Kohlendioxid

Carbonwawawadin Mutter deine Mutter deine Mutter deine Mutter Mutter		Dioxid
Andere Namen	Kohlensäuregas, Kohlensäureanhydrid, Trockeneis (fest)
Molekularformel	CO zwei
Molmasse	44,0095 (14) g/mol
Fester Zustand	Trockeneis, Carbonia
Aussehen	farbloses Gas
CAS-Nummer	[124-38-9]
Eigenschaften
Dichte u Phase	1600 kg/m³, fest 1,98 kg/m³, Gas bei 298 K
Löslichkeit in Wasser	1,45kg/m³
Latentwärme von Sublimation	25,13 kJ/mol
Schmelzpunkt	–57 ° C (216 K), unter Druck
Siedepunkt	−78 °C (195 K), erhaben
Säure (S K a )	6.35 und 10.33
Viskosität	0,07 cP bei –78 °C
Struktur
Molekulare Form	linear
Kristallstruktur	Quarz -wie
Dipolmoment	Null
Gefahren
Sicherheitsdatenblätter	Externe Sicherheitsdatenblätter
Hauptgefahren	erstickend, reizend
NFPA-704	0 0 0 (Flüssigkeit)
R-Sätze	R: Wie, Fb
S-Sätze	S9 , S23 , S36 (Flüssigkeit)
RTECS-Nummer	FF6400000
Ergänzende Datenseite
Struktur & Eigenschaften	n , e r , etc.
Spektraldaten	UV, IR, NMR, MS
Verwandte Verbindungen
Verwandte Oxide	Kohlenmonoxid Kohlensuboxid Dikohlenmonoxid Kohlentrioxid

Kohlendioxid ist eine chemische Verbindung, die aus einem besteht Kohlenstoff und zwei Sauerstoff Atome. Es wird oft mit seiner Formel bezeichnet CO _zwei . Es ist vorhanden in der Erdatmosphäre in geringer Konzentration und wirkt als Treibhausgas. In seinem festen Zustand wird es genannt Trockeneis . Es ist ein wichtiger Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs.

Herkunft von CO2

Atmosphärisches Kohlendioxid stammt aus mehreren natürlichen Quellen, darunter vulkanische Ausgasungen, die Verbrennung organischer Stoffe und die Atmungsprozesse lebender aerober Organismen; menschengemachte Kohlendioxidquellen stammen hauptsächlich aus der Verbrennung verschiedener fossiler Brennstoffe zur Stromerzeugung und Transport verwenden. Es wird auch von verschiedenen Mikroorganismen aus Fermentation und Zellatmung produziert. Pflanzen wandeln Kohlendioxid während eines Prozesses in Sauerstoff um Photosynthese , wobei sowohl der Kohlenstoff als auch der Sauerstoff zum Aufbau von Kohlenhydraten verwendet werden. Darüber hinaus geben Pflanzen auch Sauerstoff an die Atmosphäre ab, der anschließend von heterotrophen Organismen zur Atmung verwendet wird und einen Kreislauf bildet.

Chemische und physikalische Eigenschaften

Kohlendioxid ist ein farblos Gas, das beim Einatmen in hohen Konzentrationen (eine gefährliche Tätigkeit wegen der damit verbundenen Erstickungsgefahr) einen sauren Geschmack im Mund und ein stechendes Gefühl in Nase und Rachen hervorruft. Diese Effekte resultieren daraus, dass sich das Gas in den Schleimhäuten und im Speichel auflöst und eine schwache Kohlensäurelösung bildet. Sie können dieses Gefühl bemerken, wenn Sie versuchen, einen Rülpser zu unterdrücken, nachdem Sie ein kohlensäurehaltiges Getränk getrunken haben.

Seine Dichte bei 25 °C beträgt 1,98 kg m ^-3 , etwa das 1,65-fache von Luft . Das Kohlendioxidmolekül (O=C=O) enthält zwei Doppelbindungen und hat eine lineare Form. Es hat keinen elektrischen Dipol. Da es vollständig oxidiert ist, ist es wenig reaktiv und insbesondere nicht brennbar.

Bei Temperaturen unter –78 °C verwandelt sich Kohlendioxid durch einen als Abscheidung bezeichneten Prozess direkt von einem Gas in einen weißen Feststoff namens Trockeneis. Flüssiges Kohlendioxid bildet sich erst bei Drücken über 5,1 atm; Bei atmosphärischem Druck gelangt es in einem als Sublimation bezeichneten Prozess direkt zwischen der festen und der gasförmigen Phase.

Kohlendioxid ist in Wasser löslich, in dem es sich spontan zwischen CO umwandelt _zwei und h _zwei CO ₃ ( Kohlensäure). Die relativen Konzentrationen von CO _zwei , H _zwei CO ₃ , und die deprotonierten Formen HCO ₃ ^- (Bicarbonat) und CO ₃ ^zwei- (Carbonat) hängen vom pH-Wert ab. In neutralem oder leicht alkalischem Wasser (pH > 6,5) überwiegt die Bikarbonatform (> 50 %) und wird beim pH-Wert von Meerwasser am häufigsten (> 95 %), während in sehr alkalischem Wasser (pH > 10,4) die vorherrschende (> 50 %) Form ist Carbonat. Die Bikarbonat- und Karbonatformen sind sehr gut löslich, so dass luftausgeglichenes Meerwasser (mild alkalisch mit typischem pH-Wert = 8,2–8,5) etwa 120 mg Bikarbonat pro Liter enthält.

