Oxid uhličitý - CO2

oxid uhličitý

je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu; při vyšších koncentracích může v ústech mít slabě nakyslou chuť. Je těžší než vzduch. Vzniká reakcí uhlíku s kyslíkem (spalováním):
C + O2 --> CO2,
hořením oxidu uhelnatého (např. svitiplynu):
2 CO + O2 --> 2 CO2,
nebo organických látek, např. methanu:
CH4 + 2 O2 --> CO2 + 2 H2O,
a to vždy za vývinu značného množství tepla. Podobnými reakcemi můžeme popsat i spalování fosilních paliv a biomasy. Je také produktem dýchání většiny živých organismů, kde je spolu s vodou konečným produktem metabolické přeměny živin obsažených v potravě. V laboratoři se většinou připravuje reakcí uhličitanů, především uhličitanu vápenatého se silnými kyselinami např. chlorovodíkovou:
CaCO3 + 2 HCl --> CO2 + CaCl2 + H2O.
Průmyslově se vyrábí tepelným rozkladem (žíháním) vápence (uhličitanu vápenatého):
CaCO3 --> CaO + CO2.
Po chemické stránce je oxid uhličitý velice stálý a ani při velmi vysokých teplotách nad 2 000 °C se znatelně nerozkládá. Ve vodě se snadno rozpouští, přičemž se přitom zčásti (asi z 0,003 %) slučuje s vodou na kyselinu uhličitou:
CO2 + H2O --> H2CO3.
Oxid uhličitý reaguje se silnými hydroxidy za vzniku solí, které se vyskytují ve dvou formách, jako uhličitany a hydrogenuhličitany (starším názvem kyselé uhličitany); např. s hydroxidem sodným vzniká buď hydrogenuhličitan sodný:
CO2 + NaOH --> NaHCO3,
nebo při větším množství hydroxidu uhličitan sodný:
CO2 + 2 NaOH --> Na2CO3 + H2O.
V zelených rostlinách je oxid uhličitý asimilován v procesu zvaném fotosyntéza za katalytického působení chlorofylu a dodávky energie ve formě světelných kvant na monosacharidy podle celkové rovnice:
6 CO2 + 6 H2O --> C6H12O6 + 6 O2.
Spalování sacharidů v těle živočichů (i rostlin v noci) je chemickým procesem právě opačným, stejně tak kvašení cukrů působením kvasinek. Při geologickém vývoji planetárních těles hraje v chemismu oxidu uhličitého významnou roli rovnováha mezi oxidem uhličitým a oxidem křemičitým v kompetici o vápník podle vztahu:
CaCO3 + SiO2 --> CO2 + CaSiO3.
Za běžných teplot panujících na Zemi je tato rovnováha posunuta téměř úplně vlevo, takže velké množství oxidu uhličitého je vázáno v uhličitanových horninách. Stoupne-li teplota zhruba nad 350 °C, rovnováha se vychýlí téměř úplně vpravo a oxid křemičitý vytěsní z hornin oxid uhličitý, který přejde do atmosféry. Tímto mechanismem se vysvětluje velmi hustá atmosféra planety Venuše, složená převážně z oxidu uhličitého. Při ochlazení pod -80 °C mění plynný oxid uhličitý svoje skupenství přímo na pevné (desublimuje) za vzniku bezbarvé tuhé látky, nazývané suchý led. Oxid uhličitý je nedýchatelný a ve vyšších koncentracích může způsobit ztrátu vědomí a smrt. V krvi se totiž váže na hemoglobin a vytěsňuje tak kyslík, který se pak z plic obtížněji dostává do mozku a tkání těla.

Výskyt v přírodě

Oxid uhličitý je běžnou součástí zemské atmosféry, přičemž jeho koncentrace (průměrně 0,038 % v roce 2004) v ovzduší kolísá v závislosti na místních podmínkách, na výšce nad povrchem a relativní vlhkosti vzduchu v ovzduší. V důsledku zejména průmyslových emisí jeho průměrná koncentrace ve vzduchu stále roste (viz odstavec „Vliv oxidu uhličitého na globální oteplování“). Lokálně velmi vysoká koncentrace je v místech jeho výronu ze země ve vulkanicky aktivních oblastech a v některých přírodních minerálních vodách. Vzhledem k tomu, že je těžší než vzduch může se v takových místech hromadit a představovat nebezpečnou past pro zvířata i lidi. Ročně tak vulkanické aktivity dodávají do ovzduší Země přibližně 130 to 230 Tg, což představuje řádově jen 1 až 2 % produkce CO2 lidstvem. Oxid uhličitý byl také nalezen v mezihvězdném prostoru. Je hlavní složkou atmosfér planet Venuše a Mars. Spektroskopicky byl prokázán i v komě komet.

