Süsihappegaas

Süsinikdioksiid

Süsinikdioksiid

Süsihappegaasehksüsinikdioksiid(CO₂) onsüsinikustabiilseimoksiid,millemolekulkoosneb ühest süsiniku ja kahesthapnikuaatomist,mis onkovalentseltseotud süsiniku aatomiga.

Süsihappegaas tekib süsiniku ja selle mitmesugusteühenditekuumutamiselpiisava hulga hapnikuga, samutihingamisel.

Taimed,vetikadjatsüanobakteridseovad süsihappegaasi javettning kasutavadvalguseneeldumisel vabanevat energiatfotosünteesikäigus, et tootasüsivesikuid,mille keemilineenergiaon suurem, kui CO₂molekulil. Selle protsessi kõrvalsaadusena eraldub molekulaarne hapnik. Pimedas fotosünteesi ei toimu, sellepärast kasutavad taimed pimedas vähe süsihappegaasi.

Süsihappegaas on põlemise kõrvalsaadus, mis eraldub näiteksvulkaanipursetelja kuumaveeallikatest ehkgeisritest.Süsihappegaasi eraldub kakarbonaatsete kivimitelõhustumisel.

Enne kui inimtegevus hakkas hulgaliselt süsihappegaasiatmosfääripaiskama, muutus süsinikdioksiidi kontsentratsioon vastavaltkliimamuutumisele. See töötas vastu teistele muutustele, näiteks neile, mida põhjustasidorbitaaltsüklid.Põhjapoolkera kevade ja suve ajal süsihappegaasi kontsentratsioon väheneb, sest taimed kasutavad seda rohkem, ning tõuseb sealse sügise ja talve ajal, kui taimed on puhkeolekus, surevad ja lagunevad.

Süsihappegaasikolmikpunktirõhkon suurematmosfäärirõhust.Atmosfäärirõhulsublimeerubsüsihappegaastemperatuuril−78 °C. Kõrgemal rõhul see sulab:kriitiline punkton 31 °C ja 73 atmosfääri. Süsihappegaas vedeldub alles 520 kPa rõhu juures. Tahkes olekus süsihappegaasi nimetataksekuivjääks.

Süsihappegaas lahustub vees mõõdukal määral. Lahused on happelisedsüsihappesisalduse tõttu, mis tekib süsihappegaasi ja veereaktsioonil:

H₂O + CO₂= H₂CO₃.

Süsihappegaasi leidub kaõhus.Maaatmosfääris on seda 0,039%.

Suures kontsentratsioonis on süsihappegaas inimestele mürgine. Õhk, mille koostises on 1% süsihappegaasi, teeb mõned inimesed uimaseks, 7–10% kontsentratsioon põhjustabpeapööritust,peavalu,nägemis- ja kuulmishäireid ning mõne minuti või tunni jooksul teadvusekaotust.

Süsihappegaas onkasvuhoonegaas,sest laseb läbinähtavat valgust,aga neelabinfrapunakiirgust.

Keemilised ja füüsikalised omadused

Süsihappegaas on värvitu, madala kontsentratsiooni korral ka lõhnatu gaas. Suure kontsentratsiooni korral on süsinikdioksiidil terav happeline lõhn. CO₂võib põhjustada lämbumist ja ärritust. Suure süsihappegaasisisaldusega õhu sissehingamine võib tekitada hapukat maitset suus ning torkivat tunnet ninas ja kurgus. Selline aisting võib tekkida ka röhitise tagasihoidmisel ja pärast karboniseeritud joogi joomist.

Süsinikdioksiidi rõhu-temperatuurifaasidiagramm,millel on märgitudkolmikpunkt(ingltriple point) jakriitiline punkt(inglcritical point)

Standardrõhul ja -temperatuuril on süsihappegaasitihedus1,98 kg/m³, mis on 1,5 korda suurem õhu tihedusest. Süsinikdioksiidi molekulis on kakskaksiksidetja on lineaarse kujuga. See molekul ei sisalda elektridipooleja on täielikultoksüdeeritud.Süsihappegaas on mõõdukalt aktiivne, kuid mitte süttiv, kuigi soodustab metallide põlemist.

Temperatuuril üle −78,51 °Csublimeerubsüsihappegaas tahkest olekust gaasilisse, madalamal temperatuuril muutub tahkeks. Tahket süsinikdioksiidi nimetataksekuivjääks(ka süsihappelumeks).