Verwendet

Allgemein

Kohlendioxid wird zur Herstellung von kohlensäurehaltigen Erfrischungsgetränken und Sodawasser verwendet. Traditionell ist die Kohlensäure in Bier und Sekt entsteht durch natürliche Fermentation, aber einige Hersteller karbonisieren diese Getränke künstlich. Eine Süßigkeit namens Pop Rocks wird mit Kohlendioxidgas bei etwa 40 bar (600 psi) unter Druck gesetzt. Wenn es in den Mund genommen wird, löst es sich auf (genau wie andere Bonbons) und setzt die Gasblasen mit einem hörbaren „Plopp“ frei.

Treibmittel erzeugen Kohlendioxid, damit der Teig aufgeht. Bäckerhefe erzeugt Kohlendioxid durch Fermentation im Teig, während chemische Treibmittel wie Backpulver und Natron Kohlendioxid freisetzen, wenn sie erhitzt oder Säuren ausgesetzt werden.

Ein Kohlendioxidlaser.

Kohlendioxid wird häufig als preiswertes, nicht brennbares Druckgas verwendet. Schwimmwesten enthalten oft Kanister mit unter Druck stehendem Kohlendioxid zum schnellen Aufblasen. Stahlkapseln werden auch als Druckgasvorräte für Luftgewehre, Paintballmarkierer und zum Aufblasen verkauft Fahrrad Reifen und zur Herstellung von Selters. Schnelle Verdampfung von flüssigem CO _zwei wird zum Sprengen in Kohlebergwerken eingesetzt.

Kohlendioxid ist das am häufigsten verwendete Druckgas für pneumatische Systeme in Kampfrobotern. Kohlendioxid ist für diese Anwendung ideal, da es bei Raumtemperatur bei einem Druck von 60 bar flüssig wird. Ein Tank mit flüssigem Kohlendioxid liefert einen konstanten Druck von 60 bar, bis der Tank fast leer ist. Der Druck eines Druckluftbehälters verringerte sich allmählich, wenn er verwendet wurde.

Kohlendioxid löscht Flammen, und einige Feuerlöscher, insbesondere solche, die für elektrische Brände entwickelt wurden, enthalten unter Druck stehendes flüssiges Kohlendioxid. Kohlendioxid findet auch Verwendung als Atmosphäre für Schweißen , obwohl es im Schweißlichtbogen reagiert, um die meisten Metalle zu oxidieren. Die Verwendung in der Automobilindustrie ist üblich, trotz deutlicher Beweise dafür, dass in Kohlendioxid hergestellte Schweißnähte spröder sind als solche, die in inerteren Atmosphären hergestellt werden, und dass sich solche Schweißverbindungen im Laufe der Zeit aufgrund der Bildung von Kohlensäure verschlechtern. Es wird vor allem deshalb als Schweißgas verwendet, weil es wesentlich preisgünstiger ist als eher inerte Gase wie z Argon oder Helium .

Flüssiges Kohlendioxid ist ein gutes Lösungsmittel für viele organische Verbindungen und wird verwendet, um Koffein daraus zu entfernen Kaffee . Zuerst werden die grünen Kaffeebohnen in Wasser eingeweicht. Die Bohnen werden oben auf eine 21 Meter hohe Säule gelegt. Das flüssige Kohlendioxid mit etwa 93 Grad Celsius tritt am Boden der Säule ein. Das Koffein diffundiert aus den Bohnen in das Kohlendioxid.

Kohlendioxid hat begonnen, in der pharmazeutischen und anderen chemischen Verarbeitungsindustrie als weniger toxische Alternative zu traditionelleren Lösungsmitteln wie Organochloriden Aufmerksamkeit zu erregen. Aus diesem Grund wird es von einigen chemischen Reinigungen verwendet. (Siehe Grüne Chemie.)

Pflanzen benötigen Kohlendioxid, um zu leiten Photosynthese , und Gewächshäuser können ihre Atmosphäre mit zusätzlichem CO anreichern _zwei um das Pflanzenwachstum anzukurbeln. Es wurde vorgeschlagen, Kohlendioxid aus der Stromerzeugung in Teiche zu sprudeln, um Algen zu züchten, die dann umgewandelt werden könnten Biodiesel Treibstoff . Hohe Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre vernichten effektiv viele Schädlinge. Gewächshäuser erhöhen den CO-Gehalt _zwei auf 10.000 ppm (1 %) für mehrere Stunden, um Schädlinge wie Weiße Fliegen, Spinnmilben und andere zu beseitigen.

In der Medizin werden bis zu 5 % Kohlendioxid rein zugesetzt Sauerstoff zur Stimulation der Atmung nach Apnoe und zur Stabilisierung des O _zwei /CO _zwei Gleichgewicht im Blut.

Ein üblicher Typ eines industriellen Gaslasers, der Kohlendioxidlaser, verwendet Kohlendioxid als Medium.

