dióxido de carbono -Carbon dioxide

Dióxido de carbono
Fórmula estrutural do dióxido de carbono com comprimento de ligação
Modelo bola e bastão de dióxido de carbono
Modelo de preenchimento espacial de dióxido de carbono
nomes
Outros nomes
Identificadores
Modelo 3D ( JSmol )
3DMet
1900390
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.004.271 Edite isso no Wikidata
Número CE
número E E290 (conservantes)
989
KEGG
Malha Carbono+dióxido
número RTECS
UNII
número da ONU 1013 (gás), 1845 (sólido)
  • InChI=1S/CO2/c2-1-3 VerificaY
    Chave: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N VerificaY
  • InChI=1/CO2/c2-1-3
    Chave: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYAO
  • O=C=O
  • C(=O)=O
Propriedades
CO 2 _
Massa molar 44,009  g·mol −1
Aparência gás incolor
Odor
Densidade
Ponto crítico ( T , P ) 304.128(15) K (30,978(15) °C ),7,3773(30) MPa (72.808(30) atm )
194.6855(30) K (−78,4645(30) °C ) a1 atm (0,101 325  MPa )
1,45  g/L a 25 °C (77 °F), 100 kPa (0,99 atm)
Pressão de vapor 5,7292(30) MPa ,56,54(30) atm (20°C (293,15 K ))
Acidez (p K a ) 6.35, 10.33
−20,5·10 −6  cm 3 /mol
Condutividade térmica 0,01662  W·m −1 ·K −1 (300 K (27 °C; 80 °F))
1,00045
Viscosidade
 0D _
Estrutura
Trigonal
Linear
Termoquímica
37,135  J/K·mol
214  J·mol −1 ·K −1
Std entalpia de
formação
f H 298 )
−393,5  kJ·mol −1
Farmacologia
V03AN02 ( QUEM )
Perigos
NFPA 704 (diamante de fogo)
2
0
0
Dose letal ou concentração (LD, LC):
LC Lo ( menor publicado )
90.000  ppm (humano, 5  min)
NIOSH (limites de exposição à saúde dos EUA):
PEL (Permissível)
TWA 5000  ppm (9000  mg/m 3 )
REL (Recomendado)
TWA 5000  ppm (9000  mg/m 3 ), ST 30.000  ppm (54.000  mg/m 3 )
IDLH (perigo imediato)
40.000  ppm
Ficha de dados de segurança (SDS) Sigma-Aldrich
compostos relacionados
Outros ânions
Outros cátions
Óxidos de carbono relacionados
compostos relacionados
Página de dados suplementares
Dióxido de carbono (página de dados)
Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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O dióxido de carbono ( fórmula química CO 2 ) é um composto químico formado por moléculas , cada uma com um átomo de carbono ligado covalentemente a dois átomos de oxigênio . Encontra-se no estado gasoso à temperatura ambiente.

No ar, o dióxido de carbono é transparente à luz visível, mas absorve a radiação infravermelha , agindo como um gás de efeito estufa . É um gás traço na atmosfera da Terra em 417  ppm (cerca de 0,04%) em volume, tendo subido dos níveis pré-industriais de 280 ppm. A queima de combustíveis fósseis é a principal causa dessas concentrações aumentadas de CO 2 e também a principal causa do aquecimento global e das mudanças climáticas . O dióxido de carbono é solúvel em água e é encontrado em águas subterrâneas , lagos , calotas polares e água do mar . Quando o dióxido de carbono se dissolve na água, forma ácido carbônico (H 2 CO 3 ), que causa a acidificação dos oceanos à medida que os níveis atmosféricos de CO 2 aumentam.

Como fonte de carbono disponível no ciclo do carbono , o dióxido de carbono atmosférico é a principal fonte de carbono para a vida na Terra. Sua concentração na atmosfera pré-industrial da Terra desde o final do Pré- cambriano foi regulada por organismos e fenômenos geológicos. Plantas , algas e cianobactérias usam energia da luz solar para sintetizar carboidratos a partir de dióxido de carbono e água em um processo chamado fotossíntese , que produz oxigênio como produto residual. Por sua vez, o oxigênio é consumido e o CO 2 é liberado como resíduo por todos os organismos aeróbicos quando eles metabolizam compostos orgânicos para produzir energia pela respiração . O CO 2 é liberado de materiais orgânicos quando eles se decompõem ou entram em combustão, como em incêndios florestais. Uma vez que as plantas requerem CO 2 para a fotossíntese, e os humanos e os animais dependem das plantas para se alimentar, o CO 2 é necessário para a sobrevivência da vida na Terra.

O dióxido de carbono é 53% mais denso que o ar seco, mas tem vida longa e se mistura completamente na atmosfera. Cerca de metade das emissões de CO2 em excesso para a atmosfera são absorvidas pelos sumidouros de carbono terrestres e oceânicos . Esses sumidouros podem ficar saturados e são voláteis, pois a decomposição e os incêndios florestais resultam na liberação de CO 2 de volta à atmosfera. O CO 2 acaba sendo sequestrado (armazenado por longo prazo) em rochas e depósitos orgânicos como carvão , petróleo e gás natural . O CO 2 sequestrado é liberado na atmosfera através da queima de combustíveis fósseis ou naturalmente por vulcões , fontes termais , gêiseres e quando rochas carbonáticas se dissolvem na água ou reagem com ácidos.

O CO 2 é um material industrial versátil, utilizado, por exemplo, como gás inerte em soldagem e extintores de incêndio , como gás pressurizador em pistolas de ar e recuperação de óleo e como solvente fluido supercrítico na descafeinação de café e secagem supercrítica . É também uma matéria- prima para a síntese de combustíveis e produtos químicos. É um subproduto indesejado em muitos processos de oxidação em larga escala , por exemplo, na produção de ácido acrílico (mais de 5 milhões de toneladas/ano). A forma sólida congelada de CO 2 , conhecida como gelo seco , é usada como refrigerante e como abrasivo no jateamento com gelo seco . É um subproduto da fermentação de açúcares na produção de pão , cerveja e vinho e é adicionado a bebidas carbonatadas como água com gás e cerveja para efervescência. Tem um odor forte e ácido e gera um gosto de água com gás na boca, mas em concentrações normalmente encontradas é inodoro.

História

Estrutura cristalina do gelo seco

O dióxido de carbono foi o primeiro gás a ser descrito como uma substância discreta. Por volta de 1640, o químico flamengo Jan Baptist van Helmont observou que, quando queimava carvão em um recipiente fechado, a massa das cinzas resultantes era muito menor que a do carvão original. Sua interpretação foi que o restante do carvão havia sido transmutado em uma substância invisível que ele chamou de "gás" ou "espírito selvagem" ( spiritus sylvestris ).

As propriedades do dióxido de carbono foram estudadas na década de 1750 pelo médico escocês Joseph Black . Ele descobriu que o calcário ( carbonato de cálcio ) poderia ser aquecido ou tratado com ácidos para produzir um gás que chamou de "ar fixo". Ele observou que o ar fixo era mais denso que o ar e não sustentava chamas nem vida animal. Black também descobriu que, quando borbulhado em água de cal (uma solução aquosa saturada de hidróxido de cálcio ), precipitaria carbonato de cálcio. Ele usou esse fenômeno para ilustrar que o dióxido de carbono é produzido pela respiração animal e pela fermentação microbiana. Em 1772, o químico inglês Joseph Priestley publicou um artigo intitulado Impregnating Water with Fixed Air , no qual descrevia um processo de gotejamento de ácido sulfúrico (ou óleo de vitríolo , como Priestley o conhecia) em giz para produzir dióxido de carbono e forçar o gás a dissolver agitando uma tigela de água em contato com o gás.

