کربن دی اکسید یکی از فراوان‌ترین مواد و مولکول‌های موجود در طبیعت است و یکی از اجزای گاز‌های گلخانه‌ای به حساب می‌آید. این گاز به ادامه زندگی بسیاری از گیاهان و جانوران کمک می‌کند و منابع طبیعی وغیرطبیعی بسیاری برای تولید این گاز وجود دارد. افزایش غلظت گاز کربن دی اکسید در اتمسفر زمین، یکی از دلایل بالا رفتن دمای زمین و تغییرات اقلیمی است. با تنفس انسان‌ها و حیوانات، کربن دی اکسید از راه تنفس خارج می‌شود.

نام‌های دیگر کربن دی اکسید، کربنیک انیدرید، دی اکسید کربن، یخ خشک و گاز کربنیک اسید هستند.

یخ خشک

در قسمت قبل آموختیم گاز کربن دی اکسید چیست. کربن دی اکسید در شرایط اتمسفری نرمال، به صورت مایع وجود ندارد. کربن دی اکسید جامد که با نام یخ خشک شناخته می‌شود، در دمای ۷۸٫۵- درجه سانتی گراد تصعید می‌شود. این ماده بیشتر برای سرمایش مواد غذایی یا نگه‌داری نمونه‌های بیولوژیک استفاده می‌شود.

هنگامی که یخ خشک در آب قرار می‌گیرد، فرآیند تصعید آن سرعت می‌گیرد و ابری از مه کربن دی اکسید سنگین ایجاد می‌کند که بیشتر در سطح نزدیک به زمین باقی می‌ماند. از این ویژگی در دستگاه‌های تولید مه مصنوعی در تئاتر‌ها و اجراهای مختلف استفاده می‌شود. مه تولید شده بر اثر یخ خشک برخلاف دیگر دستگاه‌های تولید مه مصنوعی بیشتر در نزدیکی زمین باقی می‌ماند.

کربن دی اکسید فوق بحرانی

همانطور که قبلا اشاره شد، کربن دی اکسید، در دما و فشار استاندارد معمولا به شکل گاز وجود دارد و با یخ زدن به فرم جامد تبدیل می‌شود. اما اگر دما و فشار هر دو از شرایط استاندارد (۲۵ درجه سانتی‌گراد و یک اتمسفر) بالاتر بروند و به نقطه بحرانی این ماده برسند، کربن دی اکسید خواصی بین حالت حامد و مایع از خود نشان می‌دهد.

کربن دی اکسید فوق بحرانی یکی از مهم‌ترین حلال‌هایی است که در صنایع مختلف استفاده می‌شود. این ماده سمیت کمی دارد و کمتر بر محیط زیست اثر می‌گذارد. به همین دلیل این حلال، حلالی دوست‌دار محیط زیست معرفی می‌شود. یکی از بزرگ‌ترین کاربرد‌های کربن دی اکسید فوق بحرانی، از بین بردن کافئین موجود در قهوه است. در این کاربرد، پسماندی باقی نمی‌ماند و به راحتی کافئین موجود در نوشیدنی‌ها جداسازی می‌شود.

پیوند‌های کربن دی اکسید

شناخت پیوند شیمیایی بین اتم‌های هرمولکول یکی از مهم‌ترین قدم‌ها برای شناسایی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مواد و پیش‌بینی واکنش‌هایی است که در آن‌ها شرکت می‌کنند. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بیشتر پیوندهای شیمیایی، فیلم آموزش پیوند شیمیایی فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

یادگیری علوم هفتم با فرادرس

در قسمت قبل آموختیم کربن دی اکسید چیست. کربن دی اکسید یکی از مهم‌ترین گاز‌های موجود در زمین است که باعث می‌شود گیاهان و جانوران بتوانند به حیات خود ادامه دهند. برای یادگیری اهمیت کربن دی اکسید در زندگی باید با مفاهیمی چون اتم‌ها، چرخه آب، انرژی و … آشنا شوید. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری این مباعث و مفاهیم، به مجموعه آموزش دروس هفتم، بخش علوم مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین با مشاهده فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه مواد شیمیایی دسترسی داشته باشید.

تاریخچه کربن دی اکسید

در قسمت قبل آموختیم کربن دی اکسید چیست. کربن دی اکسید ابتدا توسط جان هلمونت (Jan Helmont) کشف شد. او زغال را در یک محیط بسته سوزاند و در نتیجه این کار او، خاکستر تولید شد. این خاکستر حجم و وزن بسیار کمتری از زغالی داشت که او در ابتدا سوزانده بود. اون نتیجه گرفت که وزن و حجم از دست رفته احتمالا مربوط به آزاد شدن ماده‌ای نامرئی (گاز کربن دی اکسید) باشد.

مدتی پس از آن، دانشمندی به نام ژوزف بلک (Joseph Black) کشف کرد که کربن دی اکسید چیست و  این گاز چگالی بالاتری از هوا دارد. امروزه، کربن دی اکسید به یکی از مهم‌ترین مواد موجود در طبیعت تبدیل شده است که مطالعات بسیار زیادی روی آن انجام می‌شود. فعالیت‌های انسانی باعث بالا رفتن غلظت کربن دی اکسید در زمین شده است. کربن دی اکسید یکی از مواد موجود در هوای آلوده است و یکی از دلایل افزایش دمای زمین و تغییرات اقلیمی، افزایش غلظت کربن دی اکسید است.