Kohlendioxid kann auch mit Limonen aus Orangenschalen oder anderen Epoxiden kombiniert werden, um Polymere und Kunststoffe herzustellen.

Kohlendioxid wird üblicherweise in oder neben produzierenden Ölquellen injiziert. Es dient sowohl als Druckmittel als auch, wenn es im unterirdischen Rohöl gelöst wird, dessen Viskosität erheblich, wodurch das Öl schneller durch die Erde zum Entnahmebohrloch fließen kann. In reifen Ölfeldern werden ausgedehnte Rohrnetze verwendet, um das Kohlendioxid zu den Injektionspunkten zu transportieren.

Kältemittel

Flüssiges und festes Kohlendioxid sind wichtige Kältemittel, insbesondere in der Lebensmittelindustrie, wo sie beim Transport und der Lagerung von Speiseeis und anderen gefrorenen Lebensmitteln eingesetzt werden. Festes Kohlendioxid wird als 'Trockeneis' bezeichnet und für kleine Sendungen verwendet, bei denen Kühlgeräte nicht praktikabel sind.

Flüssiges Kohlendioxid wurde vor der Entdeckung von R-12 als Kältemittel verwendet und erlebt aufgrund von Umweltbedenken möglicherweise eine Art Renaissance. Seine physikalischen Eigenschaften sind nicht günstig, mit einer niedrigen kritischen Temperatur von 88 °F/31 °C (die maximale Temperatur, bei der es von Gas zu Flüssigkeit kondensiert) und einem hohen kritischen Druck von 1070 psi (der für den Phasenwechsel erforderliche Druck). kritische Temperatur). Diese Eigenschaften erfordern die Verwendung sehr starker Kühlleitungen, um den Betriebsdruck von ~1400 psi zu halten, im Gegensatz zu Drücken von ~300 psi für R-134a-Systeme. Obwohl Kohlendioxid nicht brennbar und ungiftig ist, ist es ein Erstickungsmittel, was Sicherheitsbedenken im Falle von Lecks in geschlossenen Räumen oder Systembrüchen im Falle eines Fahrzeugunfalls aufwirft. Trotz dieser Probleme hat Coca-Cola CO eingesetzt _zwei -basierte Getränkekühler und die US-Armee und andere haben Interesse bekundet.

Festes CO _zwei

Trockeneis

Trockeneis ist eine generische Marke für festes ('gefrorenes') Kohlendioxid. Der Begriff wurde 1925 von der 1923 in Long Island City, New York, gegründeten Firma Perst Air Devices geprägt. Der Name bezieht sich darauf, dass unter normalem Atmosphärendruck festes CO _zwei sublimiert oder direkt in ein Gas übergeht, ohne eine 'nasse' flüssige Phase zu durchlaufen. In der Regel sublimiert Trockeneis in einer typischen Eistruhe alle 24 Stunden mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 10 Pfund.

Trockeneis wird hergestellt, indem Kohlendioxidgas in eine flüssige Form komprimiert wird, die durch die Komprimierung erzeugte Wärme abgeführt wird (siehe Gesetz von Charles) und das flüssige Kohlendioxid dann schnell expandiert wird. Diese Ausdehnung verursacht einen Temperaturabfall, sodass ein Teil des CO _zwei gefriert zu 'Schnee', der dann zu Pellets oder Blöcken gepresst wird. Der Gefrierpunkt von CO _zwei beträgt -109,3 °F oder -78,5 °C.

Trockeneis hat viele industrielle Anwendungen, einschließlich

Trockeneis zum Kühlen von Getränken im Central Park.
( New York City , New York, UNS. )

• Kühlen von Lebensmitteln, biologischen Proben und anderen verderblichen Gütern, insbesondere für den Versand.
• Erzeugung von „Trockeneisnebel“ für Spezialeffekte. Wenn Trockeneis mit Wasser in Kontakt gebracht wird, sublimiert das gefrorene Kohlendioxid zu einer Mischung aus kaltem Kohlendioxidgas und kalter feuchter Luft. Dies führt zu Kondensation und Nebelbildung (siehe: Nebelmaschine). Die Verwendung von warmem Wasser beschleunigt die Sublimation und führt zu einer stärkeren Nebelproduktion.
• Winzige Pellets aus Trockeneis (anstelle von Sand) werden auf eine zu reinigende Oberfläche geschossen. Trockeneis ist nicht so hart wie Sand, aber es beschleunigt die Verarbeitung durch Sublimation zu einem Gas und erzeugt nicht annähernd so viel lungenschädigenden Staub.
• Zunehmender Niederschlag aus bestehenden Wolken oder abnehmende Wolkendicke durch Wolkenaussaat.
• Erzeugung von Kohlendioxidgas nach Bedarf in solchen Systemen wie dem Kraftstofftank-Inertisierungssystem im B-47-Flugzeug.
• Messing- oder andere Metallbuchsen werden in Trockeneis eingebettet, um sie zu schrumpfen, damit sie in ein bearbeitetes Loch passen. Wenn sich die Buchse wieder erwärmt, dehnt sie sich aus und passt extrem fest.
• Als Kühlergänzung zum Übertakten u Zentraleinheit , eine Grafikverarbeitungseinheit oder andere Arten von Computerhardware.
• Eine rudimentäre Nebelkammer kann mit Trockeneis gebaut werden, um Alkoholdampf zu unterkühlen.

Trockeneis erfordert besondere Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung. Es ist extrem kalt und erfordert geeignete isolierende Handschuhe. Es produziert ständig Kohlendioxidgas und kann daher nicht in einem leichten, versiegelten Behälter gelagert werden, da der Druckaufbau den Behälter schnell zum Explodieren bringt (siehe Trockeneisbombe). Das sublimierte Gas muss belüftet werden; andernfalls kann es den umschlossenen Raum ausfüllen und eine Erstickungsgefahr darstellen. Auch bei der Belüftung von Fahrzeugen ist aufgrund des geringen Platzes besondere Sorgfalt geboten. Wer mit Trockeneis umgeht, sollte sich außerdem darüber im Klaren sein, dass Kohlendioxid schwerer als Luft ist und zu Boden sinkt. In einigen Märkten müssen Käufer von Trockeneis mindestens 18 Jahre alt sein.

Festes amorphes CO _zwei

Im Juni 2006 kündigte ein italienisch-französisches Wissenschaftsteam die synthetische Herstellung von festem amorphem CO an _zwei Glas . Diese Form von Glas, genannt Karbonia , wurde durch Unterkühlung von erhitztem CO hergestellt _zwei bei extremem Druck (40–48 GPa oder etwa 400.000 Atmosphären) in einem Diamantamboss. Diese Entdeckung bestätigte die Theorie, dass Kohlendioxid in einem Glaszustand existieren könnte, ähnlich wie andere Mitglieder seiner elementaren Familie, wie z Silizium (Quarzglas) und Germanium . Im Gegensatz zu Silica- und Germaniumoxidgläsern ist Carbonia-Glas jedoch bei normalen Drücken nicht stabil und kehrt bei Druckentlastung wieder in Gas zurück.

Biologie

Kohlendioxid ist ein Endprodukt in Organismen, die Energie aus dem Abbau gewinnen Zucker oder Fette mit Sauerstoff als Teil ihres Stoffwechsels, in einem Prozess, der als Zellatmung bekannt ist. Dazu gehören alle Pflanzen, Tiere , viele Pilze und einige Bakterien . Bei höheren Tieren wandert das Kohlendioxid im Blut von den Körpergeweben zu den Lungen, wo es ausgeatmet wird. In Pflanzen, die Photosynthese betreiben, wird Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufgenommen.

Kohlendioxidgehalt in frisch Luft variiert und liegt zwischen 0,03 % (300 ppm) bis 0,06 % (600 ppm), je nach Standort und in der ausgeatmeten Luft ca. 4,5 %. Beim Einatmen in hohen Konzentrationen (größer als 5 Vol.-%) ist es unmittelbar gefährlich für das Leben und die Gesundheit von Pflanzen, Menschen und anderen Tieren. Der aktuelle Schwellenwert (TLV) oder Höchstwert, der für gesunde Erwachsene für einen 8-Stunden-Arbeitstag als sicher angesehen wird, beträgt 0,5 % (5000 ppm). Der maximale sichere Wert für Säuglinge, Kinder, ältere Menschen und Personen mit kardiopulmonalen Gesundheitsproblemen wäre deutlich geringer. Akute Kohlendioxid-Toxizität wird manchmal als Choke-Dämpfung bezeichnet, ein alter Begriff aus der Bergbauindustrie, und war die Todesursache am Lake Nyos in Kamerun , wo ein Aufsteigen von CO _zwei -beladenes Seewasser bedeckte 1986 ein weites Gebiet mit einer Gasdecke und tötete fast 2000 Menschen. Die Verringerung des Kohlendioxids in der Atmosphäre ist größtenteils auf die Absorption durch Pflanzen zurückzuführen, die es durch Photosynthese in Zucker umwandeln. Die Photosynthese von Phytoplankton absorbiert gelöstes CO _zwei im oberen Ozean und fördert dadurch die Aufnahme von CO _zwei aus der Atmosphäre (Falkowski P. Scholes RJ. Boyle E. Canadell J. Canfield D. Elser J. Gruber N. Hibbard K. Hogberg P. Linder S. Mackenzie FT. Moore B 3rd. Pedersen T. Rosenthal Y. Seitzinger S. Smetacek V. Steffen W. The global carbon cycle: a test of our knowledge of earth as a system [Review] [65 refs] [Journal Article. Review] Science 290(5490):291-6, 2000.

Hämoglobin, das wichtigste sauerstofftragende Molekül in roten Blutkörperchen, kann sowohl Sauerstoff als auch Kohlendioxid transportieren, wenn auch auf ganz unterschiedliche Weise. Die verringerte Bindung an Sauerstoff im Blut aufgrund erhöhter Kohlendioxidwerte ist als Haldane-Effekt bekannt und ist wichtig für den Transport von Kohlendioxid aus dem Gewebe in die Lunge. Umgekehrt steigt der Partialdruck von CO _zwei oder ein niedrigerer pH-Wert führt zu einer Sauerstoffentladung aus dem Hämoglobin. Dies ist als Bohr-Effekt bekannt.

