Dióxido de carbono | |
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nombre de la IUPAC | |
dióxido de carbono | |
Nombres alternativos | |
dióxido de carbono dióxido de carbono gas salvaje | |
Características generales | |
Fórmula molecular o cruda | CO2 _ |
Masa molecular ( u ) | 44.009 [1] |
Apariencia | gas incoloro |
número CAS | |
Número EINECS | 204-696-9 |
PubChem | 280 |
Banco de medicamentos | DB09157 |
SONRISAS | C(=O)=O |
Propiedades fisicoquímicas | |
Densidad (g/l, en cs ) | 1022 (31,1 °C y 5,2 atm) (líquido) 1562 (−78 °C) (sólido) |
Densidad (kg m −3 , en cs ) | 1.9763 (0°C), 1.8714 (15°C), 1.8075 (25°C) [2] |
Solubilidad en agua | 1,69 g/L (20 °C), 1,48 g/L (25 °C) [3] |
Temperatura de fusión | 216,59 K (−56,56 °C) en el punto triple [4] |
Temperatura de ebullición | 194,7 K (−78,5 °C) sublima [4] |
Triple punto | 216,5 K (−56,6 ° C) 5,18 × 10 5 Pa |
Punto crítico | 304,13 K (30,98 °C) 7,375 × 10 6 Pa [4] |
Presión de vapor ( Pa ) a 293 K. | 5,73 × 10 6 |
Propiedades termoquímicas | |
Δ f H 0 (kJ mol −1 ) | −393,51 [5] |
Δ f GRAMO 0 (kJ mol −1 ) | −394,36 [5] |
S 0 m (JK −1 mol −1 ) | 213.74 [5] |
C 0 p, m (J K −1 mol −1 ) | 37.11 [5] |
Información de seguridad | |
Símbolos de peligro químico | |
Atención | |
Frases H | 280 - 281 |
Consejo P | 282 - 336 + 317 - 403 - 410 + 403 [1] |
El dióxido de carbono , también conocido como dióxido de carbono o anhídrido carbónico , ( fórmula : CO 2 ) es un monóxido de carbono formado por un átomo de carbono unido por dos dobles enlaces a dos átomos de oxígeno . A temperatura ambiente se presenta como un gas incoloro e inodoro . Está naturalmente presente en la atmósfera , en la hidrosfera y en la biosfera .
La concentración atmosférica actual de dióxido de carbono es de alrededor del 0,04% (418 ppm ), [6] y ha crecido desde el nivel preindustrial donde se mantuvo estable en alrededor del 0,03% (280 ppm). Por lo tanto, el aumento atmosférico del dióxido de carbono es atribuible a las actividades humanas. [7] Entre las actividades más contaminantes se reconocen: la producción de electricidad a partir de la combustión de gas natural , metano o carbón y el transporte a partir de la combustión de combustibles fósiles . La abundancia de dióxido de carbono en estado gaseoso sobrecalienta la atmósfera a través de un fenómeno llamado " efecto invernadero ". Según este modelo, la radiación electromagnética procedente del Sol generaría más calor que la procedente de la Tierra , sobrecalentando progresivamente el planeta. El CO 2 , junto con otros gases de efecto invernadero , sería el responsable de disminuir la cantidad de este calor saliente.
En la hidrosfera, el CO 2 se encuentra parcialmente disuelto en agua con una solubilidad de 1,48 g/L en condiciones estándar . En este sentido, los océanos , mares , lagos , ríos y aguas subterráneas pueden considerarse como reservorios de dióxido de carbono, que lo secuestran de la atmósfera. Sin embargo, la abundancia de CO 2 disuelto en el agua modifica su pH , generando desequilibrios para las formas de vida.
En la biosfera, el dióxido de carbono interactúa con cualquier ser vivo. Para los organismos autótrofos , el CO 2 es el componente básico de la materia orgánica: la fotosíntesis de la clorofila utiliza CO 2 , H 2 O y energía solar para producir materia orgánica y oxígeno. Para los organismos heterótrofos , el CO 2 es la molécula de desecho del metabolismo: la respiración celular utiliza materia orgánica y oxígeno para producir CO 2 y H 2 O.
A -78 °C y a presión atmosférica , el dióxido de carbono en estado gaseoso se congela en estado sólido en un compuesto comúnmente llamado hielo seco . El CO 2 líquido no puede existir a presión atmosférica, pero existe si se sitúa por debajo de 31,1 °C y con una presión superior a 5 atmósferas.