O dióxido de carbono foi liquefeito pela primeira vez (a pressões elevadas) em 1823 por Humphry Davy e Michael Faraday . A descrição mais antiga do dióxido de carbono sólido ( gelo seco ) foi dada pelo inventor francês Adrien-Jean-Pierre Thilorier , que em 1835 abriu um recipiente pressurizado de dióxido de carbono líquido, apenas para descobrir que o resfriamento produzido pela rápida evaporação do líquido rendeu uma "neve" de CO 2 sólido .

Propriedades químicas e físicas

Estrutura, ligação e vibrações moleculares

A simetria de uma molécula de dióxido de carbono é linear e centrosimétrica em sua geometria de equilíbrio. O comprimento da ligação carbono-oxigênio no dióxido de carbono é 116,3  pm , visivelmente mais curto do que o comprimento de aproximadamente 140 pm de uma ligação C-O simples típica e mais curto do que a maioria dos outros grupos funcionais com ligações múltiplas de C-O , como carbonilas . Como é centrosimétrica, a molécula não tem momento de dipolo elétrico .

Oscilações de alongamento e flexão da molécula de dióxido de carbono CO 2 . Superior esquerdo: alongamento simétrico. Superior direito: alongamento assimétrico. Linha inferior: par degenerado de modos de flexão.

Como uma molécula triatômica linear, o CO 2 tem quatro modos vibracionais, conforme mostrado no diagrama. Nos modos de estiramento simétrico e antissimétrico, os átomos se movem ao longo do eixo da molécula. Existem dois modos de flexão, que são degenerados , o que significa que eles têm a mesma frequência e a mesma energia, devido à simetria da molécula. Quando uma molécula toca uma superfície ou toca outra molécula, os dois modos de flexão podem diferir em frequência porque a interação é diferente para os dois modos. Alguns dos modos vibracionais são observados no espectro infravermelho (IR) : o modo de alongamento antisimétrico no número de onda 2349 cm - 1 (comprimento de onda 4,25 μm) e o par degenerado de modos de flexão em 667 cm- 1 (comprimento de onda 15 μm). O modo de estiramento simétrico não cria um dipolo elétrico, portanto não é observado na espectroscopia de infravermelho, mas é detectado pela espectroscopia Raman em 1388 cm- 1 (comprimento de onda de 7,2 μm).

Na fase gasosa, as moléculas de dióxido de carbono sofrem movimentos vibracionais significativos e não mantêm uma estrutura fixa. No entanto, em um experimento de imagem de explosão de Coulomb , uma imagem instantânea da estrutura molecular pode ser deduzida. Tal experimento foi realizado para o dióxido de carbono. O resultado deste experimento, e a conclusão de cálculos teóricos baseados em uma superfície de energia potencial ab initio da molécula, é que nenhuma das moléculas na fase gasosa é exatamente linear.

Em solução aquosa

O dióxido de carbono é solúvel em água, na qual forma reversivelmente H 2 CO 3 (ácido carbônico), que é um ácido fraco, pois sua ionização em água é incompleta.

A constante de equilíbrio de hidratação do ácido carbônico é, a 25 °C:

Assim, a maior parte do dióxido de carbono não é convertida em ácido carbônico, mas permanece como moléculas de CO 2 , não afetando o pH.

As concentrações relativas de CO 2 , H 2 CO 3 e as formas desprotonadas HCO3( bicarbonato ) e CO2-3( carbonato ) dependem do pH . Como mostra um gráfico de Bjerrum , em águas neutras ou levemente alcalinas (pH > 6,5), a forma bicarbonato predomina (>50%) tornando-se a mais prevalente (>95%) no pH da água do mar. Em águas muito alcalinas (pH > 10,4), a forma predominante (>50%) é o carbonato. Os oceanos, sendo levemente alcalinos com pH típico = 8,2–8,5, contêm cerca de 120 mg de bicarbonato por litro.

Por ser diprótico , o ácido carbônico possui duas constantes de dissociação ácida , a primeira para a dissociação no íon bicarbonato (também chamado de hidrogenocarbonato) ( HCO3):

K a1 =2,5 × 10 −4  mol/L ; p K a1 = 3,6 a 25 °C.

Esta é a verdadeira primeira constante de dissociação ácida, definida como

onde o denominador inclui apenas H 2 CO 3 ligado covalentemente e não inclui CO 2 (aq) hidratado . O valor muito menor e frequentemente cotado perto4,16 × 10 −7 é um valor aparente calculado na suposição (incorreta) de que todo CO 2 dissolvido está presente como ácido carbônico, de modo que

Como a maior parte do CO 2 dissolvido permanece como moléculas de CO 2 , K a1 (aparente) tem um denominador muito maior e um valor muito menor do que o verdadeiro K a1 .

O íon bicarbonato é uma espécie anfotérica que pode atuar como ácido ou como base, dependendo do pH da solução. Em pH alto, dissocia-se significativamente no íon carbonato ( CO2-3):

K a2 =4,69 × 10 −11  mol/L ; p K a2 = 10,329

Nos organismos , a produção de ácido carbônico é catalisada pela enzima anidrase carbônica .

Reações químicas de CO 2

O CO 2 é um eletrófilo potente com uma reatividade eletrofílica comparável ao benzaldeído ou a compostos carbonílicos α,β-insaturados fortes . No entanto, ao contrário dos eletrófilos de reatividade semelhante, as reações dos nucleófilos com CO 2 são termodinamicamente menos favorecidas e muitas vezes são altamente reversíveis. Apenas nucleófilos muito fortes, como os carbânions fornecidos pelos reagentes de Grignard e compostos de organolítio reagem com CO 2 para dar carboxilatos :

onde M = Li ou Mg Br e R = alquil ou aril .

Nos complexos metálicos de dióxido de carbono , o CO 2 serve como ligante , o que pode facilitar a conversão do CO 2 em outras substâncias químicas.

A redução de CO 2 a CO é normalmente uma reação difícil e lenta:

Os fotoautotróficos (ou seja , plantas e cianobactérias ) usam a energia contida na luz solar para fotossintetizar açúcares simples a partir do CO 2 absorvido do ar e da água:

O potencial redox para esta reação perto de pH 7 é de cerca de -0,53 V versus o eletrodo de hidrogênio padrão . A enzima contendo níquel monóxido de carbono desidrogenase catalisa esse processo.

Propriedades físicas

Pellets de "gelo seco", uma forma comum de dióxido de carbono sólido

O dióxido de carbono é incolor. Em baixas concentrações, o gás é inodoro; entretanto, em concentrações suficientemente altas, tem um odor forte e ácido. À temperatura e pressão padrão , a densidade do dióxido de carbono é de cerca de 1,98 kg/m 3 , cerca de 1,53 vezes a do ar .

O dióxido de carbono não tem estado líquido a pressões abaixo0,517 95 (10) MPa (5.111 77 (99) atm ). A uma pressão de 1 atm (0,101 325  MPa ), o gás se deposita diretamente em um sólido a temperaturas abaixo194.6855(30) K (−78,4645(30) °C ) e o sólido sublima diretamente a um gás acima dessa temperatura. Em seu estado sólido, o dióxido de carbono é comumente chamado de gelo seco .

Diagrama de fase pressão-temperatura do dióxido de carbono. Observe que é um gráfico log-lin.