منابع کربن دی اکسید

کربن دی اکسید یکی از فراوان‌ترین مواد موجود در زمین است. کربن دی اکسید هم می‌تواند از منابع طبیعی به دست آید و هم می‌تواند به وسیله فرآیند‌های انسانی و مصنوعی تولید شود. در ادامه، بررسی می‌کنیم منابع طبیعی و غیرطبیعی تولید کربن دی اکسید چیست.

منابع طبیعی

کربن دی اکسید طبیعی بیشترین مقدار کربن دی اکسید موجود در اتمسفر را تولید می‌کند. دریا‌ها و اقیانوس‌ها بزرگ‌ترین منبع تولید کننده کربن دی اکسید اتمسفر هستند. باقی منابع طبیعی کربن دی اکسید، تنفس گیاهان و حیوانات و انسان‌ها، تجزیه مواد آلی، آتش‌سوزی جنگل‌ها و انتشارات حاصل از فوران آتش فشان‌ها هستند.

همچنین، مقادیری کربن دی اکسید در تشکیل لایه‌های پوسته زمین نیز یافت می‌شود.

منابع مصنوعی

منابع مصنوعی کربن دی اکسید به منابعی گفته میشود که حاصل از فعالیت‌های انسانی هستند. این منابع کربن دی اکسید شامل فعالیت‌هایی مانند تولید انرژی، حمل و نقل، انتشارات صنعتی، تولیدات شیمیایی، تولید نفت و بنزین و فعالیت‌های کشاورزی هستند. بسیاری از این منابع از سوخت‌های فسیلی در فرآیندهای خود استفاده می‌کنند و کربن دی اکسید را به عنوان فرآورده سوختن این سوخت‌ها آزاد می‌کنند. از بین این منابع، تولید انرژی الکتریکی بزرگ‌ترین منبع تولید کربن دی اکسید در دسته صنایع مصنوعی است.

اهمیت کربن دی اکسید

حال که تاریخچه کربن دی اکسید را آموختیم، باید بدانیم اهمیت گاز کربن دی اکسید چیست. کربن دی اکسید یکی از مهم‌ترین مواد برای ادامه‌ی حیات گیاهی و جانوری روی زمین است. این گاز یکی از مواد چرخه‌ی کربن است که در آن، عنصر کربن بین خاک، اقیانوس‌ها، سنگ‌ها و بیوسفر زمین منتقل می‌شود.

بدن انسان به شکل طبیعی در هر روز حدود ۱ کیلوگرم کربن دی اکسید تولید می‌کند. بیشتر این کربن دی اکسید به یون‌های بی‌کربنات تولید شده و قسمتی از آن به پلاسمای خون می‌رود یا با هموگلوبین پیوند بر قرار می‌کند.

موجودات موجود در بیوسفر زمین مانند گیاهان می‌توانند به کمک کربن دی اکسید و نور خورشید موادی به نام کربوهیدرات‌ها را تولید کنند. کربوهیدرات‌ها یکی از مهم‌ترین منابع انرژی برای بسیاری از فرآیندهای موجود در زمین است. کربن دی اکسید به عنوان یک فرآورده جانبی از فرآیند تجزیه مواد آلی و همچنین تخمیر شکر به وجود می‌آید. این ماده انرژی‌ای را که به شکل پرتو نور خورشید به زمین می‌آید، جذب می‌کند. بسیاری از مواد غذایی مانند پروتئین‌ها، لیپید‌ها، کربوهیدات‌ها و نوکلئیک اسید‌ها کربن را به عنوان یکی از اجزای اصلی خود دارند.

کربن دی اکسید و محیط زیست

پروتئین‌ها، لیپید‌ها و نوکلئیک اسید‌ها و کربوهیدرات‌ها همگی در ساختار خود عنصر کربن دارند. ساختار شیمیایی و مولکولی اتم کربن به آن این امکان را می‌دهد که با بسیاری از اتم‌های دیگر پیوند برقرار کند و مواد متفاوتی را تولید کند. چرخه کربن نشان می‌دهد که کربن چگونه از اجزای زنده و غیرزنده موجود در زمین عبور می‌کند.

کربن دی اکسید یکی از مهم‌ترین گاز‌های گلخانه‌ای موجود است که به وسیله فعالیت‌های انسانی تولید می‌شود. همچنین، فرآیند‌هایی مانند فتوسنتز و تنفس سلولی که عامل حیات جانوران و گیاهان هستند، به کربن دی اکسید نیاز دارند. کربن دی اکسید و آب در این فرآیند‌ها توسط گیاهان به مواد مغذی مانند گلوکز و اکسیژن تبدیل می‌شوند.

کربن دی اکسید یکی از مهم‌ترین مواد موجود در بدن انسان است. این ماده توسط بسیاری از بافت‌ها تولید می‌شود و در هر عضو کاری انجام می‌دهد. کربن دی اکسید در بدن انسان وظایف بسیاری دارد. برای مثال، اکسیژن را به سلول‌ها می‌رساند، اسیدیته خون را تنظیم می‌کند و بسیاری از وظایف مهم دیگر.

چرخه کربن

در قسمت قبل آموختید اهمیت کربن دی اکسید در طبیعت چیست. یکی از مهم‌ترین فرآیند‌هایی که در مطالعه کربن دی اکسید بررسی می‌شود، چرخه کربن است. چرخه کربن فرآیندی است که طی آن کربن در چرخه‌ای بین هوا، زمین، گیاهان، جانوران و سوخت‌های فسیلی جابه‌جا می‌شود. در این چرخه، انسان‌ها و جانوران اکسیژن هوا را تنفس کرده و کربن دی اکسید را به محیط انتقال می‌دهند. گیاهان کربن دی اکسید هوا را دریافت کرده و طی فرآیند فتوسنتز، اکسیژن تولید کرده و آن را به محیط باز می‌گردانند.

