Kuldioxid (CO2): Definition, egenskaber og betydning som drivhusgas
Lær om kuldioxid (CO2): definition, kemiske egenskaber og dens rolle som drivhusgas, der påvirker klimaændringer og global opvarmning.
Kuldioxid (CO2) er en kemisk forbindelse og en svagt polar, lineær molekyle bestående af ét kulstof- og to oxygenatomer. Ved stuetemperatur er CO2 en farveløs og lugtfri gas. Mennesker og dyr frigiver kuldioxid, når de ånder ud (cellulær respiration), og der dannes CO2 hver gang organisk materiale forbrænder — f.eks. ved fossile brændstoffer eller når der laves en brand). Planter optager samtidig kuldioxid og omdanner det til sukkerstoffer gennem fotosyntese, en proces der er afgørende for livet på Jorden. Kuldioxidens egenskaber blev tidligt undersøgt af den skotske videnskabsmand Joseph Black i 1750'erne.
Egenskaber
CO2 har molekylformlen CO2 og en molar masse på ca. 44,01 g/mol. Som gas ved normalt tryk er den tættere end luft (densitet ved 0 °C og 1 atm ≈ 1,98 kg/m³). Ved høje koncentrationer virker den som en kvælstoflignende asfyxiant, men den er ikke giftig i lave koncentrationer. Ved tryk og lave temperaturer kan CO2 komprimeres til væske; som fast stof kaldes det "tøris" og sublimerer ved cirka −78,5 °C ved atmosfærisk tryk. CO2 opløses i vand og danner svag kulsyre (H2CO3), hvilket er grundlaget for både naturlige karbonatsystemer og havforsuring.
Forekomst og kilder
CO2 forekommer naturligt i atmosfæren og indgår i det globale kulstofkredsløb. Naturlige kilder omfatter respiration fra levende organismer, nedbrydning af organisk stof, vulkansk aktivitet og udveksling mellem atmosfære, hav og biosfære. Menneskeskabte (antropogene) kilder er især forbrænding af fossile brændstoffer (kul, olie, naturgas), cementproduktion, ændringer i arealanvendelse (fx skovrydning) og visse industrielle processer.
Betydning som drivhusgas
Kuldioxid er en vigtig drivhusgas. Drivhusgasser absorberer og udsender infrarød stråling fra Jordens overflade — de opfanger varmeenergi og reducerer varmetabet til rummet. Stigninger i atmosfærens CO2-indhold ændrer energibalancen i atmosfæren og bidrager derfor til klimaforandringer og ændringer i klimaet og vejret på vores planet. Denne proces kaldes klimaændringer og er en af de vigtigste årsager til den globale opvarmning, dvs. stigning i temperaturen på jordens overflade.
Siden den industrielle revolution er atmosfærens CO2-koncentration steget markant — fra ca. 280 ppm (parts per million) i førindustriel tid til over 420 ppm i nyere tid — og niveauet fortsætter med at stige som følge af udledninger fra menneskelige aktiviteter. CO2 har en lang opholdstid i atmosfæren: en del af udledningen fjernes relativt hurtigt, men en betydelig brøkdel kan påvirke klimaet i hundreder til tusinder af år.
Effekter på økosystemer og havet
Øgede CO2-niveauer ændrer klimaet og påvirker økosystemer globalt — fra ændringer i nedbørsmønstre og hyppighed af ekstreme vejrhændelser til forskydninger i arter og økosystemtjenester. Derudover opløses en stor del af ekstra atmospheric CO2 i verdenshavene, hvor det danner kulsyre og sænker havets pH (havforsuring). Havforsuring påvirker kalkdannende organismer som koraller, skaldyr og visse planktonarter, hvilket kan få konsekvenser for marine fødenet.
Sikkerhed og anvendelser
CO2 anvendes i mange industrielle processer: til kulsyre i drikkevarer, i brandslukningsudstyr, som kølemiddel (tøris), i svejsning og i kemisk produktion. I lukkede rum kan høje koncentrationer føre til iltmangel og sundhedsrisici (hovedpine, svimmelhed, bevidstløshed ved meget høje værdier). Derfor er korrekt ventilation og måling vigtig i arbejds- og produktionsmiljøer.
Måling, overvågning og reduktion
CO2-koncentrationer overvåges globalt (fx langtidsmålinger som Mauna Loa-observatoriet) for at følge udviklingen i atmosfærens indhold. Tiltag for at reducere menneskelige CO2-udledninger omfatter omlægning til vedvarende energi, energieffektivisering, ændret arealanvendelse (genplantning og bevarelse af skove), samt tekniske løsninger som fangst og lagring af kuldioxid (CCS) og direkte luftopsamling (DAC). Kombinationen af emissionsreduktion og fjernelse af CO2 fra atmosfæren anses som nødvendig for at begrænse de værste følger af klimaændringer.
