El dióxido de carbono es un compuesto químico con la fórmula química CO 2 . Está formado por moléculas , cada una de las cuales tiene un átomo de carbono unido covalentemente a dos átomos de oxígeno . Se encuentra en estado gaseoso a temperatura ambiente y, como fuente de carbono disponible en el ciclo del carbono , el CO2 atmosférico es la principal fuente de carbono para la vida en la Tierra. En el aire, el dióxido de carbono es transparente a la luz visible pero absorbe la radiación infrarroja , actuando como gas de efecto invernadero . El dióxido de carbono es soluble en agua y se encuentra en aguas subterráneas , lagos , casquetes polares y agua de mar . Cuando el dióxido de carbono se disuelve en agua, forma carbonato y principalmente bicarbonato ( HCO−3), que provoca la acidificación de los océanos a medida que aumentan los niveles de CO 2 atmosférico . [9]
Es un gas traza en la atmósfera de la Tierra a 421 partes por millón (ppm) [nota 1] , o alrededor del 0,04% (en mayo de 2022), habiendo aumentado desde niveles preindustriales de 280 ppm o alrededor del 0,025%. [11] [12] La quema de combustibles fósiles es la causa principal de este aumento de las concentraciones de CO 2 y también la causa principal del cambio climático . [13]
Su concentración en la atmósfera preindustrial de la Tierra desde finales del Precámbrico estuvo regulada por organismos y fenómenos geológicos. Las plantas , las algas y las cianobacterias utilizan la energía de la luz solar para sintetizar carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua en un proceso llamado fotosíntesis , que produce oxígeno como producto de desecho. [14] A su vez, todos los organismos aeróbicos consumen oxígeno y liberan CO 2 como desecho cuando metabolizan compuestos orgánicos para producir energía mediante la respiración . [15] El CO 2 se libera de los materiales orgánicos cuando se descomponen o se queman, como en los incendios forestales. Dado que las plantas necesitan CO 2 para la fotosíntesis y los humanos y los animales dependen de las plantas para alimentarse, el CO 2 es necesario para la supervivencia de la vida en la Tierra.
El dióxido de carbono es un 53% más denso que el aire seco, pero tiene una larga vida y se mezcla completamente en la atmósfera. Aproximadamente la mitad del exceso de emisiones de CO 2 a la atmósfera son absorbidas por los sumideros de carbono terrestres y oceánicos . [16] Estos sumideros pueden saturarse y son volátiles, ya que la descomposición y los incendios forestales provocan la liberación de CO 2 a la atmósfera. [17] El CO 2 finalmente es secuestrado (almacenado a largo plazo) en rocas y depósitos orgánicos como carbón , petróleo y gas natural . El CO 2 secuestrado se libera a la atmósfera mediante la quema de combustibles fósiles o de forma natural por volcanes , fuentes termales , géiseres y cuando las rocas carbonatadas se disuelven en agua o reaccionan con ácidos.
El CO 2 es un material industrial versátil, utilizado, por ejemplo, como gas inerte en soldadura y extintores , como gas presurizador en pistolas de aire comprimido y recuperación de petróleo, y como disolvente de fluido supercrítico en el descafeinado del café y el secado supercrítico . [18] Es un subproducto de la fermentación de azúcares en la elaboración del pan , la cerveza y el vino , y se agrega a bebidas carbonatadas como agua mineral y cerveza para producir efervescencia. Tiene un olor acre y ácido y genera el sabor del agua con gas en la boca, pero en las concentraciones normales es inodoro. [1]
La simetría de una molécula de dióxido de carbono es lineal y centrosimétrica en su geometría de equilibrio. La longitud del enlace carbono-oxígeno en el dióxido de carbono es 116,3 pm , notablemente más corta que la longitud de aproximadamente 140 pm de un enlace simple C-O típico, y más corta que la mayoría de los otros grupos funcionales C-O con enlaces múltiples , como los carbonilos . [19] Dado que es centrosimétrica, la molécula no tiene momento dipolar eléctrico .