O dióxido de carbono líquido se forma apenas em pressões acima0,517 95 (10) MPa (5.111 77 (99) atm ); o ponto triplo do dióxido de carbono é216.592(3) K (−56,558(3) °C ) a0,517 95 (10) MPa (5.111 77 (99) atm ) (consulte o diagrama de fases). O ponto crítico é304.128(15) K (30,978(15) °C ) a7,3773(30) MPa (72.808(30) atm ). Outra forma de dióxido de carbono sólido observada em alta pressão é um sólido amorfo semelhante ao vidro. Essa forma de vidro, chamada carbonia , é produzida por superresfriamento de CO2 aquecido a pressões extremas (40–48  GPa , ou cerca de 400.000 atmosferas) em uma bigorna de diamante . Esta descoberta confirmou a teoria de que o dióxido de carbono poderia existir em um estado de vidro semelhante a outros membros de sua família elementar, como o dióxido de silício (vidro de sílica) e o dióxido de germânio . Ao contrário dos vidros de sílica e germânia, no entanto, o vidro de carbonia não é estável em pressões normais e reverte para gás quando a pressão é liberada.

Em temperaturas e pressões acima do ponto crítico, o dióxido de carbono se comporta como um fluido supercrítico conhecido como dióxido de carbono supercrítico .

Tabela de propriedades térmicas e físicas do dióxido de carbono líquido saturado:

Temperatura (°C) Densidade (kg/m^3) Calor específico (kJ/kg K) Viscosidade cinemática (m^2/s) Condutividade (W/m K) Difusividade térmica (m^2/s) Número de Prandtl Módulo de massa (K^-1)
-50 1156,34 1,84 1.19E-07 0,0855 4.02E-08 2,96 -
-40 1117,77 1,88 1.18E-07 0,1011 4.81E-08 2.46 -
-30 1076,76 1,97 1.17E-07 0,1116 5.27E-08 2.22 -
-20 1032.39 2.05 1.15E-07 0,1151 5.45E-08 2.12 -
-10 983,38 2.18 1.13E-07 0,1099 5.13E-08 2.2 -
0 926,99 2.47 1.08E-07 0,1045 4.58E-08 2.38 -
10 860.03 3.14 1.01E-07 0,0971 3.61E-08 2.8 -
20 772,57 5 9.10E-08 0,0872 2.22E-08 4.1 1.40E-02
30 597,81 36.4 8.00E-08 0,0703 0.279E-08 28,7 -

Tabela de propriedades térmicas e físicas do dióxido de carbono (CO2) à pressão atmosférica:

Temperatura (K) Densidade (kg/m^3) Calor específico (kJ/kg °C) Viscosidade dinâmica (kg/ms) Viscosidade cinemática (m^2/s) Condutividade térmica (W/m °C) Difusividade térmica (m^2/s) Número de Prandtl
220 2.4733 0,783 1.11E-05 4.49E-06 0,010805 5.92E-06 0,818
250 2.1657 0,804 1.26E-05 5.81E-06 0,012884 7.40E-06 0,793
300 1,7973 0,871 1.50E-05 8.32E-06 0,016572 1.06E-05 0,77
350 1.5362 0,9 1.72E-05 1.12E-05 0,02047 1.48E-05 0,755
400 1.3424 0,942 1.93E-05 1.44E-05 0,02461 1.95E-05 0,738
450 1.1918 0,98 2.13E-05 1.79E-05 0,02897 2.48E-05 0,721
500 1.0732 1.013 2.33E-05 2.17E-05 0,03352 3.08E-05 0,702
550 0,9739 1.047 2.51E-05 2.57E-05 0,03821 3.75E-05 0,685
600 0,8938 1.076 2.68E-05 3.00E-05 0,04311 4.48E-05 0,668
650 0,8143 1.1 2.88E-05 3.54E-05 0,0445 4.97E-05 0,712
700 0,7564 1.13E+00 3.05E-05 4.03E-05 0,0481 5.63E-05 0,717
750 0,7057 1.15 3.21E-05 4.55E-05 0,0517 6.37E-05 0,714
800 0,6614 1.17E+00 3.37E-05 5.10E-05 0,0551 7.12E-05 0,716

Isolamento e produção

O dióxido de carbono pode ser obtido por destilação do ar, mas o método é ineficiente. Industrialmente, o dióxido de carbono é predominantemente um produto residual não recuperado, produzido por vários métodos que podem ser praticados em várias escalas.

A combustão de todos os combustíveis à base de carbono , como metano ( gás natural ), destilados de petróleo ( gasolina , diesel , querosene , propano ), carvão, madeira e matéria orgânica genérica produz dióxido de carbono e, exceto no caso de carbono puro, água . Como exemplo, a reação química entre metano e oxigênio :

O ferro é reduzido de seus óxidos com coque em um alto-forno , produzindo ferro-gusa e dióxido de carbono:

O dióxido de carbono é um subproduto da produção industrial de hidrogênio pela reforma a vapor e pela reação de deslocamento de gás de água na produção de amônia . Esses processos começam com a reação da água e do gás natural (principalmente metano). Esta é uma fonte importante de dióxido de carbono de qualidade alimentar para uso na carbonatação de cerveja e refrigerantes , e também é usado para atordoar animais, como aves . No verão de 2018 surgiu na Europa uma escassez de dióxido de carbono para estes fins devido ao encerramento temporário de várias fábricas de amoníaco para manutenção.

carbonatos

É produzido pela decomposição térmica do calcário, CaCO
3
por aquecimento ( calcinação ) a cerca de 850 °C (1.560 °F), na fabricação de cal virgem ( óxido de cálcio , CaO ), um composto que tem muitos usos industriais:

Os ácidos liberam CO 2 da maioria dos carbonatos metálicos. Consequentemente, pode ser obtido diretamente de fontes naturais de dióxido de carbono , onde é produzido pela ação de água acidificada em calcário ou dolomita . A reação entre ácido clorídrico e carbonato de cálcio (calcário ou giz) é mostrada abaixo:

O ácido carbônico ( H
2
CO
3
) então se decompõe em água e CO 2 :

Tais reações são acompanhadas por formação de espuma ou borbulhamento, ou ambos, à medida que o gás é liberado. Eles têm usos generalizados na indústria porque podem ser usados ​​para neutralizar fluxos de resíduos ácidos.

Fermentação

O dióxido de carbono é um subproduto da fermentação do açúcar na fabricação de cerveja , uísque e outras bebidas alcoólicas e na produção de bioetanol . A levedura metaboliza o açúcar para produzir CO 2 e etanol , também conhecido como álcool, da seguinte forma:

Todos os organismos aeróbicos produzem CO 2 quando oxidam carboidratos , ácidos graxos e proteínas . O grande número de reações envolvidas é extremamente complexo e não é facilmente descrito. Consulte ( respiração celular , respiração anaeróbica e fotossíntese ). A equação para a respiração da glicose e outros monossacarídeos é:

Organismos anaeróbicos decompõem material orgânico produzindo metano e dióxido de carbono junto com vestígios de outros compostos. Independentemente do tipo de material orgânico, a produção de gases segue um padrão cinético bem definido . O dióxido de carbono compreende cerca de 40-45% do gás que emana da decomposição em aterros (denominado " gás de aterro "). A maior parte dos 50-55% restantes é metano.

Formulários

O dióxido de carbono é usado pela indústria alimentícia, pela indústria petrolífera e pela indústria química. O composto tem diversos usos comerciais, mas um de seus maiores usos como produto químico é na produção de bebidas carbonatadas; fornece o brilho em bebidas carbonatadas, como água com gás, cerveja e espumante.

Precursor de produtos químicos

Na indústria química, o dióxido de carbono é consumido principalmente como ingrediente na produção de ureia , sendo uma fração menor utilizada para produzir metanol e uma série de outros produtos. Alguns derivados do ácido carboxílico, como o salicilato de sódio , são preparados usando CO 2 pela reação de Kolbe-Schmitt .

Além dos processos convencionais que utilizam CO 2 para produção química, métodos eletroquímicos também estão sendo explorados em nível de pesquisa. Em particular, o uso de energia renovável para produção de combustíveis a partir de CO 2 (como o metanol) é atraente, pois pode resultar em combustíveis que podem ser facilmente transportados e usados ​​em tecnologias de combustão convencionais, mas sem emissões líquidas de CO 2 .

