Innehåll
- Vad är koldioxid?
- Koldioxid i metabolism
- Koldioxid och klimatförändringar
- Användning av koldioxid i industrin
Koldioxid är bland de många vetenskapliga termer som har ett brett spektrum av betydelser och ett liknande brett spektrum av konnotationer. Om du känner till cellandning, kanske du vet att koldioxidgas - förkortat CO2 - är en avfallsprodukt från denna serie av reaktioner hos djur, där syrgas eller O2, är en reaktant; Du kanske också vet att i växter är denna process i själva verket omvänd med CO2 tjänar som ett bränsle i fotosyntesen och O2 som en avfallsprodukt.
Kanske mer känt, tack vare det nuvarande århundradets politik och jordvetenskap, CO2 är ökänd för att vara en växthusgas, ansvarig för att hjälpa till att fånga värme i jordens atmosfär. CO2 är en biprodukt av förbränning av fossila bränslen, och den därmed uppvärmningen av planeten har lett jordens medborgare på en strävan efter alternativa energikällor.
Bortsett från dessa frågor, CO2 gas, en elegant enkel molekyl, har ett antal andra biokemiska och industriella funktioner som vetenskapens fans bör vara medvetna om.
Vad är koldioxid?
Koldioxid är en färglös, luktfri gas vid rumstemperatur. Varje gång du andas ut, lämnar koldioxidmolekyler kroppen och blir en del av atmosfären. CO2 molekyler innehåller en enda kolatom som flankeras av två syreatomer, så att molekylen har en linjär form:
O = C = O
Varje kolatom bildar fyra bindningar med sina grannar i stabila molekyler, medan varje syreatom bildar två bindningar. Således med varje kol-syrebindning i CO2 bestående av en dubbelbindning - det vill säga två par delade elektroner - CO2 är mycket stabil.
Som en blick på en periodisk tabell över element avslöjar (se Resurser) är kolens molekylvikt 12 atomenheter (amu), medan syre är 16 amu. Molekylvikten för koldioxid är alltså 12 + 2 (16) = 44. Ett annat sätt att uttrycka detta är att säga att en mol CO2 har en massa på 44, varvid en mol motsvarar 6,02 × 1023 enskilda molekyler. (Denna siffra, känd som Avogadros-talet, härrör från det faktum att den molekylära kolmassan är inställd på exakt 12 gram, vilket oss två gånger antalet protoner kol innehåller, och denna kolmassa innehåller 6,02 × 1023 kolatomer. Molekylvikten för alla andra element var strukturerade kring denna standard.)
Koldioxid kan också existera som en vätska, i ett tillstånd där det används som kylmedel, i brandsläckare och vid produktion av kolsyrade drycker som läsk; och som ett fast ämne, i vilket tillstånd det används som kylmedel och kan orsaka frostskador om det kommer i kontakt med huden.
Koldioxid i metabolism
Koldioxid missförstås ofta som giftigt eftersom det ofta är förknippat med kvävning och till och med livsförlust. Medan tillräckliga nivåer av CO2 kan faktiskt vara direkt giftigt och orsaka kvävning, vad som vanligtvis händer är att CO2 istället byggs upp som ett resultat eller en följd av kvävning. Om någon slutar andas av någon anledning, CO2 fördrivs inte längre genom lungorna och bygger därför upp i blodomloppet eftersom det inte har någon annanstans att gå. CO2 är därför en markör för kvävning. På ungefär samma sätt är vatten inte "giftigt" bara för att det kan leda till drunknande.
Endast en liten bråkdel av atmosfären består av CO2 - ungefär 1 procent. Även om det är en biprodukt av djurmetabolismen, är det absolut nödvändigt för växter att överleva och är en instrumental del av världen kolets kretslopp. Växter tar in CO2, omvandla det i en serie reaktioner kol och syre, och släpp sedan syre till atmosfären samtidigt som kolet hålls i form av glukos för att leva och växa. När växter dör eller förbränns rekombineras deras kol med O2 i luften, bildar CO2 och slutföra kolcykeln.
Djur producerar koldioxid genom nedbrytning av intagna kolhydrater, proteiner och fetter i maten. Alla dessa metaboliseras till glukos, en sexkolfmolekyl som sedan kommer in i celler och till slut blir koldioxid och vatten, med den resulterande energin som används för att driva cellulära aktiviteter. Detta sker genom processen med aerob andning (ofta kallat cellulär andning, även om termerna inte är exakt synonyma). All glukos som kommer in i cellerna från både prokaryoter (bakterier) och icke-växtliga eukaryoter (djur och svampar) genomgår först glykolys, som genererar ett par tre-kolmolekyler som kallas pyruvat. Det mesta av detta kommer in i Krebs-cykeln i form av två-kolmolekylen acetyl CoA, medan CO2 är befriad. Elektronbärarna med hög energi NADH och FADH2 som bildas under Krebs-cykeln, avger sedan elektroner i närvaro av syre i elektrontransportkedjereaktionerna, vilket resulterar i bildandet av en hel del ATP, "energivaluta" för cellerna i levande saker.
Koldioxid och klimatförändringar
CO2 är en värmefångande gas. I många avseenden är detta bra, eftersom det förhindrar att jorden förlorar så mycket värme att djur som människor inte skulle kunna överleva. Men förbränningen av fossila bränslen sedan industrirevolutionens början på 1800-talet har lagt till en betydande mängd CO2 gas till atmosfären, vilket leder till global uppvärmning och dess gradvis försämrade effekter.
Under många tusentals år har den atmosfäriska koncentrationen av CO2 i atmosfären förblev mellan 200 och 300 delar per miljon (ppm). År 2017 hade det stigit till nästan 400 ppm, en koncentration som fortfarande ökar. Denna extra CO2 fångar upp värme och får klimatet att förändras. Detta manifesteras inte bara i stigande medeltemperaturer över hela världen, utan också i stigande havsnivåer, issmältning, surare havsvatten, mindre polära ishattar och en upptick i antalet katastrofala händelser (till exempel orkaner). Dessa problem är alla sammanhängande och beroende av varandra.
Exempel på fossila bränslen inkluderar kol, petroleum (olja) och naturgas. Dessa skapas under en miljonårsperiod när dött växt- och djurmaterial fångas och begravs under bergskikt. Under gynnsamma värme- och tryckförhållanden omvandlas detta organiska material till ett bränsle. Alla fossila bränslen innehåller kol, och dessa förbränns för att ge energi, och koldioxid frigörs.
Användning av koldioxid i industrin
Koldioxidgas har olika användningsområden, vilket är praktiskt eftersom sakerna bokstavligen finns överallt. Som tidigare nämnts används det som kylmedel, även om detta är mer sant för de fasta och flytande formerna. Det används också som ett aerosoldrivmedel, en gnagare (dvs råttgift), en komponent i fysikförsök med mycket låg temperatur och ett berikande medel i luften inuti växthus. Det används också för sprickning av oljebrunnar i vissa typer av gruvdrift, som moderator i vissa kärnreaktorer och i speciella lasrar.
Intressant faktum: Genom grundläggande metaboliska processer kommer du att producera cirka 500 gram CO2 under de kommande 24 timmarna - ännu mer om du är aktiv. Det är mer än ett kilo osynlig gas, som bara flyter ut från näsan och munnen såväl som från dina porer. Detta är faktiskt hur människor går ner i vikt över tiden, inte inklusive vatten (tillfälliga) förluster.