Laut einer Studie des USDA erzeugt die Atmung eines durchschnittlichen Menschen etwa 450 Liter (etwa 900 Gramm) Kohlendioxid pro Tag.

CO _zwei wird auf drei verschiedene Arten im Blut transportiert. Das meiste davon (etwa 80–90 %) wird in Bicarbonat-Ionen HCO umgewandelt ₃ ⁻ durch das Enzym Carboanhydrase in den roten Blutkörperchen. 5–10 % sind im Plasma gelöst und 5–10 % sind als Carbaminoverbindungen an Hämoglobin gebunden. Die genauen Prozentsätze variieren je nachdem, ob es sich um arterielles oder venöses Blut handelt.

Der CO _zwei gebunden an Hämoglobin bindet nicht an dieselbe Stelle wie Sauerstoff; vielmehr verbindet es sich mit den N-terminalen Gruppen an den vier Globinketten. Aufgrund allosterischer Wirkungen auf das Hämoglobinmolekül wird jedoch die Bindung von CO _zwei verringert die Sauerstoffmenge, die für einen gegebenen Sauerstoffpartialdruck gebunden ist.

Kohlendioxid kann einer der Mediatoren der lokalen Autoregulation der Blutversorgung sein. Wenn es hoch ist, dehnen sich die Kapillaren aus, um einen größeren Blutfluss zu diesem Gewebe zu ermöglichen.

Bicarbonat-Ionen sind entscheidend für die Regulierung des Blut-pH-Werts. Da die Atemfrequenz den CO-Gehalt beeinflusst _zwei im Blut führt eine zu langsame oder flache Atmung zu einer respiratorischen Azidose, während eine zu schnelle Atmung, Hyperventilation, zu einer respiratorischen Alkalose führt.

Interessant ist, dass der Körper zwar Sauerstoff für den Stoffwechsel benötigt, aber nicht ein niedriger Sauerstoffgehalt die Atmung anregt, sondern ein höherer Kohlendioxidgehalt. Infolgedessen führt das Einatmen von Niederdruckluft oder eines Gasgemisches ohne Sauerstoff (z. B. reiner Stickstoff) ohne subjektive Atemprobleme zu Bewusstlosigkeit. Dies ist besonders gefährlich für Höhenkampfpiloten und ist auch der Grund, warum die Anweisungen in Verkehrsflugzeugen für den Fall eines Kabinendruckverlusts betonen, dass man die Sauerstoffmaske aufsetzen sollte, bevor man anderen hilft – sonst riskiert man, bewusstlos zu werden der drohenden Gefahr bewusst.

Pflanzen entfernen Kohlendioxid aus der Atmosphäre durch Photosynthese , das Lichtenergie verwendet, um organische Pflanzenmaterialien durch die Kombination von Kohlendioxid und zu produzieren Wasser . Dabei wird freies Sauerstoffgas freigesetzt. Manchmal wird Kohlendioxidgas in Gewächshäuser gepumpt, um das Pflanzenwachstum zu fördern. Pflanzen können potenziell bis zu doppelt so schnell wachsen, wenn zusätzliches CO entsteht _zwei ist verfügbar, obwohl es bei Konzentrationen über 1200 ppm keinen zusätzlichen Nutzen gibt. Auch Pflanzen geben CO ab _zwei während der Atmung, aber per Saldo sind sie Nettosenken von CO _zwei .

Kohlendioxid ist ein Ersatz für Schadstoffe in Innenräumen, die dazu führen können, dass die Bewohner schläfrig werden, Kopfschmerzen bekommen oder auf einem niedrigeren Aktivitätsniveau funktionieren. Um die meisten Beschwerden über die Raumluftqualität zu beseitigen, muss das Gesamtkohlendioxid in Innenräumen auf unter 600 ppm reduziert werden. Das NIOSH ist der Ansicht, dass Kohlendioxidkonzentrationen in Innenräumen, die 1000 ppm überschreiten, ein Indikator für eine unzureichende Belüftung sind (1000 ppm entsprechen 0,1 %). ASHRAE empfiehlt, dass CO _zwei Werte innerhalb eines Raums 1000 ppm nicht überschreiten. Die OSHA begrenzt die Kohlendioxidkonzentration am Arbeitsplatz über längere Zeiträume auf 0,5 %. Das U.S. National Institute for Occupational Safety and Health begrenzt kurzzeitige Expositionen (bis zu zehn Minuten) auf 3 % und betrachtet Konzentrationen über 4 % als „unmittelbar gefährlich für Leben und Gesundheit“. Menschen, die länger als eine halbe Stunde 5 % Kohlendioxid einatmen, zeigen Anzeichen einer akuten Hyperkapnie, während das Einatmen von 7 %–10 % Kohlendioxid innerhalb weniger Minuten zu Bewusstlosigkeit führen kann. Kohlendioxid, entweder als Gas oder als Trockeneis, sollte nur in gut belüfteten Bereichen gehandhabt werden.

Konzentrationen von CO _zwei in Atmosphäre

Atmosphärisches CO _zwei Konzentrationen gemessen am Mauna Loa Observatorium.