در قسمت قبل توضیح دادیم که کربن دی اکسید به مقادیری به طور طبیعی در هوا وجود دارد. حدود ۰٫۰۴ درصد هوا را کربن دی اکسید تشکیل داده است. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با اجزای دیگر هوا، مطلب اجزای تشکیل دهنده هوا مجله فرادرس را مطالعه کنید.

کربن دی اکسید بین اتمسفر و اقیانوس‌ها نیز می‌چرخد. این فرآیندهای طبیعی، میزان سطح طبیعی کربن دی اکسید را در محدوده نرمال نگه می‌دارد. این چرخه در مراحل زیر انجام می‌ود.

• کربن از اتمسفر به گیاهان منتقل می‌شود. طی فرآیند فتوسنتز، کربن دی اکسید از اتسفر هوا به گیاهان منتقل شده و انرژی مورد نیاز برای رشد گیاهان تامین می‌شود.
• سپس از طریق گیاهان به حیوانات منتقل می‌شود. توسط زنجیره‌های غذایی، کربنی که در ترکیبات مختلف غذایی وجود دارد، به حیوانات مختلف منتقل شده سپس توسط گیاهان و حیوانات به خاک منتقل می‌شود. با مرگ گیاهان، باقی‌مانده آن‌ها که حاوی مواد آلی است به خاک برگشته برمی‌گردد. کود‌های طبیعی نیز حاوی مواد کربن‌دار هستند و به خاک بازمی‌گردند.
• کربن توسط حیوانات و انسان‌ها از طریق تنفس و به اتمسفر بازمی‌گردد. همچنین از طریق سوختن سوخت‌های فسیلی، کربن به فرم کربن دی اکسید و سایر انتشارات حاصل از سوختن به اتمسفر باز می‌گردد.
• کربن از اتمسفر به اقیانوس‌ها و دریاها باز می‌گردد. برخی از گیاهان و جانوران درون آب نیز این کربن را دریافت می‌کنند. موجودات دریایی، کربن موجود در آب دریا را به کلسیم کربنات تبدیل می‌کنند. این ماده بیشتر در ساختار بدن موجوداتی که صدف و پوسته دارند یافت می‌شود. پس از مرگ این موجودات، کلسیم کربنات موجود در پوسته آن‌ها به سنگ‌های آهکی تبدیل شده و در نهایت سنگ‌های آهکی اگر در معرض هوا قرار بگیرند، کربن دی اکسید تولید می‌کنند.

اثر گلخانه‌ای

در قسمت‌های قبل اشاره کردیم که کربن دی اکسید یکی از گاز‌های گلخانه‌ای است. اثر گلخانه‌ای اثری است که توسط گاز‌های گلخانه‌ای ایجاد شده و زمین را گرم نگه می‌دارد. سایر گاز‌های گلخانه‌ای، متان، دی نیتروژن اکسید و بخار آب هستند.

این اثر به این دلیل نام اثر گلخانه‌ای را گرفته که این فرآیند در واقع در گلخانه‌ها برای گرم نگه داشتن محیط انجام می‌شود. در گلخانه‌ها، تشعشعات خورشیدی از لایه پلاستیکی سقف گلخانه وارد شده و محیط گلخانه را گرم می‌کند. تشعشعات حاصل از مواد و وسایل موجود در گلخانه، طول موج بیشتری دارند و نمی‌توانند از لایه شیشه‌ای یا پلاستیکی گلخانه خارج شوند و در نتیجه محیط گلخانه گرم باقی می‌ماند.

اثر گلخانه‌ای زمین نیز به همین شکل انجام می‌شود و لایه محافظ لایه‌ای است که توسط گازهای گلخانه‌ای به وجود می‌آید. نور خورشید که به زمین می‌تابد، یا از اتمسفر زمین عبور می‌کند، یا بازتاب می‌شود یا جذب می‌شود. نوری که از اتمسفر عبور می‌کند، یا توسط سطح زمین جذب می‌شود یا توسط آن بازتاب می‌شود. سطح زمین پس از جذب امواج خورشید،‌ گرم شده و امواجی با طول موج‌هایی بلند‌تر بازتاب می‌کند که برخی از این امواج از اتمسفر خارج شده و برخی دیگر توسط گاز‌های گلخانه‌ای به دام می‌افتند.

این به دام افتادن انرژی توسط گاز‌های گلخانه‌ای باعث گرم ماندن زمین می‌شوند.

مقدار کربن دی اکسید موجود در اتمسفر

از زمان شروع صنعتی شدن کشور‌ها از قرن ۱۸م میلادی تا به امروز، فعالیت‌های انسانی میزان غلظت کربن دی اکسید موجود در اتمسفر را تا ۵۰ درصد افزایش داده است. این بدین معنی است که مقدار کربن دی اکسید اتمسفر در زمان حال حدود ۱۵۰ درصد نسبت به سال ۱۷۵۰ افزایش پیدا کرده است. تصویر زیر نشان‌ می‌دهد روند انتشار کربن دی اکسید در دنیا تا به امروز چگونه بوده است.

اندازه‌گیری‌ها نشان‌ داده است که میزان کربن دی اکسید موجود در اتمسفر، در فصل‌های بهار و تابستان کمتر و در فصل‌های پاییز و زمستان بیشتر می‌شود. با وجود اینکه میزان کلی غلظت کربن دی اکسید در اتمسفر افزایش پیدا می‌کند، این چرخه فصلی هر سال مشاهده می‌شود. این پدیده به علت بیشتر بودن پوشش گیاهی در فصل‌های بهار و تابستان است.

ویژگی‌های کربن دی اکسید

تا اینجا آموختیم کربن دی اکسید چیست و چرا مهم است. در ادامه برخی ازخواص فیزیکی و شیمیایی این ماده مهم را بررسی می‌کنیم. این خواص باعث شده این ماده یکی از مهم‌ترین مواد موجود در سطح زمین باشد.

خواص فیزیکی کربن دی اکسید

خواص فیزیکی کربن دی اکسید شامل مواردی مانند چگالی، نقاط ذوب و جوش و … است. در ادامه خواص فیزیکی کربن دی اکسید توضیح داده شده‌اند.

• کربن دی اکسید در دمای اتاق گاز است و در فشار‌های پایین‌تر از ۰٫۰۵۱۷۹۵ مگاپاسکال فاز مایع نخواهد داشت.
• فرم جامد کربن دی اکسید با نام کربونیا شناخته می‌شود که با گرما دادن تولید می‌شود. همچنین، در فشار‌های بسیار بالا، دمای کربن دی اکسید بسیار پایین می‌آید.
• کربن دی اکسید گازی بدون بو و بدون رنگ است. این گاز در حجم‌های بسیار زیاد ممکن است بویی تند و اسیدی داشته باشد.
• این گاز آتش‌گیر نیست و مشتعل نمی‌شود. چگالی این گاز بیشتر از هوا است و مقدرا آن ۱٫۹۷۷ گرم بر میلی‌لیتر است.
• آب، اتانول و استون همگی در کربن دی اکسید حل می‌شوند.
• نقطه ذوب کربن دی اکسید ۵۶٫۶- درجه سانتی‌گراد و نقطه جوش آن ۷۸٫۵ درجه سانتی‌گراد است و در دماهای بسیار پایین تصعید می‌شود.
• میزان حلالیت این ماده در آب در دمای اتاق برابر ۰٫۹ درصد حجمی/حجمی است.
• کربن دی اکسید مایع دمای بسیار پایینی دارد و برای فرآیند‌هایی که نیاز به سرمایش سریع دارند استفاده می‌شود.

خواص شیمیایی کربن دی اکسید

خواص شیمیایی کربن دی اکسید مربوط به مولکوی آن است و خواصی هستند که با انجام واکنش‌های شیمیایی تغییر می‌کنند. در ادامه می‌آموزیم خواص شیمیایی کربن دی اکسید چیست.

• فرمول شیمیایی کربن دی اکسید $$CO_2$$
• کربن دی اکسید مولکولی خطی و متقارن دارد. این مولکول ناقطبی است و ممان دو قطبی آن برابر صفر است.
• کربن دی اکسید به عنوان فرآورده واکنش سوختن هیدروکربن‌ها تولید یم شود.
• مولکول‌های کربن دی اکسید در آب حل می‌شوند. میزان حلالیت کربن دی اکسید در آب با کاهش دما افزایش و با افزایش دما کاهش می‌یابد.
• جرم مولی کربن دی اکسید ۴۴٫۰۰۹۵ گرم بر مول است.
• این ماده ترکیبی کووالانسی است و از پیوند‌های دوگانه کووالانسی بین اتم‌های کربن و اکسیژن تشکیل شده است.

واکنش های کربن دی اکسید

کربن دی اکسید یکی از فراوان ترین گاز‌های وجود در زمین است که از عناصر کربن و اکسیژن تشکیل شده است. اکسیژن یکی از عناصر اصلی ترکیباتی به نام اکسید است که به وفور در زمین وجود دارند. همچنین، کربن نیز ساختمان اصلی هیدروکربن‌ها را تشکیل می‌دهد که از کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند و در زمین فراوان هستند. به همین دلیل، احتمال تشکیل و تولید کربن دی اکسید در زمین بسیار زیاد است و واکنش‌های بسیاری وجود دارند که می‌توانند کربن دی اکسید را تولید کنند.

همچنین، کربن دی اکسید به عنوان یکی از واکنش‌دهنده‌های واکنش‌هایی که نیازمند انرژی هستند مانند سوخت مواد غذایی در بدن استفاده می‌شود. از این گاز، انرژی بسیاری از واکنش‌ها مانند تنفس گیاهان و … تولید می‌شود. در ادامه، برخی از واکنش‌های کربن دی اکسید را بررسی می‌کنیم.

فتوسنتز

گیاهان، کربن دی اکسید و آب را از آب و خاک دریافت کرده و طی فرآیند فتوسنتز ، اکسیژن تولید می‌کنند. این واکنش یک واکنش اکسایش کاهش است. آب در سلول‌های گیاه اکسید شده و الکترون از دست می‌دهد و کربن دی اکسید کاهش می‌یابد و الکترون دریافت می‌کند. واکنش فتوسنتز به شکل زیر است.

$$6 CO_2 + 6 H_2O + text{light energy} rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6 O_2$$

آب به اکسیژن تبدیل می‌شود و کربن دی اکسید به گلوکز تبدیل می‌شود. سپس گیاه، اکسیژن تولید شده را رها می‌سازد . مولکول گلوکز تولید شده را ذخیره می‌کند. در این واکنش، نور خورشید طی واکش و برای انجام شدن واکنش دریافت می‌شود. در واقع، نور دریافت شده در این واکنش یک کاتالیزور است که انجام شدن واکنش را ممکن می‌سازد.