Agricultura

As plantas requerem dióxido de carbono para realizar a fotossíntese. As atmosferas das estufas podem (se forem grandes, devem) ser enriquecidas com CO 2 adicional para sustentar e aumentar a taxa de crescimento das plantas. Em concentrações muito altas (100 vezes a concentração atmosférica ou superior), o dióxido de carbono pode ser tóxico para a vida animal, portanto, aumentar a concentração para 10.000 ppm (1%) ou mais por várias horas eliminará pragas como moscas -brancas e ácaros em um estufa.

Alimentos

Bolhas de dióxido de carbono em um refrigerante

O dióxido de carbono é um aditivo alimentar utilizado como propulsor e regulador de acidez na indústria alimentícia. É aprovado para uso na UE (listado como número E E290), EUA, Austrália e Nova Zelândia (listado por seu número INS 290).

Um doce chamado Pop Rocks é pressurizado com gás dióxido de carbono a cerca de 4.000  kPa (40  bar ; 580  psi ). Quando colocado na boca, ele se dissolve (como qualquer outro rebuçado) e libera as bolhas de gás com um estalo audível.

Os agentes de fermentação fazem a massa crescer produzindo dióxido de carbono. O fermento de padeiro produz dióxido de carbono por fermentação de açúcares dentro da massa, enquanto fermentos químicos, como fermento em pó e bicarbonato de sódio , liberam dióxido de carbono quando aquecidos ou expostos a ácidos .

Bebidas

O dióxido de carbono é usado para produzir refrigerantes carbonatados e água com gás . Tradicionalmente, a carbonatação da cerveja e do espumante acontecia por meio da fermentação natural, mas muitos fabricantes carbonatam essas bebidas com o dióxido de carbono recuperado do processo de fermentação. No caso da cerveja engarrafada e barril, o método mais comum utilizado é a carbonatação com dióxido de carbono reciclado. Com exceção da cerveja real britânica , o chope geralmente é transferido de barris em uma sala fria ou adega para torneiras de distribuição no bar usando dióxido de carbono pressurizado, às vezes misturado com nitrogênio.

O sabor da água com gás (e as sensações gustativas relacionadas em outras bebidas carbonatadas) é um efeito do dióxido de carbono dissolvido, e não das bolhas estouradas do gás. A anidrase carbônica 4 converte-se em ácido carbônico levando a um sabor azedo , e também o dióxido de carbono dissolvido induz uma resposta somatossensorial .

Vinificação

Gelo seco usado para preservar as uvas após a colheita

O dióxido de carbono na forma de gelo seco é freqüentemente usado durante a fase de imersão a frio na vinificação para resfriar os cachos de uvas rapidamente após a colheita para ajudar a prevenir a fermentação espontânea por leveduras selvagens . A principal vantagem de usar gelo seco sobre gelo de água é que ele esfria as uvas sem adicionar água adicional que possa diminuir a concentração de açúcar no mosto da uva e, portanto, a concentração de álcool no vinho acabado. O dióxido de carbono também é usado para criar um ambiente hipóxico para a maceração carbônica , o processo usado para produzir o vinho Beaujolais .

Às vezes, o dióxido de carbono é usado para encher garrafas de vinho ou outros recipientes de armazenamento , como barris, para evitar a oxidação, embora tenha o problema de poder se dissolver no vinho, tornando um vinho anteriormente tranquilo ligeiramente efervescente. Por esta razão, outros gases como o azoto ou o árgon são preferidos para este processo pelos vinicultores profissionais.

Animais deslumbrantes

O dióxido de carbono é frequentemente usado para "atordoar" os animais antes do abate. "Atordoamento" pode ser um nome impróprio, pois os animais não são nocauteados imediatamente e podem sofrer angústia.

Gás inerte

O dióxido de carbono é um dos gases comprimidos mais comumente usados ​​para sistemas pneumáticos (gás pressurizado) em ferramentas de pressão portáteis. O dióxido de carbono também é usado como atmosfera para soldagem , embora no arco de soldagem reaja para oxidar a maioria dos metais. O uso na indústria automotiva é comum, apesar das evidências significativas de que as soldas feitas em dióxido de carbono são mais frágeis do que aquelas feitas em atmosferas mais inertes. Quando usado para soldagem MIG , o uso de CO 2 é algumas vezes referido como soldagem MAG, para Metal Active Gas, pois o CO 2 pode reagir a essas altas temperaturas. Tende a produzir uma poça mais quente do que atmosferas verdadeiramente inertes, melhorando as características de fluxo. Embora, isso possa ser devido a reações atmosféricas que ocorrem no local da poça. Isso geralmente é o oposto do efeito desejado durante a soldagem, pois tende a fragilizar o local, mas pode não ser um problema para a soldagem geral de aço macio, onde a ductilidade final não é uma grande preocupação.

O dióxido de carbono é usado em muitos produtos de consumo que requerem gás pressurizado porque é barato e não inflamável, e porque sofre uma transição de fase de gás para líquido à temperatura ambiente a uma pressão alcançável de aproximadamente 60  bar (870  psi ; 59  atm ), permitindo muito mais dióxido de carbono para caber em um determinado recipiente do que de outra forma. Os coletes salva-vidas geralmente contêm latas de dióxido de carbono pressurizado para inflação rápida. Cápsulas de alumínio de CO 2 também são vendidas como suprimentos de gás comprimido para armas de ar comprimido , marcadores/armas de paintball , enchimento de pneus de bicicleta e para fazer água gaseificada . Altas concentrações de dióxido de carbono também podem ser usadas para matar pragas. O dióxido de carbono líquido é utilizado na secagem supercrítica de alguns produtos alimentícios e materiais tecnológicos, na preparação de amostras para microscopia eletrônica de varredura e na descafeinação de grãos de café .

Extintor de incêndio

Uso de extintor de CO 2

O dióxido de carbono pode ser usado para extinguir chamas inundando o ambiente ao redor da chama com o gás. Ele próprio não reage para extinguir a chama, mas priva a chama de oxigênio, deslocando-a. Alguns extintores de incêndio , especialmente aqueles projetados para incêndios elétricos , contêm dióxido de carbono líquido sob pressão. Os extintores de dióxido de carbono funcionam bem em pequenos incêndios líquidos e elétricos inflamáveis, mas não em incêndios combustíveis comuns, porque eles não resfriam significativamente as substâncias em chamas e, quando o dióxido de carbono se dispersa, eles podem pegar fogo ao serem expostos ao oxigênio atmosférico . Eles são usados ​​principalmente em salas de servidores.

O dióxido de carbono também tem sido amplamente utilizado como agente extintor em sistemas fixos de proteção contra incêndio para aplicação local de perigos específicos e inundação total de um espaço protegido. Os padrões da Organização Marítima Internacional reconhecem sistemas de dióxido de carbono para proteção contra incêndio de porões de navios e casas de máquinas. Os sistemas de proteção contra incêndio à base de dióxido de carbono têm sido associados a várias mortes, porque podem causar sufocamento em concentrações suficientemente altas. Uma revisão dos sistemas de CO 2 identificou 51 incidentes entre 1975 e a data do relatório (2000), causando 72 mortes e 145 feridos.

CO 2 supercrítico como solvente

O dióxido de carbono líquido é um bom solvente para muitos compostos orgânicos lipofílicos e é usado para remover a cafeína do café . O dióxido de carbono atraiu a atenção da indústria farmacêutica e de outras indústrias de processamento químico como uma alternativa menos tóxica aos solventes mais tradicionais, como os organoclorados . Também é usado por algumas lavanderias a seco por esse motivo. É usado na preparação de alguns aerogéis devido às propriedades do dióxido de carbono supercrítico.

