Cos’è l’anidride carbonica e come è stata scoperta?Joseph Black, un chimico e medico scozzese, identificò per primo l’anidride carbonica nel 1750. A temperatura ambiente (20-25 oC), l’anidride carbonica è un gas inodore e incolore, leggermente acido e non infiammabile. |
CO2-molecola |
Proprietà dell’anidride carbonica
Ci sono diverse proprietà fisiche e chimiche, che appartengono all’anidride carbonica.
Qui le riassumeremo in una tabella.
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Proprietà |
Valore |
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Peso molecolare |
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Gravità specifica |
1.53 a 21 oC |
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Densità critica |
468 kg/m3 |
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Concentrazione nell’aria |
370,3 * 107 ppm |
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Stabilità |
Alta |
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Liquido |
Pressione < 415.8 kPa |
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Solido |
Temperatura < -78 oC |
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Costante di Henry per la solubilità |
298.15 mol/ kg * bar |
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Solubilità in acqua |
0.9 vol/vol a 20 oC |
Dove troviamo l’anidride carbonica sulla terra?
L’anidride carbonica si trova principalmente nell’aria, ma anche nell’acqua come parte del ciclo del carbonio. Possiamo mostrarvi come funziona il ciclo del carbonio, attraverso una spiegazione e una rappresentazione schematica. –> Passa al ciclo del carbonio.
Applicazioni dell’anidride carbonica da parte degli esseri umani
Gli esseri umani usano l’anidride carbonica in molti modi diversi. L’esempio più familiare è il suo uso nelle bibite e nella birra, per renderle frizzanti. L’anidride carbonica rilasciata dalla polvere da forno o dal lievito fa lievitare la pastella delle torte.
Alcuni estintori usano l’anidride carbonica perché è più densa dell’aria. L’anidride carbonica può coprire un incendio, a causa della sua pesantezza. Impedisce all’ossigeno di arrivare al fuoco e, di conseguenza, il materiale che brucia è privato dell’ossigeno di cui ha bisogno per continuare a bruciare.
L’anidride carbonica è anche usata in una tecnologia chiamata estrazione fluida supercritica che è usata per decaffeinare il caffè. La forma solida dell’anidride carbonica, comunemente conosciuta come ghiaccio secco, è usata nei teatri per creare nebbie sul palco e far bollire cose come le “pozioni magiche”.
Il ruolo dell’anidride carbonica nei processi ambientali
L’anidride carbonica è uno dei gas più abbondanti nell’atmosfera. L’anidride carbonica gioca un ruolo importante nei processi vitali delle piante e degli animali, come la fotosintesi e la respirazione. Questi processi saranno brevemente spiegati qui.
Le piante verdi convertono l’anidride carbonica e l’acqua in composti alimentari, come il glucosio, e ossigeno. Questo processo è chiamato fotosintesi.
La reazione della fotosintesi è la seguente:
6 CO2 + 6 H2O –> C6H12O6 + 6 O2
Piante e animali, a loro volta, convertono i composti alimentari combinandoli con l’ossigeno per rilasciare energia per la crescita e altre attività vitali. Questo è il processo di respirazione, l’inverso della fotosintesi.
La reazione di respirazione è la seguente:
C6H12O6 + 6 O2 –> 6 CO2 + 6 H2O
Fotosintesi e respirazione svolgono un ruolo importante nel ciclo del carbonio e sono in equilibrio tra loro.
La fotosintesi domina durante la parte più calda dell’anno e la respirazione domina durante la parte più fredda dell’anno. Tuttavia, entrambi i processi si verificano durante tutto l’anno. Complessivamente, quindi, l’anidride carbonica nell’atmosfera diminuisce durante la stagione della crescita e aumenta durante il resto dell’anno.
Poiché le stagioni negli emisferi nord e sud sono opposte, l’anidride carbonica nell’atmosfera aumenta al nord mentre diminuisce al sud, e viceversa. Il ciclo è più chiaramente presente nell’emisfero nord, perché ha relativamente più massa di terra e vegetazione terrestre. Gli oceani dominano l’emisfero sud.
