Cacbon điôxít

Chia sẻ: Nguyen Phuonganh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

0
126
lượt xem
41
download

Cacbon điôxít

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Điôxít cacbon hay cacbon điôxít (các tên gọi khác thán khí, anhiđrít cacbonic, khí cacbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng khí trong khí quyển Trái Đất, bao gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử ôxy. Là một hợp chất hóa học được biết đến rộng rãi, nó thường xuyên được gọi theo công thức hóa học là CO2. Trong dạng rắn, nó được gọi là băng khô.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Cacbon điôxít

  1. Cacbon điôxít Cacbon điôxít Cấu trúc phân tử của điôxít cacbon Tổng quan Danh pháp IUPAC Cacbon điôxít Tên khác khí cacbonic thán khí anhiđrít cacbonic băng khô (rắn) Công thức phân tử CO2 Phân tử gam 44,01 g/mol Biểu hiện Chất khí không màu, không mùi
  2. Số CAS [124-38-9] Thuộc tính Tỷ trọng và pha 1,98 kg/m3 ở 298 K 1,6 g/cm 3 (rắn) Độ hòa tan trong 1,45 kg/m3 nước Điểm nóng chảy -57 °C (216 K-áp lực) Điểm sôi -78 °C (195 K-thăng hoa) pKa 6,35 và 10,33 pKb Độ nhớt 0,07 cP ở -78 °C Nguy hiểm MSDS MSDS ngoài Các nguy hiểm Ngạt thở chính Kích thích NFPA 704 (lỏng) Điểm bắt lửa Không cháy Rủi ro/An toàn R: As, Fb S: 9, 23, 36a (lỏng)
  3. Số RTECS FF6400000 Trang dữ liệu bổ sung Cấu trúc & thuộc n εr, v.v. tính Dữ liệu nhiệt động Các trạng thái lực rắn, lỏng, khí Dữ liệu quang phổ UV, IR, NMR, MS Các hợp chất liên quan Các hợp chất tương Mêtanal tự Các hợp chất liên Cacbon quan Mêtan, Cacbon mônôxít Ngoại trừ có thông báo khác, các dữ liệu được lấy ở 25°C, 100 kPa Thông tin về sự phủ nhận và tham chiếu Điôxít cacbon hay cacbon điôxít (các tên gọi khác thán khí, anhiđrít cacbonic, khí cacbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng khí trong khí quyển Trái Đất, bao gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử ôxy. Là một hợp chất hóa học được biết đến rộng rãi, nó thường xuyên được gọi theo
  4. công thức hóa học là CO2. Trong dạng rắn, nó được gọi là băng khô. Điôxít cacbon thu được từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả khí thoát ra từ các núi lửa, sản phẩm cháy của các hợp chất hữu cơ và hoạt động hô hấp của các sinh vật sống hiếu khí. Nó cũng được một số vi sinh vật sản xuất từ sự lên men và sự hô hấp của tế bào. Các loài thực vật hấp thụ điôxít cacbon trong quá trình quang hợp, và sử dụng cả cacbon và ôxy để tạo ra các cacbohyđrat. Ngoài ra, thực vật cũng giải phóng ôxy trở lại khí quyển, ôxy này sẽ được các sinh vật dị dưỡng sử dụng trong quá trình hô hấp, tạo thành một chu trình. Nó có mặt trong khí quyển Trái Đất với nồng độ thấp và tác động như một khí gây hiệu ứng nhà kính. Nó là thành phần chính trong chu trình cacbon. Mục lục  1 Các thuộc tính hóa-lý  2 Sử dụng  3 Băng khô o 3.1 Sử dụng o 3.2 Tiếp xúc  4 Sinh học
  5.  5 Khí quyển Trái Đất o 5.1 Thay đổi trong quá khứ  6 Thủy quyển Trái Đất  7 Trong vũ trụ  8 Lịch sử  9 Xem thêm  10 Tham khảo  11 Liên kết ngoài Các thuộc tính hóa-lý Điôxít cacbon là một khí không màu mà khi hít thở phải ở nồng độ cao (nguy hiểm do nó gắn liền với rủi ro ngạt thở) tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng. Các hiệu ứng này là do khí hòa tan trong màng nhầy và nước bọt, tạo ra dung dịch yếu của axít cacbonic. Tỷ trọng riêng của nó ở 25 °C là 1,98 kg m−3, khoảng 1,5 lần nặng hơn không khí. Phân tử điôxít cacbon (O=C=O) chứa hai liên kết đôi và có hình dạng tuyến tính. Nó không có lưỡng cực điện. Do nó là hợp chất đã bị ôxi hóa hoàn toàn nên về mặt hóa học nó không hoạt động lắm và cụ thể là không cháy.
