Јаглерод диоксид (хемиска формула ) е хемиско соединение составено од молекули од кои секоја има по еден атом на јаглерод поврзан со ковалентна двојна врска за два атоми на кислород. Се наоѓа во гасовита агрегатна состојба на собна температура. Во воздухот, јаглеродниот диоксид е проѕирен за видливата светлина, но апсорбира инфрацрвено зрачење, дејствувајќи како стакленички гас. Тоа е гас во траги во Земјината атмосфера со 421 дел на милион (ppm) или околу 0,04 % зафатнински удел (од мај 2022 година), кој се зголемил од прединдустриските нивоа од 280 ppm. Согорувањето на фосилните горива е примарна причина за овие зголемени концентрации на CO2 и исто така примарна причина за климатските промени.IPCC (2022) Summary for policy makers in Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA Јаглерод диоксидот е растворлив во вода и се наоѓа во подземните води, езерата, ледените капи и морската вода. Кога јаглеродниот диоксид се раствора во вода, тој формира карбонат, главно бикарбонат (), што предизвикува закиселување на океаните како што се зголемуваат нивоата на CO2 во атмосферата.
Фламанскиот лекар и хемичар Јан Баптиста фан Хелмонт (1580-1644) е првиот научник кој покажал дека јаглерод диоксидот е одделен гас кој се разликува од другите тогаш познати видови „воздух“.Бојан Шоптрајанов, Хемија за втора година на реформираното гимназиско образование (петто изменето и дополнето издание). Скопје: Просветно дело, 2009, стр. XXXI.
Како извор на достапен јаглерод во јаглеродниот циклус, атмосферскиот CO2 е примарен извор на јаглерод за живот на Земјата. Неговата концентрација во прединдустриската атмосфера на Земјата од доцниот прекамбриум е регулирана од организми и геолошки феномени. Растенијата, алгите и цијанобактериите користат енергија од сончевата светлина за да синтетизираат јаглехидрати од јаглерод диоксид и вода во процес наречен фотосинтеза, кој произведува кислород како отпаден производ. За возврат, кислородот се троши и CO2 се ослободува како отпад од сите аеробни организми кога ги метаболизираат органските соединенија за да произведат енергија со дишење. CO2 се ослободува од органските материјали кога тие се распаѓаат или согоруваат, како на пример при шумски пожари. Бидејќи растенијата бараат CO2 за фотосинтеза, а луѓето и животните зависат од растенијата за храна, CO2 е неопходен за опстанок на животот на земјата.
Јаглерод диоксидот е 53 % погуст од сувиот воздух, но е долговечен и темелно се меша во атмосферата. Околу половина од вишокот на емисии на CO2 во атмосферата се апсорбираат од копнените и океанските јаглеродни одводи. Овие одводи можат да станат заситени и испарливи, бидејќи распаѓањето и шумските пожари резултираат со ослободување на CO2 назад во атмосферата. CO2 на крајот се задржува (се складира на долг рок) во карпите и органските наоѓалишта како јаглен, нафта и природен гас. Секвертираниот CO2 се ослободува во атмосферата преку согорување на фосилни горива или природно од вулкани, топли извори, гејзери и кога карбонатните карпи се раствораат во вода или реагираат со киселини.
CO2 е разновиден индустриски материјал, кој се користи, на пример, како инертен гас при заварување и противпожарни апарати, како гас под притисок во воздушните пиштоли и за искористување на маслото и како суперкритичен течен растворувач при декофеинирање на кафе и суперкритично сушење. Тој е нуспроизвод на ферментација на шеќери во лебот, пивото и правењето вино и се додава во газирани пијалаци како селцер и пиво. Има остар и кисел мирис и генерира вкус на сода вода во устата, но при вообичаени концентрации е без мирис.
Хемиски и физички својства
Структура, сврзување и молекулски вибраци Симетријата на молекулата на јаглерод диоксид е линеарна и центросиметрична во нејзината рамнотежна геометрија. Должината на јаглерод-кислород врската во јаглерод диоксидот е 116,3 pm, значително пократка од приближно 140-pm должината на типична единечна C–O врска и пократка од повеќето други функционални групи со повеќекратна C–O врска, како што се карбонилите. Бидејќи е центросиметрична, молекулата нема електричен диполен момент.
