کربن دی‌اکسید

کشف (تاریخچه)

دی‌اکسید کربن اولین گاز است که به عنوان یک ماده گسسته توصیف می‌شود. در حدود ۱۶۴۰ شیمیدان فلاندر یان باپتیست ون هلمونت مشاهده کرد که هنگامی که او زغال چوب را در یک ردیف بسته سوزاند، توده خاکستر حاصل از آن بسیار کمتر از زغال چوب اصلی بود. تفسیر او این بود که بقیه زغال چوب به یک ماده نامرئی تبدیل شده بود که به معنای «گاز» یا «روح وحشی» (spiritus sylvestris) بود. [۱۵]
دی‌اکسید کربن اولین بار در سال ۱۸۲۳ توسط هومفری دیوی و مایکل فارادی مایع شد (تحت فشار بالا). [۱۷] اولین توصیف دی‌اکسید کربن جامد توسط Adrien-Jean-Pierre Thilorier، که در سال ۱۸۳۵ یک کانتینر تحت فشار دی‌اکسید کربن مایع را باز کرد، تنها به این نتیجه رسید که خنک‌کننده تولید شده توسط تبخیر سریع مایع، «برف» جامد بوده‌است.

خصوصیات فیزیکی و شیمیایی

(ساختار و پیوند)
مولکول دی‌اکسید کربن خطی و مرکزی است. طول پیوند کربن-اکسیژن 11.36pm است که به‌طور قابل توجهی کوتاهتر از طول اتصال پیوند تک باند C-O است و حتی کوتاهتر از بسیاری از گروه‌های دیگر C-O چند ضلعی است. [۲۰] از آنجایی که آن centrosymmetric است، مولکول دارای دو قطبی الکتریکی نیست. در نتیجه، تنها دو موج ارتعاشی در طیف IR مشاهده می‌شود - یک حالت کشش ناقص در 2349 cm-۱ و یک جفت ناپایدار از حالت خمش در 667 cm-۱. همچنین یک حالت کشش متقارن در 1388 cm-۱ وجود دارد که تنها در طیف رامان دیده می‌شود

(در محلول آبی)

دی‌اکسید کربن محلول در آب است که
H2CO3 (اسید کربنیک) که یک اسید ضعیف است از زمان یونیزاسیون آن در آب به صورت ناقص به وجود می‌آید.
CO2+H2O⇌H2CO3

واکنش شیمیاییCO2

CO2 یک الکتروفیل ضعیف است. واکنش آن با آب پایه این ویژگی را نشان می‌دهد، در این صورت هیدروکسید نوکلئوفیلی است. دیگر اسیدهای نوکلئوفیل نیز واکنش نشان می‌دهند. به عنوان مثال، کاربنیون‌ها (یون منفی و گذرا مانند H3C) به وسیله واکنش گرینجر (واکنشگر) و ترکیبات ارگانولیتیم با واکنش‌های CO2 واکنش نشان می‌دهند:
MR + CO₂ → RCO₂M
در ترکیبات دی‌اکسید کربن فلز، CO2 به عنوان یک لیگاند عمل می‌کند که می‌تواند تبدیل CO2 به سایر مواد شیمیایی را آسان کند.
کاهش CO2 به CO معمولاً یک واکنش دشوار و آهسته است:
CO2 + 2 e− + 2H+ → CO + H2O

