Hiilidioksidi (CO2) — kasvihuonekaasu, fotosynteesi ja ilmastonmuutos
Hiilidioksidi (CO2): mitä se on, rooli fotosynteesissä, kasvihuonekaasuna ja vaikutus ilmastonmuutokseen — ymmärrä syyt, seuraukset ja ratkaisut.
Hiilidioksidi (CO2) on kemiallinen yhdiste. Se on kaasu huoneenlämmössä, yleensä väritön ja hajuton. Molekyyli koostuu yhdestä hiili- ja kahdesta happiatomista, ja sen kemiallinen kaava on CO2. Hiilidioksidi liukenee jonkin verran veteen muodostaen heikon hiilihapon (H2CO3), mikä vaikuttaa esimerkiksi merien kemiaan. Ihmiset ja eläimet vapauttavat hiilidioksidia hengittäessään ulos, ja sitä syntyy myös aina kun jotain orgaanista poltetaan (tai tehdään tulipalo). Luonnollisia lähteitä ovat muun muassa mädäntyminen, tulivuoret ja maaperän mikrobiologinen toiminta. Kasvit ja muut yhteyttävät eliöt käyttävät hiilidioksidia tehdessään ruokaa fotosynteesin avulla; tätä prosessia kutsutaan fotosynteesiksi. Fotosynteesissä hiilidioksidi sitoutuu orgaaniseksi hiileksi, jolloin osa ilmakehän CO2:sta sitoutuu biomassaan. Skotlantilainen tiedemies Joseph Black tutki hiilidioksidin ominaisuuksia 1750-luvulla ja auttoi erottamaan sen muista kaasuista.
Kasvihuoneilmiö ja ilmastonmuutos
Hiilidioksidi on kasvihuonekaasu. Kasvihuonekaasut sitovat lämpöenergiaa maapallon ilmakehässä siten, että ne päästävät auringon näkyvän valon läpi mutta estävät osan maan pinnalta pitkäaaltoisena säteilynä karkaamasta avaruuteen. Tällä tavoin ne nostavat planeetan lämpötilaa verrattuna tilanteeseen ilman kasvihuonekaasuja. Kasvihuonekaasut muuttavat planeettamme, maapallon, ilmastoa ja säätä; tämä pitkän ajan kestävä muutos tunnetaan ilmastonmuutoksena. Kasvihuonekaasut ovat yksi syy ilmaston lämpenemiseen, eli maapallon pintalämpötilan nousuun. Vaikka yksittäinen hiilidioksidimolekyyli vaikuttaa vähemmän voimakkaasti lämmön vangitsemiseen kuin esimerkiksi metaani, CO2:n pitkä elinaika ilmakehässä ja korkea pitoisuus tekevät siitä merkittävän tekijän ihmisen aiheuttamassa ilmastonmuutoksessa.
Pitoisuudet, mittaukset ja hiilensykli
Ilmakehän hiilidioksidin pitoisuutta mitataan yleisesti osuutena miljoonasosista (ppm, parts per million). Ennen teollista vallankumousta hiilidioksidin pitoisuus oli noin 280 ppm. 2000-luvun alun ja 2020-luvun aikana pitoisuus on kasvanut nopeasti; arvo on noussut yli 400 ppm -tasolle (noin 420 ppm -luokkaa 2020-luvulla), ja mittaussarjat kuten Mauna Loa -observatorion pitkäaikaiset mittaukset osoittavat selkeän kasvutrendin. Ihmistoiminta, erityisesti fossiilisten polttoaineiden poltto, sementin valmistus ja metsien hävitys, on lisännyt ilmakehän hiilidioksidin määrää yli luonnollisten vaihteluiden.
