Anidride carbonica

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Anidride carbonica

Nome IUPAC
diossido di carbonio (IV)
Nomi alternativi
diossido di carbonio biossido di carbonio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	CO₂
Massa molecolare (u)	44,01
Aspetto	gas incolore
Numero CAS	124-38-9
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g·cm^-3, in c.s.)	1,98 × 10^-3
Solubilità in acqua	1,45 g/l a 293 K
Punto triplo	216.5 K (-56,6°C) 5,18 × 10⁵ Pa
Punto critico	304 K (31°C) 7,38 × 10⁶ Pa
Tensione di vapore (Pa) a 293 K	5,73 × 10⁶
Proprietà termochimiche
Δ_fH⁰ (kJ·mol^-1)	-393,5
Δ_fG⁰ (kJ·mol^-1)	-394,4
S⁰_m(J·K^-1mol^-1)	213,8
C⁰_p,m(J·K^-1mol^-1)	37,1
Indicazioni di sicurezza
Progetto composti

Il biossido di carbonio (noto anche come diossido di carbonio, mentre il termine anidride carbonica è obsoleto dalla nomenclatura IUPAC, in quanto il termine anidride è riservato ai composti organici) è un ossido acido formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È una sostanza fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali. È inoltre - dopo il vapore acqueo - il principale gas serra presente nell'atmosfera terrestre.

Indice

1 Caratteristiche principali
- 1.1 La molecola
- 1.2 Produzione del biossido di carbonio
2 Proprietà
3 Utilizzi
4 Aspetto biologico
5 Presenza in natura
- 5.1 Atmosfera
- 5.2 Oceani
6 Storia
7 Cattura e sequestro (Carbon Capture & Sequestration - CCS)
8 Note
9 Collegamenti esterni
10 Altri progetti

[modifica] Caratteristiche principali

A temperatura e pressione ambiente è un gas incolore e inodore. La sua formula chimica è C O₂. Allo stato solido è comunemente chiamato "ghiaccio secco", ed ha numerose applicazioni in questa forma. Sublima ad una temperatura di -78ºC.

[modifica] La molecola

La molecola del biossido di carbonio è lineare; ognuno dei due atomi di ossigeno è legato tramite un legame covalente doppio all'atomo di carbonio (<O=C=O>, dove con < e > si indicano 4 doppietti elettronici di non legame). L'angolo di legame di 180° neutralizza i due momenti dipolari opposti di ciascun doppio legame C=O, quindi la molecola risulta essere globalmente apolare.
Il carbonio ha numero di ossidazione +4, si trova quindi al suo massimo stato di ossidazione possibile. Di conseguenza, il biossido di carbonio non è infiammabile e dal punto di vista chimico è relativamente inerte.

[modifica] Produzione del biossido di carbonio

Il biossido di carbonio è il risultato della combustione di un composto organico in presenza di una quantità di ossigeno sufficiente a completarne l'ossidazione. In natura, viene anche prodotta da batteri aerobici durante il processo della fermentazione alcolica ed è il sottoprodotto della respirazione.

Le piante lo utilizzano per la fotosintesi che, combinandolo con l'acqua e per azione della luce solare e della clorofilla, lo trasforma in glucosio liberando ossigeno come sottoprodotto.

Il biossido di carbonio viene prodotto principalmente da 6 processi: ^[1]

Come prodotto secondario da impianti di produzione di ammoniaca e idrogeno, in cui il metano è convertito in biossido di carbonio;
Da combustione di carburanti carboniosi;
Come sottoprodotto della fermentazione;
Da decomposizione termica di CaCO₃;
Come sottoprodotto della produzione di fosfato di sodio;
Direttamente dai pozzi naturali di biossido di carbonio.

[modifica] Proprietà

Diagramma di stato dell'anidride carbonica. Si noti l'equilibrio solido-gas che si instaura a bassi valori di pressione.