مشخصات فیزیکی

دی‌اکسید کربن بی‌رنگ است. در غلظت‌های پایین گاز بدون بو است، با این حال، در غلظت‌های بسیار بالایی، آن دارای بوی تند و اسیدی است. [۱] در دمای و فشار استاندارد، دی
اکسید کربن حدود ۱٫۹۸ کیلوگرم در متر مکعب است که حدود ۱٫۶۷ برابر هوا است. دی‌اکسید کربن به هیچ عنوان حالت مایع را در فشار کمتر از ۵٫۱ استاندارد (520 kPa) ندارد. در اتمسفر ۱ (در نزدیکی فشار متوسط ​​سطح دریا)، گاز به‌طور مستقیم به یک جامد در دمای زیر -۷۸٫۵ درجه سانتیگراد (-۱۰۹٫۳ درجه فارنهایت؛ 194.7 K) قرار می‌گیرد و ذرات جامد به‌طور مستقیم به گاز بالاتر از -۷۸٫۵ درجه سانتی گراد است. در حالت جامد، دی‌اکسید کربن معمولاً یخ خشک است. دی‌اکسید کربن مایع فقط در فشار بیش از ۵٫۱ آمپر تشکیل شده‌است؛ نقطه سه‌گانه دی‌اکسید کربن حدود ۵٫۶۹ بار (۵۱۷ کیلو پاسکال) در 217 K است (نمودار فاز را در سمت چپ ببینید). نقطه بحرانی 7.38 MPa در ۳۱٫۱ درجه سانتی گراد است. [۲۵] [۲۶] شکل دیگری از دی‌اکسید کربن جامد که در فشار بالا دیده می‌شود یک جامد شبیه به آمورف است. [۲۷] این شکل شیشه‌ای که کربنات نامیده می‌شود، به وسیلهٔ فشار بیش از حد بر فشار گاز (40-48 GPa یا حدود ۴۰۰٬۰۰۰ اتمسفر) در یک الماس تولید می‌شود. این کشف تأیید کرد که دی‌اکسید کربن می‌تواند در حالت شیشه‌ای مشابه سایر اعضای خانواده عنصری مانند سیلیکون (شیشه سیلیکا) و دی‌اکسید گرسنه وجود داشته باشد. با این حال، بر خلاف عینک سیلیکا و آلمانی، شیشه کربنی در فشارهای معمول پایدار نیست و هنگامی که فشار آزاد می‌شود، به گاز بازگردد.
در دمای و فشارهای بالاتر از نقطه بحرانی، دی‌اکسید کربن به عنوان یک ماده فوق بحرانی شناخته شده به عنوان دی‌اکسید کربن فوق بحرانی عمل می‌کند.

کاربردها

دی‌اکسید کربن توسط صنایع غذایی، صنعت نفت و صنایع شیمیایی استفاده می‌شود. نوع ترکیب این ترکیبات تجاری متنوع است، اما یکی از بزرگترین کاربرد آن به عنوان یک ماده شیمیایی در تولید نوشابه‌های گازدار است؛ این نوشیدنی‌ها را در نوشابه‌های گازدار مانند آب سودا فراهم می‌کند.

در زمینه شیمیایی

در صنایع شیمیایی، دی‌اکسید کربن عمدتاً به عنوان یک ماده در تولید اوره مصرف می‌شود، با یک کسر کوچکتر که برای تولید متانول و طیف وسیعی از محصولات دیگر مانند کربنات‌های فلزی و بی کربنات‌ها استفاده می‌شود. مشتقات اسید کربوکسیلیک مانند سدیم سالیسیلات با استفاده از CO2 توسط واکنش کلبه-شیمیت تهیه می‌شوند. علاوه بر فرایندهای متداول با استفاده از CO2 برای تولید مواد شیمیایی، روش‌های الکتروشیمیایی نیز در سطح تحقیق مورد بررسی قرار می‌گیرند. به‌طور خاص، استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر برای تولید سوخت از CO2 (مانند متانول) جذاب است، زیرا این امر می‌تواند به سوخت‌هایی تبدیل شود که می‌توانند به راحتی حمل و استفاده شوند در تکنولوژی‌های احتراق معمولی، اما بدون co2 این امر میسر نمی‌شود.

غذاها

دی‌اکسید کربن یک افزودنی مواد غذایی است که به عنوان یک ماده رگولاتور پروانه‌ای (محرک) و اسیدی در صنایع غذایی استفاده می‌شود. این مورد برای استفاده در اتحادیه اروپا (به عنوان شماره E290 ذکر شده)، ایالات متحده و استرالیا و نیوزیلند (فهرست شده توسط INS شماره ۲۹۰) تأیید شده‌است. آب نبات به نام راک پاپ تحت فشار گاز دی‌اکسید کربن [۳۸] در حدود 4 x 106 Pa (40 bar، 580 psi) تحت فشار قرار می‌گیرد. هنگامی که در دهان قرار می‌گیرد، آن را حل می‌کند (درست مانند دیگر آب نبات‌های سخت) و حباب‌های گاز را با پاپ قابل شنیدن آزاد می‌کند. علت ریزش مو می‌توانند با تولید دی‌اکسید کربن توسط، خمیر را افزایش دهند. مخمر بیکر دی‌اکسید کربن را با تخمیر قند درون خمیر تولید می‌کند، در حالیکه مواد شیمیایی مانند پودر پخت و نوشابه گازدار دی‌اکسید کربن در هنگام گرم شدن یا در معرض اسیدها قرار می‌گیرند.

نوشیدنی‌ها

دی‌اکسید کربن برای تولید نوشابه‌های گازدار و آب سودا استفاده می‌شود. به‌طور سنتی، کربناته آبجو و شراب درخشان از طریق تخمیر طبیعی به دست آمد، اما بسیاری از تولیدکنندگان این نوشیدنی‌ها را با دی‌اکسید کربن از فرایند تخمیر بهبود می‌دهند. در مورد آبجو بطری و آبجو، رایج‌ترین روش کربناته کردن با دی‌اکسید کربن بازیافت است. به استثنای بریتانیا حقیقتاً، آبجو پیش‌نویس معمولاً از قفسه‌ها در یک اتاق سرد یا انبار به شیپور خاموشی در نوار با استفاده از دی‌اکسید کربن تحت فشار، گاهی اوقات با نیتروژن مخلوط، منتقل می‌شود.

گاز بی‌اثر

این یکی از رایج‌ترین گازهای فشرده شده برای سیستم‌های پنوماتیک (فشار گاز) در ابزار فشار قابل حمل است. دی‌اکسید کربن نیز درفضای جوشکاری مورد استفاده قرار می‌گیرد، اگرچه در جوشکاری، اکسیدهای اکثر فلزات را واکنش می‌دهد. با وجود شواهد قابل توجهی مبنی بر اینکه جوش‌های ساخته شده در فضا دی‌اکسید کربن شکننده تر از آن‌هایی است که در اتمسفرهای بدون اثر co2 ساخته شده‌اند، استفاده از آن در صنعت خودرو شایع است. به عنوان یک گاز جوش به‌طور عمده به این دلیل استفاده می‌شود که بسیار ارزان‌تر از گازهای غیرمستقیم مانند آرگون یا هلیوم است. [نیازمندی‌های ارجاعی] وقتی که برای جوشکاری MIG استفاده می‌شود، استفاده از گاز دی‌اکسید کربن به عنوان MAG جوشکاری CO2 در این دماهای بالا می‌تواند واکنش نشان دهد.
co2 تمایل دارد که یک گودال گرمتر از جوهای واقعاً بی‌اثر تولید کند، ویژگی‌های جریان را بهبود می‌بخشد. اگر چه ممکن است این امر به دلیل واکنش‌های جوی در محل گودال باشد. co2 معمولاً مخالف اثر مورد نظر در هنگام جوشکاری است، زیرا که تمایل به جارو کردن محل را دارد، اما ممکن است برای جوشکاری فولاد ملایم مشکل نباشد، زیرا نشت نهایی یک نگرانی عمده نیست.

