Süsihappegaas

Süsihappegaas ehk süsinikdioksiid (CO₂) on süsiniku stabiilseim oksiid, mille molekul koosneb ühest süsiniku ja kahest hapniku aatomist, mis on kovalentselt seotud süsiniku aatomiga.
Süsihappegaas tekib süsiniku ja selle mitmesuguste ühendite kuumutamisel piisava hulga hapnikuga, samuti hingamisel.
Taimed, vetikad ja tsüanobakterid seovad süsihappegaasi, vett ja valgust fotosünteesi käigus, et toota süsivesikutest energiat. Selle protsessi kõrvalsaadusena eraldub hapnik. Pimedas fotosünteesi ei toimu, sellepärast kasutavad taimed pimedas vähe süsihappegaasi. Süsihappegaas on põlemise kõrvalsaadus, mis eraldub näiteks vulkaanipursetel ja kuumaveeallikatest ehk geisritest. Süsihappegaasi eraldub ka karbonaatsete kivimite lõhustumisel.
Enne kui inimtegevus hakkas hulgaliselt süsihappegaasi atmosfääri paiskama, muutus süsinikdioksiidi kontsentratsioon vastavalt kliima muutumisele. See töötas vastu teistele muutustele, näiteks neile, mida põhjustasid orbitaaltsüklid. 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.
Süsihappegaasi kolmikpunkti rõhk on suurem atmosfäärirõhust. Atmosfäärirõhul sublimeerub süsihappegaas temperatuuril −78 °C. Kõrgemal rõhul see sulab: kriitiline punkt on 31 °C ja 73 atmosfääri. Süsihappegaas vedeldub alles 520 kPa rõhu juures. Tahkes olekus süsihappegaasi nimetatakse kuivjääks.
Süsihappegaas lahustub vees mõõdukal määral. Lahused on happelised süsihappe sisalduse tõttu, mis tekib süsihappegaasi ja vee reaktsioonil:
H₂O + CO₂ = H₂CO₃.
Süsihappegaasi leidub ka õhus. Maa atmosfääris on seda 0,039%.
Suures kontsentratsioonis on süsihappegaas inimestele mürgine. Õhk, mille koostises on 1% süsihappegaasi, teeb mõned inimesed uimaseks, 7–10% kontsentratsioon põhjustab peapööritust, peavalu, nägemis- ja kuulmishäireid ning mõne minuti või tunni jooksul teadvusekaotust.
Süsihappegaas on kasvuhoonegaas, sest laseb läbi nähtavat valgust, aga neelab infrapunakiirgust.

Keemilised ja füüsikalised omadused

Süsihappegaas on värvitu, madala kontsentratsiooni korral ka lõhnatu gaas. Suure kontsentratsiooni korral on süsinikdioksiidil terav happeline lõhn. CO₂ võib 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.
Standardrõhul ja -temperatuuril on süsihappegaasi tihedus 1,98 kg/m³, mis on 1,5 korda suurem õhu tihedusest. Süsinikdioksiidi molekulis on kaks kaksiksidet ja on lineaarse kujuga. See molekul ei sisalda elektridipoole ja on täielikult oksüdeeritud. Süsihappegaas on mõõdukalt aktiivne, kuid mitte süttiv, kuigi soodustab metallide põlemist.
Temperatuuril üle −78,51 °C sublimeerub süsihappegaas tahkest olekust gaasilisse, madalamal temperatuuril muutub tahkeks. Tahket süsinikdioksiidi nimetatakse kuivjääks (ka süsihappelumeks).
Kuiva jää avastas 1825. aastal prantsuse keemik Charles Thilorier. Kuiva jääd kasutatakse tihti jahutajana, see on suhteliselt odav. Väga mugav on asjaolu, et kuiva jää sublimeerumisel ei jää järele vedelikku, kuna see sublimeerub gaasiks. Seda kasutatakse laborites, transportimisel toiduainete säilitamisel ja laevanduses. Süsihappegaasi üks suurimaid kasutusalasid on survepesu.
Vedel süsinikdioksiid moodustub vaid rõhkudel, mis on suuremad kui 5,1 atm. Süsihappegaasi kolmikpunkt on umbes 518 kPa ja −56,6 °C ja kriitiline punkt on 7,83 MPa ja 31,3 °C juures.

Ajalugu

Süsihappegaas oli üks esimesi gaase, mida kirjeldati õhust erineva ainena. 17. sajandil täheldas flaami keemik Jan Baptist van Helmont, et puusöe põletamisel 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 põhjalikumalt 1750. aastatel šoti füüsik Joseph Black. Ta leidis, et lubjakivi (kaltsiumkarbonaadi) kuumutamisel ja hapetega töötlemisel 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 ja mikroobsel kääritamisel.
1772. aastal avaldas inglise keemik Joseph Priestly artikli „Vee rikastamine fikseeritud õhuga“ („Impregnating water with Fixed Air“), milles ta kirjeldas protsessi, kus tilgutati väävelhapet kriidile, et saada süsihappegaasi, ja sunniti saadud gaas lahustuma kausitäies vees. Nii leiutati karboniseeritud vesi.
Esimest korda viisid süsinikdioksiidi vedelasse olekusse (kõrgendatud rõhul) 1832. aastal Humphry Davy ja Michael Faraday.
Esimesena kirjeldas tahket süsihappegaasi Charles Thilorier, kes 1834. aastal avas rõhu all hoitud süsihappegaasi mahuti ja leidis, et kiire aurustumise tõttu toimunud jahutamisel oli tekkinud CO₂ lumi.

Kasutusalad

Süsihappegaasi kasutatakse toiduainetööstuses, õlitööstuses ja keemiatööstuses. 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 CO₂ kapsleid müüakse kokkusurutud gaasivarudena. Neid kapsleid kasutatakse õhupüstolites, paintballi püstolites, täispuhutavates jalgrattakummides ja karboniseeritud vee tegemisel. Vedela süsinikdioksiidi ülikiiret aurustumist kasutatakse kivisöekaevandustes lõhkamiseks. Kõrget süsinikdioksiidi kontsentratsiooni saab kasutada ka kahjurite tapmiseks. Vedelat süsinikdioksiidi kasutatakse toiduainete ja materjalide superkriitilisel kuivatamisel, skaneeriva elektronmikroskoopia näidiste valmistamisel ja kohviubade kofeiinist puhastamisel.

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, et tainast kergitada. Pagaripärm toodab süsinikdioksiidi suhkru kääritamisega tainas. Keemilised kergitajad, näiteks küpsetuspulber ja sooda, 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 CO₂ taaskasutamine 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, näiteks kodusigade nakatumisel sigade Aafrika katku viirusega ja/või haigestumisel sigade 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 ka keevitamise keskkonnana, kuigi keevituskaares toimib 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 nagu klooritud süsivesinikud. Seetõttu kasutatakse seda mõnel pool keemilises puhastuses.