Како линеарна триатомска молекула, има четири вибрациони модови како што е прикажано на дијаграмот. Во модовите на симетрично и антисиметрично истегнување, атомите се движат по оската на молекулата. Постојат два начини на свиткување, кои се дегенерирани, што значи дека имаат иста фреквенција и иста енергија, поради симетријата на молекулата. Кога молекулата допира површина или допира друга молекула, двата модови на свиткување може да се разликуваат по фреквенција бидејќи интеракцијата е различна за двата модови. Некои од вибрационите модови се забележани во инфрацрвениот (IR) спектар: антисиметричниот мод на истегнување на брановиот број 2349 cm−1 (бранова должина 4,25 μm) и дегенерираниот пар на модови на свиткување на 667 cm−1 (бранова должина 15 μm). Симетричниот мод на истегнување не создава електричен дипол, така што не е забележан во IR спектроскопијата, но е откриен со Раманска спектроскопија на 1388 cm−1 (бранова должина 7,2 μm).
Во гасната фаза, молекулите на јаглерод диоксид подлежат на значителни вибрациони движења и не одржуваат фиксна структура. Меѓутоа, во експеримент на снимање со Кулонова експлозија, може да се заклучи моментална слика на молекуларната структура. Ваков експеримент е направен за јаглерод диоксид. Резултатот од овој експеримент и заклучокот од теоретските пресметки врз основа на ab initio потенцијалната енергетска површина на молекулата, е дека ниту една од молекулите во гасната фаза никогаш не е точно линеарна. Овој контраинтуитивен резултат е тривијален поради фактот што елементот за волумен на јадреното движење исчезнува за линеарни геометрии. Ова е така за сите молекули (освен двоатомските!).
Во воден раствор
Јаглерод диоксидот е растворлив во вода, во која реверзибилно формира (јаглеродна киселина), која е слаба киселина бидејќи нејзината јонизација во вода е нецелосна. CO2 + H2O <=> H2CO3
Рамнотежната константа на хидратација на јаглеродната киселина на 25 °C е:
Оттука, поголемиот дел од јаглеродниот диоксид не се претвора во јаглеродна киселина, туку останува како молекули, кои не влијаат на pH вредноста.
Релативните концентрации на , , депротонираната форма (бикарбонат) и (карбонат) зависат од pH вредноста. Како што е прикажано во Bjerrum кривата (прикажана подолу), во неутрална или малку алкална вода (pH > 6,5), бикарбонатната форма преовладува (> 50 %) и станува најзастапена (> 95 %) на pH на морската вода. Во многу алкална вода (pH > 10,4), доминантна (> 50 %) форма е карбонат. Океаните, кои се благо алкални со типична pH = 8,2 - 8,5, содржат околу 120 mg бикарбонат на литар.
Бидејќи е дипротична, јаглеродната киселина има две константи на дисоцијација на киселина, првата за дисоцијација во бикарбонат (исто така наречен хидрохенкарбонат) јон ():
H2CO3 <=> HCO3- + H+ Ka1 = ; pKa1 = 3.6 at 25 °C. Ова е вистинската прва константа на дисоцијација на киселината, дефинирана како
каде што именителот вклучува само ковалентно врзан и не вклучува хидриран . Многу помалата и често цитирана вредност близу е привидна вредност пресметана врз основа на (неточната) претпоставка дека целиот растворен е присутен како јаглеродна киселина, така што
Бидејќи најголемиот дел од растворените останува како молекули, Ka1 (очигледно) има многу поголем именител и многу помала вредност од вистинската Ka1.
Бикарбонатниот јон е амфотерен вид кој може да дејствува како киселина или како база, во зависност од pH на растворот. При висока pH вредност, значително се дисоцира во карбонатниот јон (): HCO3- <=> CO3^2- + H+ Ka2 = ; pKa2 = 10.329
Во организмите, производството на јаглеродна киселина се катализира од ензимот, јаглеродна анхидраза.
