Ugljikov (IV) oksid (ugljikov dioksid, CO2) je kemijski spoj sastavljen od dva atoma kisika kovalentno vezan (vezani elektronima iz zadnje ljuske) za jedan atom ugljika. Ugljikov dioksid je plin koji se pod standardnim tlakom i temperaturom nalazi u Zemljinoj atmosferi, u koncentraciji od 0,039 %.
Kao dio ugljikova ciklusa važan je za fotosintezu biljaka, algi i modrozelenih algi koje mogu upiti ugljični dioksid, sunčevo toplinsko zračenje i vodu, stvarajući ugljikohidrate, energiju za sebe i kisik kao višak u tom procesu. S druge strane, stanično disanje oslobađa ugljikov dioksid kao višak u reakciji. Ugljikov dioksid se stvara i kao rezultat izgaranja. Oslobađaju ga vulkani, termalni izvori i gejziri, a oslobađa se i iz karbonatnih stijena otapanjem.
Godine 2010. ugljikov dioksid u Zemljinoj atmosferi je bio u koncentraciji 0,0388 % (po obujmu). Mauna Loa CO2 annual mean data from NOAA. "Trend" data was used. See also: Trends in Carbon Dioxide from NOAA. Ta se koncentracija lagano mijenja, s promjenom godišnjih doba. Najviše se koristi u proljeće i ljeto, kada stabla i biljke rastu i razvijaju se i to najviše na sjevernoj polutci, pa je tada i koncentracija najmanja. Koncentracija ugljikova dioksida raste u jesen i zimu, kada je većina biljaka neaktivna. Ugljikov dioksid je staklenički plin, koji odašilje vidljivu svjetlost, a jako upija u području infracrvenog i u blizini infracrvenog područja elektromagnetskog zračenja. "Annual Mean Growth Rate for Mauna Loa, Hawaii", publisher=NOAA Earth System Research Laboratory, 2010.
I bez utjecaja ljudi na povećanu koncentraciju ugljikova dioksida u Zemljinoj atmosferi, prirodno se koncentracija lagano povećava, a time i temperature na Zemlji, zbog orbitalnih ciklusa (Milankovićevi ciklusi), jer se ekscentričnost Zemljine elipsaste putanje smanjuje. Enting I.G., 1987: "Interannual variation in the seasonal cycle of carbon dioxide concentration at Mauna Loa", Journal of Geophysical Research 92:D5, 5497–5504.
Ugljikov dioksid nema tekuće agregatno stanje (kapljevina) ispod 5,1 atm (standardna atmosfera) ili 520 kPa. Kod jedne standardne atmosfere, plin ugljikov dioksid se direktno pretvara u krutu tvar kod −78 °C (195,1 K). Ili obrnuto gledano, suhi led ugljikova dioksida se kod temperature −78 °C direktno pretvara u plin.
Ugljikov dioksid je kiseli oksid. Ako je otopljen u vodi, onda se lakmus papir oboji od plave u ljubičastu boju. On je anhidrid ugljične kiseline (H2CO3), jer jer je ona dosta nestabilna u vodenoj otopini i ne može se tako koncentrirati, rastavlja se na ugljikov dioksid i vodu. U organizmima se ugljična kiselina dobiva uz pomoć enzima (katalizator):
CO2 + H2O <=> H2CO3
CO2 je otrovan u većim koncentracijama: 1 % CO2 će učiniti neke ljude pospanim, od 7 % do 10 %, javlja se nesvjestica, glavobolja, slabljenja vida i sluha, a gubljenje svijesti može biti od nekoliko minuta do sata.publisher=U.S. Environmental Protection Agency: , "Carbon Dioxide as a Fire Suppressant, Examining the Risks"
Kemijska i fizikalna svojstva Ugljikov dioksid je bez boje. Kod malih koncentracija, plin je bez mirisa. Kod većih koncentracija ima oštar, kiselkast miris. Može izazvati osjećaj gušenja i razdraženost. Kada se udahne veća koncentracija, stvara gorak okus u ustima i osjećaj peckanja u nosu i u grlu. To nastaje jer se plin otapa u sluznici i u slini, stvarajući slabu otopinu ugljične kiseline. Sličan osjećaj se javlja kad se piju gazirana pića i mjehurići izlaze kroz usta i nos. Koncentracija iznad 0,5 % se smatra jako nezdravom, a iznad 5 % se smatra opasnom po život. Staff: "Carbon dioxide: IDLH Documentation", publisher = National Institute for Occupational Safety and Health, 2006.
Kod standardnog tlaka i temperature, gustoća ugljičnog dioksida je oko 1,98 kg/m3, oko 1,5 puta je gušći od zraka. Molekule ugljičnog dioksida (O=C=O) tvore dvije dvostruke kovalentne veze i imaju linijski oblik. Nema električni dipol, i kada oksidira i otpušta elektrone, srednje je kemijski reaktivan i nezapaljiv, ali podržava gorenje metala kao što je magnezij.
