二酸化炭素

二酸化炭素 (通常の使用では通常 二酸化炭素 、しかししばしば誤って 炭酸 と呼ばれる) は、炭素と酸素の化合物であり、一酸化炭素 (一酸化炭素としても知られる)、亜酸化炭素、不安定な三酸化炭素とともに、酸化炭素のグループに属します。

二酸化炭素は無色無臭の気体です。約 0.04% (現在 381 ppm は 0.0381% に相当) の濃度で、空気の天然成分です。それは、十分な酸素を含む炭素含有物質の完全燃焼と、細胞呼吸の副産物としての生物の生物の両方で形成されます。 CO₂ 呼吸によって放出されます。逆に、植物、一部のバクテリア、古細菌は CO₂ を生成できます。 二酸化炭素固定によりバイオマスに変換されます。たとえば、植物は光合成中に無機 CO₂ から CO₂ を生成します。

製造

エネルギー産業の廃棄物

二酸化炭素は、すべての化石燃料を含む炭素を含む燃料が燃焼すると生成されます。特定のエネルギー源に対して、生成される CO の量は₂ 燃料の量、つまり変換されるエネルギーに直接依存します。最新のシステムと運用プロセスは、燃料に含まれるエネルギーを以前よりも有効に利用できますが、ガスの発生を防ぐことはできません。

この生産量は、全世界で年間約 360 億トンに上ります。効果的かつ経済的な炭素回収プロセスがない場合、この量は大気中に流出し、地球温暖化の原因となります (以下を参照)。

テクニカル

技術的には、二酸化炭素はコークスを過剰な空気で燃焼させるか、石灰燃焼 (年間約 5 億 3,000 万トン) とその後の精製 (例えば、炭酸カリウムと結合して炭酸水素塩を形成し、その後加熱により放出) の副産物として得られます。 /P>

天然ガス源 (ミネラルウォーター) も抽出に使用されます。

実験室規模で

実験室では、酸による炭酸塩の放出によって二酸化炭素が生成されます。

証明

二酸化炭素は、水酸化カルシウム水溶液（石灰水）で簡単に検出できます。この目的のために、検査されるガスが溶液に導入される。ガスCO₂が含まれています すると、炭酸カルシウム（石灰）が白っぽい固体として沈殿し、溶液が白濁します。 (見る 石灰水サンプル)

二酸化炭素は水酸化カルシウムと反応して、水と炭酸カルシウムを形成します。

物理的特性

二酸化炭素分子は直鎖状の構造をしています。炭素-酸素結合は極性がありますが、それらの電気双極子モーメントは分子の対称性のために互いに打ち消し合うため、分子自体には電気双極子モーメントがありません。それにもかかわらず、内部双極子モーメントにより、二酸化炭素は水に非常に溶けやすく、赤外線領域の電磁スペクトルの一部の狭い部分を吸収します。

二酸化炭素は、技術的にはドライアイスの名で固体凝集体の状態で使用されています。融解はしませんが、-78 °C で昇華します。ただし、臨界温度の 31 °C 未満では、圧力を上げることで無色の液体に凝縮できます。室温で約 60 bar の圧力が必要であり、臨界温度での臨界圧力は約 73.7 bar です。液体の二酸化炭素は圧力瓶で取引されます。

化学的性質

水に溶解した二酸化炭素は、炭酸、H₂ を形成します。 CO₃ しかし、二酸化炭素の 99% 以上は物理的に溶解しているだけです。炭酸自体は、その解離生成物（種）重炭酸塩（「重炭酸塩」、HCO₃）と平衡にある ) および炭酸塩 (CO₃ )、pH 値に依存する互いに比例しています。解離中に形成されたオキソニウムイオン (H、実際には H₃ O) 塩基に水酸化物イオン (OH) を加えることで、割合が炭酸イオンにシフトします。