Хемиски реакции на CO2 е моќен електрофил кој има електрофилна реактивност што е споредлива со бензалдехид или силни α, β-незаситени карбонилни соединенија. Меѓутоа, за разлика од електрофилите со слична реактивност, реакциите на нуклеофилите со се термодинамички помалку фаворизирани и често се открива дека се многу реверзибилни. Само многу силни нуклеофили, како карбанионите обезбедени од Грињардовите реагенси и органолитиумските соединенија реагираат со за добивање карбоксилати: MR + CO2 -> RCO2M каде M = Li или Mg Br, а R = алкил или арил.
Во металните комплекси на јаглерод диоксид, служи како лиганд, кој може да ја олесни конверзијата на на други хемикалии.
Редукцијата на до CO е обично тешка и бавна реакција: CO2 + 2 e- + 2H+ -> CO + H2O
Фотоавтотрофите (т.е. растенијата и цијанобактериите) ја користат енергијата содржана во сончевата светлина за фотосинтеза на едноставни шеќери од апсорбирани од воздухот и водата: \mathit{n}CO2{} + \mathit{n}H2O -> (CH2O)_\mathit{n}{} + \mathit{n}O2
Редокс потенцијалот за оваа реакција во близина на pH 7 е околу -0,53 V наспроти стандардната водородна електрода. Ензимот јаглерод моноксид дехидрогеназа кој содржи никел го катализира овој процес.
Физички својства
Јаглерод диоксидот е безбоен. При ниски концентрации гасот е без мирис; сепак, при доволно високи концентрации, има остар, кисел мирис. При стандардна температура и притисок, густината на јаглеродниот диоксид е околу 1,98 kg/m3, околу 1,53 пати поголема од онаа на воздухот.
Јаглерод диоксидот нема течна состојба при притисок под 0,51795 ± (10) MPa (5,11177 ± (99) atm). При притисок од 1 atm (0,101325 MPa), гасот се депонира директно на цврсто тело на температури под 194,6855 ± (30) K (-78,4645 ± (30) °C) и цврстата состојба сублимира директно до гас над оваа температура. Во својата цврста состојба, јаглерод диоксидот најчесто се нарекува сув мраз.
Течниот јаглерод диоксид се формира само при притисок над 0,51795 ± (10) MPa (5,11177 ± (99) atm); тројната точка на јаглерод диоксид е 216,592 ± (3) K (−56,558 ± (3) °C) на 0,51795 ± (10) MPa (5,11177 ± (99) atm) (види фазен дијаграм). Критичната точка е на 304.128 ± (15) K (30.978 ± (15) °C) и на 7.3773 ± (30) MPa (72.808 ± (30) atm). Друга форма на цврст јаглерод диоксид, забележана при висок притисок е аморфна цврстина слична на стакло. Оваа форма на стакло, наречена карбонија, се произведува со суперладење загреан при екстремен притисок (40–48 GPa или околу 400.000 атмосфери) во дијамантска наковална. Ова откритие ја потврди теоријата дека јаглерод диоксидот може да постои во стаклена состојба слична на другите членови на неговото елементарно семејство, како што се силициум диоксид (силика стакло) и германиум диоксид. Меѓутоа, за разлика од силициумските и германските очила, карбонското стакло не е стабилно при нормални притисоци и се враќа во гас кога ќе се ослободи притисокот.
На температури и притисоци над критичната точка, јаглеродниот диоксид се однесува како суперкритична течност позната како суперкритичен јаглерод диоксид.
Табела на топлински и физички својства на заситениот течен јаглерод диоксид: Температура (°C)Густина (kg/m^3)Специфична топлина (kJ/kg K)Кинематичка вискозност (m^2/s)Кондуктивност (W/m K)Топлинска дифузија (m^2/s)Prandtl БројМодул на збивливост (K^-1) -501156.341.841.19E-070.08554.02E-082.96 - -401117.771.881.18E-070.10114.81E-082.46 - -301076.761.971.17E-070.11165.27E-082.22 - -201032.392.051.15E-070.11515.45E-082.12 - -10983.382.181.13E-070.10995.13E-082.2 -0926.992.471.08E-070.10454.58E-082.38 -10860.033.141.01E-070.09713.61E-082.8 -20772.5759.10E-080.08722.22E-084.11.40E-0230597.8136.48.00E-080.07030.279E-0828.7 - Табела на топлински и физички својства на јаглерод диоксид () при атмосферски притисок: