פחמן דו-חמצני

תכונות כימיות

מבנה המולקולה הוא O=C=O או (O::C::O).
כל אחד מאטומי החמצן (שבמעטפתו החיצונית שישה אלקטרונים) קשור בקשר קוולנטי כפול לאטום הפחמן (שבמעטפתו החיצונית ארבעה אלקטרונים).
פחמן דו-חמצני נפוץ בטבע בשתי צורות: כגז באטמוספירה, וכמומס במקווי מים.
טמפרטורת ההמראה של פחמן דו-חמצני בלחץ של אטמוספירה אחת היא 78.5- מעלות צלזיוס. בצורה נוזלית הוא יכול להתקיים רק בלחץ אטמוספירי גבוה (מעל 5.19 אטמוספירות) ומעל טמפרטורה של 57- מעלות צלזיוס. עם עליית הטמפרטורה, עולה הלחץ הדרוש כדי שהחומר יישאר נוזלי, ולא יעבור לפאזה גזית (ירתח). ראו את דיאגרמת הפאזות בהמשך הערך לפרטים נוספים.

ביולוגיה

הצמחייה והפוטוסינתזים האחרים (חלק מהחיידקים והפרוטיסטים) מטמיעים את הפחמן בתהליך הפוטוסינתזה, ומרכיבים באמצעותו ובאמצעות מים גלוקוז שממנו מורכבות תרכובות אורגניות מורכבות כדוגמת פחמימות, חלבונים ושומנים. אלו מהוות את מקור הפחמן העיקרי במזונם של בעלי החיים וצרכנים אחרים, והוא מועבר הלאה באמצעות שרשרת המזון.
בתהליך הנשימה חוזר חלק מהפחמן הדו-חמצני לאטמוספירה, כמות נוספת משתחררת מריקבון, וחלק קטן נצבר בצורה של חומר אורגני או כמחצבים של פחם, נפט וגז טבעי.

היסטוריה

הפחמן הדו-חמצני, שבעבר נקרא "דו-תחמוצת הפחמן", התגלה על ידי הכימאי הפלמי יאן בפטיסט ואן הלמונט במאה ה-17. כאשר ואן הלמונט שרף עץ בכלי סגור, הוא גילה כי מסת העשן הייתה קטנה בהרבה ממסת העץ ההתחלתית. הסברו לתופעה היה גז בלתי נראה הנפלט בנוסף לעשן.
מאפייני הפחמן הדו-חמצני נחקרו באופן יסודי יותר בשנת 1750 על ידי הפיזיקאי הסקוטי ג'וזף בלאק. הוא גילה שכאשר מחממים אבן גיר עם חומצות, נוצר גז שהוא כינה "אוויר מתוקן".
הוא שם לב שה"אוויר המתוקן" צפוף מאוויר רגיל, ולא ניתן לנשימה או יוצר להבה. כמו כן הוא גילה שכאשר מוכנס לתמיסה מימית של סיד נוצר משקע של סידן פחמתי. הוא השתמש בתופעה זו כהסבר לכך שפחמן דו-חמצני מיוצר בנשימת בעלי חיים ובתסיסת חיידקים.
בשנת 1772 פרסם הכימאי האנגלי ג'וזף פריסטלי מאמר שכותרתו הייתה "הפריית מים עם אוויר מתוקן" שבו תואר טפטוף של חומצה גופרתית על גיר כדי לייצר פחמן דו-חמצני ואילוץ הגז להתמוסס בקערת מים ולהתסיס אותם – כך הומצאו מי הסודה.
בשנת 1824 פתח הכימאי הצרפתי שארל תילוריה מכל לחץ של פחמן דו-חמצני נוזלי וגילה שהאידוי המהיר של החומר הקפוא יצר "שלג" של CO₂ מוצק הנקרא קרח יבש.

אפקט החממה

במאתיים השנים האחרונות נעשה שימוש בתהליכים תעשייתיים רבים לשם הפקת אנרגיה (בעיקר שריפה של דלקים מאובנים), המשחררים כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני לאטמוספירה (ביחד עם עוד מזהמים). ביחד עם הקטנת כמות הצמחייה על פני כדור הארץ, בעקבות בירוא יערות וגורמים נוספים, הופר המאזן הטבעי של הפחמן הדו-חמצני וכמותו באטמוספירה גדלה, עד כדי כך שהיום באטמוספירה כמותו גדולה פי 1.5 מהכמות שהייתה בה לפני מאתיים שנה. בשל היותו אחד מגזי החממה העיקריים, יש המשערים כי עלייה זו היא הסיבה לתופעת ההתחממות העולמית.