使い方

ドライアイスが昇華すると、冷たい CO₂ から白い霧が形成されます -ステージ技術の効果として以前に使用された空気の混合と凝縮湿度。たとえば、今日では、液体 CO₂ を使用する通常のエバポレーター フォグ マシン用のフォグ冷却アタッチメントがあります。

多くの飲み物には二酸化炭素が含まれており、飲んだときにさわやかな効果が得られます。発酵によって生成される飲み物（ビール、スパークリングワイン）、人工的に添加される飲み物（レモネード、ソーダ水）、または二酸化炭素を含む天然のミネラルウォーターが使用される飲み物があります.食品添加物として、E 290 の指定があります。製造中、二酸化炭素が高圧下で飲み物に送り込まれ、その約 0.2% が水と反応して炭酸を形成します。その大部分は水に気体として溶解します。容器を開けたときに圧力が下がると、核生成が起こり、余分な溶存ガスが気泡となって上昇します。飲むと舌の上で泡が立ち、炭酸の酸味が味蕾を刺激し、爽快感をもたらします。

二酸化炭素は、火元から酸素を追い出すため、消火器にも使用されます (も参照 CO2 消火器、消火、消火剤)

二酸化炭素は温室で肥料として使用されます。その理由は、光合成消費によって生成される CO₂ です。 - 植物の CO₂ が原因で、特に換気が閉鎖された冬には、新鮮な空気の供給が不十分になります。 基本物質として必要です。二酸化炭素は、純粋なガス (比較的高価) として直接導入されるか、プロパンまたは天然ガスからの燃焼生成物 (施肥と加熱の組み合わせ) として導入されます。収量の増加の可能性は、CO₂ の不足がどれほど深刻かによって異なります 植物への光の供給がどれほど強いか。二酸化炭素は、水生植物の肥料として水産にも使用されます (CO₂ -ディフューザー)。 CO₂ - 水中の含有量を増やすことができます (呼吸ですが、酸素含有量が犠牲になります)。 (こちらもご覧ください: 二酸化炭素施肥)

超臨界二酸化炭素は、非極性物質に対する溶解度が高く、有毒な有機溶媒を置き換えることができます。カフェインなどの天然物質を抽出するための抽出剤として使用されます (カフェインを含まない 脱カフェインによるコーヒー)、例えば半導体産業のウェーハや最近ではテキスタイル (ドライクリーニング) の洗浄と脱脂のための溶剤として。現在、超臨界二酸化炭素をファインケミカルの製造（香料の製造など）の反応媒体として使用するための集中的な研究が行われています。これは、単離された酵素が多くの場合、それらの中で活性を保ち、溶媒残留物がないためです（有機溶媒とは対照的に）。製品に残ります。

二酸化炭素は、R744 または R-744 の名称で、車両および定置用空調システム、産業用冷凍技術、スーパーマーケットおよび輸送用冷凍、自動販売機で冷媒として使用されています。それは、大きな体積冷凍能力 (所定の体積でより高い効率)、高い環境適合性 (現在使用されている冷媒と比較した地球温暖化係数、kg あたり約 1/1000、オゾン破壊の可能性なし、産業廃棄ガスからの回収) を備えています。温水ポンプや車両ヒーターと同じように熱サイクルでも使用できます。

二酸化炭素は、溶接技術の保護ガスとしても使用されます。純粋な形で、またはアルゴンやヘリウムへの添加剤として使用されることがよくあります。二酸化炭素は高温では熱力学的に不安定であるため、不活性ガスではなく活性ガスと呼ばれます。

CO₂ 下剤（座薬）にも使用されます。坐剤が溶解する際の化学反応により、CO₂ 解放されて腸が引き伸ばされ、腸反射が引き起こされます。

ますます、CO₂ 高純度の表面を作成するために、自動ブラスト プロセスと組み合わせて使用​​されます。機械的、熱的、化学的特性の組み合わせにより、CO₂ -雪は、残留物を残さずにさまざまな表面汚染物質を取り除きます。