Kuiva jää avastas1825.aastal prantsuse keemikCharles Thilorier.Kuiva jääd kasutatakse tihti jahutajana, see on suhteliselt odav. Väga mugav on asjaolu, et kuiva jää sublimeerumisel ei jää järelevedelikku,kuna see sublimeerub gaasiks. Seda kasutatakselaborites,transportimiseltoiduainetesäilitamisel jalaevanduses.Süsihappegaasi üks suurimaid kasutusalasid onsurvepesu.

Vedel süsinikdioksiid moodustub vaid rõhkudel, mis on suuremad kui 5,1 atm. Süsihappegaasikolmikpunkton umbes 518 kPa ja −56,6 °C jakriitiline punkton 7,83 MPa ja 31,3 °C juures.

Ajalugu

Kuivjää kristallstruktuur

Süsihappegaas oli üks esimesi gaase, mida kirjeldati õhust erineva ainena.17. sajandiltäheldas flaami keemikJan Baptist van Helmont,etpuusöepõletamisel kinnises anumas on järelejääva tuha mass väiksem kui algse söe mass. Tema tõlgendus oli, et ülejäänud süsi muutus nähtamatuks aineks või gaasiks.

Süsinikdioksiidi omadusi uuris põhjalikumalt1750. aastatelšoti füüsikJoseph Black.Ta leidis, etlubjakivi(kaltsiumkarbonaadi) kuumutamisel jahapetegatöötlemisel saab toota süsihappegaasi. Ta leidis, et see gaas on õhust tihedam ning ei soodusta põlemist ega hingamist. Black avastas ka, et kui lasta süsihappegaasi läbi lubja (kaltsiumhüdroksiidi)vesilahuse,sadestub selle tulemusena kaltsiumkarbonaat. Katseliselt näitas ta, et süsihappegaas vallandub hingamisel jamikroobselkääritamisel.

1772.aastal avaldas inglise keemikJoseph Priestlyartikli „Vee rikastamine fikseeritud õhuga “(„Impregnating water with Fixed Air “), milles ta kirjeldas protsessi, kus tilgutativäävelhapetkriidile,et saada süsihappegaasi, ja sunniti saadud gaas lahustuma kausitäies vees.Nii leiutatikarboniseeritud vesi.

Esimest korda viisid süsinikdioksiidi vedelasse olekusse (kõrgendatud rõhul)1832.aastalHumphry DavyjaMichael Faraday.

Esimesena kirjeldas tahket süsihappegaasiCharles Thilorier,kes1834.aastal avas rõhu all hoitud süsihappegaasi mahuti ja leidis, et kiire aurustumise tõttu toimunud jahutamisel oli tekkinud CO₂lumi.

Eunice Newton Foote'i artikkel "Päikesekiirte soojust mõjutavad tingimused" (Circumstances affecting the heat of the sun's rays) 1856. aastal

Esimesena seostas süsihappegaasiatmosfäärisosakaalu suurenemise japlaneedi soojenemiseEunice Newton Foote1856. aastal.

Eraldamine ja tootmine

Süsihappegaasi saab toota õhudestilleerimisel,kuigi see meetod pole eriti tõhus. Tuntakse mitut keemilist reaktsiooni, mille tulemusena on võimalik saada süsinikdioksiidi. Sellised on reaktsioonid enamiku hapete jametallidekarbonaatidevahel. Näiteks soolhappe ja kaltsiumkarbonaadi vahel toimub järgmine reaktsioon:

2 HCl+ CaCO₃→ CaCl₂+ H₂CO₃

Süsihape laguneb edasi veeks ja CO₂-ks. Sellised reaktsioonid kaasnevad vahutamise või mullitamisega. Tööstuses on taolised reaktsioonid laialt levinud, nendega saab neutraliseerida jääkhappe vooge.

Kustutamata lubjatootmine lubjakivist kuumutamisel 850 °C-ni toodab ka CO₂:

CaCO₃→ CaO + CO₂

Kõigi süsinikku sisaldavate kütuste nagu metaani, bensiini, diisli, propaani, aga ka kivisöe ja puidu põlemine annab süsihappegaasi ning enamikul juhtudel vett. Näitena on toodud metaani ja hapniku vaheline reaktsioon:

CH₄+ 2 O₂→ CO₂+ 2 H₂O

Raua redutseerimisel nt raud(II) oksiidist koksi abil kõrgahjus kuumutades on tulemuseks malm ja süsihappegaas:

Fe₂O₃+ 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

Suhkrustsaabpärmigareageeridesmetabolismitõttu süsihappegaas jaetanool,mida tuntaksealkoholinaõllepruulimisel, veini ja muude vägijookide tegemisel, aga mida kasutatakse kabiokütusetootmisel.