Usos médicos e farmacológicos

Na medicina, até 5% de dióxido de carbono (130 vezes a concentração atmosférica) é adicionado ao oxigênio para estimulação da respiração após apnéia e para estabilizar o O
2
/CO
2
equilíbrio no sangue.

O dióxido de carbono pode ser misturado com até 50% de oxigênio, formando um gás inalável; isso é conhecido como Carbogen e tem uma variedade de usos médicos e de pesquisa.

Outro uso medicinal são os mofette , spas secos que utilizam o dióxido de carbono da descarga pós-vulcânica para fins terapêuticos.

Energia

O CO 2 supercrítico é usado como fluido de trabalho no motor de ciclo de potência Allam .

Recuperação de combustível fóssil

O dióxido de carbono é usado na recuperação avançada de petróleo, onde é injetado nos poços de produção de petróleo ou adjacentes a eles, geralmente sob condições supercríticas , quando se torna miscível com o petróleo. Essa abordagem pode aumentar a recuperação do óleo original reduzindo a saturação do óleo residual entre 7% e 23% adicional à extração primária . Ele atua como um agente de pressurização e, quando dissolvido no petróleo bruto subterrâneo , reduz significativamente sua viscosidade e altera a química da superfície, permitindo que o petróleo flua mais rapidamente através do reservatório para o poço de remoção. Em campos de petróleo maduros, extensas redes de tubos são usadas para transportar o dióxido de carbono até os pontos de injeção.

Na recuperação aprimorada de metano do leito de carvão , o dióxido de carbono seria bombeado para o veio de carvão para deslocar o metano, em oposição aos métodos atuais que dependem principalmente da remoção de água (para reduzir a pressão) para fazer o veio de carvão liberar seu metano preso.

Biotransformação em combustível

Foi proposto que o CO 2 da geração de energia seja borbulhado em lagoas para estimular o crescimento de algas que poderiam então ser convertidas em combustível biodiesel . Uma cepa da cianobactéria Synechococcus elongatus foi geneticamente modificada para produzir os combustíveis isobutiraldeído e isobutanol a partir de CO 2 usando a fotossíntese.

Os pesquisadores desenvolveram um processo chamado eletrólise, usando enzimas isoladas de bactérias para alimentar as reações químicas que convertem CO 2 em combustíveis.

Refrigerante
Comparação dos diagramas de fase pressão-temperatura de dióxido de carbono (vermelho) e água (azul) como um gráfico log-lin com pontos de transição de fase em 1 atmosfera

O dióxido de carbono líquido e sólido são refrigerantes importantes , principalmente na indústria alimentícia, onde são empregados durante o transporte e armazenamento de sorvetes e outros alimentos congelados. O dióxido de carbono sólido é chamado de "gelo seco" e é usado para pequenas remessas onde o equipamento de refrigeração não é prático. O dióxido de carbono sólido está sempre abaixo de -78,5 °C (-109,3 °F) na pressão atmosférica normal, independentemente da temperatura do ar.

Dióxido de carbono líquido (nomenclatura industrial R744 ou R-744) foi usado como refrigerante antes do uso de diclorodifluorometano (R12, um composto de clorofluorcarbono (CFC)). O CO 2 pode ter um renascimento porque um dos principais substitutos dos CFCs, o 1,1,1,2-tetrafluoretano ( R134a , um composto de hidrofluorcarbono (HFC)) contribui para a mudança climática mais do que o CO 2 . As propriedades físicas do CO 2 são altamente favoráveis ​​para fins de resfriamento, refrigeração e aquecimento, possuindo uma alta capacidade de resfriamento volumétrico. Devido à necessidade de operar em pressões de até 130 bar (1.900 psi; 13.000 kPa), os sistemas de CO 2 requerem reservatórios de alta resistência mecânica e componentes já desenvolvidos para produção em série em diversos setores. No ar condicionado automotivo, em mais de 90% de todas as condições de condução em latitudes superiores a 50°, o CO 2 (R744) opera com mais eficiência do que os sistemas que usam HFCs (por exemplo, R134a). Suas vantagens ambientais ( GWP de 1, não destruidor de ozônio, não tóxico, não inflamável) podem torná-lo o futuro fluido de trabalho para substituir os HFCs atuais em carros, supermercados e aquecedores de água com bomba de calor, entre outros. A Coca-Cola lançou refrigeradores de bebidas à base de CO 2 e o Exército dos EUA está interessado na tecnologia de refrigeração e aquecimento com CO 2 .

Usos menores

O dióxido de carbono é o meio de laser em um laser de dióxido de carbono , que é um dos primeiros tipos de lasers.

O dióxido de carbono pode ser usado como meio de controlar o pH das piscinas, adicionando continuamente gás à água, evitando assim que o pH suba. Entre as vantagens disso está o fato de evitar o manuseio de ácidos (mais perigosos). Da mesma forma, também é usado na manutenção de aquários de recife , onde é comumente usado em reatores de cálcio para diminuir temporariamente o pH da água que passa sobre o carbonato de cálcio, a fim de permitir que o carbonato de cálcio se dissolva na água mais livremente, onde é usado por alguns corais para construir seu esqueleto.

Usado como refrigerante primário no reator refrigerado a gás avançado britânico para geração de energia nuclear.

A indução de dióxido de carbono é comumente usada para a eutanásia de animais de pesquisa de laboratório. Os métodos para administrar CO 2 incluem a colocação de animais diretamente em uma câmara fechada e pré-preenchida contendo CO 2 , ou a exposição a uma concentração gradualmente crescente de CO 2 . As diretrizes de 2020 da American Veterinary Medical Association para indução de dióxido de carbono afirmam que uma taxa de deslocamento de 30% a 70% do volume da câmara ou gaiola por minuto é ideal para a eutanásia humanitária de pequenos roedores. As porcentagens de CO 2 variam para diferentes espécies, com base nas porcentagens ideais identificadas para minimizar o sofrimento.

O dióxido de carbono também é usado em várias técnicas relacionadas de limpeza e preparação de superfícies .

Na atmosfera da Terra

Curva de Keeling da concentração atmosférica de CO 2

O dióxido de carbono na atmosfera da Terra é um gás residual , tendo uma concentração média global de 415 partes por milhão em volume (ou 630 partes por milhão em massa) no final do ano de 2020. As concentrações atmosféricas de CO 2 flutuam ligeiramente com as estações, caindo durante a primavera e o verão do Hemisfério Norte, quando as plantas consomem o gás e subindo durante o outono e inverno do norte, quando as plantas ficam dormentes ou morrem e apodrecem. As concentrações também variam regionalmente, mais fortemente perto do solo, com variações muito menores no ar. Em áreas urbanas as concentrações são geralmente mais altas e em ambientes fechados podem atingir 10 vezes os níveis de fundo. As emissões de CO 2 também levaram à contração da estratosfera em 400 metros desde 1980, o que pode afetar as operações de satélite, sistemas de GPS e comunicações de rádio.

A concentração de dióxido de carbono aumentou devido às atividades humanas. A extração e queima de combustíveis fósseis , utilizando carbono sequestrado por muitos milhões de anos na litosfera , fez com que a concentração atmosférica de CO 2 aumentasse cerca de 50% desde o início da era da industrialização até o ano 2020. A maior parte do CO 2 das atividades humanas é liberada pela queima de carvão, petróleo e gás natural. Outras grandes fontes antropogênicas incluem a produção de cimento, desmatamento e queima de biomassa. As atividades humanas emitem mais de 30 bilhões de toneladas de CO 2 (9 bilhões de toneladas de carbono fóssil) por ano, enquanto os vulcões emitem apenas entre 0,2 e 0,3 bilhão de toneladas de CO 2 . As atividades humanas fizeram com que o CO 2 aumentasse acima dos níveis não vistos em centenas de milhares de anos. Atualmente, cerca de metade do dióxido de carbono liberado pela queima de combustíveis fósseis permanece na atmosfera e não é absorvido pela vegetação e pelos oceanos.

