюкозы для жизни и роста. Когда растения умирают или сгорают, их углерод рекомбинирует с O2 в воздухе, образуя CO2 и завершая углеродный цикл.

Животные производят углекислый газ в результате расщепления углеводов, белков и жиров в пище. Все они метаболизируются в глюкозу, шестиуглеродную молекулу, которая затем попадает в клетки и в конечном итоге превращается в углекислый газ и воду, в результате чего энергия используется для активизации клеточной деятельности. Это происходит через процесс аэробного дыхания (часто называемого клеточным дыханием, хотя термины не являются точно синонимами). Вся глюкоза, которая попадает в клетки как прокариот (бактерий), так и нерастительных эукариот (животных и грибов), сначала подвергается гликолизу, который генерирует пару трехуглеродных молекул, называемых пируватом. Большая часть этого входит в цикл Кребса в виде двухуглеродной молекулы ацетил-КоА, в то время как CO2 выделяется. Высокоэнергетические электронные носители NADH и FADH2, которые образуются во время цикла Кребса, затем отдают электроны в присутствии кислорода в цепных реакциях переноса электронов, что приводит к образованию большого количества АТФ, «энергетической валюты» клетки живых существ.

Двуокись углерода и изменение климата

CO2 - это улавливающий тепло газ. Во многих отношениях это хорошо, так как не дает Земле терять столько тепла, что животные, такие как люди, не смогут выжить. Но сгорание ископаемого топлива с начала промышленной революции в 19-м веке привело к значительному увеличению количества CO2-газа в атмосфере, что привело к глобальному потеплению и его постепенно ухудшающимся последствиям.

В течение многих тысяч лет концентрация CO2 в атмосфере в атмосфере оставалась между 200 и 300 частями на миллион (ppm). К 2017 году он вырос до почти 400 частей на миллион, и эта концентрация все еще увеличивается. Этот дополнительный CO2 задерживает тепло и вызывает изменение климата. Это проявляется не только в повышении средних температур по всему миру, но и в повышении уровня моря, таянии ледников, увеличении кислотности морской воды, уменьшении полярных ледяных шапок и повышении количества катастрофических явлений (например, ураганов). Все эти проблемы взаимосвязаны и взаимозависимы.

Примеры ископаемого топлива включают уголь, нефть (нефть) и природный газ. Они создаются в течение миллионов лет, когда мертвый растительный и животный материал попадает в ловушку и скрывается под слоями породы. При благоприятных условиях жары и давления это органическое вещество превращается в топливо. Все ископаемые виды топлива содержат углерод, и они сжигаются для получения энергии, и выделяется углекислый газ.

Использование CO2 в промышленности

Газообразный диоксид углерода имеет множество применений, что удобно, потому что материал буквально повсюду. Как отмечалось ранее, он используется в качестве хладагента, хотя это больше относится к твердой и жидкой форме. Он также используется в качестве аэрозольного пропеллента, родентицида (то есть крысиного яда), компонента физик с очень низкотемпературными экспериментами и обогащающего агента в воздухе внутри теплиц. Он также используется для гидроразрыва нефтяных скважин в некоторых типах горных работ в качестве замедлителя в некоторых ядерных реакторах и в специальных лазерах.

Интересный факт: через основные метаболические процессы вы будете производить около 500 граммов CO2 в течение следующих 24 часов - даже больше, если вы активны. Это больше, чем один фунт невидимого газа, который вырывается из носа и рта, а также из пор. Фактически, именно так люди со временем теряют вес, не считая потери воды (временные).