El dióxido de carbono fue descubierto en 1638 por el químico belga Jean Baptiste van Helmont [8] mientras quemaba carbón en un recipiente. Cuando vio que la masa de la ceniza resultante era mucho menor que la del carbón original, planteó la hipótesis de que el resto del carbón se había convertido en una sustancia invisible a la que llamó "gas" o, a veces, "gas selvático". Fue el primer gas en ser descubierto, y se observó su formación durante los procesos de combustión y fermentación . [9]
Las propiedades del dióxido de carbono fueron estudiadas más a fondo en 1750 por el químico británico Joseph Black . Demostró que algunas sales alcalinas, como el calcio o el carbonato de sodio , podían producir un gas cuando se calentaban o trataban con ácidos. [10] Este gas fue definido por él como "aire fijo" debido al hecho de que estaba contenido, fijo, dentro de la estructura cristalina de la piedra caliza. También observó que ese aire era más denso que el aire atmosférico y no soportaba el ardor de una llama . También determinó los valores de calor latente y calor específico . [8] [11]
En 1772 el químico inglés Joseph Priestley publicó un artículo titulado Impregnación de agua con aire fijo en el que describía un proceso de disolución de dióxido de carbono en agua, obteniendo así por primera vez agua carbonatada . [8] [12] En 1781 Antoine-Laurent de Lavoisier , a través de la combustión de carbono con oxígeno , pudo deducir la composición química de este gas. [8]
El dióxido de carbono fue licuado por primera vez en 1823 por Humphry Davy y Michael Faraday , aplicando altas presiones a un recipiente. [13] En un intento por obtenerlo líquido a presión atmosférica, el inventor francés Adrien-Jean-Pierre Thilorier , en 1835, bajó la temperatura a -78 °C obteniendo así la forma sólida directamente. [14] Así se descubrió que el dióxido de carbono se congela a -78 °C, pasando de su forma gaseosa a sólida, o viceversa, sublimando de sólido a gaseoso.
En 1866 Thaddeus Lowe desarrolló un ciclo de refrigeración de dióxido de carbono , utilizado para la producción de hielo . [15]
El aumento del efecto invernadero atribuible a la producción humana de dióxido de carbono fue señalado ya en 1896 por Svante Arrhenius , quien relacionó la concentración de dióxido de carbono con la temperatura de la atmósfera. [16] Esta relación fue aclarada aún más por muchos estudios posteriores. La Organización Meteorológica Mundial (OMM) ha demostrado un aumento constante en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, desde el valor de 280 ppm antes de la segunda revolución industrial hasta el valor actual de 418 ppm, [6] nunca antes alcanzado en el últimos 800.000 años. [17] [18] Del mismo modo hubo un fuerte aumento de las temperaturas medias.
En la nomenclatura actual de la IUPAC , el término "dióxido de carbono" está obsoleto: el término "anhídrido" designa una clase específica de compuestos orgánicos a los que no pertenece el dióxido de carbono, por ser un compuesto inorgánico . Por lo tanto, se prefiere el nombre "dióxido de carbono", incluso si ahora el término dióxido de carbono está arraigado en el uso común.
Una molécula de dióxido de carbono se forma a partir de un átomo de carbono unido covalentemente a dos átomos de oxígeno a través de dos enlaces dobles . El átomo de carbono tiene número de oxidación +4, por lo que se encuentra en su estado de oxidación máximo posible , mientras que los dos átomos de oxígeno tienen número de oxidación −2: la molécula no tiene cargas globales y es eléctricamente neutra. [9]
La geometría de la molécula es lineal y por lo tanto tiene una distribución de electrones no uniforme , con carga negativa parcial en ambos oxígenos y positiva en el carbono. Sin embargo, dada su simetría con respecto al átomo de carbono, el CO 2 no tiene momento dipolar eléctrico . La longitud de los dobles enlaces C=O es de 116,3 µm , más corta que la longitud del doble enlace C=O presente en otros grupos funcionales como los carbonilos . [19]
Como molécula triatómica lineal, el CO 2 tiene cuatro modos de vibración que resuenan con la radiación electromagnética :
Dados estos modos de vibración, se puede observar un espectro de absorción de la radiación electromagnética relativa al CO 2 con picos a 4,25 μm y 15 μm, ambas longitudes de onda dentro del espectro infrarrojo. Cuando un fotón de estas características es absorbido por el CO 2 vibra con mayor intensidad y el exceso de energía se disipa en forma de calor. Por esta razón, el espectro IR se usa para detectar temperaturas superficiales y, nuevamente por esta razón, el CO 2 se define como un gas de efecto invernadero .