Influenza dell’anidride carbonica sull’alcalinità
L’anidride carbonica può cambiare il pH dell’acqua. Ecco come funziona:
L’anidride carbonica si dissolve leggermente in acqua per formare un acido debole chiamato acido carbonico, H2CO3, secondo la seguente reazione:
CO2 + H2O –> H2CO3
Dopo di che, l’acido carbonico reagisce leggermente e reversibilmente in acqua per formare un catione idronio, H3O+, e lo ione bicarbonato, HCO3-, secondo la seguente reazione:
H2CO3 + H2O –> HCO3- + H3O+
Questo comportamento chimico spiega perché l’acqua, che normalmente ha un pH neutro di 7 ha un pH acido di circa 5.5 quando è stata esposta all’aria.
Le emissioni di anidride carbonica da parte dell’uomo
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A causa delle attività umane, la quantità di CO2 rilasciata nell’atmosfera è aumentata notevolmente negli ultimi 150 anni. Di conseguenza, ha superato la quantità sequestrata nella biomassa, negli oceani e in altri pozzi di assorbimento. C’è stato un aumento delle concentrazioni di anidride carbonica nell’atmosfera da circa 280 ppm nel 1850 a 364 ppm nel 1998, principalmente a causa delle attività umane durante e dopo la rivoluzione industriale, iniziata nel 1850. L’uomo ha aumentato la quantità di anidride carbonica nell’aria bruciando combustibili fossili, producendo cemento ed effettuando disboscamenti e combustione di foreste. Circa il 22% delle attuali concentrazioni di CO2 nell’atmosfera esistono a causa di queste attività umane, considerato che non c’è nessun cambiamento nelle quantità naturali di anidride carbonica. Guarderemo più da vicino questi effetti nel prossimo paragrafo. |
Problemi ambientali – l’effetto serra
La troposfera è la parte inferiore dell’atmosfera, di circa 10-15 chilometri di spessore. All’interno della troposfera ci sono dei gas chiamati gas serra. Quando la luce del sole raggiunge la terra, una parte di essa viene convertita in calore. I gas serra assorbono parte del calore e lo intrappolano vicino alla superficie terrestre, in modo che la terra si riscaldi. Questo processo, comunemente noto come effetto serra, è stato scoperto molti anni fa ed è stato poi confermato per mezzo di esperimenti di laboratorio e misurazioni atmosferiche.
La vita come la conosciamo esiste solo grazie a questo effetto serra naturale, perché questo processo regola la temperatura della terra. Quando l’effetto serra non esistesse, tutta la terra sarebbe coperta di ghiaccio.
La quantità di calore intrappolata nella troposfera determina la temperatura sulla terra. La quantità di calore nella troposfera dipende dalle concentrazioni di gas serra atmosferici e dalla quantità di tempo in cui questi gas rimangono nell’atmosfera. I gas serra più importanti sono l’anidride carbonica, i CFC (Cloro-Fluoro-Carburi), gli ossidi di azoto e il metano.
Dall’inizio della rivoluzione industriale nel 1850, i processi umani hanno causato emissioni di gas serra, come CFC e anidride carbonica. Questo ha causato un problema ambientale: le quantità di gas serra sono cresciute così tanto, che il clima della terra sta cambiando perché le temperature stanno aumentando. Questa aggiunta innaturale all’effetto serra è conosciuta come riscaldamento globale. Si sospetta che il riscaldamento globale possa causare un aumento dell’attività delle tempeste, lo scioglimento delle calotte di ghiaccio ai poli, che causerà inondazioni dei continenti abitati, e altri problemi ambientali.
Insieme all’idrogeno, l’anidride carbonica è il principale gas serra. Tuttavia, l’idrogeno non viene emesso durante i processi industriali. Gli esseri umani non contribuiscono alla quantità di idrogeno nell’aria, questo cambia solo naturalmente durante il ciclo idrologico, e di conseguenza non è una causa del riscaldamento globale.
L’aumento delle emissioni di anidride carbonica causa circa il 50-60% del riscaldamento globale. Le emissioni di anidride carbonica sono passate da 280 ppm nel 1850 a 364 ppm negli anni ’90.