Afsluttende bemærkning
Kuldioxid er både en naturlig og essentiel del af Jordens systemer og en central faktor i menneskeskabte klimaændringer. Forståelse af CO2's kemiske egenskaber, kilder og virkninger er afgørende for at kunne udforme effektive strategier til at beskytte klima, økosystemer og menneskers sundhed.
Strukturformel for kuldioxid. C er kulstof og O er ilt. De dobbelte linjer repræsenterer den dobbelte kemiske binding mellem atomerne.
Et billede for at vise, hvordan atomerne kan fylde rummet. Det sorte er kulstof, og det røde er ilt.
Biologisk rolle
Kuldioxid er et slutprodukt i organismer, der får energi fra nedbrydning af sukker, fedtstoffer og aminosyrer med ilt som en del af deres stofskifte. Det er en proces, der er kendt som celleånding. Dette omfatter alle planter, dyr, mange svampe og nogle bakterier. Hos højere dyr transporteres kuldioxiden i blodet fra kroppens væv til lungerne, hvor den udåndes. Planter optager kuldioxid fra atmosfæren til brug i fotosyntesen.
Tøris
Tøris, eller fast kuldioxid, er 2CO-gasens faste tilstand under -78,5 °C (-109,3 °F). Tøris forekommer ikke naturligt på jorden, men er menneskeskabt. Den er farveløs. Folk bruger tøris til at gøre ting kolde, til at gøre drikkevarer brusende, til at dræbe gopler og til at fryse vorter. Dampen fra tøris forårsager kvælning og i sidste ende døden. Forsigtighed og professionel hjælp anbefales, når tøris anvendes.
Ved normalt tryk smelter det ikke fra fast stof til væske, men overgår direkte fra fast stof til gas. Dette kaldes sublimering. Det vil overgå direkte fra fast stof til gas ved enhver temperatur, der er højere end ekstremt kolde temperaturer. Tøris sublimerer ved normal lufttemperatur. Tøris, der udsættes for normal luft, afgiver kuldioxidgas, der ikke har nogen farve. Kuldioxid kan blive flydende ved et tryk på over 5,1 atmosfærer.
Kuldioxid, der kommer fra tøris, er så koldt, at når det blandes med luft, afkøler det vanddampen i luften til tåge, der ligner en tyk hvid røg. Det bruges ofte i teatret til at skabe et udseende af tåge eller røg.
Tøris, når den lægges i vand
Isolering og produktion
Kemikere kan få kuldioxid ud af køle luft. De kalder dette luftdestillation. Denne metode er ineffektiv, fordi en stor mængde luft skal nedkøles for at udvinde en lille mængde CO2. Kemikere kan også bruge flere forskellige kemiske reaktioner til at udskille kuldioxid. Kuldioxid dannes ved reaktioner mellem de fleste syrer og de fleste metalkarbonater. F.eks. dannes der kuldioxid ved reaktionen mellem saltsyre og calciumcarbonat (kalksten eller kridt):
2 H C l + C a C O 3 ⟶ C a C l 2 + H 2 C O 3 {\displaystyle \mathrm {2\ HCl+CaCO_{3}\longrightarrow CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}}} } 
Kulsyre (H 2CO3 ) nedbrydes derefter til vand og CO2 . Sådanne reaktioner forårsager skumdannelse eller bobler eller begge dele. I industrien anvendes sådanne reaktioner mange gange til at neutralisere affaldssyrer.