Hiilidioksidi liikkuu maapallon hiilensyklissä: ilmakehästä CO2 sitoutuu kasveihin fotosynteesissä, osa siirtyy maaperään ja mereen, ja osa palaa ilmakehään hengityksen, lahoamisen tai palamisen kautta. Suuri osa ihmisen vuosittain tuottamasta CO2:sta jää ilmakehään, koska luonnolliset nielut — kuten meret ja ekosysteemit — eivät pysty täysin kompensoimaan lisäystä. Meret toimivat merkittävänä hiilinieluna, mutta ne imevät hiilidioksidia kemiallisen reaktion kautta, mikä aiheuttaa merien happamoitumista ja vaikuttaa meriekosysteemeihin ja kalkkikuoristen eliöiden elinolosuhteisiin.
Lähteet, vaikutukset ja hillintä
Ihmisen aiheuttamia merkittäviä CO2-lähteitä ovat:
Ilmaston lämpeneminen aiheuttaa laaja-alaisia vaikutuksia: merenpinnan kohoamista, sään ääri-ilmiöiden lisääntymistä, muutoksia ekosysteemeissä ja vaikutuksia ihmisten elinoloihin ja talouteen. Joissain kasvuolosuhteissa CO2 voi lisätä kasvien kasvua (ns. CO2-fertilisaatio), mutta tämä vaikutus on rajallinen ja riippuu myös ravinteiden, veden ja muiden olosuhteiden riittävyydestä.
Hiilidioksidin päästöjä voidaan vähentää ja ilmakehän pitoisuutta hidastaa monilla keinoilla:
Yhteenvetona: hiilidioksidi on luonnollinen ja välttämätön yhdiste elämälle, mutta ihmisen aiheuttama sen lisääntyminen ilmakehässä muuttaa ilmastoa ja aiheuttaa monia haitallisia seurauksia. Päästöjen vähentäminen ja hiilidioksidin sitominen takaisin maapalloon ovat keskeisiä toimia ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi.
Hiilidioksidin rakennekaava. C on hiili ja O on happi. Kaksoisviivat kuvaavat atomien välistä kemiallista kaksoissidosta.
Kuva osoittaa yksinkertaisesti, miten atomit voivat täyttää tilaa. Musta on hiiltä ja punainen happea.
Biologinen rooli
Hiilidioksidi on lopputuote eliöissä, jotka saavat energiaa hajottamalla sokereita, rasvoja ja aminohappoja hapen avulla osana aineenvaihduntaa. Tätä prosessia kutsutaan soluhengitykseksi. Tähän kuuluvat kaikki kasvit, eläimet, monet sienet ja jotkut bakteerit. Korkeammilla eläimillä hiilidioksidi kulkeutuu veressä kehon kudoksista keuhkoihin, joissa se hengitetään ulos. Kasvit ottavat ilmakehästä hiilidioksidia käytettäväksi fotosynteesissä.
Kuivajää
Kuivajää eli kiinteä hiilidioksidi on hiilidioksidikaasun kiinteä olomuoto, jonka lämpötila on alle -78,5 °C (-109,3 °F). Kuivajäätä ei esiinny maapallolla luonnostaan, vaan se on ihmisen valmistamaa. Se on väritöntä. Ihmiset käyttävät kuivajäätä, jotta asiat saadaan kylmiksi ja juomat kuohuviksi, tappamaan etanoita ja jäädyttämään syyliä. Kuivajään höyry aiheuttaa tukehtumisen ja lopulta kuoleman. Varovaisuutta ja ammattilaisen apua suositellaan aina, kun kuivajäätä käytetään.
Tavanomaisessa paineessa se ei sula kiinteästä aineesta nesteeksi, vaan muuttuu suoraan kiinteästä aineesta kaasuksi. Tätä kutsutaan sublimoitumiseksi. Se muuttuu suoraan kiinteästä aineesta kaasuksi missä tahansa lämpötilassa, joka on korkeampi kuin äärimmäisen kylmä lämpötila. Kuivajää sublimoituu normaalissa ilman lämpötilassa. Kuivajäästä vapautuu normaalissa ilmassa hiilidioksidikaasua, jolla ei ole väriä. Hiilidioksidi voi nesteytyä yli 5,1 ilmakehän paineessa.
