Oxid uhličitý

Oxid uhličitý (iné názvy: mimo odborných kontextov alebo staršie (t.j. do začiatku 80. rokov 20. stor.) odborne: kysličník uhličitý; suchý ľad) je atmosférický plyn tvorený dvoma atómami kyslíka a jedným atómom uhlíka. Jeho sumárny chemický vzorec je CO2. Je bezfarebný, nehorľavý, málo reaktívny, ťažší než vzduch. Vzniká ako produkt biologických procesov, napríklad dýchania a kvasenia a ako produkt horenia zlúčenín uhlíka vo vzduchu. Pri normálnom tlaku v neviazanej forme sa vyskytuje vo forme plynu, pri normálnom tlaku nestabilná pevná forma sa nazýva suchý ľad.

Chemické reakcie 
Oxid uhličitý, pri vyšších koncentráciách môže v ústach mať slabo nakyslú chuť. Vzniká reakciou uhlíka s kyslíkom (spaľovaním):
C + O2 → CO2,

spaľovaním oxidu uhoľnatého (napr. svietiplynu):
2 CO + O2 → 2 CO2,

alebo organických látok, napr. metánu:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O,

a to vždy za vývinu značného množstva tepla. Podobnými reakciami môžeme popísať i spaľovanie fosílnych palív a biomasy. Je tiež produktom dýchania väčšiny živých organizmov, kde je spolu s vodou konečným produktom metabolickej premeny živín obsiahnutých v potrave živočíchov.

V laboratóriu sa väčšinou pripravuje reakciou uhličitanov, predovšetkým uhličitanu vápenatého so silnými kyselinami napr. chlorovodíkovou:
CaCO3 + 2 HCl → CO2 + CaCl2 + H2O.

Priemyselne sa vyrába tepelným rozkladom (žíhaním) vápenca (uhličitanu vápenatého):
CaCO3 → CaO + CO2.

Po chemickej stránke je oxid uhličitý veľmi stály a ani pri veľmi vysokých teplotách nad 2 000 °C sa nerozkladá. Vo vode sa ľahko rozpúšťa, pričom sa pri tom sčasti (asi z 0,003 %) zlučuje s vodou na kyselinu uhličitú:
CO2 + H2O ↔ H2CO3.

Oxid uhličitý reaguje so silnými hydroxidmi za vzniku solí, ktoré sa vyskytujú vo dvoch formách, ako uhličitany a hydrogénuhličitany (starším názvom kyslé uhličitany); napr. s hydroxidom sodným vzniká buď hydrogenuhličitan sodný:
CO2 + NaOH → NaHCO3,

alebo pri väčšom množstve hydroxidu uhličitan sodný:
CO2 + 2 NaOH → Na2CO3 + H2O.

V zelených rastlinách je oxid uhličitý asimilovaný v procese zvanom fotosyntéza za katalytického pôsobenia chlorofylu a dodávky energie vo forme svetelných kvánt na monosacharidy podľa celkovej rovnice:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2.

Spaľovanie sacharidov v tele živočíchov (a rastlín v noci) je opačným chemickým procesom (podobne ako kvasenie cukrov pôsobením kvasiniek).

Pri geologickom vývoji planetárnych telies má v chemizme oxidu uhličitého významnú rolu rovnováha medzi oxidom uhličitým a oxidom kremičitým podľa vzťahu:
CaCO3 + SiO2 ↔ CO2 + CaSiO3.

Za bežných teplôt panujúcich na Zemi je táto rovnováha posunutá takmer úplne vľavo, takže veľké množstvo oxidu uhličitého je viazané v uhličitanových horninách. Ak stúpne teplota zhruba nad 350 °C, rovnováha sa vychýli takmer úplne vpravo a oxid kremičitý vytlačí z hornín oxid uhličitý, ktorý prejde do atmosféry. Týmto mechanizmom sa vysvetľuje veľmi hustá atmosféra planéty Venuše, zložená prevažne z oxidu uhličitého.

Pri ochladení pod −80 °C mení plynný oxid uhličitý svoje skupenstvo priamo na pevné (desublimuje) za vzniku bezfarebnej tuhej látky nazývanej suchý ľad.

Oxid uhličitý je nedýchateľný a vo vyšších koncentráciách môže spôsobiť stratu vedomia a smrť.

Výskyt v prírode 
Oxid uhličitý je bežnou súčasťou zemskej atmosféry, pričom jeho koncentrácia v ovzduší kolíše v závislosti na miestnych podmienkach, na nadmorskej výške a relatívnej vlhkosti vzduchu v ovzduší. V dôsledku hlavne emisií priemyslu jeho priemerná koncentrácia vo vzduchu stále rastie (pozri odsek „Vplyv oxidu uhličitého na globálne otepľovanie“).

Lokálne veľmi vysoká koncentrácia je v miestach jeho výronu zo zeme vo vulkanicky aktívnych oblastiach a v niektorých prírodných minerálnych vodách. Vzhľadom na to, že je ťažší než vzduch, môže sa v takýchto miestach hromadiť a predstavovať nebezpečnú pascu pre zvieratá i ľudí. Ročne takto vulkanické aktivity dodávajú do ovzdušia Zeme približne 130 až 230 Tg, čo predstavuje rádovo len 0,5% produkcie CO2 ľudstvom.

Oxid uhličitý bol tiež nájdený v medzihviezdnom priestore. Je hlavnou zložkou atmosfér planét Venuša a Mars. Spektroskopicky bol dokázaný i v kométach.