C₆H₁₂O₆→ 2 CO₂+ 2 C₂H₅OH

Kõik aeroobsed organismid toodavad süsihappegaasi, kui nad oksüdeerivad rakkudemitokondritessüsivesikuid,rasvhappeid japroteiine.Need arvukad rakus toimuvad reaktsioonid on keerulised ja raskesti kirjeldatavad (raku hingamine, anaeroobne hingamine jafotosüntees).Fototroofid(nt taimed, tsüanobakterid) kasutavad teistsugust toimimisviisi. Taimed seovad õhust süsihappegaasi ja koos veega toodavad sellest süsivesikuid.

nCO₂+ nH₂O → (CH₂O)n + nO₂

Süsinikdioksiid lahustub vees, kus see spontaanselt muutub süsihappegaasist süsihappeks ja vastupidi. CO₂ja H₂CO₃suhtelised kontsentratsioonid ja vähemaprootonilised vormid HCO₃^-(vesinikkarbonaat) ja CO₂^3-(karbonaat) sõltuvadpH-st (happelisusest). Neutraalses või kergelt aluselises vees (pH<6,5) domineerib vesinikkarbonaat (>50%), valdavaks (>95%) muutub see merevee pH juures. Väga aluselises vees (pH>10,4) domineerib karbonaat. Vesinikkarbonaatsed ja karbonaatsed vormid lahustuvad väga hästi, näiteks õhuga tasakaalustatud ookeanivees (kergelt aluseline, tavaline pH = 8,2 – 8,5) on 120 mg vesinikkarbonaati liitri kohta.

Kuivjää ehk tahke süsihappegaasi sublimeerumine kolvis

Tööstuslik tootmine

Tööstuslikult toodetakse süsihappegaasi peamiselt viie protsessiga:

• otse looduslikest süsihappegaasi allikatest, kus see tekib happelise vee toimellubjakivilevõidolomiidile
• kõrvalsaadusena vesinikku tootvates tehastes, kus metaan muudetakse CO₂-ks
• fossiilkütuste või puidu põletamisel
• suhkru kääritamisel õllepruulimisel või muude alkohoolsete jookide valmistamisel
• lubjakivi (CaCO₃) termilisel lõhustamisel, lubja (kaltsiumoksiidi, CaO) valmistamisel.

Kasutusalad

Süsihappegaasi kasutataksetoiduainetööstuses,õlitööstuses jakeemiatööstuses.Seda kasutatakse paljudes tarbetoodetes, kus on vaja rõhu all gaasi, kuna see on odav ja mittesüttiv. Kuna süsihappegaas läheb gaasilisest olekust vedelasse toatemperatuuril 60-baarise rõhu all, mahutab anum palju süsihappegaasi. Päästevestides on sageli rõhu all süsihappegaasi kapslid, et vesti täis pumpamine toimuks kiiresti. Alumiiniumist CO₂kapsleid müüakse kokkusurutud gaasivarudena. Neid kapsleid kasutatakseõhupüstolites,paintballipüstolites, täispuhutavates jalgrattakummides ja karboniseeritud vee tegemisel. Vedela süsinikdioksiidi ülikiiret aurustumist kasutatakse kivisöekaevandustes lõhkamiseks. Kõrget süsinikdioksiidi kontsentratsiooni saab kasutada ka kahjurite tapmiseks ja taimekasvu kiirendamiseks. Vedelat süsinikdioksiidi kasutatakse toiduainete ja materjalide superkriitilisel kuivatamisel, skaneeriva elektronmikroskoopia näidiste valmistamisel jakohviubadekofeiinistpuhastamisel.

Toidud

Süsihappegaas on toidulisand, mida kasutatakse toiduainete tööstuses isutekitajana ja happesuse regulaatorina. Selle kasutamine on heaks kiidetud Euroopa liidus (E arvuna E 290),Ameerika Ühendriikides,Austraalias ja Uus-Meremaal(INS numbri järgi 290). Komm Pop Rocks on kokku surutud süsihappegaasiga umbes 40 baari juures. Suhu pannes see lahustub ja vallandab gaasi kuuldava plõksuga.

Kergitusained toodavad süsihappegaasi, ettainastkergitada.Pagaripärmtoodab süsinikdioksiidi suhkru kääritamisega tainas. Keemilised kergitajad, näiteksküpsetuspulberjasooda,vallandavad süsihappegaasi kokkupuutel happega või kuumutades.

Joogid

Süsihappegaasi kasutatakse karastusjookide ja karboniseeritud vee valmistamisel. Traditsiooniliselt on õlles ja veinides sisalduv gaas pärit looduslikust käärimisest. Paljud tootjad karboniseerivad neid jooke kääritamisest saadud CO₂-ga. Pudeli- ja vaadiõlle puhul on CO₂taaskasutamine kõige tavapärasem meetod.