Ab 2006 ist die Erdatmosphäre beträgt etwa 0,038 Vol.-% (381 µL/L oder ppmv) oder 0,057 Gew.-% CO _zwei . Dies entspricht etwa 2,97 × 10 ¹² Tonnen CO _zwei . Aufgrund der größeren Landfläche und damit der größeren Pflanzenwelt auf der Nordhalbkugel im Vergleich zur Südhalbkugel gibt es eine jährliche Schwankung von etwa 5 µL/L, die im Mai ihren Höhepunkt erreicht und Ende Oktober ein Minimum erreicht Wachstumszeit der nördlichen Hemisphäre, wenn die Menge an Biomasse auf dem Planeten am größten ist.

Die neuesten Daten vom März 2006 zeigen CO _zwei Die Werte liegen jetzt bei 381 Teilen pro Million (ppm) – 100 ppm über dem vorindustriellen Durchschnitt.

Trotz seiner geringen Konzentration ist CO _zwei ist ein sehr wichtiger Bestandteil der Erdatmosphäre, da es Infrarotstrahlung bei Wellenlängen von 4,26 µm (asymmetrischer Streckschwingungsmodus) und 14,99 µm (Biegeschwingungsmodus) absorbiert und verstärkt Treibhauseffekt .

Die drei Schwingungsmoden von Kohlendioxid: (a) symmetrische, (b) asymmetrische Dehnung; (c) Biegen. In (a) ändert sich das Dipolmoment nicht, also die Wechselwirkung mit Photonen ist unmöglich, während in (b) und (c) optische Aktivität vorliegt.

Das anfängliche Kohlendioxid in der Atmosphäre der jungen Erde wurde von produziert vulkanische Aktivität ; dies war unabdingbar für ein warmes und stabiles lebensfreundliches Klima. Die vulkanische Aktivität setzt jetzt jedes Jahr etwa 130 bis 230 Teragramm (145 Millionen bis 255 Millionen Tonnen) Kohlendioxid frei. Vulkanische Freisetzungen machen etwa 1 % der Menge aus, die durch menschliche Aktivitäten freigesetzt wird.

Globale fossile Kohlenstoffemissionen 1800–2000.

Seit Beginn der Industrielle Revolution , das atmosphärische CO _zwei Konzentration um ca. 110 µL/L oder ca. 40 % zugenommen, wobei der größte Teil seit 1945 freigesetzt wurde. Monatliche Messungen bei Langer Berg seit 1958 zeigen einen Anstieg von 316 µL/L in diesem Jahr auf 376 µL/L im Jahr 2003, ein Gesamtanstieg von 60 µL/L während der 44-jährigen Geschichte der Messungen. Verbrennung fossile Brennstoffe wie zum Beispiel Kohle und Petroleum ist die Hauptursache für erhöhtes, vom Menschen verursachtes CO _zwei ; Abholzung ist die zweite Hauptursache. Rund 24.000 Millionen Tonnen CO _zwei werden weltweit pro Jahr freigesetzt, was etwa 6500 Millionen Tonnen Kohlenstoff entspricht. (Siehe Liste der Länder nach Kohlendioxidemissionen.)

Rauch- und Ozonbelastung durch indonesische Brände, 1997.

1997 haben indonesische Torfbrände möglicherweise 13 bis 40 % so viel Kohlenstoff freigesetzt wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Es wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, um überschüssiges Kohlendioxid aus der Atmosphäre in Kohlendioxidsenken zu entfernen. Nicht das gesamte emittierte CO _zwei verbleibt in der Atmosphäre; ein Teil wird in den Ozeanen oder der Biosphäre absorbiert. Das Verhältnis des emittierten CO _zwei zum Anstieg des atmosphärischen CO _zwei ist bekannt als die luftgetragener Anteil (Keeling et al., 1995); dies variiert für kurzfristige Durchschnittswerte, beträgt aber in der Regel 57 % über längere Zeiträume (5 Jahre).

Die Global Warming Theory (GWT) sagt voraus, dass erhöhte Mengen an CO _zwei in der Atmosphäre neigen dazu, die zu verbessern Treibhauseffekt und somit dazu beitragen Erderwärmung . Die Wirkung von bei der Verbrennung entstehendem Kohlendioxid auf das Klima wird als Callendar-Effekt bezeichnet.

Abwechslung in der Vergangenheit

CO _zwei Konzentrationen in den letzten 400.000 Jahren

Die direkteste Methode zur Messung atmosphärischer Kohlendioxidkonzentrationen für Zeiträume vor der direkten Probenahme besteht darin, Luftblasen (Flüssigkeits- oder Gaseinschlüsse) zu messen, die in der Luft eingeschlossen sind Antarktis oder Grönland Polkappen. Die am weitesten verbreiteten dieser Studien stammen aus einer Vielzahl antarktischer Bohrkerne und weisen darauf hin, dass atmosphärisches CO _zwei Die Werte lagen unmittelbar vor Beginn der industriellen Emissionen bei etwa 260–280 µl/l und schwankten in den vorangegangenen 10.000 Jahren nicht wesentlich von diesem Wert.