A temperatura y presión ambiente , el dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro . Su densidad a temperatura y presión ambiente es 1,5 veces superior a la del aire [11] y, por tanto, tiende a estratificarse en el fondo de ambientes cerrados y sin ventilación. Cuando baja la temperatura, el primer cambio de estado que se produce es la escarcha de gas a sólido . De hecho, a -78,2 °C, el CO 2 gaseoso se congela en un sólido llamado comúnmente " hielo seco ". [22] Por el contrario, se produce la sublimación del hielo seco en CO 2 gaseoso .
El estado líquido se alcanza solo si se aplican más de 5,2 atmósferas de presión y temperaturas inferiores a 31,1 °C. Si se aplican temperaturas más bajas a presiones altas (como las que se utilizan para obtener CO 2 líquido), el punto triple se alcanza en los −56,6 °C , es decir, un momento en el que coexisten al mismo tiempo el estado sólido, líquido y gaseoso. Cuando se aplican 72,8 atm y 30,9 °C, se alcanza el punto crítico , momento en el que el estado líquido y gaseoso se mezclan en un fluido llamado " dióxido de carbono supercrítico ".
Al enfriar el CO 2 a presiones de más de 400.000 atm, se obtiene un sólido amorfo similar al vidrio llamado " carbonia ", que se sublima en forma gaseosa tan pronto como se libera la presión. [23]
A medida que aumenta la concentración, el CO 2 gaseoso no permanece inodoro e insípido. En altas concentraciones, reaccionando parcialmente con el agua de las mucosas de la nariz y la boca , produce ácido carbónico . Por lo tanto, respirar una atmósfera particularmente rica en CO 2 produce un olor y sabor acre y agrio, así como una sensación de irritación de las vías respiratorias superiores.
La reacción que realiza con el agua es formalmente una solvatación , cuyo equilibrio se desplaza hacia la formación de ácido carbónico que se disocia fácilmente en iones carbonato (HCO 3 - y CO 3 2− ) que luego son secuestrados del calcio , sodio y iones de potasio en solución para formar carbonato de calcio , carbonato de sodio, bicarbonato de sodio , etc.
A temperaturas superiores a 1700 °C, el dióxido de carbono se convierte parcialmente en monóxido de carbono y oxígeno: [9]
Reducir CO 2 a CO es un proceso muy lento y generalmente difícil, pero puede suceder:
Los organismos autótrofos lo utilizan para construir materia orgánica a través de la fotosíntesis de la clorofila . Los organismos heterótrofos producen desechos a través de la respiración celular .
Químicamente, el dióxido de carbono es un reactivo electrofílico . Reacciona con los reactivos de Grignard y otros compuestos organometálicos para dar los ácidos carboxílicos correspondientes en una reacción llamada carbonización .
También reacciona con el fenol en la reacción de Kolbe para dar ácido 2-hidroxibenzoico, es decir, ácido salicílico , el precursor de la aspirina .
El CO 2 es una parte integral del ciclo del carbono , un ciclo biogeoquímico en el que el carbono se intercambia entre la atmósfera , la hidrosfera , la litosfera y la biosfera . En este contexto, el carbono no siempre se encuentra en forma de CO 2 , sino que se puede encontrar como metano (CH 4 ), como iones de carbonato (HCO 3 - y CO 3 2− ), como moléculas orgánicas ( glucosa , celulosa , etc. . .) o también como macromoléculas biológicas ( ácidos nucleicos , carbohidratos , proteínas y lípidos ).