کپسول آتش‌نشانی

دی‌اکسید کربن می‌تواند برای خاموش کردن شعله‌های آتش‌سوزی محیط اطراف شعله با گاز استفاده شود. co2 به خودی خود واکنش نشان نمی‌دهد تا شعله را خاموش کند، اما شعله اکسیژن را با جابجایی آن کاهش می‌دهد. بعضی از آتش خاموش‌کننده‌ها، به ویژه برای آتش‌سوزی‌های الکتریکی، دارای دی‌اکسید کربن مایع تحت فشار هستند. خاموش‌کننده‌های دی‌اکسید کربن به خوبی در مایع‌های مایکروویو و الکتریکی قابل اشتعال کار می‌کنند، اما نه در آتش‌سوزی‌های قابل اشتعال، چرا که گرچه اکسیژن را حذف می‌کند، مواد سوزاننده را به‌طور قابل توجهی خنک نمی‌کند و زمانی که دی‌اکسید کربن پراکنده باشد، آن‌ها می‌توانند در معرض اتمسفر اکسیژن باشند. مطلوبیت آن‌ها در آتش‌سوزی در واقع این است که، بر خلاف آب و سایر روش‌های شیمیایی، دی‌اکسید کربن موجب اتصال کوتاه نمی‌شود، که سبب آسیب بیشتر به تجهیزات می‌شود. از آنجا که این یک گاز است، همچنین حجم زیادی از گاز را به‌طور خودکار در اتاق‌های زیربنایی IT آزاد می‌کند، جایی که ممکن است آتش به روش‌های فوری بیشتری دسترسی پیدا کند، زیرا در پشت درب‌های قفسه و در داخل موارد است. دی‌اکسید کربن به عنوان یک عامل خاموش‌کننده در سیستم‌های حفاظت از آتش ثابت برای استفاده محلی از خطرات خاص و کل سیل یک فضای محافظت شده به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. استانداردهای بین‌المللی سازمان دریایی نیز سیستم‌های دی‌اکسید کربن را برای حفاظت در برابر نگهداری از کشتی‌ها و اتاق‌های موتور تشخیص می‌دهند. سیستم‌های حفاظت آتش‌سوزی مبتنی بر دی‌اکسید کربن به چندین مرگ منجر شده‌است، زیرا می‌تواند خفگی را در غلظت‌های بسیار بالایی ایجاد کند. در بررسی سیستم‌های CO2 مشخص شده‌است که ۵۱ حادثه بین سال ۱۹۷۵ و تاریخ گزارش (۲۰۰۰)، باعث مرگ ۷۲ نفر و ۱۴۵ صدمه شد.

نقش در گرمایش زمین

بخار آب، دی‌اکسید کربن، متان و ازن مؤثرترین گازهای گلخانه‌ای هستند. با وجودی که نمی‌توان به‌طور دقیق مشخص کرد که سهم هر کدام از این گازها در اثر گلخانه‌ای زمین چقدر است اما بخار آب بین ۳۶٪ تا ۷۰٪، دی‌اکسید کربن بین ۹٪ تا ۲۶٪، متان بین ۴٪ تا ۹٪ و ازن حدود ۳٪ تا ۷٪ در فرایند اثر گلخانه‌ای زمین نقش بازی می‌کنند؛ یعنی به‌طور کلی کربن دی‌اکسید بین گازهای گلخانه‌ای ناشی از صنعت و کشاورزی بیشترین سهم را در خصوص پدیده گرمایش زمین دارد.

استفاده‌های پزشکی و دارویی

در پزشکی، تا ۵٪ دی‌اکسید کربن (۱۳۰ بار غلظت جو) به اکسیژن برای تحریک تنفس پس از ایست موقتی تنفسی اضافه می‌شود و برای تثبیت تعادل در خون از O2 / CO2 کمک می‌گیرند. دی‌اکسید کربن می‌تواند با اکسیژن تا ۵۰٪ مخلوط شود، یک گاز قابل استنشاق ایجاد می‌شود؛ این به عنوان کاربوژن شناخته شده‌است و دارای انواع پزشکی و تحقیقاتی است.