  6. Ở nhiệt độ dưới -78 °C, điôxít cacbon ngưng tụ lại thành các tinh thể màu trắng gọi là băng khô. Điôxít cacbon lỏng chỉ được tạo ra dưới áp suất trên 5,1 barơ; ở diều kiện áp suất khí quyển, nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang rắn hay ngược lại theo một quá trình gọi là thăng hoa. Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định điôxít cacbon, và nhiều hơn lượng này khi khí bị nén. Khoảng 1% điôxít cacbon hòa tan chuyển hóa thành axít cacbonic. Axít cacbonic phân ly một phần thành các ion bicacbonat (HCO3-) và cacbonat (CO3-2). Thử nghiệm tìm điôxít cacbon Khi một nguồn lửa được đưa vào ống thử có chứa điôxít cacbon thì ngọn lửa sẽ tắt ngay lập tức do điôxít cacbon không duy trì sự cháy. (Một số loại bình cứu hỏa chứa điôxít cacbon hay các chất khi phản ứng với nhau sẽ tạo ra nó dùng để dập lửa). Để xác nhận tiếp theo là khí này là điôxít cacbon thì khí được dẫn qua dung dịch hiđrôxít canxi (Ca(OH)2) trong. Dung dịch hiđrôxít canxi sẽ chuyển thành màu sữa do sự tạo thành của cacbonat canxi. Sử dụng
  7. Điôxít cacbon lỏng và rắn là chất làm lạnh quan trọng, đặc biệt là trong công nghiệp thực phẩm, trong đó chúng tham gia vào quá trình lưu trữ và vận chuyển các loại kem và các thực phẩm đông lạnh. Điôxít cacbon được sử dụng để sản xuất nước giải khát cacbonat hóa và nước sôđa. Theo truyền thống, quá trình cacbonat hóa trong bia và vang nổ có được do lên men tự nhiên, nhưng một số nhà sản xuất cacbonat hóa các đồ uống này một cách nhân tạo. Bột nở sử dụng trong các loại bánh nướng tạo ra khí cacbonic làm cho khối bột bị phình to ra, do tạo ra các lỗ xốp chứa bọt khí. Men bánh mì tạo ra khí cacbonic bằng sự lên men trong khối bột, trong khi các loại bột nở hóa học giải phóng ra khí cacbonic khi bị nung nóng hoặc bị tác dụng với các axít. Điôxít cacbon thông thường cũng được sử dụng như là khí điều áp rẻ tiền, không cháy. Các áo phao cứu hộ thông thường chứa các hộp nhỏ chứa điôxít cacbo đã nén để nhanh chóng thổi phồng lên. Các ống thép chứa cacbonic nén cũng được bán để cup cấp khí nén cho súng hơi, bi sơn, bơm lốp xe đạp, cũng như để làm nước khoáng xenxe. Sự bốc hơi nhanh chóng
  8. của CO2 lỏng được sử dụng để gây nổ trong các mỏ than. Điôxít cacbon dập tắt lửa, và một số bình cứu hỏa, đặc biệt là các loại được thiết kể để dập cháy do điện, có chứa điôxít cacbon lỏng bị nén. Điôxít cacbon cũng được sử dụng như là môi trường khí cho công nghệ hàn, mặc dù trong hồ quang thì nó phản ứng với phần lớn các kim loại. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô mặc dù có chứng cứ đáng kể cho thấy khi hàn trong môi trường này thì mối hàn giòn hơn so với các mối hàn trong môi trường các khí trơ, và các mối hàn này theo thời gian sẽ giảm phẩm cấp do sự tạo thành của axít cacbonic. Nó được sử dụng làm việc này chủ yếu là do nó rẻ tiền hơn nhiều so với các khí trơ như agon hay hêli. Điôxít cacbon lỏng là một dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ, và được dùng để loại bỏ cafêin từ cà phê. Nó cũng bắt đầu nhận được sự chú ý của công nghiệp dược phẩm và một số ngành công nghiệp chế biến hóa chất khác do nó là chất thay thế ít độc hơn cho các dung môi truyền thống như các clorua hữu cơ. (Xem hóa học xanh.)