Kuivajäästä irtoava hiilidioksidikaasu on niin kylmää, että sekoittuessaan ilmaan se jäähdyttää ilmassa olevan vesihöyryn sumuksi, joka näyttää paksulta valkoiselta savulta. Sitä käytetään usein teatterissa luomaan sumun tai savun vaikutelma.
Kuivajää veteen laitettuna
Eristäminen ja tuotanto
Kemistit voivat saada hiilidioksidia jäähdytysilmasta. Tätä kutsutaan ilmatislaukseksi. Menetelmä on tehoton, koska pientä hiilidioksidimäärää varten on jäähdytettävä suuri määrä ilmaa. Kemistit voivat myös käyttää useita erilaisia kemiallisia reaktioita hiilidioksidin erottamiseksi. Hiilidioksidia syntyy useimpien happojen ja useimpien metallikarbonaattien välisissä reaktioissa. Esimerkiksi suolahapon ja kalsiumkarbonaatin (kalkkikivi tai liitu) välisessä reaktiossa syntyy hiilidioksidia:
2 H C l + C a C O 3 ⟶ C a C l 2 + H 2 C O 3 {\displaystyle \mathrm {2\ HCl+CaCO_{3}\longrightarrow CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}}} } 
Hiilihappo (H2CO3) hajoaa sitten vedeksi ja CO2:ksi. Tällaiset reaktiot aiheuttavat vaahtoamista tai kuplimista tai molempia. Teollisuudessa tällaisia reaktioita käytetään usein happamien jätevirtojen neutralointiin.
Kalkkikivi (CaO), joka on laajalti käytetty kemikaali, voidaan valmistaa kuumentamalla kalkkikiveä noin 850 °C:een. Tässä reaktiossa syntyy myös hiilidioksidia:
C a C O 3 ⟶ C a O + C O 2 {\displaystyle \mathrm {CaCO_{3}\longrightarrow CaO+CO_{2}} } 
Hiilidioksidia syntyy myös kaikkien hiiltä sisältävien polttoaineiden, kuten metaanin (maakaasu), öljytisleiden (bensiini, diesel, petroli, propaani), kivihiilen tai puun poltossa. Useimmissa tapauksissa vapautuu myös vettä. Esimerkkinä metaanin ja hapen välinen kemiallinen reaktio:
C H 4 + 2 O 2 ⟶ C O 2 + 2 H 2 O {\displaystyle \mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\longrightarrow CO_{2}+2\ H_{2}O}} } 
Hiilidioksidia valmistetaan terästehtaissa. Rauta pelkistetään oksideistaan koksin avulla masuunissa, jolloin syntyy raakarautaa ja hiilidioksidia:
F e 2 O 3 + 3 C O ⟶ 2 F e + 3 C O 2 {\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\ CO\longrightarrow 2\ Fe+3\ CO_{2}} } 
Hiiva metaboloi sokeria tuottaakseen hiilidioksidia ja etanolia, joka tunnetaan myös alkoholina, viinien, oluiden ja muiden väkevien alkoholijuomien tuotannossa, mutta myös bioetanolin tuotannossa:
C 6 H 12 O 6 ⟶ 2 C O 2 + 2 C 2 H 5 O H {\displaystyle \mathrm {C_{6}H_12}O_{6}\longrightarrow 2\ CO_2}+2\ C_2}H_5}OH} } 
Kaikki aerobiset organismit tuottavat CO
2, kun ne hapettavat hiilihydraatteja, rasvahappoja ja proteiineja solujen mitokondrioissa. Reaktioiden suuri määrä on erittäin monimutkainen, eikä niitä ole helppo kuvata. (Niihin kuuluvat soluhengitys, anaerobinen hengitys ja fotosynteesi). Fotoautotrofiset eli kasvit ja syanobakteerit käyttävät toista reaktiota: Kasvit imevät CO
2 ilmasta, ja yhdessä veden kanssa ne reagoivat sen kanssa muodostaen hiilihydraatteja:
n C O 2 + n H 2 O ⟶ ( C H 2 O ) n + n O 2 {\displaystyle \mathrm {nCO_{2}+nH_{2}O\longrightarrow (CH_{2}O)n+nO_{2}}} } 
Hiilidioksidi liukenee veteen, jossa se muuttuu spontaanisti CO2:ksi ja H:ksi.
