المحتوى
- ما هو ثاني أكسيد الكربون؟
- ثاني أكسيد الكربون في التمثيل الغذائي
- ثاني أكسيد الكربون وتغير المناخ
- استخدامات ثاني أكسيد الكربون في الصناعة
ثاني أكسيد الكربون هو من بين المصطلحات العلمية العديدة التي تحمل مجموعة واسعة من المعاني ومجموعة واسعة من الدلالات بالمثل. إذا كنت معتادًا على التنفس الخلوي ، فربما تعلم أن غاز ثاني أكسيد الكربون - CO مختصر2 - هو منتج النفايات من هذه السلسلة من ردود الفعل في الحيوانات ، التي غاز الأكسجين ، أو O2، هو المتفاعل ؛ قد تعلم أيضًا أنه في النباتات ، يتم عكس هذه العملية في الواقع ، مع CO2 بمثابة وقود في التمثيل الضوئي و O2 كمنتج النفايات.
ربما أكثر شهرة ، وذلك بفضل السياسة وعلوم الأرض في القرن الحالي ، CO2 يشتهر بكونه أحد غازات الدفيئة ، وهو المسؤول عن المساعدة في حجز الحرارة في الغلاف الجوي للأرض. CO2 هو نتاج ثانوي لحرق الوقود الأحفوري ، وقد أدى الاحترار الناتج عن هذا الكوكب إلى دفع مواطني الأرض إلى البحث عن مصادر بديلة للطاقة.
بصرف النظر عن هذه القضايا ، CO2 يحتوي الغاز ، وهو جزيء بسيط وأنيق ، على عدد من الوظائف الكيميائية والصناعية الأخرى التي يجب أن يدركها محبو العلوم.
ما هو ثاني أكسيد الكربون؟
ثاني أكسيد الكربون هو غاز عديم اللون عديم الرائحة في درجة حرارة الغرفة. في كل مرة تقوم فيها الزفير ، تترك جزيئات ثاني أكسيد الكربون جسمك وتصبح جزءًا من الجو. CO2 تحتوي الجزيئات على ذرة كربون واحدة محاطة بذرتين من الأكسجين ، بحيث يكون الجزيء خطي الشكل:
O = C = O
تشكل كل ذرة كربون أربعة روابط مع جيرانها في جزيئات مستقرة ، في حين تشكل كل ذرة أكسجين رابطتين. وبالتالي مع كل رابطة الكربون الأكسجين في CO2 يتكون من رابطة مزدوجة - أي زوجان من الإلكترونات المشتركة - ثاني أكسيد الكربون2 مستقرة للغاية.
كإلقاء نظرة على الجدول الدوري للعناصر يكشف (انظر الموارد) ، فإن الوزن الجزيئي للكربون هو 12 وحدة كتلة ذرية (amu) ، في حين أن الأكسجين هو 16 amu. وبالتالي فإن الوزن الجزيئي لثاني أكسيد الكربون هو 12 + 2 (16) = 44. وهناك طريقة أخرى للتعبير عن ذلك وهي القول إن أحد الجزيئات من ثاني أكسيد الكربون2 لديه كتلة 44 ، مع واحد الخلد يعادل 6.02 × 1023 جزيئات فردية. (هذا الرقم ، الذي يُعرف برقم Avogadros ، مشتق من حقيقة أن الكتلة الجزيئية للكربون تم ضبطها على 12 جرامًا بالضبط ، مما يضاعف ضعف عدد بروتونات الكربون ، وأن كتلة الكربون تحتوي على 6.02 × 1023 ذرات الكربون. تم تكوين الوزن الجزيئي لكل عنصر آخر حول هذا المعيار.)
يمكن أن يوجد ثاني أكسيد الكربون أيضًا كسائل ، وهو الحالة التي يتم استخدامها كمبرد ، في طفايات الحريق وفي إنتاج المشروبات الغازية مثل الصودا ؛ وكمادة صلبة ، في أي حالة يتم استخدامه كمبرد ويمكن أن يتسبب في قضمة الصقيع في حالة ملامسته للجلد.
ثاني أكسيد الكربون في التمثيل الغذائي
غالبًا ما يساء فهم ثاني أكسيد الكربون باعتباره سامًا لأنه يرتبط في كثير من الأحيان بالاختناق وحتى فقدان الأرواح. في حين أن مستويات كافية من CO2 في الواقع يمكن أن تكون سامة مباشرة وتسبب الاختناق ، ما يحدث عادة هو أن CO2 بدلاً من ذلك يتراكم كنتيجة أو كنتيجة للاختناق. إذا توقف شخص عن التنفس لأي سبب من الأسباب ، CO2 لم يعد يطرد من خلال الرئتين ، وبالتالي يتراكم في مجرى الدم لأنه ليس لديه مكان آخر يذهبون إليه. CO2 لذلك هو علامة الاختناق. بنفس الطريقة تقريبًا ، المياه ليست "سامة" لمجرد أنها يمكن أن تؤدي إلى الغرق.