いわゆるCO₂で -最近では、屠殺前に豚を気絶させる施設も使用されています。これを行うために、少なくとも 90% の CO₂ を含む穴にパタノスター リフトでグループごとに降ろされます。 意識を失います。

CO₂ 大気中および温室効果

主な記事:温室効果

二酸化炭素は熱放射 (赤外線放射) の一部を吸収しますが、短波放射は吸収します。 H.太陽放射のほとんどは、通過できます。この性質により、二酸化炭素はいわゆる温室効果ガスになります。メタンとオゾンの特定の効率はより高いが、水蒸気の次に、二酸化炭素はその割合の点で温室効果ガスの中で最も強力である.すべての温室効果ガスが一緒になって、地球表面の平均気温を約 -18 °C から +15 °C に上昇させます (自然の温室効果)。二酸化炭素は、この全体的な影響の約 9 ～ 26% を占めているため、地球上の住みやすい気候に大きく関与しています。

CO₂ -地球の大気中の割合は、地球の歴史の中でかなりの変動を受けてきました。これには、さまざまな生物学的、化学的、物理的な原因があります。しかし、少なくとも 650,000 年間、この割合は常に 280 ppm 未満でした。 CO₂ 過去 10,000 年間の濃度は 280 ppm で比較的一定に保たれています。したがって、二酸化炭素循環のバランスは、この時期にほぼ均衡​​していました。 19 世紀に工業化が始まると、CO₂ は増加しました 大気中の割合は、これまでのところ (2006 年) 381 ppm であり、増加しています。現在、年間平均 1.5 ～ 2 ppm ずつ増加しています。

この増加は、人為的要因によるものです。 H.人工、CO₂ - 年間約 36.3 Gt または約 9.9 Gt の炭素 (化石燃料の燃焼による 8.4 GtC および土地利用による 1.5 ± 0.5 GtC) の排出。これは、主に天然資源に由来する年間約 550 Gt CO₂ の二酸化炭素のごく一部にすぎません。 または 150 Gt カーボン アウトしますが、天然の CO₂ のバランスにより純流入を引き起こします サイクルはゼロです。人為起源の CO₂ - 排出は、天然の二酸化炭素吸収源によって部分的に吸収されるため、人為起源の二酸化炭素の約 45% のみが大気中に蓄積されます。

大多数の科学者は、人間が引き起こした大気中の温室効果ガスの増加が、地球温暖化につながる人為的な温室効果に寄与していると信じています。 CO₂ は温暖化に大きく貢献します 、化石燃料の石油、天然ガス、石炭の燃焼によって放出されますが、バイオマスとそれに由来する燃料の燃焼は残りのCO₂のみを放出します -以前に光合成によって結合された量を放出します。地球温暖化の影響は、気候保護を通じて軽減する必要があります。

一般に、統計的に有意な気候変動があり、その原因の 1 つが大気中の二酸化炭素濃度の増加であることが、少なくとも 1990 年代から科学によって認識されてきました。この疑惑は、当初はより大きな不確実性に関連していましたが、研究の過程で、また地球温暖化に関する激しい論争の後、ますます実証され、現在では大部分が科学的コンセンサスになっています.観測された気温データは、温室効果ガスを考慮せずに説明することはできません.

生理学的影響と危険性

CO₂ -空気中の濃度 (Vol%) と人体への影響:

• 0.038%:現在の空気中濃度
• 0.15%:衛生的な室内空気ガイドライン 新鮮な空気のために
• 0.3%:MIC レベルを下回ると、長時間の曝露による健康上の懸念はありません
• 0.5% (9 g/m³):1 日 8 時間の曝露に対する TLV
• 1.5%:呼吸時間量が 40% 以上増加します。
• 4%:呼気
• 5%:頭痛、めまい、意識消失の発生
• 8%:意識不明、30～60 分後に死亡