Brændt kalk (CaO), et kemikalie med udbredt anvendelse, kan fremstilles ved opvarmning af kalksten til ca. 850 °C. Ved denne reaktion fremstilles også CO2:
C a C O 3 ⟶ C a O + C O 2 {\displaystyle \mathrm {CaCO_{3}\longrightarrow CaO+CO_{2}}} } 
Kuldioxid dannes også ved forbrænding af alle kulstofholdige brændstoffer, f.eks. metan (naturgas), petroleumsdestillater (benzin, diesel, petroleum, petroleum, propan), kul og træ. I de fleste tilfælde frigøres der også vand. Den kemiske reaktion mellem metan og ilt er f.eks:
C H 4 + 2 O 2 ⟶ C O 2 + 2 H 2 O {\displaystyle \mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\longrightarrow CO_{2}+2\ H_{2}O} } 
Kuldioxid fremstilles på stålværker. Jern reduceres fra sine oxider med koks i en højovn, hvorved der produceres råjern og kuldioxid:
F e 2 O 3 + 3 C O ⟶ 2 F e + 3 C O 2 {\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\ CO\longrightarrow 2\ Fe+3\ CO_{2}} } 
Gær omsætter sukker til kuldioxid og ethanol, også kendt som alkohol, i produktionen af vin, øl og anden spiritus, men også i produktionen af bioethanol:
C 6 H 12 O 6 ⟶ 2 C O 2 + 2 C 2 H 5 O H H {\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow 2\ CO_{2}+2\ C_{2}H_{5}OH} } 
Alle aerobe organismer producerer CO
2 når de oxiderer kulhydrater, fedtsyrer og proteiner i cellernes mitokondrier. Det store antal reaktioner, der er involveret, er overordentlig komplekse og ikke lette at beskrive. (De omfatter cellulær respiration, anaerob respiration og fotosyntese). Photoautotrofer (dvs. planter, cyanobakterier) anvender en anden reaktion: Planter absorberer CO
2 fra luften, og sammen med vand reagerer de med det til kulhydrater:
n C O 2 + n H 2 O ⟶ ( C H 2 O ) n + n O 2 {\displaystyle \mathrm {nCO_{2}+nH_{2}O\longrightarrow (CH_{2}O)n+nO_{2}}} } 
Kuldioxid er opløseligt i vand, hvor det spontant omdannes mellem CO2og H
2CO
3 (kulsyre). De relative koncentrationer af CO
2, H
2CO
3og de deprotonerede former HCO−
3 (bicarbonat) og CO2−
3 (carbonat) afhænger af surhedsgraden (pH). I neutralt eller svagt alkalisk vand (pH > 6,5) dominerer bikarbonatformen (> 50 %) og bliver den mest fremherskende (> 95 %) ved havvandets pH, mens den fremherskende form (> 50 %) i meget alkalisk vand (pH > 10,4) er karbonat. Bikarbonat- og carbonatformerne er meget opløselige. Luftudlignet havvand (let alkalisk med typisk pH = 8,2-8,5) indeholder således ca. 120 mg bicarbonat pr. liter.
Industriel produktion
Industriel kuldioxid produceres hovedsageligt fra seks processer:
- Ved at opsamle naturlige kuldioxidkilder, hvor den dannes ved at forsuret vand virker på kalksten eller dolomit.
- Som et biprodukt fra brintproduktionsanlæg, hvor metan omdannes til CO 2;
- Fra forbrænding af fossilt brændsel eller træ;
- Som et biprodukt fra gæring af sukker ved brygning af øl, whisky og andre alkoholholdige drikkevarer;
- Fra termisk nedbrydning af kalksten, CaCO
3, ved fremstilling af kalk (calciumoxid, CaO);
Kemisk reaktion
Kuldioxid kan dannes ved en simpel kemisk reaktion:
C + O 2 ⟶ C O 2 {\displaystyle \mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}} } 
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er kuldioxid?
A: Kuldioxid er en kemisk forbindelse, der er sur, består af et kulstof- og to oxygenatomer og er en gas ved stuetemperatur.
Spørgsmål: Hvordan frigives kuldioxid i atmosfæren?
Svar: Mennesker og dyr frigiver kuldioxid, når de ånder ud, og hver gang noget organisk materiale forbrændes eller en brand opstår.
Spørgsmål: Hvad er fotosyntese?
Svar: Fotosyntese er den proces, hvorved planter bruger kuldioxid til at lave mad.
Spørgsmål: Hvem har undersøgt kuldioxidens egenskaber?
Svar: Den skotske videnskabsmand Joseph Black undersøgte kuldioxidens egenskaber i 1750'erne.
Spørgsmål: Hvad er en drivhusgas?
Svar: En drivhusgas er en gas, der opfanger varmeenergi og ændrer klimaet og vejret på planeten.
Spørgsmål: Hvordan bidrager kuldioxid til klimaændringerne?
Svar: Kuldioxid er en drivhusgas, der bidrager til klimaændringerne ved at fange varmeenergi og forårsage global opvarmning, dvs. en stigning i Jordens overfladetemperatur.
Spørgsmål: Hvordan er koncentrationen af kuldioxid i Jordens atmosfære blevet reguleret?
A: Koncentrationen af kuldioxid i Jordens atmosfære er blevet reguleret af fotosyntetiske organismer og geologiske fænomener, hovedsagelig vulkaner, siden slutningen af den prækambriske æra.
Søge