Nel paragrafo precedente sono state menzionate varie attività umane che contribuiscono all’emissione di anidride carbonica. Di queste attività la combustione di combustibili fossili per la produzione di energia causa circa il 70-75% delle emissioni di anidride carbonica, essendo la principale fonte di emissioni di anidride carbonica. Il restante 20-25% delle emissioni sono causate dal disboscamento e dalla combustione dei terreni e dalle emissioni degli scarichi dei veicoli a motore.
La maggior parte delle emissioni di anidride carbonica deriva dai processi industriali nei paesi sviluppati, come negli Stati Uniti e in Europa. Tuttavia, le emissioni di anidride carbonica dei paesi in via di sviluppo sono in aumento. In questo secolo, si prevede che le emissioni di anidride carbonica raddoppino e che continuino ad aumentare e a causare problemi anche dopo.
L’anidride carbonica rimane nella troposfera da circa cinquanta a duecento anni.
La prima persona che predisse che le emissioni di anidride carbonica dalla combustione di combustibili fossili e altri processi di combustione avrebbero causato il riscaldamento globale fu Svante Arrhenius, che pubblicò il documento “Sull’influenza dell’acido carbonico nell’aria sulla temperatura del suolo” nel 1896.
All’inizio del 1930 fu confermato che l’anidride carbonica atmosferica stava effettivamente aumentando. Alla fine degli anni ’50, quando furono sviluppate tecniche di misurazione molto accurate, si trovarono ancora più conferme. Negli anni ’90, la teoria del riscaldamento globale era ampiamente accettata, anche se non da tutti. Se il riscaldamento globale sia veramente causato dall’aumento dell’anidride carbonica nell’atmosfera, è ancora oggetto di dibattito.
L’aumento delle concentrazioni di anidride carbonica nell’aria negli ultimi decenni
Il trattato di Kyoto
I leader mondiali si sono riuniti a Kyoto, in Giappone, nel dicembre 1997 per considerare un trattato mondiale che limiti le emissioni di gas serra, principalmente di anidride carbonica, che si pensa possano causare il riscaldamento globale. Sfortunatamente, mentre i trattati di Kyoto hanno funzionato per un po’, l’America sta ora cercando di evitarli.
Diossido di carbonio e salute
Il diossido di carbonio è essenziale per la respirazione interna del corpo umano. La respirazione interna è un processo attraverso il quale l’ossigeno viene trasportato ai tessuti del corpo e l’anidride carbonica viene portata via da essi.
L’anidride carbonica è un guardiano del pH del sangue, che è essenziale per la sopravvivenza.
Il sistema tampone in cui l’anidride carbonica gioca un ruolo importante è chiamato tampone carbonato. È composto da ioni bicarbonato e anidride carbonica dissolta, con acido carbonico. L’acido carbonico può neutralizzare gli ioni idrossido, che aumenterebbero il pH del sangue quando aggiunti. Lo ione bicarbonato può neutralizzare gli ioni idrogeno, che causerebbero una diminuzione del pH del sangue quando aggiunti. Sia l’aumento che la diminuzione del pH minacciano la vita.
Oltre ad essere un tampone essenziale nel sistema umano, l’anidride carbonica è anche nota per causare effetti sulla salute quando le concentrazioni superano un certo limite.
I principali pericoli per la salute dell’anidride carbonica sono:
– Asfissia. Causata dal rilascio di anidride carbonica in un’area confinata o non ventilata. Questo può abbassare la concentrazione di ossigeno ad un livello che è immediatamente pericoloso per la salute umana.
– Congelamento. L’anidride carbonica solida è sempre sotto i -78 oC a pressione atmosferica regolare, indipendentemente dalla temperatura dell’aria. Manipolare questo materiale per più di un secondo o due senza un’adeguata protezione può causare gravi vesciche e altri effetti indesiderati. Il gas anidride carbonica rilasciato da una bombola d’acciaio, come un estintore, causa effetti simili.
– Danni ai reni o coma. Questo è causato da un disturbo nell’equilibrio chimico del tampone carbonato. Quando le concentrazioni di anidride carbonica aumentano o diminuiscono, causando il disturbo dell’equilibrio, può verificarsi una situazione di pericolo di vita.