واکنش شناسایی هیدروکسید فلزی

از کربن دی اکسید برای شناسایی و تشخصیص وجود نمک‌های هیدروکسید در محلول‌ها و مواد مختلف استفاده می‌شود. برای مثال، اگر کربن دی اکسید را از محلول آبی کلسیم هیدروکسید عبور دهیم، یک رسوب سفیدرنگ تولید میکند. ماده سفید تولید شده در واقع همان کلسیم کربنات است. فرمول شیمیایی این واکنش به شکل زیر نوشته می‌شود.

$$Ca(OH)_2 (aq) + CO_2 (aq) rightarrow CaCO_3 (s) + H_2O (l)$$

تولید کربنیک اسید

همانطور که در قسمت‌های قبل اشاره شد، کربن دی اکسید تا مقادیر ناچیزی در آب حل می‌شود. طبق این واکنش، اسید ضعیف کربنیک اسید تولید می‌شود. معادله واکنش کربن دی اکسید با آب به شکل زیر است و محلول کربن دی اکسید در آب خاصیت اسیدی دارد. pH این محلول حدود ۵٫۵ است.

$$CO_2 + H_2O rightarrow H_2CO_3$$

تولید کربن مونوکسید

کربن مونوکسید یکی از موادی است که از تجزیه کربن دی اکسید به اکسیژن و کربن مونوکسید به وجود می‌آید. این فرآیند در دمای بالای ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد به وجود می‌آید. همچنین، تولید کربن مونوکسید از طریق واکنش سوختن ناقص سوخت‌های هیدروکربنی نیز انجام می‌شود.

$$text{CO}_2 rightleftharpoons text{CO} + frac{1}{2} text{O}_2$$

$$text{C}_xtext{H}_y + O_2 rightarrow CO + H_2O$$

تولید اوره

اوره یکی از مهم‌ترین موادی است که در تولید آفت‌کش‌ها و پلاستیک‌ها استفاده می‌شود. اگر آمونیاک با کربن دی اکسید وارد واکنش شود، ماده‌ای به نام آمونیوم کاربامات تولید می‌شود و سپس اوره تولید می‌شود.

$$text{2 NH}_3 + text{CO}_2 rightarrow text{NH}_2text{CONH}_2 + text{H}_2text{O}$$

تولید کربن دی اکسید

همانطور که در قسمت‌های قبل توضیح داده شد، روش‌های زیادی برای تولید کربن دی اکسید وجود دارد و این مولکول به عنوان فراورده بسیاری از واکنش‌ها از جمله واکنش‌های سوختن هیدروکربن‌ها تولید می‌شود. واکنش‌های زیر، برخی از مهم‌ترین واکنش‌های تولید کربن دی اکسید هستند.

تقطیر هوا

یکی از روش‌های تولید کربن دی اکسید، جداسازی کربن دی اکسید از اجزای تشکیل دهنده هوا است. هرچند این روش بازده بالایی ندارد و روش به‌صرفه‌ای نیست.

تجزیه سنگ آهک

یکی از روش‌های تولید کربن دی اکسید، واکنش تجزیه سنگ آهک (کلسیم کربنات) است. در این روش، کلسیم کربنات تا دمای بالایی برای انجام واکنش حرارت داده می‌شود. معادله شیمیایی این واکنش به شکل زیر است.

$$CaCO_3 (s) rightarrow CaO (s) + CO_2 (g)$$

تخمیر شکر

یکی از روش‌های تولید کربن دی اکسید، تخمیر شکر است. انواع قندها در مواد غذایی وجود دارند که با گرما و هوای موجود در اطراف آن ممکن است تخمیر شوند. معادله این واکنش به شکل زیر است.

$$C_6H_{12}O_6 (aq) rightarrow 2 C_2H_5OH (aq) + 2 CO_2 (g)$$

اکسیداسیون اسید چرب

ارگانیسم‌های هوازی با اکسید کربن اسید‌های چرب، پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها می‌تواند کربن دی اکسید تولید کنند. مثال‌هایی از این واکنش‌های شیمیایی در ادامه آورده شده است.

$$C_6H_{12}O_6 + 6 O_2 rightarrow 6 CO_2 + 6 H_2O$$

$$C_{16}H_{32}O_2 + 23 O_2 rightarrow 16 CO_2 + 16 H_2O$$

$$text{Amino Acid} + O_2 rightarrow text{Urea} + CO_2 + H_2O$$

سوختن هیدروکربن‌ها

یکی از مهم‌ترین منابع تولید کربن دی اکسید، واکنش سوختن هیدروکربن‌ها است. هیدروکربن به موادی گفته می‌شود که از عناصر کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند. این مواد در زمین بسیار فراوان هستند و معمولا به عنوان سوخت استفاده می‌شوند. برخی از واکنش‌های سوختن هیدروکربن‌ها در ادامه نوشته شده است. در این واکنش‌ها، کربن موجود در هیدروکربن‌ها با اکسیژن هوا مخلوط شده و کربن دی اکسید و آب تولید می‌کند.