La concentración atmosférica de dióxido de carbono ha variado enormemente durante los 4540 millones de años de historia de la Tierra . Se cree que estuvo presente en la primera atmósfera de la Tierra poco después de la formación de la Tierra [24] y que la actividad volcánica y el bombardeo de asteroides aumentaron su concentración durante los siguientes 2 mil millones de años. [25] Una parte importante de las emisiones de dióxido de carbono pronto se disolvió en agua y se incorporó a los sedimentos carbonatados . Gracias a estos sedimentos, hoy se puede estimar que la concentración de CO 2 ascendió a lo largo del Precámbrico hasta las 4000 ppm . [26]
La producción masiva de oxígeno por la fotosíntesis de las cianobacterias condujo a un evento de extinción masiva de formas de vida primordiales llamado catástrofe del oxígeno que cambió drásticamente la composición de la atmósfera de la Tierra, haciéndola parecerse a la moderna. La concentración atmosférica de CO 2 que se supone típica de ese período es, también en este caso, una estimación realizada sobre el estudio de los isótopos de carbono contenidos en las rocas carbonatadas.
Los registros de temperatura de los últimos 420 millones de años indican que las concentraciones atmosféricas de CO 2 alcanzaron un máximo de alrededor de 2000 ppm durante el período Devónico (hace unos 380 millones de años) y nuevamente en el Triásico (220–200 millones de años). Ambos períodos corresponden ampliamente a extinciones masivas: la extinción masiva del Devónico tardío y la extinción masiva del Pérmico-Triásico . Las concentraciones de CO 2 se derivan de varios factores: el número de estomas observados en las hojas fósiles [27] y la concentración de fitano como producto de degradación de la clorofila . [28]
Hace aproximadamente 34 millones de años, cuando ocurrió la extinción menor del Eoceno-Oligoceno , se estima que el CO 2 rondaba las 760 ppm, [29] y hay evidencia geoquímica de que las concentraciones cayeron a 300 ppm alrededor de 20 millones de años. La disminución de la concentración de CO2 fue el principal agente que obligó a la glaciación antártica. [30] Las bajas concentraciones de CO 2 pueden haber sido el estímulo que favoreció la evolución de las plantas C4 , las cuales aumentaron significativamente entre hace 7 y 5 millones de años. [28]
Concentración presenteDurante el último período geológico , las concentraciones de dióxido de carbono cayeron a alrededor de 180 ppm durante la glaciación cuaternaria que ocurrió hace 2 millones de años, y luego volvieron a subir a 280 ppm durante los períodos interglaciares . [6] En general se ha observado que una baja concentración atmosférica de CO 2 suele estar relacionada con una edad de hielo , aunque casi nunca es el único desencadenante. El muestreo de la atmósfera de ese período y períodos posteriores es posible gracias a la extracción de muestras de los casquetes polares de Groenlandia y la Antártida .
Incluso en los últimos 200.000 años, es decir, a lo largo de la historia del Homo Sapiens , la cantidad atmosférica de dióxido de carbono ha fluctuado entre 180 ppm y 290 ppm, marcando periodos glaciales e interglaciales . Sin embargo, desde principios de 1900, coincidiendo con los acontecimientos de la segunda revolución industrial , su concentración ha aumentado de forma espectacular hasta alcanzar las 400 ppm en 2015. Actualmente, el nivel medio de CO 2 en la atmósfera terrestre ha alcanzado las 419 ppm [6] y sigue aumentando en unas 2 ppm/año siguiendo un patrón exponencial [31] [32] y provocando el fenómeno del calentamiento global . Por esta razón, los científicos monitorean constantemente las concentraciones de CO 2 en la atmósfera y estudian su impacto en la biosfera.
Cada ppm de CO 2 en la atmósfera representa aproximadamente 2,13 pg (gigatoneladas) de carbono , o en términos de dióxido de carbono, 7,82 pg.
Como muestra la curva de Keeling , hay una fluctuación anual en la concentración de CO2 . El nivel cae alrededor de 6 o 7 ppm de mayo a septiembre durante la temporada de crecimiento de las plantas del hemisferio norte , y luego aumenta alrededor de 8 o 9 ppm durante el período de invierno. El hemisferio norte domina el ciclo anual de concentración de CO 2 porque tiene una superficie terrestre y una biomasa vegetal mucho más grandes que el hemisferio sur . [33] [34]
Papel en el efecto invernaderoEl dióxido de carbono juega un papel importante en el suministro de temperaturas relativamente altas en el planeta. A pesar de su baja concentración en comparación con los demás componentes de la atmósfera , el CO 2 también juega un papel fundamental en el mantenimiento de la temperatura relativamente constante durante el rango de temperatura diurno-nocturno. Sin el efecto invernadero debido en gran medida al CO 2 , la temperatura superficial media de la Tierra sería de unos -18 °C. [35] [36] El efecto invernadero naturalmente presente en la Tierra hace posible la vida tal como la conocemos.