Kuivjää vormis süsihappegaasi kasutatakse sageli veinitegemisel viinamarjakobarate kiireks jahutamiseks pärast korjamist, et ära hoida spontaanset käärimist looduslike pärmide tõttu. Peamine eelis kuivjää kasutamisel tavalise vee ees on, et sellest ei jää viinamarjade juurde lisavett, mis vähendaks viinamarjasuhkru ja alkoholi kontsentratsiooni veinis. Kuivjääd kasutatakse viinamarjade jahutamiseks. Süsihappegaas, mis tekib kuivjääst sublimatsiooni tõttu, settib paagi põhja, kuna on õhust raskem. Settinud süsinikdioksiid tekitab hapnikuvaese keskkonna, mis aitab ära hoida bakterite kasvamise viinamarjadel, kuni on aeg alustada kääritamisprotsessi soovitud pärmisordiga.

Loomade hukkamisel

Süsihappegaasi võidakse kasutatakse loomade massilisel haigestumise korral, näitekskodusigadenakatumiselsigade Aafrika katku viirusegaja/või haigestumiselsigade Aafrika katku,nende massiliseks hukkamiseks.

Suruõhusüsteemid

Süsihappegaas on levinud gaas, mida kasutatakse sururõhuseadmetes ja võitlusrobotites.

Tulekustuti

Süsihappegaas summutab leegid. Tulekustutid, mis on mõeldud elektrist põhjustatud tulekahjude kustutamiseks, sisaldavad suure rõhu all vedelat süsihappegaasi. Süsinikdioksiidi kustutid töötavad hästi väikeste tuleohtlike vedelike ja elektritulekahjude korral, aga mitte tavaliste põlengute puhul, kuna see on kuiv. Süsinikdioksiidi on laialdaselt kasutatud kustutusvahendina kinnistes kustutussüsteemides kindla ohu vältimiseks ja kaitstava ala katmiseks. Rahvusvahelise Merendusorganisatsiooni standardid tunnustavad süsihappegaasi süsteeme sobilikuks kasutamisel laevaruumides ja mootoriruumides. Süsihappegaasipõhiseid kaitsesüsteeme on seotud mitmete surmadega, kuna kustutamiseks kasutatavad kontsentratsioonid on tervisele kahjulikud, kuigi neid ei peeta inimesele mürgiseks.

Keevitamine

Süsihappegaasi kasutatakse kakeevitamisekeskkonnana, kuigikeevituskaarestoimib see metallide oksüdeerijana.

Farmatseutiline ja keemiline töötlus

Vedel süsinikdioksiid on hea lahusti orgaanilistele rasvaühenditele ja seda kasutatakse kohvist kofeiini eemaldamiseks. Süsihappegaas on farmaatsias äratanud tähelepanu vähem mürgise alternatiivina levinud lahustitele naguklooritud süsivesinikud.Seetõttu kasutatakse seda mõnel poolkeemilises puhastuses.

Kasvuhooned

Süsinikdiioksiidi kasutatakse kasvuhoonetes taimede kasvu kiirendajana. Süsihappegaasiga "väetamiseks" tõstetakse kasvuhoonetes süsihappegaasi sisaldus 600 ppm kuni 1000 ppm -ini, mille tulemusel tõuseb gaasimüüjate andmetel tomati, kurgi ja lehtsalati saagikus 25-30%, kohati isegi rohkem.

Süsihappegaas keskkonnas

Pikemalt artiklisSüsihappegaasi emissioon

Atmosfääron maakera suurim süsinikdioksiidi hoidla ja selle kanda on väga oluline osa üleilmsestsüsinikuringest.Atmosfääri koostises on 0,04% CO₂,mis on mahulises arvestuses umbes 720 gigatonni. Atmosfääri süsinik on oluline tegurkasvuhooneefektitekkes ja põhjustab muutusi globaalseskliimas.Alatestööstusrevolutsiooniston CO₂kontsentratsioon atmosfääris tõusnud tasemelt 280ppmkuni väärtuseni 400 ppm.

Kuna CO₂lahustub vees, siis on kasvanud ka selle kontsentratsioon ookeanides. See põhjustab merevee keemiliste omaduste muutumist ning kutsub esile maailmamere hapestumist (veepHtaseme langust). Muutused vee keemilistes omadustes võivad põhjustada tõsiseid tagajärgi lubiskeletiga organismidele.

Vaata ka

• süsinikdioksiidi sidumine ja ladustamine
• süsinikuringe
• vingugaas
• ülekriitiline süsinikdioksiid