سوختن متان: $$text{CH}_4 + 2text{O}_2 rightarrow text{CO}_2 + 2text{H}_2text{O}$$

سوختن بنزین: $$text{2C}_8text{H}_{18} + 25text{O}_2 rightarrow 16text{CO}_2 + 18text{H}_2text{O}$$

سوختن سیکلودکان: $$text{2C}_{10}text{H}_{20} + 31text{O}_2 rightarrow 20text{CO}_2 + 20text{H}_2text{O}$$

مشکلات زیست محیطی کربن دی اکسید

در قسمت‌های قبل آموختیم کربن دی اکسید چیست و در چه واکنش‌هایی شرکت می‌کند. برای درک بهتر اینکه اثر کربن دی اکسید بر محیط زیست چیست، باید با مفاهیمی مانند تغییرات اقلیمی و آلودگی هوا آشنا شویم. در ادامه معنی این مفاهیم توضیح داده شده و می‌آموزیم نقش گاز کربن دی اکسید در این پدیده‌ها چیست.

تغییرات اقلیمی

افزایش غلظت کربن دی اکسید موجود در اتمسفر در دهه‌های اخیر باعث بالا رفتن غلظت گازهای گلخانه‌ای شده است. گازهای گلخانه‌ای توانایی به دام انداختن گرما و بالا بردن دمای زمین را دارند و به همین علت، کربن دی اکسید یکی از مهم ترین عوامل افزایش دمای زمین است. این گرمای تولید شده به علت اثر گلخانه‌ای باعث ذوب شدن یخچال‌های طبیعی موجود در زمین و بالا آمدن سطح دریاچه‌ها می‌شود و به همین علت سیل‌های بیشتری در سطح زمین رخ می‌دهد.

آلودگی هوا

انتشارات دی اکسید کربن در زمین باعث آلوده شدن هوای پاک می‌شود. این انتشارات باعث ایجاد لایه‌ای غیر قابل نفوذ اطراف کرده زمین می‌شود. این لایه ایجاد شده، گرمای تولید شده از سطح زمین را به دام انداخته و باعث افزایش دمای زمین و تغییرات اقلیمی می‌شود. به این اتفاق اثر گلخانه‌ای گفته می‌شود.

یکی از روش‌های رایج تولید کربن دی اکسید در زمین، سوزاندن سوخت‌های فسیلی برای تولید انرژی است. سوخت‌های فسیلی سوخت‌های آلی هستند که از هیدروکربن‌ها تولید شده‌اند. در قسمت قبل آموختیم که سوختن انواع هیدروکربن‌ها می‌تواند آب و کربن دی اکسید تولید کند. پس این واکنش‌ها باعث افزایش غلظت کربن دی اکسید در اتمسفر زمین می‌شود. این سوخت‌ها در کنار از بین رفتن پوشش گیاهی و افزایش واحد‌های صنعتی در سراسر دنیا باعث بیشتر شدن اثر گلخانه ای و تغیرات بسیار مهم اقلیمی می‌شود.

گرمایش زمین

گرمایش زمین فرآیندی است که طی آن بالا رفتن میزان دمای هوای نزدیک به زمین و اقیانوس‌ها در قرن ۲۰ مشاهده شده است. میزان دمای زمین از نیمه قرن ۲۰ تا انتهای آن حدود ۰٫۷۴ درجه سانتی‌گراد افزایش یافته است. نتایج تحقیقات روی گرمایش زمین نشان‌داده است که بیشترین علت افزایش دمای زمین، انتشار گاز‌های گلخانه‌ای بوده اس که از سوختن سوخت‌های فسیلی و از بین رفتن پوشش گیاهی پدید آمده است. با وجود ایکه مشخص است پدیده‌های طبیعی مانند تشعشعات خورشیدی و آتشفشان‌ها نیز تاثیر بسزایی در گرمایش زمین قبل از دوران صنعتی شدن داشته‌اند، بزرگی تغییراتی که صنعتی شدن جهانی روی گرمایش زمین داشته است به مراتب مهم‌تر است.

دمای زمین با استفاده از تعادلی که با انرژی خورشیدی دارد و انرژی ای که بازتاب می‌کند اندازه‌گیری می‌شود. حرارتی که از زمین آزاد می‌شود، به جای بازگشت به فضای دور از زمین، توسط کربن دی اکسید موجود در اتمسفر زمین جذب می‌شود و زمین را ترک نمی‌کند. این نیز باعث می‌شود میزان حرارت زمین بیشتر شود و گرمایش زمین سرعت بگیرد.

کاربرد کربن دی اکسید در صنایع

تا اینجا آموختیم کربن دی اکسید چیست و در چه واکنش‌هایی حضور دارد. کربن دی اکسید یکی از مهم‌ترین مواد موجود در طبیعت است که در بسیاری از صنایع و فرآیند‌های طبیعی حضور دارد. در مورد فرآیند‌های طبیعی کربن دی اکسید مانند فتوسنتز، تنفس و گرمایش زمین در قسمت‌های قبل توضیح داده شد. حال می‌خواهیم بدانیم کاربرد کربن دی اکسید در صنایع مختلف چیست.

از این گاز در صنایع غذایی، انرژی و … استفاده می‌شود. برخی از این کاربردها در ادامه توضیح داده شده است.

صنایع غذایی

هنگامی که مواد غذایی و خوراکی از جایی به جای دیگر منتقل می‌شوند، نیاز است که در مکانی سرد نگه داری شوند تا از فاسد شدن آن‌ها جلوگیری شود. کربن دی اکسید جامد یا مایع به شکل گسترده‌ای برای این هدف استفاده می‌شود.

کربن دی اکسید به فرم گاز در صنایع تولید نوشیدنی استفاده می‌شود. هنگام باز کردن درب نوشیدنی‌های گازدار، گازی آزاد می‌شود که همان کربن دی اکسید است. گاز کربن دی اکسید برای گازدار کردن این نوشیدنی‌ها (کربنه کردن نوشیدنی‌ها) در آن‌ها حل می‌شود. این کار باعث جلوگیری از رشد میکروارگانیسم‌ها در این نوشیدنی‌ها می‌شود.

از کربن دی اکسید در دیکافئینه کردن قهوه نیز استفاده می‌شود. این فرآیند برای از بین بردن کافئین موجود در قهوه انجام می‌شود. از کربن دی اکسید در تولید خمیر پخت و پز نیز استفاده می‌شود. نانوایی‌ها و شیرینی‌پزی‌ها ، موادی مانند سدیم کربنات که کربن دی اکسید تولید می‌کنند را به مواد اولیه خمیر اضافه می‌کنند. این ماده باعث آزاد شدن کربن دی اکسید در خمیر و پف کردن و حجم گرفتن آن می‌شود.

کشاورزی

در فرآیند تولید غلات، گاز کربن دی اکسید به سیلو‌ها و سایر مکان‌هایی که دانه‌ها در آن نگه‌داری می‌شوند دمیده می‌شود تا از رشد آفت‌ها جلوگیری شود. از کربن دی اکسید در تولید برخی از کود‌ها نیز استفاده می‌شود. همچنین، از کربن دی اکسید می‌توان برای افزایش ظرفیت فتوسنتز برخی از گیاهان استفاده کرد.

نساجی

از کربن دی اکسید در صنایع نساجی برای خنثی کردن بازهای خورنده استفاده می‌شود. استفاده از کربن دی اکسید به بافت پارچه‌ها آسیب نمی‌زند و استفاده از آن آسان است. همچنین، از کربن دی اکسید برای رنگ کردن پارچه‌ها بدون حضور آب استفاده می‌شود. این کار باعث می‌شود میزان مصرف آب در صنایع نساجی بسیار کم شود. از این روش در بسیاری از برندهای بزرگ دنیا مانند نایک و ایکیا استفاده می‌شود.

صنایع شیمیایی

از کربن دی اکسید برای تولید اوره و متانول در صنایع شیمیایی استفاده می‌شود.

کپسول آتش نشانی

مهار آتش یکی از کاربردهای مهم و روزمره کربن دی اکسید است. کربن دی اکسید به تنهایی نمی‌تواند آتش را مهار کند اما میزان مصرف اکسیژن را در فرآیندهای سوختن کاهش می‌دهد که خود باعث پایین آمدن سرعت واکنش سوختن شده و در نهایت آن را متوقف می‌کند. همچنین، کربن دی اکسید توانایی پایین آوردن دمای واکنش را دارد که این نیز خود باعث مهار آتش می‌شود. به همین دلیل از کپسول کربن دی اکسید که حاوی موادی دیگر نیز هست برای مهار آتش به عنوان یکی از انواع کپسول‌های آتش‌نشانی استفاده می‌شود.

صنعت نفت

کربن دی اکسید برای اطمینان از استخراج کامل نفت از محل‌های حفاری استفاده می‌شود. کربن دی اکسید تا مقادیری در نفت حل می‌شود و ویسکوزیته آن را کاهش می‌دهد و به همین علت استخراج ان از چاه نفت را آسان می‌کند.

جلیقه نجات و قایق نجات

به جلیقه نجات و قایق نجات، کربن دی اکسید دمیده می‌شود تا شناوری آن‌ها را بخبود دهند و روی آب باقی بمانند.

صنایع ساختمان

در صنایع تولید و ساختمان سازی، جوشکاری باید به شکلی انجام شود تا محل جوش خوردگی از آب و رطوبت و هوا دور بماند. استفاده از کربن دی اکسید در فرآیند جوشکاری، سرعت آن را تا ۱۰ برابر افزایش می‌دهد و باعث می‌شود در معرض رطوبت و هوا قرار نگیرد.

همچنین از کربن دی اکسید در سخت کردن فلزات ذوب شده و گداخته شده استفاده می‌شود. از کربن دی اکسید،‌ در جدا کردن رنگ روی سطوح مختلف نیز استفاده می‌شود.

معادن

از کربن دی اکسید برای شکستن زغال سنگ استفاده می‌شود. کربن دی اکسید یکی از بهترین مواد برای افزایش نفوذ‌پذیری سنگ‌های معدنی و شکستن آن‌ها است. در این روش، پیستون‌های شکننده سنگ حاوی کربن دی اکسید مایع حرارت داده شده و به سرعت منبسط شده و باعث شکستن سنگ‌های معدنی می‌شوند. این روش نسبت به سایر روش‌های شکستن سنگ‌های معدنی (مانند دینامیت و …)‌ امن‌تر است و کمتر از یک ثانیه زمان می‌برد.

به دلیل آتش‌زا نبودن کربن دی اکسید و پایین بودن سمیت آن، نسبت به سایر روش‌ها بهتر است. کنترل شکستن سنگ‌ها در این روش راحت‌تر است و میزان فشار وارده به سنگ‌ها قابل تنظیم است. در این روش، ارتعاش، لرزش و صدای زیادی تولید نمی‌شود. این روش آسیب کمتری به محیط زیست می‌زند.

لیزر کربن دی اکسید

دستگاه لیزر کربن دی اکسید یکی از اولین دستگاه‌های لیزر گازی بوده است که از سال ۱۹۶۴ میلادی اختراع شده است. این لیزر برای بریدن و برخی دیگر از فرآیند‌ها روی مواد آلی مانند چوب، پلاستیک و … استفاده می‌شود.