Aunque el agua es responsable de la mayor parte (alrededor del 36-70%) del efecto invernadero total, el papel del vapor de agua como gas de efecto invernadero depende de la temperatura. En la Tierra, el dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero más relevante y directamente influenciado desde un punto de vista antropológico. El concepto de aumento del CO 2 atmosférico en la temperatura del suelo fue publicado por primera vez por Svante Arrhenius en 1896. [37] El aumento del forzamiento radiativo debido al aumento del CO 2 en la atmósfera terrestre se basa en las propiedades físicas del CO 2 . El aumento del forzamiento provoca más cambios en el equilibrio energético de la Tierra y, a largo plazo, en el clima de la Tierra. [38]
Fuentes naturales y capturaLa liberación natural de CO 2 a la atmósfera se produce principalmente por erupciones volcánicas , fumarolas , géiseres o incendios . La respiración celular de los organismos heterótrofos también produce CO2 , en una reacción que es esencialmente una quema de glucosa . Sin embargo, a diferencia de la combustión real, la velocidad de reacción está controlada por enzimas , que permiten que la energía producida no se disperse inmediatamente en calor, sino que se almacene en otras formas.
La reacción inversa de la respiración se llama fotosíntesis de clorofila y es el método natural más eficiente para el secuestro y fijación del carbono atmosférico. El CO 2 es también un producto de la fermentación alcohólica , un metabolismo similar a la respiración, pero que se produce en ausencia de oxígeno por parte de numerosas bacterias.
Otros microorganismos descomponen la materia orgánica produciendo una mezcla de metano y CO 2 llamada biogás . [14]
Fuentes antropogénicas y capturaLa actividad humana que más CO 2 libera a la atmósfera es la combustión de cualquier material a base de carbono ( metano , petróleo , queroseno , madera , carbón , papel , etc.). Por ejemplo, la combustión de una molécula de metano produce una molécula de CO 2 y dos de H 2 O, como lo muestra la reacción:
Esta particular actividad es la base de muchas otras, como la producción de electricidad , la circulación de vehículos o la eliminación de residuos . La explotación forestal y la deforestación también son actividades humanas que contribuyen significativamente al aumento de la concentración atmosférica de CO 2 . En este caso, no introduciendo nuevas moléculas en el medio, sino eliminando los organismos que lo eliminan de forma natural, y por tanto favoreciendo su acumulación. Se cree que la deforestación es la segunda causa del calentamiento global , después de la combustión de materiales a base de carbono. [39]
Muchos procesos industriales producen CO 2 como residuo. El más impactante de ellos es la aleación de óxidos de hierro con coque para formar hierro fundido . [15] La producción de amoníaco también es responsable de la formación de CO 2 e hidrógeno . En el verano de 2018 se produjo una escasez de CO 2 en Europa debido al cierre temporal de varias plantas de amoníaco por mantenimiento. [dieciséis]
Se han realizado algunas propuestas de ingeniería para la captura de dióxido de carbono directamente de la atmósfera, pero los desarrollos, aunque prometedores, están solo en sus inicios. Actualmente se están realizando experimentos con prototipos, [40] [41] [42] [43] pero aún no es posible predecir si será posible aplicarlos a gran escala.
El dióxido de carbono entra en solución en una cantidad de alrededor de 1,48 g/L en condiciones estándar de presión y temperatura. La solubilidad del gas disminuye a medida que aumenta la temperatura del agua , excepto cuando tanto la presión como la temperatura superan valores extremos (296 atmósferas y 120 °C) que se encuentran solo cerca de fuentes geotérmicas profundas . [17] La mayor parte del CO 2 absorbido por los océanos forma ácido carbónico en equilibrio con iones de bicarbonato y carbonato. El aumento de CO 2 en la atmósfera ha provocado una disminución de la alcalinidad del agua de mar y se teme que esto pueda afectar negativamente a los organismos acuáticos. En particular, con la disminución de la alcalinidad, la disponibilidad de carbonatos para la formación de caparazones disminuye, [18] aunque hay evidencia de una mayor producción de caparazones por parte de algunas especies. [19]
Hay unas cincuenta veces más dióxido de carbono disuelto en los océanos que en la atmósfera. Los océanos actúan como un enorme sumidero de carbono y han absorbido alrededor de un tercio del CO2 emitido por la actividad humana. [20]
A medida que aumenta la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, la mayor absorción de dióxido de carbono en los océanos provoca una disminución medible en el pH de los océanos, lo que se conoce como acidificación de los océanos . Esta reducción del pH afecta a los sistemas biológicos de los océanos, principalmente a los organismos calcificadores. Estos efectos abarcan la cadena alimentaria desde autótrofos hasta heterótrofos e incluyen organismos como cocolitóforos , corales , foraminíferos , equinodermos , crustáceos y moluscos . En condiciones normales, el carbonato de calcio es estable en las aguas superficiales ya que el ion carbonato se encuentra en concentraciones sobresaturadas. Sin embargo, cuando el pH del océano disminuye, la concentración de este ion también disminuye y cuando el carbonato se subsatura y las estructuras de carbonato de calcio son vulnerables a la disolución. [22] corales, [23] [24] [25] cocolitóforos, [26] [27] [29] algas coralinas, [30] foraminíferos, [31] moluscos [32] y pterópodos [33] sufren una calcificación reducida o mayor disolución.
Fuentes naturales y capturaLa disolución de las rocas carbonatadas provoca una serie de reacciones, al final de las cuales se produce CO 2 . Por ejemplo, cuando una roca a base de carbonato de calcio se encuentra con un ácido, tiende a disolverse de acuerdo con la siguiente reacción:
La presencia de ácido carbónico acidifica aún más el ambiente, generando un mecanismo de retroalimentación positiva que aumenta constantemente la acidez. Finalmente, el ácido carbónico, dependiendo del pH y de su concentración en solución, se disocia en H 2 O y CO 2 siguiendo la reacción:
Esta reacción de disociación también ocurre en los vasos sanguíneos de nuestros pulmones: cuando la presión parcial de CO 2 es baja, el equilibrio se desplaza hacia los productos, produciendo CO 2 . Volviendo a las rocas carbonatadas, a medida que aumenta la temperatura (alrededor de 850 °C a presión estándar), el carbonato de calcio se disocia en CaO y CO 2 . Los iones de carbonato y bicarbonato son consumidos por organismos fotosintéticos que retiran el carbono del ciclo, fijándolo en rocas de carbonato de calcio. El ion de carbonato de hidrógeno se produce por la acción del dióxido de carbono libre sobre las rocas calizas; un ejemplo es la reacción de disolución del carbonato de calcio:
El dióxido de carbono es un producto final de la respiración celular en los organismos heterótrofos , mientras que en los organismos autótrofos es uno de los reactivos intermedios de la fotosíntesis . Esto significa que el CO 2 es utilizado, de diferentes formas, por casi todos los seres vivos.
En organismos autótrofosEl conjunto de organismos autótrofos incluye a todos aquellos seres vivos que son capaces de autosintetizar sus moléculas orgánicas a partir de las inorgánicas que ofrece el medio, como el CO 2 . Este vasto grupo de organismos se puede dividir en:
Otro ejemplo son las sulfobacterias moradas , que en ausencia de luz pueden oxidar el azufre de sulfuro de hidrógeno a azufre elemental , consumiendo CO 2 y O 2 . En presencia de luz, estos microorganismos pueden realizar la fotosíntesis de clorofila anoxigénica .
Los organismos heterótrofos, en cambio, son todos aquellos seres vivos que son incapaces de autosintetizar sus propias moléculas orgánicas a partir de las inorgánicas que les ofrece el medio. Los animales , los hongos y algunas bacterias entran en esta categoría .
En los vertebrados, el dióxido de carbono viaja en la sangre desde los tejidos corporales hasta la piel (por ejemplo, los anfibios) o las branquias (por ejemplo, los peces), desde donde se disuelve en agua, o hasta los pulmones desde donde se exhala.
El CO 2 es un gas asfixiante y no está clasificado como tóxico ni nocivo de acuerdo con las normas del Sistema Armonizado de Clasificación y Etiquetado de Productos Químicos (GHS) y la OCDE . En concentraciones tan bajas como 1% (10,000 ppm), algunas personas se sentirán somnolientas y les darán a los pulmones una sensación de ahogo. [52] Las concentraciones del 7 % al 10 % (70 000 a 100 000 ppm) pueden causar asfixia , incluso en presencia de suficiente oxígeno, manifestándose como mareos , dolor de cabeza , disfunción visual y auditiva y pérdida del conocimiento en unos pocos minutos o un momento. [53] Los efectos fisiológicos de la exposición aguda al dióxido de carbono se agrupan bajo el término hipercapnia , una categoría de asfixia .
El dióxido de carbono en el aire está presente en una cantidad de alrededor del 0,04 %, mientras que en el aire exhalado después de una respiración es de alrededor del 4,5 %. Una atmósfera que contiene más del 5% de dióxido de carbono es asfixiante para humanos y animales, ya que satura la hemoglobina de la sangre impidiendo que se una al oxígeno y bloqueando así la oxigenación de los tejidos. Por esta razón, tanto cuando se usa en forma gaseosa como cuando se usa como hielo seco, el dióxido de carbono debe manipularse en espacios bien ventilados. Los límites establecidos por OSHA (la agencia estadounidense para la seguridad en el lugar de trabajo) para la concentración de dióxido de carbono en el lugar de trabajo son de 0,5 % (5000 ppm, 9000 mg/mc TLV -TWA [4] ) para exposición continua. El límite STEL es 3% (30000 ppm [4] ). La mayor parte del dióxido de carbono presente en la sangre (72%) está presente en forma de ion carbonato de hidrógeno , HCO 3 - , donde actúa como tampón para la regulación del pH sanguíneo , aunque sea secundario al poder tampón de las proteínas que cubrir los 3/4 del total. El nivel óptimo del ion de carbonato de hidrógeno se mantiene a través de la frecuencia respiratoria y la contracción o dilatación de los vasos sanguíneos y vías pulmonares. Aproximadamente el 22 % del CO 2 del cuerpo se encuentra en forma de carbaminohemoglobina y el 6 % en forma de CO 2 libre . Cada día el cuerpo humano produce 12-15 mol de CO₂ (288-360 litros) en reposo y hasta 50 mol en actividad física intensa. Expuestas a la luz, las plantas absorben dióxido de carbono de la atmósfera a través de la fotosíntesis, en la que el dióxido de carbono y el agua se convierten en glucosa y oxígeno. Tanto en presencia como en ausencia de luz, las plantas también emiten dióxido de carbono como resultado de la respiración celular.
El dióxido de carbono está presente en altas concentraciones en el planeta Venus , donde constituye el 96,4% de la atmósfera . [54] Debido al dióxido de carbono, el efecto invernadero en Venus es particularmente intenso, dando como resultado que el planeta sea el más caliente del sistema solar , con la friolera de 750 K (correspondientes a 475 °C ). [55]
La atmósfera de Marte, por otro lado, contiene una cantidad menor de dióxido de carbono que la de Venus, pero aún considerable, igual al 85,32%. Sin embargo, dada la reducida masa de este planeta, es incapaz de retenerlo en su atmósfera enrarecida: de hecho, este porcentaje deriva en parte de la concentración de este gas en los casquetes polares, formados íntegramente por hielo seco . El dióxido de carbono también está presente en algunos satélites de los principales planetas, por ejemplo, la atmósfera de Calisto (satélite de Júpiter ) se compone esencialmente de dióxido de carbono. [56]
El dióxido de carbono es el resultado de la combustión de un compuesto orgánico en presencia de una cantidad de oxígeno suficiente para completar la oxidación . También se puede producir haciendo reaccionar un carbonato o bicarbonato con un ácido. [11] En la naturaleza, también es producido por bacterias aerobias durante el proceso de fermentación alcohólica y es el subproducto de la respiración . Las plantas lo utilizan para la fotosíntesis que, al combinarlo con agua y por la acción de la luz solar y la clorofila , lo transforma en glucosa liberando oxígeno como subproducto.
El dióxido de carbono se produce principalmente a partir de los siguientes procesos: [57]
El dióxido de carbono sólido (también llamado hielo seco o nieve carbónica [11] ) se utiliza como medio refrigerante, por ejemplo para la conservación de alimentos, teniendo la ventaja de que sublime pasa directamente del estado sólido al estado gaseoso y permite mantener la temperatura a valores más bajos que el hielo . En particular, puede alcanzar temperaturas entre -70 °C y -80 °C si se mezcla con alcohol etílico , acetona u otros líquidos orgánicos. [11] El dióxido de carbono también se usa en efectos especiales para crear el efecto de niebla.