Využitie 
Oxid uhličitý je priemyselne ľahko dostupný plyn. Využíva sa ako:
 chemická surovina pre výrobu:
 anorganických uhličitanov
 metanolu
 polykarbonátov
 polyuretánov
 karbamátov
 isokyanátov
 iných organických zlúčenín
 hnací plyn a ochranná atmosféra pre potravinárske účely
 súčasť perlivých nápojov
 náplň snehových hasiacich prístrojov
 chladiace médium (suchý ľad)
 v medicíne sa pridáva (do 5 %) ku kyslíku pre zvýšenie efektivity dýchania
v akvaristike na podporu rastu akvarijných rastlín

Vplyv oxidu uhličitého na globálne otepľovanie 
Vo svojej podstate nepredstavuje CO2 škodlivinu, pretože nie je jedovatý. Koncom roku 1997 na Konferencii o ovzduší konanej v Japonsku (Kjóto), dospeli rokujúce krajiny k prijatiu obmedzení pre produkciu CO2. Tieto obmedzenia sú známe pod názvom Kjótsky protokol. Nárast CO2 v ovzduší je považovaný za hlavnú príčinu globálneho otepľovania, je spôsobený hlavne spaľovaním fosílnych palív a úbytkom lesov. Našťastie zatiaľ najvýkonnejší ekosystém pútajúci vzdušný oxid uhličitý – morský fytoplanktón – nie je príliš narušený.

Veľké množstvo oxidu uhličitého je tiež rozpusteného vo svetových moriach a oceánoch, ktoré tak regulujú jeho množstvo v atmosfére. Pozvoľný nárast globálnej teploty však negatívne ovplyvňuje rozpustnosť CO2 v morskej vode a pozitívnou spätnou väzbou sa tak dostáva späť do vzduchu ďalšie dodatočné množstvo tohto skleníkového plynu. Našťastie väčšina oxidu uhličitého je v morskej vode viazaná chemicky vo forme uhličitanových a hydrogénuhličitanových iónov, za čo vďačíme jeho reakcii s vápenatými minerálmi podľa rovnice:
CaCO3 + CO2 + H2O ←→ Ca2+ + 2 HCO3-

Táto rovnováha sa však so zvyšujúcou teplotou posúva doľava.

Taktiež intenzita fotosyntézy fytoplanktónom je závislá na optimálnej teplote a s jej rastom nad optimum klesá.

Oxid uhličitý a biomasa 
Okrem spaľovania biomasy resp. bioplynu vzniká oxid uhličitý tiež počas kompostovania. Časť organickej hmoty zostáva na poli ako požatvové zvyšky a koreňový systém.

V priebehu kompostovania je veľká časť organickej hmoty premenená na stabilizované organo-minerálne hnojivo s vysokým podielom humusových látok, takže veľký podiel uhlíka zostáva dlhodobo fixovaný v humuse, ktorý zlepšuje vlastnosti pôd (vododržnosť, pufračnú kapacitu, a pod.). Navyše zlepšené vlastnosti pôdy majú za následok vyššie výnosy, a teda i intenzívnejšiu asimiláciu CO2 počas fotosyntézy.

Historické súvislosti 
Oxid uhličitý bol prvou chemickou zlúčeninou, ktorá bola popísaná ako plyn odlišný od vzduchu. V 17. storočí flámsky chemik Jan Baptist van Helmont zistil, že pri spaľovaní dreveného uhlia v uzatvorenej nádobe váha popola je menšia, než pôvodného uhlia. Vysvetlil to premenou časti uhlia na neviditeľnú substanciu, ktorú nazval plyn spiritus sylvestre.

V polovici 18. storočia vlastnosti tohto plynu študoval podrobnejšie škótsky lekár Joseph Black. Zistil, že zahrievaním vápenca alebo jeho reakciou s kyselinami vzniká plyn, ktorý nazval „fixovateľný vzduch“ („fixed air“), pretože ho bolo možné viazať silnými zásadami (napr. hydroxidom vápenatým). Zistil tiež, že je ťažší ako vzduch a že na rozdiel od normálneho vzduchu nepodporuje horenie a že zvieratá v ňom hynú. Viazanie na hydroxid vápenatý použil na dôkaz, že je vo vydychovanom vzduchu a tiež, že sa uvoľňuje pri procese kvasenia (fermentácii).

Referencie

Literatúra 
 Neftel, A., H. Friedli, E. Moore, H. Lotscher, H. Oeschger, U. Siegenthaler, and B. Stauffer. 1994. Historical carbon dioxide record from the Siple Station ice core. pp. 11-14. In T.A. Boden, D.P. Kaiser, R.J. Sepanski, and F.W. Stoss (eds.) Trends'93: A Compendium of Data on Global Change. ORNL/CDIAC-65. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tenn. U.S.A.
 Keeling, C.D., and T.P. Whorf. 1994. Atmospheric carbon dioxide records from sites in the SIO air sampling network. pp. 16-26. In T.A. Boden, D.P. Kaiser, R.J. Sepanski, and F.W. Stoss (eds.) Trends'93: A Compendium of Data on Global Change. ORNL/CDIAC-65. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tenn. U.S.A.

Iné projekty 

 
Uhličitý
Uhličitý
Uhličitý
Zlúčeniny uhlíka
Emisie dopravných prostriedkov
Skleníkové plyny
Chladiace médiá