עלות כלכלית כתוצאה מהתגברות פחמן דו-חמצני

קיימת הסכמה כללית על כך שכל טון של הגז הנפלט לאוויר העולם, גורם לאנושות נזק כספי שניתן להעריך במונחים כספיים. עם זאת, קיימת מחלוקת על הערך הכספי. ממשל אובמה קבע מחיר של 40 דולר לטון, ואילו ממשל טראמפ מעמיד את הסכום על בין דולר אחד לשבעה. חוקרת האקלים קתרין ריק העריכה את הנזק במונחים כספיים לפי מדינות שונות: הודו תפסיד 85.4 דולרים, ארצות הברית תפסיד ב-47.8 דולרים, סין תפסיד 24.1 דולרים וישראל תפסיד 4.85 דולרים.
החשיבות של השווי הכלכלי, נובעת מהנגזרת שהינה הערך הכספי אותו משתלם להשקיע כדי למנוע או לצמצם את פליטת הפחמן הדו-חמצני.

שימוש מסחרי

בניגוד לדעה הרווחת, הוספת הפחמן הדו-חמצני למשקאות תוססים כמו מיצים מוגזים ובירה שחורה לא נועדה לשמר אותם, בשל הכמות הקטנה שמוספת, אלא בשל הרצון לייצר טעם אטרקטיבי לחך. סימונו בתעשיית המזון: E290. בהובלת פחמן דו-חמצני לתעשיית המשקאות, מסמנים אותו במספר או"ם 2187.
קיימים סוגים רבים של מטפים (מכשירי כיבוי שריפות), אותם ניתן לראות במקומות ציבוריים רבים. הפחמן הדו-חמצני מותז על החומר הבוער, ובשל היותו לא דליק, האש אינה מתפשטת, ובשל העובדה שאינו מאפשר לחמצן לחדור דרכו, האש "נחנקת" אט אט, ונכבית.

רעילות של פחמן דו-חמצני

בעוד שבאויר הצח ריכוז הפחמן הדו-חמצני הוא בסביבות 0.04% (או 400 חלקים למיליון), בריכוזים גבוהים יותר, ובעיקר מעל 0.5% ובחשיפה ממושכת עלול הפחמן דו-חמצני לגרום הפרעות בחשיבה, תחושת כבדות נשימה, כאב ראש, קשיי שינה ורגזנות. פחמן דו-חמצני עלול גם לגרום מוות כתוצאה מחנק. למשל, בחשיפה לריכוז גבוה של פחמן דו-חמצני ממטף לכיבוי שריפות, עלול להגרם חנק מהשפעה ישירה של פחמן דו-חמצני על מנגנון הנשימה או אפילו מחוסר חמצן. משקלו הסגולי של פחמן דו-חמצני גדול מזה של חמצן, ולכן הוא תופס את מקום החמצן במיוחד במקומות סגורים ונמוכים כמו מרתפים וחדרים אטומים. בחדרים אלו יש לדאוג להחלפה תכופה של האוויר, ולשמור על רמת נוכחות נמוכה של הפחמן הדו-חמצני.

השפעה גאולוגית - תופעת קארסט

תופעות קארסט - המסת סלע גירי ויצירת מערות, בולענים, נטיפים ותצורות סלע טרשיים, הן תוצאה מהמסת CO₂ מהאוויר - בגשם, בטל ובמקורות מים עומדים או זורמים לאיטם. המים הופכים לחומציים, וגורמים להמסת הסלע הגירי, ולהופעת מגוון התצורות הגאולוגיות השייכות לתופעה זו. ישנן גם תופעות קארסטיות תת-ימיות הן במי תהום שתחת אגמים במי תהום תחת הימים והאוקיינוסים, ואפילו במי תהום קדומים. דו-תחמוצת הפחמן וחומציות המים, במקרה זה, מקורם בבעלי החיים שחיו או חיים במקור המים - בעיקר פיטופלנקטון אך גם יצורים ימיים אחרים כולל דגים וסרטנים.