Využití

Oxid uhličitý je průmyslově lehce dostupný plyn. Využívá se jako: * chemická surovina pro výrobu: o anorganických uhličitanů o methanolu o polykarbonátů o polyuretanů o karbamátů o isokyanátů o a jiných organických sloučenin * hnací plyn a ochranná atmosféra pro potravinářské účely * součást perlivých nápojů * náplň sněhových hasících přístrojů * chladící médium (suchý led) * v medicíně se přidává (do 5 %) ke kyslíku pro zvýšení efektivity dýchaní

Vliv oxidu uhličitého na globální oteplování


Oxid uhličitý se největší měrou podílí na vzniku skleníkového efektu. Jeho nárůst v ovzduší, což je považováno za hlavní příčinu globálního oteplování, je způsoben zejména spalováním fosilních paliv a úbytkem lesů. Naštěstí zatím nejvýkonnější ekosystém poutající vzdušný oxid uhličitý - mořský fytoplankton - není dosud příliš narušen. Velké množství oxidu uhličitého je také rozpuštěno ve světových mořích a oceánech, které tak regulují jeho množství v atmosféře. Pozvolný nárůst globální teploty však negativně ovlivňuje rozpustnost CO2 v mořské vodě a pozitivní zpětnou vazbou se tak dostává zpět do vzduchu další dodatečné množství tohoto skleníkového plynu. Naštěství většina oxidu uhličitého je v mořské vodě vázána chemicky ve formě uhličitanových a hydrogenuhličitanových iontů, za což vděčíme jeho reakci s vápenatými minerály podle rovnice:
CaCO3 + CO2 + H2O --> Ca2+ + 2 HCO3-
Tato rovnováha se však se zvyšující teplotou posunuje doleva. Také intenzita fotosyntézy fytoplanktonem je závislá na optimální teplotě a s jejím růstem nad optimum klesá.

Oxid uhličitý a biomasa

Kromě při spalování biomasy či bioplynu vzniká oxid uhličitý také během kompostování. Navíc část organické hmoty zůstává na poli jako posklizňové (potěžební) zbytky, a kořenový systém. V průběhu anaerobní digesce a kompostování je velká část organické hmoty přeměněna na stabilizované organo-minerální hnojivo s vysokým podílem humusových látek, takže velký podíl uhlíku zůstává dlouhodobě fixován v humusu, který zlepšuje vlastnosti půd (vododržnost, pufrační kapacitu, ...). Navíc zlepšené vlastnosti půdy mají za následek vyšší výnosy, a tedy i intenzivnější asimilaci CO2 během fotosyntézy.

Historická poznámka

Oxid uhličitý byl první chemickou sloučeninou, která byla popsána jako plyn odlišný od vzduchu. V 17. století vlámský chemik Jan Baptist van Helmont zjistil, že při spalování dřevěného uhlí v uzavřené nádobě váha zbylého popele je menší, než původního uhlí. Vysvětlil to přeměnou části uhlí na neviditelnou substanci, kterou nazval plyn spiritus sylvestre. V polovině 18. století vlastnosti tohoto plynu studoval podrobněji skotský lékař Joseph Black. Zjistil, že zahříváním vápence nebo jeho reakcí s kyselinami vzniká plyn, který nazval „fixovatelný vzduch“ ("fixed air"), protože jej bylo možno vázat silnými zásadami (např. hydroxidem vápenatým). Zjistil také, že je těžší než vzduch a že na rozdíl od normálního vzduchu nepodporuje hoření a že zvířata v něm hynou. Vázání na hydroxid vápenatý použil k důkazu, že je ve vydechovaném vzduchu a také, že se uvolňuje při procesu kvašení (fermentace).