Como molécula triatómica lineal, el CO 2 tiene cuatro modos de vibración , como se muestra en el diagrama. En los modos de estiramiento simétrico y antisimétrico, los átomos se mueven a lo largo del eje de la molécula. Hay dos modos de flexión, que son degenerados , es decir, que tienen la misma frecuencia y la misma energía, debido a la simetría de la molécula. Cuando una molécula toca una superficie o toca otra molécula, los dos modos de flexión pueden diferir en frecuencia porque la interacción es diferente para los dos modos. Algunos de los modos de vibración se observan en el espectro infrarrojo (IR) : el modo de estiramiento antisimétrico en el número de onda 2349 cm -1 (longitud de onda 4,25 μm) y el par degenerado de modos de flexión en 667 cm -1 (longitud de onda 15 μm). El modo de estiramiento simétrico no crea un dipolo eléctrico, por lo que no se observa en la espectroscopia IR, pero se detecta mediante espectroscopia Raman a 1388 cm −1 (longitud de onda 7,2 μm). [20]
En la fase gaseosa, las moléculas de dióxido de carbono sufren importantes movimientos vibratorios y no mantienen una estructura fija. Sin embargo, en un experimento de imágenes de explosión de Coulomb , se puede deducir una imagen instantánea de la estructura molecular. Se ha realizado un experimento de este tipo [21] con dióxido de carbono. El resultado de este experimento, y la conclusión de los cálculos teóricos [22] basados en una superficie de energía potencial ab initio de la molécula, es que ninguna de las moléculas en la fase gaseosa es exactamente lineal. Este resultado contrario a la intuición se debe trivialmente al hecho de que el elemento de volumen del movimiento nuclear desaparece para las geometrías lineales. [22] Esto es así para todas las moléculas (¡excepto las diatómicas!).
El dióxido de carbono es soluble en agua, en la que forma reversiblemente H 2 CO 3 (ácido carbónico), que es un ácido débil ya que su ionización en agua es incompleta.
La constante de equilibrio de hidratación del ácido carbónico es, a 25 °C:
Por lo tanto, la mayor parte del dióxido de carbono no se convierte en ácido carbónico, sino que permanece como moléculas de CO 2 , sin afectar el pH.
Las concentraciones relativas de CO 2 , H 2 CO 3 y las formas desprotonadas HCO−3( bicarbonato ) y CO2-3( carbonato ) dependen del pH . Como se muestra en un gráfico de Bjerrum , en agua neutra o ligeramente alcalina (pH > 6,5), la forma bicarbonato predomina (>50%) convirtiéndose en la más frecuente (>95%) al pH del agua de mar. En agua muy alcalina (pH > 10,4), la forma predominante (>50%) es el carbonato. Los océanos, al ser ligeramente alcalinos con un pH típico de 8,2 a 8,5, contienen alrededor de 120 mg de bicarbonato por litro.
Al ser diprótico , el ácido carbónico tiene dos constantes de disociación ácida , la primera para la disociación en el ion bicarbonato (también llamado hidrogenocarbonato) ( HCO−3):
Esta es la verdadera primera constante de disociación ácida, definida como
donde el denominador incluye sólo H 2 CO 3 unido covalentemente y no incluye CO 2 (acuoso) hidratado. El valor mucho más pequeño y frecuentemente citado cerca de 4,16 × 10 −7 es un valor aparente calculado bajo la suposición (incorrecta) de que todo el CO 2 disuelto está presente como ácido carbónico, de modo que
Dado que la mayor parte del CO 2 disuelto permanece como moléculas de CO 2 , K a1 (aparente) tiene un denominador mucho mayor y un valor mucho más pequeño que el K a1 verdadero . [23]
El ion bicarbonato es una especie anfótera que puede actuar como ácido o como base, dependiendo del pH de la solución. A pH alto, se disocia significativamente en el ion carbonato ( CO2-3):
En los organismos, la producción de ácido carbónico es catalizada por la enzima conocida como anhidrasa carbónica .