Iznad −78,51 °C, ugljikov dioksid se mijenja direktno iz krute tvari u plin, kroz sublimaciju. Kruti CO2 se naziva suhi led kao trgovački naziv. To je prvi puta zapazio francuski kemičar Charles Thilorier 1825. Obično se koristi kao rashladno sredstvo i nije pretjerano skup. Glavna mu je prednost što suhi led, nakon što se otopi, ne ostavlja tekućinu. Često se koristi u prehrambenim centrima, laboratorijima, trgovačkim brodovima, a koristi se i za čišćenje sačmarenjem.
Tekući CO2 se može naći samo kod tlakova iznad 5,1 atm; trojna točka mu je 518 kPa kod −56,6 °C. Kritična točka mu je 7,38 MPa kod 31,1 °C. "Phase change data for Carbon dioxide", publisher=National Institute of Standards and Technology, 2008.
Kruti CO2 je amorfna tvar, slična staklu, iako ne može opstati kod standardnog tlaka. Taj oblik se može dobiti super pothlađivanjem ugrijanog CO2, kod vrlo visokih tlaka (40 - 48 GPa), u dijamantskom nakovnju. To otkriće je potvrdilo teoriju da CO2 može postojati u stanju sličnom staklu, kao i ostali članovi osnovne grupe, gdje spadaju silicij (silicijev dioksid) i germanij. Santoro M., 2006. "Amorphous silica-like carbon dioxide", journal=Nature
Povijest Ugljikov dioksid je bio jedan od prvih plinova, koji je opisan kao sastavni dio atmosfere. U 17. stoljeću belgijski kemičar Jan Baptist van Helmont je primijetio, kada je stavio drveni ugljen u zatvorenu posudu, da je masa nakon izgaranja puno manja nego prije, što je objasnio da se dio drvenog ugljena pretvori u plin.
Oko 1750. je škotski fizičar Joseph Black dalje proučavao CO2. Pronašao je da vapnenac grijanjem ili polijevanjem kiselinom, stvara plin, koji je gušći od zraka, ne podržava gorenje i disanje životinja. Black je isto primijetio da ako u otopinu živog vapna (CaO), upuhujemo mjehuriće CO2, da će nastati talog kalcijevog karbonata (CaCO3). Dokazao je da CO2 nastaje kod staničnog disanja i kod vrenja. 1772. engleski kemičar Joseph Priestley je opisao postupak ukapljavanja sumporne kiseline na kredu, da bi se stvorio CO2, koji bi se pod tlakom mješao s vodom i tako je nastala soda voda. Joseph Priestley: "Observations on Different Kinds of Air", journal = Philosophical Transactions, 1772.,
Ugljikov dioksid je prvi puta dobiven kao kapljevina 1823., pod povišenim tlakovima, a to su ostvarili Humphry Davy i Michael Faraday. Humphry Davy: "On the Application of Liquids Formed by the Condensation of Gases as Mechanical Agents", journal = Philosophical Transactions, 1823.,
Proizvodnja mini|desno|300px|Fazni dijagram ugljikova dioksida (tlak – temperatura) pokazuje trojnu točku i kritičnu točku Ugljični dioksid se može dobiti destilacijom zraka, ali to je vrlo neuspješan postupak. Razni postupci postoje da se dobije CO2, a jedan je kemijska reakcija između kiselina i metalnih karbonata. Na primjer, kemijska reakcija između klorovodične kiseline i kalcijevog karbonata:
2 HCl + CaCO3 → CaCl2 + H2CO3
U industriji je jako prisutan postupak dobivanja CO2 iz ugljične kiseline, jer je ona ostatak iz mnogih drugih postupaka. Taj postupak je povezan s pojavom pjene i mjehurića. Proizvodnja živog vapna (CaO) je vrlo zastupljena u industriji, a za dobivanje CO2, potrebno je grijanje na oko 850 °C:
CaCO3 → CaO + CO2
Izgaranjem svih goriva koji sadrže ugljik, nastaje CO2, kao što je metan, prirodni plin, destilati nafte (benzin, dizel, petrolej, propan), ugljen i drvo. Primjer je kemijska reakcija metana i kisika:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Željezo se dobiva oksidacijom i izgaranjem koksa u visokim pećima, stvarajući sirovo željezo i CO2: Strassburger Julius: "Blast Furnace Theory and Practice", publisher= American Institute of Mining, Metallurgical, and Petroleum Engineers, 1969.