  9. Thực vật cần có điôxít cacbon để thực hiện việc quang hợp, và các nhà kính có thể được làm giàu bầu khí quyển của chúng bằng việc bổ sung CO2 nhằm kích thích sự tăng trưởng của thực vật. Người ta cũng đề xuất ý tưởng cho điôxít cacbon từ các nhà máy nhiệt điện đi qua các ao để phát triển tảo và sau đó chuyển hóa chúng thành nguồn nhiên liệu điêzen sinh học. Nồng độ cao của điôxít cacbon trong khí quyển tiêu diệt có hiệu qủa nhiều loại sâu hại. Các nhà kính được nâng nồng độ CO2 tới 10.000 ppm (1%) trong vài giờ để tiêu diệt các loại sâu bệnh như rầy trắng (họ Aleyrodidae), nhện v.v. Trong y học, tới 5% điôxít cacbon được thêm vào ôxy nguyên chất để trợ thở sau khi ngừng thở và để ổn định cân bằng O2/CO2 trong máu. Một dạng phổ biến của laser khí công nghiệp là laser điôxít cacbon, sử dụng điôxít cacbon làm môi trường. Điôxít cacbon cũng hay được bơm vào hay gần với các giếng dầu. Nó có tác dụng như là tác nhân nén và khi hòa tan trong dầu thô dưới lòng đất thì nó làm giảm đáng kể độ nhớt của dầu thô, tạo điều kiện để dầu chảy nhanh hơn trong lòng đất vào các giếng
  10. hút. Trong các mỏ dầu đã hoàn thiện thì một hệ thống ống đồ sộ được sử dụng để chuyển điôxít cacbon tới các điểm bơm. Băng khô Băng khô là thương hiệu cho điôxít cacbon rắn (đóng băng). Thuật ngữ này được Prest Air Devices tạo ra năm 1925 (công ty thành lập năm1923 tại thành phố Long Island, New York). Băng khô dưới áp suất thường không nóng chảy thành điôxít cacbon lỏng mà thăng hoa trực tiếp thành dạng khí ở -78,5 °C (-109,3 °F). Vì thế nó được gọi là "băng khô" như là cách gọi để so sánh với băng "ướt" (nước đá thông thường). Băng khô được sản xuất bằng cách nén khí điôxít cacbon thành dạng lỏng, loại bỏ nhiệt gây ra bởi quá trình nén (xem định luật Charles), và sau đó cho điôxít cacbon lỏng giãn nở nhanh. Sự giãn nở này làm giảm nhiệt độ và làm cho một phần CO2 bị đóng băng thành "tuyết", sau đó "tuyết" này được nén thành các viên hay khối. Sử dụng
  11. Băng khô được sử dụng để làm lạnh đồ uống tại Công viên trung tâm, thành phố New York, Hoa Kỳ  Làm lạnh thực phẩm, các mẫu sinh học và các mặt hàng mau hỏng khác.  Sản xuất "sương mù băng khô" để tạo các hiệu ứng đặc biệt. Khi băng khô tiếp xúc với nước thì điôxít cacbon đóng băng thăng hoa thành hỗn hợp khí điôxít cacbon lạnh và không khí lạnh ẩm ướt. Điều này sinh ra sự ngưng tụ và hình thành sương mù; xem thêm máy tạo sương mù. Hiệu ứng sương mù của hỗn hợp băng khô với nước được tạo ra tốt nhất là với nước ấm.  Các viên nhỏ băng khô (thay vì cát) được bắn vào bề mặt cần làm sạch. Băng khô không cứng như cát, nhưng nó tăng tốc quá trình bằng sự thăng hoa để "không còn gì" tồn tại trên bề mặt