El CO 2 es un potente electrófilo que tiene una reactividad electrófila comparable al benzaldehído o a los fuertes compuestos carbonílicos α,β-insaturados . Sin embargo, a diferencia de los electrófilos de reactividad similar, las reacciones de los nucleófilos con CO 2 son termodinámicamente menos favorecidas y a menudo resultan altamente reversibles. [24] La reacción reversible del dióxido de carbono con aminas para producir carbamatos se utiliza en depuradores de CO 2 y se ha sugerido como un posible punto de partida para la captura y almacenamiento de carbono mediante el tratamiento de gases con aminas . Sólo los nucleófilos muy fuertes, como los carbaniones proporcionados por los reactivos de Grignard y los compuestos organolitíicos, reaccionan con el CO 2 para dar carboxilatos :
En los complejos metálicos de dióxido de carbono , el CO 2 sirve como ligando , lo que puede facilitar la conversión de CO 2 en otras sustancias químicas. [25]
La reducción de CO 2 a CO es normalmente una reacción difícil y lenta:
Los fotoautótrofos (es decir, plantas y cianobacterias ) utilizan la energía contenida en la luz solar para fotosintetizar azúcares simples a partir del CO 2 absorbido del aire y el agua:
El potencial redox para esta reacción cerca de pH 7 es de aproximadamente −0,53 V en comparación con el electrodo de hidrógeno estándar . La enzima monóxido de carbono deshidrogenasa que contiene níquel cataliza este proceso. [26]
El dióxido de carbono es incoloro. En bajas concentraciones, el gas es inodoro; sin embargo, en concentraciones suficientemente altas, tiene un olor ácido y penetrante. [1] A temperatura y presión estándar , la densidad del dióxido de carbono es de alrededor de 1,98 kg/m 3 , aproximadamente 1,53 veces la del aire . [27]
El dióxido de carbono no tiene estado líquido a presiones inferiores a 0,51795(10) MPa [2] (5,11177(99) atm ). A una presión de 1 atm (0,101325 MPa), el gas se deposita directamente en un sólido a temperaturas inferiores a 194,6855(30) K [2] (-78,4645(30) °C) y el sólido se sublima directamente en un gas por encima de esta temperatura. En su estado sólido, al dióxido de carbono se le llama comúnmente hielo seco .
El dióxido de carbono líquido se forma sólo a presiones superiores a 0,51795(10) MPa [2] (5,11177(99) atm); el punto triple del dióxido de carbono es 216,592(3) K [2] (−56,558(3) °C) a 0,51795(10) MPa [2] (5,11177(99) atm) (ver diagrama de fases). El punto crítico es 304,128(15) K [2] (30,978(15) °C) a 7,3773(30) MPa [2] (72,808(30) atm). Otra forma de dióxido de carbono sólido que se observa a alta presión es un sólido amorfo parecido al vidrio. [28] Esta forma de vidrio, llamada carbonia , se produce sobreenfriando el CO 2 calentado a presiones extremas (40–48 GPa , o alrededor de 400.000 atmósferas) en un yunque de diamante . Este descubrimiento confirmó la teoría de que el dióxido de carbono podría existir en un estado vítreo similar a otros miembros de su familia elemental, como el dióxido de silicio (vidrio de sílice) y el dióxido de germanio . Sin embargo, a diferencia del vidrio de sílice y de germania, el vidrio de carbonia no es estable a presiones normales y vuelve a convertirse en gas cuando se libera la presión.
A temperaturas y presiones superiores al punto crítico, el dióxido de carbono se comporta como un fluido supercrítico conocido como dióxido de carbono supercrítico .
Tabla de propiedades térmicas y físicas del dióxido de carbono líquido saturado: [29] [30]
Tabla de propiedades térmicas y físicas del dióxido de carbono (CO 2 ) a presión atmosférica: [29] [30]
El dióxido de carbono es un producto final de la respiración celular en los organismos que obtienen energía descomponiendo azúcares, grasas y aminoácidos con oxígeno como parte de su metabolismo . Esto incluye todas las plantas, algas y animales y hongos y bacterias aeróbicos . En los vertebrados , el dióxido de carbono viaja en la sangre desde los tejidos del cuerpo hasta la piel (p. ej., anfibios ) o las branquias (p. ej., peces ), desde donde se disuelve en el agua, o hasta los pulmones, desde donde se exhala. Durante la fotosíntesis activa, las plantas pueden absorber más dióxido de carbono de la atmósfera del que liberan durante la respiración.
La fijación de carbono es un proceso bioquímico mediante el cual el dióxido de carbono atmosférico es incorporado por plantas, algas y (cianobacterias) en moléculas orgánicas ricas en energía como la glucosa , creando así su propio alimento mediante la fotosíntesis. La fotosíntesis utiliza dióxido de carbono y agua para producir azúcares a partir de los cuales se pueden formar otros compuestos orgánicos , y el oxígeno se produce como subproducto.
La ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa oxigenasa , comúnmente abreviada como RuBisCO, es la enzima involucrada en el primer paso importante de la fijación de carbono, la producción de dos moléculas de 3-fosfoglicerato a partir de CO 2 y ribulosa bisfosfato , como se muestra en el diagrama de izquierda.