Die längste Aufzeichnung von Eisbohrkernen stammt aus der Ostantarktis, wo Eis bis zu einem Alter von 800.000 Jahren vor der Gegenwart beprobt wurde. Während dieser Zeit schwankte die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration zwischen 180–210 µL/L Eiszeiten , während wärmeren Zwischeneiszeiten auf 280–300 µL/L ansteigend . Die Daten können unter http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/icecore/antarctica/vostok/vostok_data.html abgerufen werden.

Einige Studien haben die Behauptung von stabilem CO bestritten _zwei Niveaus während der gegenwärtigen Zwischeneiszeit (die letzten 10.000 Jahre). Basierend auf einer Analyse fossiler Blätter haben Wagner et al. argumentierte, dass CO _zwei Die Werte im Zeitraum vor 7–10 000 Jahren waren signifikant höher (~300 µL/L) und enthielten erhebliche Schwankungen, die mit Klimaschwankungen korreliert sein könnten. Andere haben solche Behauptungen bestritten und darauf hingewiesen, dass sie eher Kalibrierungsprobleme widerspiegeln als tatsächliche Änderungen des CO _zwei . Relevant für diesen Streit ist die Beobachtung, dass Grönland-Eisbohrkerne oft höhere und variablere CO-Werte melden _zwei Werte als ähnliche Messungen in der Antarktis. Die für solche Messungen verantwortlichen Gruppen (z. B. Smith et al.) glauben jedoch, dass die Variationen in Grönlandkernen darauf zurückzuführen sind vor Ort Zersetzung von im Eis gefundenem Calciumcarbonat-Staub. Wenn die Staubkonzentrationen in grönländischen Bohrkernen niedrig sind, was in antarktischen Bohrkernen fast immer der Fall ist, berichten die Forscher von einer guten Übereinstimmung zwischen antarktischem und grönländischem CO _zwei Messungen.

Veränderungen des Kohlendioxids während des Phanerozoikums (die letzten 542 Millionen Jahre). Die jüngste Periode befindet sich auf der linken Seite des Diagramms, und es scheint, dass in einem Großteil der letzten 550 Millionen Jahre Kohlendioxidkonzentrationen aufgetreten sind, die erheblich höher waren als heute.

Auf längeren Zeitskalen wurden verschiedene Proxy-Messungen verwendet, um zu versuchen, den atmosphärischen Kohlendioxidgehalt Millionen von Jahren in der Vergangenheit zu bestimmen. Diese beinhalten Bor und Kohlenstoff Isotopenverhältnisse in bestimmten Arten von Meeressedimenten und die Anzahl der Stomata, die auf fossilen Pflanzenblättern beobachtet werden. Während diese Messungen viel weniger genaue Schätzungen der Kohlendioxidkonzentration liefern als Eisbohrkerne, gibt es Hinweise auf einen sehr hohen CO-Gehalt _zwei Konzentrationen (>3.000 µL/L) zwischen 600 und 400 Myr BP und zwischen 200 und 150 Myr BP. Auf langen Zeitskalen ist atmosphärisches CO _zwei Der Gehalt wird durch das Gleichgewicht zwischen geochemischen Prozessen bestimmt, einschließlich der Einlagerung von organischem Kohlenstoff in Sedimente, Verwitterung von Silikatgestein und Vulkanismus. Der Nettoeffekt geringfügiger Ungleichgewichte im Kohlenstoffkreislauf über zehn bis hundert Millionen Jahre bestand darin, das atmosphärische CO zu reduzieren _zwei . Die Raten dieser Prozesse sind extrem langsam; daher sind sie für das atmosphärische CO von begrenzter Bedeutung _zwei Reaktion auf Emissionen in den nächsten hundert Jahren. In jüngerer Zeit wurde atmosphärisches CO _zwei Die Konzentration fiel nach etwa 60 Myr BP weiter ab, und es gibt geochemische Beweise dafür, dass die Konzentrationen vor etwa 20 Myr BP <300 µL/L waren. Niedriges CO _zwei Konzentrationen könnten der Stimulus gewesen sein, der die Entwicklung von C4-Pflanzen begünstigte, die zwischen 7 und 5 Myr BP stark an Häufigkeit zunahmen. Obwohl das zeitgenössische CO _zwei Konzentrationen in früheren geologischen Epochen überschritten wurden, sind die heutigen Kohlendioxidkonzentrationen wahrscheinlich höher als jemals zuvor in den letzten 20 Millionen Jahren und gleichzeitig niedriger als jemals zuvor in der Geschichte, wenn wir Zeitskalen von mehr als 50 Millionen Jahren betrachten. Die NOAA-Forschung schätzt, dass 97 % des atmosphärischen CO2, das jedes Jahr entsteht, aus natürlichen Quellen stammen und etwa 3 % aus menschlichen Aktivitäten stammen.