  12. cần làm sạch và gần như không tạo ra nhiều bụi gây hại phổi.  Tăng gây mưa từ các đám mây hay làm giảm độ dày của mây nhờ sự kết tinh nước trong mây.  Sản xuất khí điôxít cacbon do cần thiết trong các hệ thống như thùng nhiên liệu hệ thống trơ trong các máy bay B-47.  Các ống lót trục bằng đồng thau hay kim loại khác được cho vào băng khô để làm chúng co lại sao cho chúng sẽ khớp với kích thước trong của lỗ trục. Khi các ống lót này ấm trở lại, chúng nở ra và trở nên cực kỳ khít khao. Tiếp xúc Do các đặc trưng cụ thể của mình, băng khô đòi hỏi phải có sự phòng ngừa đặc biệt khi tiếp xúc. Nó cực lạnh vì vậy không nên cho tiếp xúc trực tiếp với da (nghĩa là cần đeo găng cách nhiệt thích hợp). Nó thường xuyên thăng hoa thành khí cacbonic, vì thế nó không thể lưu trữ trong các thùng chứa có nắp đậy do áp suất tạo ra sẽ nhanh chóng phá vỡ thùng do bị nổ. Khí thăng hoa cần thông gió tốt; nếu không nó có thể tràn ngập không gian quanh đó và làm cho người ta nghẹt thở. Sự quan tâm đặc biệt đối với các thiết bị thông gió là cần thiết. Những người tiếp xúc
  13. với băng khô cần phải được cảnh báo là điôxít cacbon nặng hơn không khí và sẽ chìm xuống dưới sàn. Một số thị trường đòi hỏi những người mua băng khô phải từ 18 tuổi trở lên. Sinh học Điôxít cacbon là sản phẩm cuối cùng trong cơ thể sinh vật có sự tích lũy năng lượng từ việc phân hủy đường hay chất béo với ôxy như là một phần của sự trao đổi chất của chúng, trong một quá trình được biết đến như là sự hô hấp của tế bào. Nó bao gồm tất cả các loài thực vật, động vật, nhiều loại nấm và một số vi khuẩn. Trong các động vật bậc cao, điôxít cacbon di chuyển trong máu từ các mô của cơ thể tới phổi và ở đây nó bị thải ra ngoài. Hàm lượng điôxít cacbon trong không khí trong lành là khoảng 0,04%, và trong không khí bị thải ra từ sự thở là khoảng 4,5%. Khi thở trong không khí với nồng độ cao (khoảng 5% theo thể tích), nó là độc hại đối với con người và các động vật khác. Hemoglobin, phân tử chuyên chở ôxy chính trong hồng cầu, có thể chở cả ôxy và điôxít cacbon, mặc dù theo các cách thức hoàn toàn khác nhau. Sự suy giảm liên kết với ôxy trong máu do sự tăng mức
  14. điôxít cacbon được biết đến như là hiệu ứng Haldane, và nó là quan trọng trong việc vận chuyển điôxít cacbon từ các mô tới phổi. Ngược lại, sự tăng áp suất thành phần của CO2 hay pH thấp hơn sẽ sinh ra sự rút bớt ôxy từ hemoglobin. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Bohr. Theo nghiên cứu của USDA [1], sự thở của một người trung bình mỗi ngày sinh ra khoảng 450 lít (khoảng 900 gam) điôxít cacbon. CO2 được vận chuyển trong máu theo ba cách khác nhau. Phần lớn trong chúng (khoảng 80%–90%) được các enzym cacbonic anhyđraz chuyển hóa thành các ion bicacbonat HCO3− trong các tế bào hồng cầu. 5%–10% được hòa tan trong huyết tương và 5%–10% liên kết với hemoglobin thành các hợp chất cacbamin. Phần trăm chính xác phụ thuộc vào đó là máu ở động mạch hay tĩnh mạch. Hemoglobin liên kết với CO2 không giống như liên kết với ôxy; CO2 liên kết với các nhóm chứa N trên 4 chuỗi globin. Tuy nhiên, do các hiệu ứng khác khu vực hoạt hóa trên phân tử hemoglobin, liên kết của CO2 làm giảm lượng ôxy được liên kết đối với áp suất thành phần nhất định của ôxy.