2CO
3 (hiilihappo). CO
2, H
2CO
3 ja deprotonoitujen muotojen HCO-
3 (bikarbonaatti) ja CO2-
3 (karbonaatti) riippuvat happamuudesta (pH). Neutraalissa tai lievästi emäksisessä vedessä (pH > 6,5) bikarbonaattimuoto on vallitseva (> 50 %), ja siitä tulee vallitsevin (> 95 %) meriveden pH:ssa, kun taas erittäin emäksisessä vedessä (pH > 10,4) vallitseva (> 50 %) muoto on karbonaatti. Bikarbonaatti- ja karbonaattimuodot ovat hyvin liukoisia. Ilmassa tasapainotettu merivesi (lievästi emäksinen, tyypillinen pH = 8,2-8,5) sisältää siis noin 120 mg bikarbonaattia litrassa.
Teollisuustuotanto
Teollisuuden hiilidioksidia syntyy pääasiassa kuudessa prosessissa:
- Ottamalla talteen luonnollisia hiilidioksidilähteitä, joissa sitä syntyy happaman veden vaikutuksesta kalkkikiveen tai dolomiittiin.
- Sivutuotteena vedyntuotantolaitoksissa, joissa metaani muutetaan CO2:ksi;
- Fossiilisten polttoaineiden tai puun poltosta;
- Sokerin käymisen sivutuotteena oluen, viskin ja muiden alkoholijuomien valmistuksessa;
- Kalkkikiven termisestä hajoamisesta saadaan CaCO
3, kalkin valmistuksessa (kalsiumoksidi, CaO);
Kemiallinen reaktio
Hiilidioksidia voidaan tuottaa yksinkertaisella kemiallisella reaktiolla:
C + O 2 ⟶ C O 2 {\displaystyle \mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}} } 
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on hiilidioksidi?
V: Hiilidioksidi on kemiallinen yhdiste, joka on hapan, koostuu yhdestä hiili- ja kahdesta happiatomista ja on kaasu huoneenlämmössä.
K: Miten hiilidioksidia vapautuu ilmakehään?
V: Ihmiset ja eläimet vapauttavat hiilidioksidia uloshengittäessään ja aina, kun jotain orgaanista poltetaan tai tehdään tulipalo.
K: Mitä on fotosynteesi?
V: Fotosynteesi on prosessi, jossa kasvit käyttävät hiilidioksidia ravinnon tuottamiseen.
K: Kuka tutki hiilidioksidin ominaisuuksia?
V: Skotlantilainen tiedemies Joseph Black tutki hiilidioksidin ominaisuuksia 1750-luvulla.
K: Mikä on kasvihuonekaasu?
V: Kasvihuonekaasu on kaasu, joka sitoo lämpöenergiaa ja muuttaa maapallon ilmastoa ja säätä.
K: Miten hiilidioksidi vaikuttaa ilmastonmuutokseen?
V: Hiilidioksidi on kasvihuonekaasu, joka vaikuttaa ilmastonmuutokseen sitomalla lämpöenergiaa ja aiheuttamalla ilmaston lämpenemistä eli maapallon pintalämpötilan nousua.
K: Miten hiilidioksidipitoisuutta maapallon ilmakehässä on säädelty?
V: Maan ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta ovat säädelleet fotosynteettiset eliöt ja geologiset ilmiöt, lähinnä tulivuoret, jo prekambrikauden loppupuolelta lähtien.
Etsiä