Il biossido di carbonio è un gas incolore e inodore; non è tossico in sé, ma non è respirabile e quindi può provocare la morte per asfissia.

Respirare un'atmosfera particolarmente ricca di CO₂ produce un sapore acidulo in bocca ed un senso di irritazione nel naso e nella gola; ciò è dovuto al suo reagire con l'acqua per formare acido carbonico.

La densità del biossido di carbonio a temperatura e pressione ambiente è circa una volta e mezzo quella dell'aria; tende quindi a stratificare sul fondo degli ambienti chiusi e non ventilati. In fase solida, a temperature superiori a -78 °C e a pressione ambiente, non liquefa, ma sublima. Il biossido di carbonio solido è noto anche come ghiaccio secco. Il biossido di carbonio può essere però liquefatto sottoponendolo ad alte pressioni a temperatura inferiore ai 31°C.

A pressione ambiente, l'acqua è in grado di assorbire un volume circa uguale di biossido di carbonio ed ancora di più sotto pressione. Circa l'1% del biossido di carbonio assorbito si converte in acido carbonico, un acido debole, il quale a sua volta si dissocia in ioni idrossonio, ioni idrogenocarbonato e ioni carbonato.

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

Chimicamente, è un reagente elettrofilo. Reagisce con i reattivi di Grignard e con altri composti organometallici a dare i corrispondenti acidi carbossilici

R-Mg-X + CO₂ → R-COO-MgX → R-COOH

Reagisce inoltre con il fenolo nella reazione di Kolbe a dare l'acido 2-idrossibenzoico, ossia l'acido salicilico, il precursore dell'aspirina.

[modifica] Utilizzi

Il biossido di carbonio solido, ossia il ghiaccio secco, viene usato per raffreddare e negli effetti speciali per creare la nebbia. Viene prodotto comprimendo il biossido di carbonio fino a farlo liquefare, quindi raffreddandolo e lasciandolo espandere velocemente. L'espansione causa una rapida caduta della temperatura che lo fa ghiacciare in cristalli simili a neve, che vengono quindi compressi.

In un'atmosfera di biossido di carbonio il fuoco si spegne, per questo alcuni tipi di estintore contengono biossido di carbonio liquido sotto pressione a 250 atmosfere. Anche i giubbotti salvagente spesso contengono capsule di biossido di carbonio liquido, usate per ottenere un rapido gonfiaggio in caso di emergenza.

Le acque minerali frizzanti e le bibite gassate devono la loro effervescenza all'aggiunta di biossido di carbonio. Alcune bibite, tra cui la birra ed i vini frizzanti contengono biossido di carbonio come conseguenza della fermentazione che hanno subito.

Ancora, è il biossido di carbonio che fa lievitare gli impasti; molti lieviti, naturali o chimici, sviluppano biossido di carbonio per fermentazione o per reazione chimica.

Biossido di carbonio ed acqua sono le materie prime della fotosintesi; spesso l'aria all'interno delle serre è arricchita di biossido di carbonio per stimolare la crescita delle piante; inoltre un'atmosfera contenente circa l'1% di biossido di carbonio risulta letale per molti parassiti.

IL biossido di carbonio è utilizzato come fluido refrigerante in impianti di refrigerazione e di condizionamento a basso impatto ambientale. L'utilizzo della CO₂ come fluido refrigerante è soggetto a condizioni particolari poiché si realizza un ciclo transcritico.

Infine, il biossido di carbonio è impiegato in alcuni tipi di laser industriali.

Tra gli additivi alimentari è identificato dalla sigla E 290.

[modifica] Aspetto biologico

Il biossido di carbonio è un prodotto di rifiuto degli organismi che ottengono l'energia dall'ossidazione degli zuccheri o dei grassi, sistema di reazioni che fa parte del loro metabolismo, in un processo chiamato respirazione cellulare. Quest'ultimo è proprio di piante, animali, molti funghi e alcuni batteri. Negli animali superiori, il biossido di carbonio si muove nel sangue (in soluzione) andando dai tessuti del corpo ai polmoni, dove viene espirato.