Embora transparente à luz visível , o dióxido de carbono é um gás de efeito estufa , absorvendo e emitindo radiação infravermelha em suas duas frequências vibracionais ativas no infravermelho (consulte a seção " Estrutura e ligação " acima). A emissão de luz da superfície da Terra é mais intensa na região do infravermelho entre 200 e 2500 cm - 1 , ao contrário da emissão de luz do Sol, muito mais quente, que é mais intensa na região do visível. A absorção da luz infravermelha nas frequências vibratórias do CO 2 atmosférico aprisiona a energia perto da superfície, aquecendo a superfície e a atmosfera inferior. Menos energia atinge a atmosfera superior, que é, portanto, mais fria por causa dessa absorção.

O CO 2 anual flui de fontes antropogênicas (esquerda) para a atmosfera da Terra, terra e sumidouros oceânicos (direita) desde a década de 1960. Unidades em gigatoneladas equivalentes de carbono por ano.

O aumento das concentrações atmosféricas de CO 2 e outros gases de efeito estufa de vida longa, como metano, óxido nitroso e ozônio, fortaleceram sua absorção e emissão de radiação infravermelha, causando o aumento da temperatura média global desde meados do século XX. O dióxido de carbono é a maior preocupação porque exerce uma influência de aquecimento geral maior do que todos esses outros gases combinados. Além disso, tem um tempo de vida atmosférico que aumenta com a quantidade cumulativa de carbono fóssil extraído e queimado, devido ao desequilíbrio que esta atividade impôs ao rápido ciclo de carbono da Terra . Isso significa que uma fração (projetada de 20 a 35%) do carbono fóssil transferido até agora persistirá na atmosfera como níveis elevados de CO 2 por muitos milhares de anos depois que essas atividades de transferência de carbono começarem a diminuir. O aumento das concentrações de CO 2 não apenas leva ao aumento da temperatura da superfície global, mas o aumento das temperaturas globais também causa aumento das concentrações de dióxido de carbono. Isso produz um feedback positivo para mudanças induzidas por outros processos, como ciclos orbitais . Quinhentos milhões de anos atrás, a concentração de CO 2 era 20 vezes maior do que hoje, diminuindo para 4 a 5 vezes durante o período Jurássico e depois diminuindo lentamente com uma redução particularmente rápida ocorrendo há 49 milhões de anos.

As concentrações locais de dióxido de carbono podem atingir valores elevados perto de fontes fortes, especialmente aquelas isoladas pelo terreno circundante. Na fonte termal de Bossoleto, perto de Rapolano Terme , na Toscana , Itália , situada em uma depressão em forma de tigela com cerca de 100 m (330 pés) de diâmetro, as concentrações de CO 2 sobem para mais de 75% durante a noite, o suficiente para matar insetos e pequenos animais. Após o nascer do sol, o gás é disperso por convecção. Acredita-se que altas concentrações de CO 2 produzidas pela perturbação da água profunda do lago saturada com CO 2 tenham causado 37 mortes no Lago Monoun , Camarões , em 1984, e 1.700 baixas no Lago Nyos , Camarões, em 1986.

nos oceanos

Concha de pterapode dissolvida em água do mar ajustada a uma química oceânica projetada para o ano de 2100.

O dióxido de carbono se dissolve no oceano para formar ácido carbônico (H 2 CO 3 ), bicarbonato (HCO 3 ) e carbonato (CO 3 2− ). Há cerca de cinquenta vezes mais dióxido de carbono dissolvido nos oceanos do que na atmosfera. Os oceanos agem como um enorme sumidouro de carbono e absorveram cerca de um terço do CO 2 emitido pela atividade humana.

À medida que a concentração de dióxido de carbono aumenta na atmosfera, o aumento da absorção de dióxido de carbono nos oceanos está causando uma diminuição mensurável no pH dos oceanos, o que é conhecido como acidificação dos oceanos . Essa redução no pH afeta os sistemas biológicos nos oceanos, principalmente os organismos calcificadores oceânicos. Esses efeitos abrangem a cadeia alimentar de autotróficos a heterótrofos e incluem organismos como cocolitóforos , corais , foraminíferos , equinodermos , crustáceos e moluscos . Em condições normais, o carbonato de cálcio é estável em águas superficiais, uma vez que o íon carbonato está em concentrações supersaturadas . No entanto, à medida que o pH do oceano cai, a concentração desse íon também cai e, quando o carbonato se torna subsaturado, as estruturas feitas de carbonato de cálcio ficam vulneráveis ​​à dissolução. Corais, algas cocolitóforas, algas coralinas, foraminíferos, moluscos e pterópodes apresentam calcificação reduzida ou dissolução aumentada quando expostos a CO elevado
2
.

A solubilidade do gás diminui à medida que a temperatura da água aumenta (exceto quando a pressão excede 300 bar e a temperatura excede 393 K, encontrada apenas perto de aberturas geotérmicas profundas) e, portanto, a taxa de absorção da atmosfera diminui à medida que a temperatura do oceano aumenta.

A maior parte do CO 2 absorvido pelo oceano, cerca de 30% do total lançado na atmosfera, forma ácido carbônico em equilíbrio com o bicarbonato. Algumas dessas espécies químicas são consumidas por organismos fotossintéticos que removem o carbono do ciclo. O aumento de CO 2 na atmosfera levou à diminuição da alcalinidade da água do mar, e existe a preocupação de que isso possa afetar adversamente os organismos que vivem na água. Em particular, com a diminuição da alcalinidade, a disponibilidade de carbonatos para a formação de conchas diminui, embora haja evidências de aumento da produção de conchas por certas espécies sob maior teor de CO 2 .

A Administração Nacional Oceânica e Atmosférica dos EUA (NOAA) afirma em maio de 2008 "State of the science fact sheet for ocean acidification " que:

Os oceanos absorveram cerca de 50% do dióxido de carbono (CO 2 ) liberado pela queima de combustíveis fósseis, resultando em reações químicas que reduzem o pH dos oceanos. Isso causou um aumento no íon de hidrogênio (acidez) de cerca de 30% desde o início da era industrial através de um processo conhecido como "acidificação dos oceanos". Um número crescente de estudos demonstrou impactos adversos em organismos marinhos, incluindo:

  • A taxa na qual os corais construtores de recifes produzem seus esqueletos diminui, enquanto a produção de numerosas variedades de águas-vivas aumenta.
  • A capacidade das algas marinhas e do zooplâncton de natação livre de manter conchas protetoras é reduzida.
  • A sobrevivência de espécies marinhas larvais, incluindo peixes e mariscos comerciais, é reduzida.

Além disso, o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) escreve em seu Climate Change 2007: Synthesis Report:

A absorção de carbono antropogênico desde 1750 fez com que o oceano se tornasse mais ácido, com uma diminuição média do pH de 0,1 unidades. O aumento das concentrações atmosféricas de CO 2 leva a uma maior acidificação ... Embora os efeitos da acidificação oceânica observada na biosfera marinha ainda não tenham sido documentados, espera-se que a acidificação progressiva dos oceanos tenha impactos negativos nos organismos marinhos formadores de conchas (por exemplo, corais) e suas espécies dependentes.

Alguns organismos calcificadores marinhos (incluindo recifes de coral) foram destacados por grandes agências de pesquisa, incluindo NOAA, Comissão OSPAR , Associação Noroeste de Sistemas de Observação Oceânica em Rede e IPCC, porque suas pesquisas mais recentes mostram que a acidificação do oceano deve ser esperada para afetá-los negativamente.