El dióxido de carbono en estado sólido también se utiliza en la limpieza de superficies mediante el método de arenado criogénico , durante el cual se lanzan cristales de dióxido de carbono contra la superficie a limpiar de incrustaciones biológicas, pátinas minerales u otros depósitos, eliminándolos por el doble efecto de abrasión y fuerte enfriamiento localizado que conduce a una contracción y rigidez de las partes afectadas. Una ventaja de este método frente al arenado tradicional está ligada al hecho de que el hielo seco utilizado como arena se sublima inmediatamente, reduciendo considerablemente la cantidad de residuos a eliminar tras la intervención.
En una atmósfera rica en dióxido de carbono, el fuego se apaga: por eso algunos tipos de extintores contienen dióxido de carbono líquido bajo presión a 73 atm . Los chalecos salvavidas también suelen contener cápsulas de dióxido de carbono líquido, que se utilizan para inflarse rápidamente en caso de emergencia.
Las aguas minerales con gas y los refrescos carbonatados deben su efervescencia a la adición de dióxido de carbono. Algunos refrescos, como la cerveza y los vinos espumosos, contienen dióxido de carbono como resultado de la fermentación que han sufrido.
Una vez más, es el dióxido de carbono el que hace que la masa suba; muchas levaduras , naturales o químicas, desarrollan dióxido de carbono por fermentación o por reacción química. El dióxido de carbono y el agua son las materias primas de la fotosíntesis ; a menudo, el aire dentro de los invernaderos se enriquece con dióxido de carbono para estimular el crecimiento de las plantas; además, una atmósfera que contenga alrededor del 1% de dióxido de carbono es letal para muchos parásitos. La fertilización con carbón también se usa en acuarios para promover el crecimiento de plantas acuáticas sumergidas .
El dióxido de carbono se utiliza como fluido refrigerante en sistemas de refrigeración y aire acondicionado de bajo impacto ambiental, y se identifica con la abreviatura R-744. El uso de CO 2 como fluido refrigerante está sujeto a unas condiciones particulares ya que se produce un ciclo transcrítico . Además, el dióxido de carbono se utiliza en algunos tipos de láseres industriales . En la industria, se utiliza como reactivo junto con el amoníaco para la producción de carbamato de amonio , [9] a su vez se utiliza para producir urea , [9] que encuentra aplicaciones en la producción de fertilizantes y plásticos . [9] Finalmente, en la industria, mezclado con argón o puro, se utiliza como gas inerte para la protección/penetración del baño durante una soldadura ( open-arc ). Entre los aditivos alimentarios se identifica con las siglas E 290 .
El principal método para eliminar grandes cantidades de dióxido de carbono es la fotosíntesis de clorofila realizada por las plantas: este proceso involucra luz, dióxido de carbono y agua, transformándolos en oxígeno y glucosa ; consiste por tanto en plantar y/o preservar los bosques de la deforestación y los incendios . Esta es la forma más sencilla, económica y espontánea que prácticamente ha ocurrido de forma natural en nuestro planeta desde que existen las plantas. También forma parte de las medidas que se pueden adoptar bajo el Protocolo de Kioto para cumplir con las restricciones de emisiones de CO₂ de cada país.
Se están estudiando métodos artificiales, pertenecientes a la denominada " geoingeniería ", para la captura y secuestro de carbono (en inglés Carbon Capture and Sequestration , abreviado CCS) con el objetivo de capturar, transportar y almacenar CO 2 para contrarrestar el aumento en la concentración de este gas de efecto invernadero en la atmósfera. En este caso, la captura de dióxido de carbono ocurre en los sitios donde se produce en grandes cantidades: humos de combustión (por ejemplo , centrales termoeléctricas a carbón o gas ) o de residuos de refinación; el "secuestro" consiste en la inyección al subsuelo donde el dióxido de carbono puede quedar segregado gracias a diferentes mecanismos químico-físicos.
Hoy en día existen tres principales sitios de experimentación de secuestro geológico , todos ellos vinculados a la industria petrolera: Weyburn en Canadá , In Salah en Argelia y Sleipner en la costa noruega . La cantidad de dióxido de carbono incautada por estos proyectos es del orden de un millón de toneladas por año, en realidad una cantidad muy modesta. Sleipner ha estado en funcionamiento desde 1995. Estos métodos no eliminan formalmente el dióxido de carbono, sino que requieren su almacenamiento en bolsas subterráneas que deberían retener la molécula durante miles de años. [61]