Il biossido di carbonio nell'aria è presente in quantità dello 0,03% circa, mentre nell'aria esalata dopo un respiro è circa il 4,5%. Un'atmosfera che contiene oltre il 5% di biossido di carbonio è tossica per gli esseri umani e per gli animali, dato che va a saturare l'emoglobina del sangue impedendole di legarsi all'ossigeno e bloccando quindi l'ossigenazione dei tessuti. Sia quando viene usato in forma gassosa, sia quando viene usato come ghiaccio secco, il biossido di carbonio va maneggiato in spazi ben areati.

I limiti fissati dall'OSHA (l'agenzia statunitense per la sicurezza sui luoghi di lavoro) per la concentrazione di biossido di carbonio sul posto di lavoro sono lo 0,05% (500 ppm) per un'esposizione continua e lo 0,3% per un'esposizione breve (fino a dieci minuti). Concentrazioni superiori allo 0,4% sono considerate immediatamente pericolose per la vita e la salute. Persone che respirano un'aria contenente lo 0,5% (5000 ppm) di biossido di carbonio per più di mezz'ora mostrano i sintomi di un'ipercapnia acuta.
Il biossido di carbonio è comunque molto meno tossico dell'ossido di carbonio, CO, che produce incoscienza nel giro di pochi minuti e la possibilità di danni irreversibili e morte in breve tempo.

La maggior parte del biossido di carbonio presente nel sangue (il 72%) è presente in forma di ione idrogenocarbonato, HCO₃^-, dove funge da tampone per la regolazione del pH sanguigno. Il livello ottimale dello ione idrogenocarbonato è mantenuto attraverso la frequenza del respiro e la contrazione o la dilatazione dei vasi sanguigni e delle vie polmonari.

Esposte alla luce, le piante assorbono biossido di carbonio dall'atmosfera attraverso la fotosintesi, tramite il quale biossido di carbonio ed acqua vengono convertiti in glucosio e ossigeno. In assenza di luce, anche le piante emettono biossido di carbonio in conseguenza della respirazione cellulare.

[modifica] Presenza in natura

[modifica] Atmosfera

Attualmente (2008), il contenuto di biossido di carbonio nell'atmosfera terrestre è circa dello 0,038% (o 380 ppm) in volume^{[citazione necessaria]}. Per via della maggiore estensione delle terre emerse e quindi della maggiore superficie occupata da vegetazione, nell'emisfero nord della Terra si osserva una fluttuazione della concentrazione di biossido di carbonio di circa 5 ppm nell'arco dell'anno, che raggiunge il suo massimo a maggio ed il suo minimo ad ottobre, al termine della stagione vegetativa dell'emisfero nord, quando la biomassa vegetale del pianeta è al suo valore massimo.

Nonostante la sua piccola concentrazione, la CO₂ è un componente fondamentale dell'atmosfera terrestre perché - insieme al vapore acqueo ed al metano - intrappola la radiazione infrarossa della luce solare riflettendola nuovamente verso la superficie terrestre (il cosiddetto effetto serra) impedendo alla Terra di raffreddarsi. Sono stati i vulcani le prime fonti di biossido di carbonio atmosferico della Terra neonata, grazie ad essa si è potuto instaurare un clima favorevole allo sviluppo della vita. Oggi i vulcani rilasciano in atmosfera circa 130 - 230 milioni di tonnellate di biossido di carbonio ogni anno, ma questa quantità rappresenta solo l'1% della quantità di biossido di carbonio totale liberata in atmosfera dalle attività umane, che è pari a 50 000 tonnellate al minuto.

Si stima che la concentrazione atmosferica di biossido di carbonio sia aumentata del 35% dai tempi della rivoluzione industriale e del 20% dal 1958. La combustione dei combustibili fossili (carbone, petrolio) è accusata di essere la principale causa di questo aumento, la deforestazione è la seconda.