يتكون جزء صغير جدًا من الغلاف الجوي من ثاني أكسيد الكربون2 - حوالي 1 في المئة. في حين أنه ناتج ثانوي لعملية الأيض الحيواني ، إلا أنه من الضروري للغاية للنباتات البقاء على قيد الحياة وجزء أساسي في جميع أنحاء العالم دورة الكربون. النباتات تأخذ في ثاني أكسيد الكربون2، قم بتحويله في سلسلة من تفاعلات الكربون والأكسجين ، ثم حرر الأكسجين إلى الجو مع الاحتفاظ بالكربون في شكل جلوكوز للعيش والنمو. عندما تموت النباتات أو تُحترق ، يتحد الكربون مع O2 في الهواء ، وتشكيل CO2 واستكمال دورة الكربون.
تولد الحيوانات ثاني أكسيد الكربون من خلال تحلل الكربوهيدرات والبروتينات والدهون في الطعام. يتم استقلاب كل هذه الجلوكوز ، وهو جزيء مكون من ستة كربون يدخل الخلايا ثم يصبح ثاني أكسيد الكربون والماء ، مع استخدام الطاقة الناتجة لتشغيل الأنشطة الخلوية. يحدث هذا من خلال عملية التنفس الهوائية (غالبًا ما تسمى التنفس الخلوي ، على الرغم من أن المصطلحات ليست مرادفًا بدقة). كل الجلوكوز الذي يدخل خلايا كل من بدائيات النوى (البكتيريا) و حقيقيات النوى غير النباتية (الحيوانات والفطريات) يخضع أولاً لتحلل السكر ، الذي يولد زوجًا من جزيئات ثلاثية الكربون تسمى البيروفات. معظم هذا يدخل دورة كريبس في شكل جزيء أسيتيل CoA الجزيئي ثنائي الكربون ، بينما ثاني أكسيد الكربون2 متحررة. ناقلات الإلكترون عالية الطاقة NADH و FADH2 التي تتشكل خلال دورة كريبس ، ثم تتخلى عن الإلكترونات في وجود تفاعلات الأكسجين في سلسلة تفاعلات نقل الإلكترون ، مما يؤدي إلى تكوين قدر كبير من ATP ، "عملة الطاقة" لخلايا الكائنات الحية.
ثاني أكسيد الكربون وتغير المناخ
CO2 هو الغاز المحاصرة للحرارة. في كثير من النواحي ، هذا شيء جيد ، لأنه يمنع الأرض من فقدان الكثير من الحرارة بحيث الحيوانات مثل البشر لن تكون قادرة على البقاء. لكن احتراق الوقود الأحفوري منذ بداية الثورة الصناعية في القرن التاسع عشر أضاف كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون2 الغاز في الغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى ظاهرة الاحتباس الحراري وآثاره تتفاقم تدريجيا.
لعدة آلاف من السنين ، وتركيز CO في الغلاف الجوي2 في الغلاف الجوي بقي ما بين 200 و 300 جزء في المليون (جزء في المليون). بحلول عام 2017 ، ارتفع إلى ما يقرب من 400 جزء في المليون ، وهو تركيز لا يزال في ازدياد. هذا CO اضافية2 يحبس الحرارة ويسبب تغير المناخ. ويتجلى هذا ليس فقط في ارتفاع متوسط درجات الحرارة في جميع أنحاء العالم ، ولكن في ارتفاع مستويات سطح البحر ، وذوبان الجليد ، ومياه البحر الحمضية أكثر ، والقلنسوات الجليدية القطبية الصغيرة وارتفاع في عدد الأحداث الكارثية (على سبيل المثال ، الأعاصير). هذه المشكلات كلها مترابطة ومترابطة.
تشمل أمثلة الوقود الأحفوري الفحم والبترول (النفط) والغاز الطبيعي. يتم إنشاء هذه على مدى ملايين السنين حيث تصبح المواد النباتية والحيوانية الميتة محاصرة ومدفونة تحت طبقات من الصخور. في ظل ظروف الحرارة والضغط المواتية ، تتحول هذه المادة العضوية إلى وقود. تحتوي جميع أنواع الوقود الأحفوري على الكربون ، ويتم حرقها لإنتاج الطاقة ، ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون.
استخدامات ثاني أكسيد الكربون في الصناعة
يحتوي غاز ثاني أكسيد الكربون على مجموعة متنوعة من الاستخدامات ، وهو سهل الاستخدام لأن المواد موجودة حرفيًا في كل مكان. كما ذكرنا سابقًا ، يتم استخدامه كمبرد ، على الرغم من أن هذا صحيح أكثر من الأشكال الصلبة والسائلة. كما أنه يستخدم كوقود للهباء الجوي ، ومبيد قوارض (أي سم الفئران) ، ومكون من تجارب الفيزياء ذات درجة الحرارة المنخفضة للغاية وعامل مخصب في الهواء داخل الدفيئات. يتم استخدامه أيضًا في تكسير آبار النفط ، وفي بعض أنواع التعدين ، كمشرف في بعض المفاعلات النووية وفي أشعة الليزر الخاصة.
حقيقة مثيرة للاهتمام: من خلال عمليات التمثيل الغذائي الأساسية ، سوف تنتج حوالي 500 غرام من CO2 في ال 24 ساعة القادمة - أكثر إذا كنت نشطة. هذا أكثر من رطل واحد من الغازات غير المرئية ، ما عليك سوى الخروج من أنفك وفمك وكذلك من مسامك. هذا ، في الواقع ، هو كيف يفقد الناس الوزن مع مرور الوقت ، وليس بما في ذلك فقدان الماء (مؤقت).