  15. Điôxít cacbon có thể là một trong các chất trung gian để tự điều chỉnh việc cung cấp máu theo khu vực. Nếu nồng độ của nó cao thì các mao mạch nở ra để cho nhiều máu hơn đến các mô. Các ion bicacbonat là chủ yếu trong việc điều chỉnh pH của máu. Do tần suất thở có ảnh hưởng tới mức CO2 trong máu, nên nhịp thở quá chậm hay quá nông sẽ sinh ra hiện tượng nhiễm axít hô hấp,trong khi nhịp thở quá nhanh sinh ra trong các chứng thở quá nhanh sẽ dẫn đến nhiễm kiềm hô hấp. Một điều thú vị là mặc dù ôxy là chất cần thiết của quá trình trao đổi chất của cơ thể, nhưng không phải nồng độ thấp của ôxy kích thích sự hô hấp mà lại là nồng độ cao của điôxít cacbon. Kết quả là, sự hô hấp trong không khí loãng (áp suất thấp) hay hỗn hợp khí không có ôxy (ví dụ nitơ nguyên chất) dẫn đến sự bất tỉnh mà không cần có các vấn đề về hệ hô hấp của cá thể đó. Nó là đặc biệt nguy hiểm cho các phi công lái máy bay chiến đấu bay ở cao độ lớn, và nó cũng là lý do giải thích tại sao các hướng dẫn tại các máy bay thương mại trong trường hợp sụt áp suất trong khoang thì người ta cần phải sử dụng mặt nạ thở ôxy cho chính mình trước khi giúp người khác— nếu không thì chính người đó sẽ chịu rủi ro bất tỉnh
  16. mà không hề được cảnh báo trước về nguy hiểm sắp xảy ra. Thực vật hấp thụ điôxít cacbon từ khí quyển trong quá trình quang hợp. Điôxít cacbon được thực vật (với năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời) sử dụng để sản xuất ra các chất hữu cơ bằng tổ hợp nó với nước. Các phản ứng này giải phóng ra ôxy tự do. Đôi khi điôxít cacbon được bơm thêm vào các nhà kính để thúc đẩy thực vật phát triển. Thực vật cũng giải phóng ra CO2 trong quá trình hô hấp của nó, nhưng tổng thể thì chúng làm giảm lượng CO2. Các giới hạn của OSHA cho nồng độ điôxít cacbon tại nơi làm việc là 0,5% cho thời gian dài, tối đa tới 3% cho phơi nhiễm ngắn (tối đa 10 phút). OSHA cho rằng các nồng độ trên 4% là "nguy hiểm ngay lập tức đối với sức khỏe và sự sống". Những người thở không khí chứa trên 5% điôxít cacbon trên 30 phút có các triệu chứng tăng anhiđrít cacbonic máu cấp tính, trong khi việc thở với nồng độ điôxít cacbon từ 7%–10% có thể làm bất tỉnh trong vài phút. Điôxít cacbon, dù là dạng khí hay dạng rắn, chỉ được tiếp xúc trong các môi trường/khu vực thông gió tốt.