L'ipotesi del riscaldamento globale compare nella letteratura scientifica per la prima volta alla fine del XIX secolo. L'aumento della quantità di anidride carbonica nell'atmosfera va ad incrementare l'effetto serra e contribuisce quindi ad un rapido riscaldamento del pianeta al quale gli ecosistemi non hanno il tempo necessario per adattarsi. L'entità di questo effetto è ancora in discussione, ma la diffusissima convinzione che stiamo in effetti attraversando una fase di riscaldamento generalizzato del clima terrestre ha portato molti paesi del mondo a siglare il protocollo di Kyōto, un accordo in cui le nazioni si impegnano a limitare e ridurre le emissioni di biossido di carbonio.

Negli ultimi anni, però, con l'aumento dei dati raccolti, soprattutto grazie a carotaggi nei ghiacci, vi sono numerosi pareri, anche molto autorevoli, fortemente critici verso questa teoria.

[modifica] Oceani

Gli oceani della Terra contengono quantità enormi di anidride carbonica sotto forma di ioni bicarbonato e carbonato, più di quanta ce ne sia nell'atmosfera. Lo ione idrogenocarbonato viene prodotto per azione del biossido di carbonio libero sulle rocce calcaree - un esempio è la reazione di dissoluzione del carbonato di calcio:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇄ Ca²⁺ + 2 HCO₃^-

È attraverso reazioni come questa che gli oceani vanno a tamponare le variazioni di concentrazione del biossido di carbonio nell'atmosfera; la reazione è infatti reversibile. Per centinaia di milioni di anni questo processo ha prodotto enormi quantità di rocce costituite da carbonati che sono andati a depositarsi sui fondali marini.

Con l'aumentare della concentrazione del biossido di carbonio nell'atmosfera, aumenta la quantità di ioni idrogenocarbonato presente nelle acque marine con conseguente abbassamento del pH. Si ritiene che gli aumenti di temperatura ed acidità siano all'origine della moria delle barriere coralline osservata negli ultimi anni in numerose zone tropicali del pianeta.

[modifica] Storia

Il comportamento del biossido di carbonio fu descritto per la prima volta dal chimico Jan Baptist van Helmont nel XVII secolo.

[modifica] Cattura e sequestro (Carbon Capture & Sequestration - CCS)

Il principale metodo per smaltire enormi quantità di biossido di carbonio è la fotosintesi clorofilliana svolta dai vegetali: questo processo coinvolge luce, biossido di carbonio ed acqua trasformandoli in ossigeno e glucosio; consiste quindi nel piantare e/o preservare foreste. Questo è il modo più semplice, economico e spontaneo, che praticamente avviene naturalmente sul nostro pianeta da quando esistono i vegetali.

Sono allo studio metodi artificiali per catturare la CO₂ al fine di contrastare l'innalzamento della concentrazione di questo gas serra. In tal caso la cattura del biossido di carbonio si ha nei siti ove viene prodotta in grande quantità: fumi di combustione (es. centrali termoelettriche a carbone o a gas) o da residui di raffinazione; il "sequestro" consiste nell'iniezione nel sottosuolo ove l'anidride carbonica può rimanere segregata grazie a diversi meccanismi chimico-fisici.

A oggi esistono tre principali siti di sperimentazione di sequestro geologico, tutti legati all'industria petrolifera: Weyburn in Canada, In Salah in Algeria e Sleipner nell'offshore norvegese. La quantità di biossido di carbonio sequestrato da questi progetti è dell'ordine del milione di tonnellate all'anno, in realtà una quantità molto modesta. Sleipner è in funzione dal 1995. Questi metodi formalmente non smaltiscono il biossido di carbonio ma prevedono il suo stoccaggio in sacche sotterranee che dovrebbero trattenere la molecola per migliaia di anni.^[2]