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2
Kvasac se hrani šećerom da bi stvorio CO2 i etanol, poznatiji kao alkohol, u proizvodnji vina, piva i ostalih alkoholnih pića, ali se isto koristi za proizvodnju biogoriva:
C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH
Stanično disanje u organizmima, stvara CO2 kada izgaraju ili oksidiraju ugljikohidrati, masne kiseline i bjelančevine u mitohondrijima unutar stanica. Modrozelene alge provode nešto drukčiji oblik reakcije, koju nazivamo fotosinteza, a rezultat su ugljikohidrati i kisik.
n CO2 + n H2O → (CH2O)n + n O2 mini|desno|300px|Mjehurići ugljikova dioksida u gaziranom piću Ugljikov dioksid je topiv u vodi, u kojoj postoji ravnoteža između CO2 i ugljične kiseline (H2CO3), te karbonatnih(CO3−2) i bikarbonatnih (HCO3−) iona, o čemu ovisi i pH vrijednost. U neutralnoj ili lagano kiseloj vodi, prevladava bikarnonatni (HCO3−) ion, dok u bazičnoj ili lužnatoj vodi, prevladava karbonatni (CO3−2) ion. Ti su ioni dosta topivi u vodi, tako da je morska voda u ravnoteži s atmosferom, otprilike srednje bazična, s pH = 8,2 – 8,5, te sadrži oko 120 mg CO2 po litri.
Industrijska proizvodnja Industrijska proizvodnja obično se izvodi na pet načina: "Carbon Dioxide" Ronald Pierantozzi, encyclopedia = Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, publisher = Wiley, 2001. direktno iz prirodnih izvora vode, koja sadrži CO2 u sebi, djelovanjem kisele vode na vapnenac ili dolomite kao višak u postrojenjima za proizvodnju vodika, gdje se CO2 dobiva iz metana (CH4) izgaranjem fosilnih goriva ili drva kao višak u fermentaciji šećera pri dobivanju alkoholnoh pića, kao što su pivo ili viski kod toplinske obrade vapnenca (CaCO3) i proizvodnje gašenog vapna (CaO)
Primjena mini|desno|300px|Ugljikov dioksid u obliku suhog leda se isto koristi kod spremanja grožđa u spremnike Ugljikov dioksid se koristi u prehrambenoj industriji, proizvodnji ulja i kemijskoj industriji. Koristi se često gdje je potreban plin pod tlakom, zato što nije toliko skup i nije zapaljiv. Da bi se dobio pod tlakom, plin se tlači na oko 60 bara (59 atm), tako da stane znatna količina CO2 u spremnike (plinske boce). Pojasevi za spasavanje, na brodovima, često sadrže spremnike s CO2 za brzo napuhavanja. Aluminijske kapsule s CO2, se često koriste za zračne pištolje, paintball markere, airsoft replike, za pumpanje biciklističkih guma i za dobivanje gaziranih pića. Brzo isparavanje tekućeg CO2 se koristi za miniranje u rudnicima ugljena. Visoka koncentracija CO2 se isto ponekad koristi za ubijanje štetočina u poljoprivredi.
Hrana Neke vrste slatkiša se proizvode pod pritiskom CO2, otprilike 40 bara, pa kad se stave u usta, dolazi do laganog pucketanja. Pekarski kvasac stvara CO2 da bi se tijesto podiglo, dok kemijski kvasci kao što je prašak za pecivo i soda bikarbona, oslobađaju CO2 kada se zagrijavaju ili tretiraju s kiselinama.
Gazirana pića Ugljikov dioksid se koristi za dobivanje gaziranih pića i soda vode. Po tradiciji, stvaranje CO2 u pivu i šampanjcima, se odvija prirodnim vrenjem, ali mnogi proizvođači to danas rade na umjetan način. Kod piva u bocama ili limenkama, umjetni način dobivanja CO2 je uobičajen. mini|desno|300px|Pekarski kvasac stvara CO2 da bi se tijesto podiglo Proizvodnja vina Ugljikov dioksid u obliku suhog leda, se koristi u proizvodnji vina, da bi se hrpa grozdova ohladila odmah nakon berbe, da ne bi došlo do neželjene brzog vrenja. Glavna je prednost u odnosu na vodeni led, da suhi led odmah isparava i ne miješa se tekućina s vinskim moštom, i time smanjuje koncentracija alkohola u vinu.
Ugljikov dioksid u obliku suhog leda se isto koristi kod spremanja grožđa u spremnike, jer se suhi led stavi na dno, da ne bi došlo ponovo do neželjenog vrenja na dnu spremnika. CO2 i nakon što ispari ostaje na dnu spremnika, jer je teži od zraka.
Kod proizvodnje francuske sorte vina Beaujolais, cijeli grozdovi fermentiraju u zaštitnom plinu CO2, bez postupka gnječenja.
CO2 se ponekad koristi na vrhu boca ili na vrhu bačvi, da bi se spriječila oksidacija i kiselost vina, iako se CO2 može otopiti u vinu i napraviti vino lagano gaziranim. Zbog toga je poželjnije staviti dušik ili argon, umjesto CO2 za te namjene.