  17. Xem thêm: Khí trong máu động mạch. Khí quyển Trái Đất Nồng độ CO2 trong khí quyển, đo tại Mauna Loa. Vào thời điểm năm 2004, khí quyển Trái Đất chứa khoảng 0,038% theo thể tích (380 µL/L hay ppmv) hoặc 0,053% theo trọng lượng là CO2. Nó tương đương với 2,7 × 1012 tấn CO2. Do có nhiều đất đai hơn (và vì thế nhiều thực vật hơn) nên ở bắc bán cầu khi so với nam bán cầu có sự dao động hàng năm vào khoảng 5 µL/L, sự dao động này lên tới đỉnh vào tháng 5 và xuống tối thiểu vào tháng 10 khi kết thúc mùa sinh trưởng ở bắc bán cầu, khi mà khối lượng các chất sinh học trên hành tinh là lớn nhất. Mặc dù nồng độ thấp nhưng CO2 là một thành phần cực kỳ quan trọng trong khí quyển Trái Đất, do nó hấp thụ bức xạ hồng ngoại và làm tăng hiệu ứng nhà kính.
  18. Điôxít cacbon nguyên thủy trong khí quyển của Trái Đất được tạo ra trong hoạt động của các núi lửa; nó là cốt yếu để làm ấm và ổn định khí hậu dẫn đến sự sống. Hoạt động núi lửa ngày nay giải phóng khoảng 130-230 triệu tấn điôxít cacbon mỗi năm. Lượng khí này xấp xỉ 1% lượng điôxít cacbon do các hoạt động của con người tạo ra. Sự thải khí điôxít cacbon toàn cầu từ năm 1751 đến năm 2004. Từ đầu thời kỳ cách mạng công nghiệp,nồng độ CO2 trong khí quyển đã tăng khoảng 110 µL/L hay khoảng 40%, phần lớn trong số này được giải phóng từ năm 1945 đến nay. Các đo đạc hàng tháng tại Mauna Loa [2] từ năm 1958 chỉ ra sự tăng từ 316 µL/L trong năm đó tới 376 µL/L năm 2003, tổng thể tăng 60 µL/L trong lịch sử 44 năm đo đạc. Các nhiên
  19. liệu hóa thạch như than và dầu mỏ bị đốt là nguyên nhân chính trong sự gia tăng của CO2 do con người tạo ra; Sự tàn phá rừng là nguyên nhân thứ hai. Năm 1997, các đám cháy than bùn ở Indonesia có thể giải phóng tới 13%–40% lượng điôxít cacbon do nhiên liệu hóa thạch tạo ra đám cháy than bùn. Nhiều công nghệ khác nhau đã được giới thiệu nhằm làm giảm lượng điôxít cacbon dư thừa khỏi khí quyển. Không phải toàn bộ lượng CO2 được giải phóng ra tồn tại trong không khí; một số được các đại dương hoặc sinh quyển hấp thụ. Tỷ lệ CO2 tỏa ra trên sự tăng của CO2 trong khí quyển được biết đến như là tỷ lệ bay lên (Keeling và những người khác, 1995); nó dao động theo các trung bình ngắn hạn nhưng thông thường là 57% cao hơn đối với các chu kỳ dài hơn (5 năm). Ô nhiễm khói và ôzôn từ các đám cháy ở Indonesia năm 1997.
  20. Thuyết "sự ấm toàn cầu" (GWT) dự báo là sự gia tăng lượng CO2 trong khí quyển có xu hướng làm trầm trọng thêm hiệu ứng nhà kính và vì thế góp phần vào sự ấm toàn cầu. Hiệu ứng của điôxít cacbon tạo ra từ sự cháy đối với khí hậu được gọi là hiệu ứng Callendar. Thay đổi trong quá khứ Nồng độ CO2 trong 400.000 năm gần đây Phương pháp trực tiếp nhất để đo nồng độ điôxít cacbon trong khí quyển cho các thời kỳ trước việc lấy mẫu trực tiếp là đo các bọt khí bị giữ lại trong các chỏm băng ở Nam Cực hay Greenland. Nghiên cứu được chấp nhận rộng rãi nhất là từ các loại lấy từ Nam Cực và chỉ ra rằng mức CO2 trong khí quyển là khoảng 260–280µL/L ngay trước khi khí thải công nghiệp bắt đầu và nó không dao động nhiều với mức này trong khoảng 10.000 năm trước đó.
Đồng bộ tài khoản