صنایع پلیمر

از کربن دی اسید برای فوم‌دهی به بسیاری از پلاستیک‌ها و پلیمر‌ها استفاده می‌شود. فرآیند فوم‌دهی به پلاستیک‌ها فرآیندی است که در آن یک ماده فوم دهنده به پلیمر ترموپلاستیکی مذاب اضافه می‌شود. سپس پلاستیک‌های فوم‌دهی شده تولید می‌شود.

استفاده از کربن دی اکسید در این فرآیند به صرفه است و فرآیندی دوست‌دار محیط زیست است.

یادگیری شیمی عمومی با فرادرس

کربن دی اکسید یکی از مهم‌ترین مواد موجود در زمین است که در بسیاری از صنایع مختلف کاربرد دارد و از مواد اکسیژن و کربن تشکیل شده است که ساختمان تشکیل دهنده مواد آلی هستند. برای درک بهتر اینکه کربن دی اکسید چیست و چه خواصی دارد، باید با مفاهیمی مانند مفهوم پیوند شیمیایی، قاعده اوکتت و ساختار لوییس، اوربیتال‌های مولکولی و … آشنا شوید. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مفاهیم، پیشنهاد می‌کنیم به مجموعه فیلم آموزش دروس شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مشاهده فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است می‌توانی به آموزش‌های بیشتری در زمینه شیمی عمومی دسترسی داشته باشید.

خطرات کربن دی اکسید

در قسمت‌های قبلی این مطلب از مجله فرادرس آموختیم کربن دی اکسید چیست و در چه واکنش‌هایی شرکت می‌کند. کربن دی اکسید به شکلی طبیعی توسط ارگانیسم‌های زنده موجود در محیط زیست تولید می‌شود. میزان دودی که از کارخانجات تولید می‌شود، دود منتشر شده از سوختنن سوخت‌های فسیلی و دود وسایل نقلیه باعث می‌شوند انسان‌ها و جانوران در معرض گاز کربن دی کسید قرار بگیرند. غلظت بالای ۵ درصد کربن دی اکسید می‌تواند برای انسان‌ها خطرناک باشد.

همچنین، ممکن است در محل‌هایی که با گاز کربن دی اکسید کار می‌شود، نشت گاز موجب در معرض این گاز قرار گرفتن شود. هرچند معمولا اصول ایمنی و قوانین به شکلی تعیین می‌شوند که حتی در صورت نشت این گاز نیز خطری برای انسان‌ها وجود نداشته باشد. مقادیر زیاد یخ خشک یا مواد کپسول آتش نشانی در محیط‌های سربسته باعث انتشار مقادیر قابل توجه دی اکسید کربن در محیط می‌شود.

با در معرض کربن دی اکسید قرار گرفتن، انسان‌ها ممکن ازست از راه تنفسی یا بلعیدن، مقادیری کربن دی اکسید وارد بدنشان شود. مانند سایر مواد شیمیایی، میزان خطراتی که در معرض کربن دی اکسید بودن به دنبال دارد به عوامل مختلفی بستگی دارد. برای مثال،‌ میزان ماده‌ای که در محیط منتشر شده روش انتقال آن به بدن، مدت زمان این اتفاق و میزان غلظت کربن دی اکسید همگی بر روی خطراتی که به دنبال دارد اثر می‌گذارند.

گاز کربن دی اکسید موجود در نوشیدنی‌ها خطری برای سلامتی بدن ندارد و مضرات این نوشیدنی‌ها به دیگر موادافزودنی آن‌ها مانند قند بسیار زیاد مربوط است. روی اثر این نوشیدنی‌ها بر سیستم گوارش انسان اختلاف نظرهایی وجود دارد و گفته می‌شود این نوشیدنی‌ها اثری بر رفلاکس معده ندارند. وجود کربن دی اکسید در نوشیدنی‌ها باعث اسیدی شدن بدن نمی‌شود. کلیه‌ها کربن دی اکسید اضافی را دفع می‌کنند و کربن دی اکسید در خون باعث تغییر اسیدیته آن نمی‌شود.

علائم مسمومیت با کربن دی اکسید

مواجهه با کربن دی اکسید در محیط زیست مشکلات زیادی را برای سلامت انسان به دنبال ندارد. اما میزان مقادیر بالای کربن دی اکسید در محیط‌های بسته می‌تواند میزان اکسیژن در دسترس را در آن مکان کاهش دهد. این پدیده باعث اختناق می‌شود و با افزلایش غلظت کربن دی اکسید علائم بیشتری نیز ممکن است ظهور کند. این پدیده باعث سردرد، سرگیجه، عرق کردن، گرفتگی عضلات و افزایش سرعت تنفس، کوتاه شدن تنفس، خواب آلودگی و در نهایت بیهوش شدن می‌شود.

تنفس غلظت‌های بسیار زیاد کربن دی اکسید باعث افت فشار خون ناگهانی،‌ کما و مرگ می‌شود. تماس یخ خشک (کربن دی اکسید جامد) با سطح پوست، باعث از بین رفتن بافت بدن در اثر یخ زدگی می‌شود. خوردن یخ خشک باعث سوختن دهان و حلق می‌شود. کربن دی اکسید ماه‌ای سرطان‌زا نیست و باعث ایجاد سرطان نمی‌شود.

کربن دی اکسید نمی‌تواند به جنین آسیبی بزند. اگر در زمان بارداری در اثر انتشار کربن دی اکسید آسیبی به مادر برسد، ممکن است خطراتی را برای جنین به همراه داشته باشد. کودکان در معرض کربن دی اکسید با غلظت بالا، علائمی مانند بزرگسالان نشان می‌دهند.