Einfangen/Extrahieren von CO _zwei

Methoden der CO _zwei Extraktion/Trennung umfassen:

1. Wässrige Lösungen
   • Aminextraktion
   • Lösungen mit hohem pH-Wert

   Zum Beispiel reagiert Kohlendioxid mit gelöstem CaO, um sich zu bilden Calcit (CaCO ₃ )

2. Adsorption
   • Molekularsieb
   • Aktivkohle www.netl.doe.gov ( PDF Datei )
   • Metallorganische Gerüste (MOFs)
3. Feste Reaktanten
   • Serpentin, Olivin, Branntkalk
4. Membrangastrennung
5. Regeneratives Kohlendioxid-Entfernungssystem (RCRS)

   Das RCRS auf dem Space Shuttle Orbiter verwendet ein Zwei-Bett-System, das eine kontinuierliche Entfernung von CO ermöglicht _zwei ohne Verbrauchsmaterialien. Regenerierbare Systeme ermöglichen einer Shuttle-Mission einen längeren Aufenthalt im Weltraum, ohne dass ihre Sorptionsmittelkanister nachgefüllt werden müssen. Ältere Systeme auf Basis von Lithiumhydroxid (LiOH), die nicht regenerierbar sind, werden durch regenerierbare Systeme auf Metalloxidbasis ersetzt. Ein auf Metalloxid basierendes System besteht hauptsächlich aus einem Metalloxid-Sorptionsbehälter und einer Regeneratorbaugruppe. Dieses System funktioniert, indem es Kohlendioxid unter Verwendung eines Sorptionsmaterials entfernt und das Sorptionsmaterial dann regeneriert. Das Metalloxid-Sorbens wird regeneriert, indem Luft, die auf etwa 400 °F bei 7,5 scfm erhitzt wurde, 10 Stunden lang durch seinen Kanister gepumpt wird.

Ozeane

Luft-See-Austausch von CO _zwei

Die der Erde Ozeane enthalten eine riesige Menge Kohlendioxid in Form von Bikarbonat und Karbonationen – viel mehr als die Menge in der Atmosphäre. Das Bikarbonat entsteht durch Reaktionen zwischen Gestein, Wasser und Kohlendioxid. Ein Beispiel ist die Auflösung von Calciumcarbonat:

CaCO ₃ + CO _zwei +H _zwei Ö ⇌ Dass ²⁺ + 2 HCO ₃ ^-

Reaktionen wie diese neigen dazu, Änderungen des atmosphärischen CO abzupuffern _zwei . Reaktionen zwischen Kohlendioxid und Nicht-Karbonat-Gesteinen fügen den Meeren auch Bikarbonat hinzu, das später die Umkehrung der obigen Reaktion durchlaufen kann, um Karbonatgestein zu bilden, wobei die Hälfte des Bikarbonats als CO freigesetzt wird _zwei . Über Hunderte von Millionen Jahren hat dies riesige Mengen an Karbonatgestein hervorgebracht. Würden alle Karbonatgesteine ​​der Erdkruste wieder in Kohlendioxid umgewandelt, würde das entstehende Kohlendioxid 40-mal so viel wiegen wie der Rest der Atmosphäre.

Die überwiegende Mehrheit von CO _zwei der Atmosphäre hinzugefügt wird, wird schließlich von den Ozeanen absorbiert und zu Bikarbonat-Ionen, aber der Prozess dauert ungefähr hundert Jahre, da das meiste Meerwasser selten in die Nähe der Oberfläche gelangt.

Geschichte

Kohlendioxid war eines der ersten Gase, das als eine von Luft verschiedene Substanz beschrieben wurde. Im siebzehnten Jahrhundert, die flämisch Der Chemiker Jan Baptist van Helmont beobachtete, dass beim Verbrennen von Holzkohle in einem geschlossenen Gefäß die Masse der resultierenden Asche viel geringer war als die der ursprünglichen Holzkohle. Seine Interpretation war, dass der Rest der Holzkohle in eine unsichtbare Substanz umgewandelt worden war, die er als „Gas“ oder „wilder Geist“ bezeichnete ( wilder Geist ).

Die Eigenschaften von Kohlendioxid wurden in den 1750er Jahren von den schottisch Arzt Josef Schwarz. Er fand heraus, dass Kalkstein (Kalziumkarbonat) erhitzt oder mit Säuren behandelt werden konnte, um ein Gas zu ergeben, das er 'fixierte Luft' nannte. Er beobachtete, dass die feste Luft dichter als Luft war und weder Flammen noch tierisches Leben unterstützte. Er fand auch heraus, dass es, wenn es durch eine wässrige Kalklösung (Calciumhydroxid) geperlt wird, Calciumcarbonat ausfällt, und verwendete dieses Phänomen, um zu veranschaulichen, dass Kohlendioxid durch Tieratmung und mikrobielle Fermentation produziert wird. 1772 verwendete Joseph Priestley Kohlendioxid, das durch die Einwirkung von Schwefelsäure auf Kalkstein entsteht, um Sodawasser herzustellen, das erste bekannte Beispiel für ein künstlich kohlensäurehaltiges Getränk.

Kohlendioxid wurde erstmals 1823 verflüssigt (bei erhöhtem Druck). Humphry Davy und Michael Faraday . Die früheste Beschreibung von festem Kohlendioxid wurde von Charles Thilorier gegeben, der 1834 einen Druckbehälter mit flüssigem Kohlendioxid öffnete, nur um festzustellen, dass die durch die schnelle Verdampfung der Flüssigkeit erzeugte Abkühlung einen 'Schnee' aus festem CO ergab _zwei .