O dióxido de carbono também é introduzido nos oceanos através de fontes hidrotermais. A fonte hidrotermal de Champagne , encontrada no vulcão Northwest Eifuku na Fossa das Marianas , produz dióxido de carbono líquido quase puro, um dos dois únicos locais conhecidos no mundo em 2004, sendo o outro no Okinawa Trough . A descoberta de um lago submarino de dióxido de carbono líquido no Okinawa Trough foi relatada em 2006.

papel biológico

O dióxido de carbono é um produto final da respiração celular em organismos que obtêm energia quebrando açúcares, gorduras e aminoácidos com oxigênio como parte de seu metabolismo . Isso inclui todas as plantas, algas e animais e fungos aeróbicos e bactérias. Nos vertebrados , o dióxido de carbono viaja no sangue dos tecidos do corpo para a pele (por exemplo, anfíbios ) ou brânquias (por exemplo, peixes ), de onde se dissolve na água ou para os pulmões de onde é exalado. Durante a fotossíntese ativa, as plantas podem absorver mais dióxido de carbono da atmosfera do que liberam na respiração.

Fotossíntese e fixação de carbono

Visão geral do ciclo de Calvin e fixação de carbono

A fixação de carbono é um processo bioquímico pelo qual o dióxido de carbono atmosférico é incorporado por plantas, algas e (cianobactérias) em moléculas orgânicas ricas em energia , como a glicose , criando assim seu próprio alimento pela fotossíntese. A fotossíntese usa dióxido de carbono e água para produzir açúcares a partir dos quais outros compostos orgânicos podem ser construídos, e o oxigênio é produzido como subproduto.

A ribulose-1,5-bifosfato carboxilase oxigenase , comumente abreviada para RuBisCO, é a enzima envolvida na primeira grande etapa da fixação de carbono, a produção de duas moléculas de 3-fosfoglicerato a partir de CO 2 e ribulose bisfosfato , conforme mostrado no diagrama em deixei.

RuBisCO é pensado para ser a proteína mais abundante na Terra.

Os fototróficos usam os produtos de sua fotossíntese como fontes internas de alimento e como matéria-prima para a biossíntese de moléculas orgânicas mais complexas, como polissacarídeos , ácidos nucléicos e proteínas. Estes são usados ​​para o seu próprio crescimento e também como base das cadeias e teias alimentares que alimentam outros organismos, incluindo animais como nós. Alguns fototróficos importantes, os cocolitóforos sintetizam escamas duras de carbonato de cálcio . Uma espécie globalmente significativa de cocolitóforo é Emiliania huxleyi , cujas escamas de calcita formaram a base de muitas rochas sedimentares , como o calcário , onde o que anteriormente era carbono atmosférico pode permanecer fixo em escalas de tempo geológicas.

Visão geral da fotossíntese e respiração. O dióxido de carbono (à direita), junto com a água, forma oxigênio e compostos orgânicos (à esquerda) pela fotossíntese , que podem ser respirados em água e (CO 2 ).

As plantas podem crescer até 50 por cento mais rápido em concentrações de 1.000 ppm de CO 2 quando comparadas com as condições ambientais, embora isso não assuma nenhuma mudança no clima e nenhuma limitação de outros nutrientes. Níveis elevados de CO 2 causam aumento do crescimento refletido no rendimento colhido das lavouras, com trigo, arroz e soja mostrando aumentos no rendimento de 12 a 14% sob CO 2 elevado em experimentos FACE.

O aumento das concentrações atmosféricas de CO 2 resulta em menos estômatos se desenvolvendo nas plantas, o que leva à redução do uso de água e ao aumento da eficiência do uso da água . Estudos usando o FACE mostraram que o enriquecimento de CO 2 leva à diminuição das concentrações de micronutrientes nas plantas cultivadas. Isso pode ter efeitos indiretos em outras partes dos ecossistemas , pois os herbívoros precisarão comer mais para obter a mesma quantidade de proteína.

A concentração de metabólitos secundários como fenilpropanóides e flavonóides também pode ser alterada em plantas expostas a altas concentrações de CO 2 .

As plantas também emitem CO 2 durante a respiração e, portanto, a maioria das plantas e algas, que usam a fotossíntese C3 , são apenas absorvedores líquidos durante o dia. Embora uma floresta em crescimento absorva muitas toneladas de CO 2 a cada ano, uma floresta madura produzirá tanto CO 2 da respiração e decomposição de espécimes mortos (por exemplo, galhos caídos) quanto é usado na fotossíntese em plantas em crescimento. Ao contrário da visão de longa data de que são neutras em carbono, as florestas maduras podem continuar acumulando carbono e permanecer valiosos sumidouros de carbono , ajudando a manter o equilíbrio de carbono da atmosfera da Terra. Além disso, e de forma crucial para a vida na Terra, a fotossíntese do fitoplâncton consome CO 2 dissolvido na parte superior do oceano e, assim, promove a absorção de CO 2 da atmosfera.

Toxicidade

Sintomas de toxicidade de dióxido de carbono, aumentando a porcentagem de volume no ar.

O teor de dióxido de carbono no ar fresco (média entre o nível do mar e o nível de 10 kPa, ou seja, cerca de 30 km (19 mi) de altitude) varia entre 0,036% (360 ppm) e 0,041% (412 ppm), dependendo da localização.

O CO 2 é um gás asfixiante e não é classificado como tóxico ou prejudicial de acordo com os padrões do Sistema Globalmente Harmonizado de Classificação e Rotulagem de Produtos Químicos da Comissão Econômica das Nações Unidas para a Europa , usando as Diretrizes da OCDE para Testes de Produtos Químicos . Em concentrações de até 1% (10.000 ppm), algumas pessoas podem se sentir sonolentas e causar uma sensação de abafamento nos pulmões. Concentrações de 7% a 10% (70.000 a 100.000 ppm) podem causar asfixia, mesmo na presença de oxigênio suficiente, manifestando-se como tontura, dor de cabeça, disfunção visual e auditiva e inconsciência dentro de alguns minutos a uma hora. Os efeitos fisiológicos da exposição aguda ao dióxido de carbono são agrupados sob o termo hipercapnia , um subconjunto da asfixia .

Por ser mais pesado que o ar, em locais onde o gás escoa do solo (devido à atividade vulcânica ou geotérmica abaixo da superfície) em concentrações relativamente altas, sem os efeitos de dispersão do vento, ele pode se acumular em locais protegidos/bolsos abaixo do solo médio nível, fazendo com que os animais ali localizados sejam sufocados. Os comedores de carniça atraídos pelas carcaças também são mortos. Crianças foram mortas da mesma forma perto da cidade de Goma por emissões de CO 2 do vulcão vizinho Monte Nyiragongo . O termo suaíli para esse fenômeno é mazuku .

Os níveis crescentes de CO 2 ameaçaram os astronautas da Apollo 13 , que tiveram que adaptar os cartuchos do módulo de comando para abastecer o purificador de dióxido de carbono do Módulo Lunar , que usavam como bote salva-vidas.

A adaptação a concentrações aumentadas de CO 2 ocorre em humanos, incluindo respiração modificada e produção renal de bicarbonato, a fim de equilibrar os efeitos da acidificação do sangue ( acidose ). Vários estudos sugeriram que concentrações inspiradas de 2,0% poderiam ser usadas para espaços aéreos fechados (por exemplo, um submarino ), pois a adaptação é fisiológica e reversível, pois a deterioração do desempenho ou da atividade física normal não ocorre nesse nível de exposição por cinco dias. No entanto, outros estudos mostram uma diminuição na função cognitiva mesmo em níveis muito mais baixos. Além disso, com acidose respiratória em curso, a adaptação ou os mecanismos compensatórios serão incapazes de reverter tal condição .