CO₂ による事故は繰り返されています .ワインセラー、飼料サイロ、井戸、浄化槽では、発酵プロセスの結果、かなりの量の CO₂ が蓄積する可能性があります。 形。 1 リットルのマストの発酵中に、最大 50 リットルの発酵ガスが生成されます。適切な換気が提供されない場合、CO の密度が高くなるため、危険なレベルが形成されます。 空気と比較して、特に地面近く (二酸化炭素の湖) ）。

動物や人間への直接的な悪影響は、個々のケースでの空気中の酸素の置換に基づいている可能性があります。人気のビュー、CO₂ それ自体は無害であり、生命に必要な酸素を置換することによってのみ機能しますが、間違っています.したがって、古いろうそくテスト 危険な酸素不足の検出には役立ちません。空気の移動による (O₂ の低下) 分圧を 130 mbar 未満に）、より重い二酸化炭素のために さらに CO₂ の有害な影響について 酸素不足による窒息の原因にもなります。

CO₂ が血液に溶解 生理的（自然）でわずかに増加した濃度で脳の呼吸中枢を活性化しますが、大幅に高い濃度では、反射呼吸刺激（呼吸抑制、呼吸停止）の減少または排除さえも引き起こします。これらの影響は、窒息よりもはるかに速く発生します。

約 5% の CO₂ から 吸入した空気の中で頭痛とめまいが起こり、濃度が高くなると心拍数の増加 (頻脈)、血圧の上昇、息切れ、意識喪失 (いわゆる CO₂ -麻酔）。 CO₂ -濃度が 8% 以上の場合、30 ～ 60 分以内に死亡します。

さらに、二酸化炭素は血液の酸素バランスに間接的な影響を与えます。空気中または淡水に二酸化炭素が多く含まれている場合、炭酸の解離平衡によって血液中の pH 値が低下し、血液は「より酸性」になります。ヘモグロビンは、この pH の低下の影響を受けます。より低い pH では、その O₂ は減少します ・結束力。つまり、同じ O₂ で -空気中の酸素の量は、ヘモグロビンによって結合および輸送されます。この事実は、ボーア効果とハルデン効果によって説明されます。酸素が放出される組織では、CO₂ の濃度 高い (=低い pH 値、低い O₂ -結合容量)、したがって O₂ を促進します -徴収。肺では状況が逆転し、ヘモグロビンへの酸素の「負荷」が促進されます。

血液の pH 値によるこの間接的な影響は、一酸化炭素のはるかに強い毒性とは区別されなければなりません。錯化剤として、一酸化炭素は不可逆的にヘモグロビンの鉄核を覆い、赤血球中の酸素の結合を防ぎます。これは、二酸化炭素とは異なる (より効率的な) 分子メカニズムです。

何度も何度も家族全員が発酵ガス中毒の犠牲者になっています。これは、家族を救助する際に二酸化炭素を吸い込んで意識を失う人がいるからです。最初のレスポンダーは、救助しようとするときだけ自分自身を危険にさらします – 息を切らして意識不明の人を地下室から運び出すことはできません.代わりに、換気のスイッチを入れ (利用可能な場合)、緊急通報を行ってください。

CO₂ から犠牲者を救出 - 疑わしい状況 (ワインセラーなど) は、自給式呼吸器を備えた専門の緊急サービス (消防隊) によってのみ可能です。

まれに、二酸化炭素による自然災害もあります。最も有名なのは、1986 年にカメルーンのニオス湖で発生したものです。

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• 発電所のリスト (排出量)
• 海洋酸性化

参考文献

• Eike Roth:地球環境問題 - 原因と解決策 Friedmann, Munich 2004. (温室効果、その原因と人為的影響の議論を含む) ISBN 3-933431-31-X
• Pörtner:CO₂ の影響 - 海洋生物圏への侵入と温度上昇 (pdf 1.3 MB、85 ページ)
• Bauer, Kurt:鯉の池における炭酸の重要性について。オーストリアの漁業 44/1991 p.49-64

ソース