Abaixo de 1%

Existem poucos estudos sobre os efeitos na saúde da exposição contínua e prolongada ao CO 2 em humanos e animais em níveis abaixo de 1%. Os limites de exposição ocupacional ao CO 2 foram estabelecidos nos Estados Unidos em 0,5% (5.000 ppm) por um período de oito horas. Com essa concentração de CO2, a tripulação da Estação Espacial Internacional sentiu dores de cabeça, letargia, lentidão mental, irritação emocional e distúrbios do sono. Estudos em animais com 0,5% de CO 2 demonstraram calcificação renal e perda óssea após oito semanas de exposição. Um estudo de humanos expostos em sessões de 2,5 horas demonstrou efeitos negativos significativos nas habilidades cognitivas em concentrações tão baixas quanto 0,1% (1000  ppm) de CO 2 , provavelmente devido a aumentos induzidos por CO 2 no fluxo sanguíneo cerebral. Outro estudo observou um declínio no nível de atividade básica e no uso de informações em 1000 ppm, quando comparado a 500 ppm. No entanto, uma revisão da literatura descobriu que a maioria dos estudos sobre o fenômeno do comprometimento cognitivo induzido por dióxido de carbono tem um pequeno efeito na tomada de decisões de alto nível e a maioria dos estudos foi confundida por desenhos de estudo inadequados, conforto ambiental, incertezas nas doses de exposição e diferentes avaliações cognitivas usadas. Da mesma forma, um estudo sobre os efeitos da concentração de CO 2 em capacetes de motociclistas foi criticado por ter uma metodologia duvidosa ao não anotar os auto-relatos de motociclistas e fazer medições usando manequins. Além disso, quando as condições normais da motocicleta foram alcançadas (como velocidades em rodovias ou cidades) ou o visor foi levantado, a concentração de CO 2 caiu para níveis seguros (0,2%).

Ventilação

A má ventilação é uma das principais causas de concentrações excessivas de CO 2 em espaços fechados. O diferencial de dióxido de carbono acima das concentrações externas em condições de estado estacionário (quando a ocupação e a operação do sistema de ventilação são suficientemente longas para que a concentração de CO 2 se estabilize) às vezes é usado para estimar as taxas de ventilação por pessoa. Concentrações mais altas de CO 2 estão associadas à degradação da saúde, conforto e desempenho dos ocupantes. As taxas de ventilação padrão ASHRAE 62.1–2007 podem resultar em concentrações internas de até 2.100 ppm acima das condições ambientais externas. Portanto, se a concentração externa for de 400 ppm, as concentrações internas podem atingir 2.500 ppm com taxas de ventilação que atendam a esse padrão de consenso da indústria. Concentrações em espaços mal ventilados podem ser encontradas ainda mais altas (intervalo de 3.000 ou 4.000 ppm).

Os mineradores, que são particularmente vulneráveis ​​à exposição ao gás devido à ventilação insuficiente, referem-se às misturas de dióxido de carbono e nitrogênio como " umidade negra ", "umidade sufocante" ou "estival". Antes que tecnologias mais eficazes fossem desenvolvidas, os mineiros frequentemente monitoravam níveis perigosos de umidade negra e outros gases em poços de minas, trazendo um canário enjaulado com eles enquanto trabalhavam. O canário é mais sensível a gases asfixiantes do que os humanos e, ao ficar inconsciente, parava de cantar e caía do poleiro. A lâmpada Davy também pode detectar altos níveis de umidade negra (que afunda e se acumula perto do chão) queimando com menos brilho, enquanto o metano , outro gás sufocante e risco de explosão, faria a lâmpada queimar com mais brilho.

Em fevereiro de 2020, três pessoas morreram sufocadas em uma festa em Moscou quando gelo seco ( CO2 congelado ) foi adicionado a uma piscina para resfriá-la. Um acidente semelhante ocorreu em 2018, quando uma mulher morreu devido à fumaça de CO 2 emanada da grande quantidade de gelo seco que ela transportava em seu carro.

Fisiologia humana

Contente

Faixas de referência ou médias para pressões parciais de dióxido de carbono (abreviado pCO 2 )
compartimento de sangue ( kPa ) ( mmHg )
Dióxido de carbono no sangue venoso 5,5–6,8 41–51
Pressão de gás alveolar pulmonar
4.8 36
Dióxido de carbono no sangue arterial 4,7–6,0 35–45

O corpo produz aproximadamente 2,3 libras (1,0 kg) de dióxido de carbono por dia por pessoa, contendo 0,63 libras (290 g) de carbono.Nos humanos, esse dióxido de carbono é transportado pelo sistema venoso e expirado pelos pulmões, resultando em menores concentrações nas artérias . O conteúdo de dióxido de carbono no sangue é frequentemente dado como a pressão parcial , que é a pressão que o dióxido de carbono teria se ocupasse sozinho o volume. Em humanos, o conteúdo de dióxido de carbono no sangue é mostrado na tabela ao lado.

Transporte no sangue

O CO 2 é transportado no sangue de três maneiras diferentes. (As porcentagens exatas variam entre sangue arterial e venoso).

A hemoglobina , a principal molécula transportadora de oxigênio nos glóbulos vermelhos , transporta oxigênio e dióxido de carbono. No entanto, o CO 2 ligado à hemoglobina não se liga ao mesmo local que o oxigênio. Em vez disso, combina-se com os grupos N-terminais nas quatro cadeias de globina. No entanto, devido aos efeitos alostéricos na molécula de hemoglobina, a ligação do CO 2 diminui a quantidade de oxigênio que está ligado para uma dada pressão parcial de oxigênio. Isso é conhecido como Efeito Haldane e é importante no transporte de dióxido de carbono dos tecidos para os pulmões. Por outro lado, um aumento na pressão parcial de CO 2 ou um pH mais baixo causará a descarga de oxigênio da hemoglobina, o que é conhecido como efeito de Bohr .

Regulação da respiração

O dióxido de carbono é um dos mediadores da autorregulação local do suprimento sanguíneo. Se sua concentração for alta, os capilares se expandem para permitir um maior fluxo sanguíneo para aquele tecido.

Os íons de bicarbonato são cruciais para regular o pH do sangue. A taxa de respiração de uma pessoa influencia o nível de CO 2 no sangue. A respiração muito lenta ou superficial causa acidose respiratória , enquanto a respiração muito rápida leva à hiperventilação , que pode causar alcalose respiratória .

Embora o corpo necessite de oxigênio para o metabolismo, baixos níveis de oxigênio normalmente não estimulam a respiração. Em vez disso, a respiração é estimulada por níveis mais altos de dióxido de carbono. Como resultado, respirar ar de baixa pressão ou uma mistura gasosa sem nenhum oxigênio (como nitrogênio puro) pode levar à perda de consciência sem nunca sentir falta de ar . Isso é especialmente perigoso para pilotos de caça de alta altitude. É também por isso que os comissários de bordo instruem os passageiros, em caso de perda de pressão na cabine, a aplicar a máscara de oxigênio primeiro a si mesmos antes de ajudar os outros; caso contrário, corre-se o risco de perder a consciência.

Os centros respiratórios tentam manter uma pressão arterial de CO 2 de 40 mm Hg. Com a hiperventilação intencional, o teor de CO 2 do sangue arterial pode ser reduzido para 10–20 mm Hg (o teor de oxigênio do sangue é pouco afetado) e o impulso respiratório é diminuído. É por isso que se pode prender a respiração por mais tempo depois de hiperventilar do que sem hiperventilar. Isso acarreta o risco de perda de consciência antes que a necessidade de respirar se torne avassaladora, razão pela qual a hiperventilação é particularmente perigosa antes do mergulho livre.

Veja também

Referências

Leitura adicional

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