Se cree que RuBisCO es la proteína más abundante en la Tierra. [31]
Los fotótrofos utilizan los productos de su fotosíntesis como fuentes internas de alimento y como materia prima para la biosíntesis de moléculas orgánicas más complejas, como polisacáridos , ácidos nucleicos y proteínas. Estos se utilizan para su propio crecimiento y también como base de las cadenas y redes alimentarias que alimentan a otros organismos, incluidos animales como nosotros. Algunos fotótrofos importantes, los cocolitóforos, sintetizan escamas duras de carbonato de calcio . [32] Una especie de cocolitóforo de importancia mundial es Emiliania huxleyi, cuyas escamas de calcita han formado la base de muchas rocas sedimentarias como la piedra caliza , donde lo que antes era carbono atmosférico puede permanecer fijo durante escalas de tiempo geológicas.
Las plantas pueden crecer hasta un 50% más rápido en concentraciones de 1.000 ppm de CO 2 en comparación con las condiciones ambientales, aunque esto supone que no hay cambios en el clima ni limitación de otros nutrientes. [33] Los niveles elevados de CO 2 provocan un mayor crecimiento que se refleja en el rendimiento cosechable de los cultivos, y el trigo, el arroz y la soja muestran aumentos en el rendimiento del 12 al 14 % en condiciones de CO 2 elevado en experimentos FACE. [34] [35]
El aumento de las concentraciones atmosféricas de CO 2 da como resultado que se desarrollen menos estomas en las plantas [36] , lo que conduce a un menor uso de agua y a una mayor eficiencia en el uso del agua . [37] Los estudios que utilizan FACE han demostrado que el enriquecimiento de CO 2 conduce a una disminución de las concentraciones de micronutrientes en las plantas de cultivo. [38] Esto puede tener efectos en cadena en otras partes de los ecosistemas , ya que los herbívoros necesitarán comer más alimentos para obtener la misma cantidad de proteínas. [39]
La concentración de metabolitos secundarios como fenilpropanoides y flavonoides también puede alterarse en plantas expuestas a altas concentraciones de CO 2 . [40] [41]
Las plantas también emiten CO 2 durante la respiración, por lo que la mayoría de las plantas y algas, que utilizan la fotosíntesis de C3 , son sólo absorbentes netos durante el día. Aunque un bosque en crecimiento absorberá muchas toneladas de CO 2 cada año, un bosque maduro producirá tanto CO 2 a partir de la respiración y la descomposición de especímenes muertos (por ejemplo, ramas caídas) como el que se utiliza en la fotosíntesis de las plantas en crecimiento. [42] Contrariamente a la opinión de larga data de que son neutros en carbono, los bosques maduros pueden continuar acumulando carbono [43] y seguir siendo valiosos sumideros de carbono , ayudando a mantener el equilibrio de carbono de la atmósfera terrestre. Además, y de manera crucial para la vida en la Tierra, la fotosíntesis realizada por el fitoplancton consume CO 2 disuelto en la parte superior del océano y, por lo tanto, promueve la absorción de CO 2 de la atmósfera. [44]
El contenido de dióxido de carbono en el aire fresco (promediado entre el nivel del mar y el nivel de 10 kPa, es decir, aproximadamente 30 km (19 millas) de altitud) varía entre 0,036% (360 ppm) y 0,041% (412 ppm), dependiendo de la ubicación. [46]
El CO 2 es un gas asfixiante y no está clasificado como tóxico o nocivo de acuerdo con las normas del Sistema Globalmente Armonizado de Clasificación y Etiquetado de Productos Químicos de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa mediante el uso de las Directrices de la OCDE para las pruebas de productos químicos . En concentraciones de hasta el 1% (10.000 ppm), algunas personas se sentirán somnolientas y provocarán una sensación de congestión en los pulmones. [45] Las concentraciones del 7% al 10% (70.000 a 100.000 ppm) pueden causar asfixia, incluso en presencia de suficiente oxígeno, manifestándose como mareos, dolor de cabeza, disfunción visual y auditiva y pérdida del conocimiento en unos pocos minutos a una hora. [47] Los efectos fisiológicos de la exposición aguda al dióxido de carbono se agrupan bajo el término hipercapnia , un subconjunto de asfixia .
Debido a que es más pesado que el aire, en lugares donde el gas se filtra desde el suelo (debido a la actividad volcánica o geotérmica del subsuelo) en concentraciones relativamente altas, sin los efectos dispersores del viento, puede acumularse en lugares protegidos o en bolsas debajo del suelo promedio. nivel, provocando la asfixia de los animales que se encuentren en el mismo. A continuación, también se mata a los carroñeros atraídos por los cadáveres. Niños han muerto de la misma manera cerca de la ciudad de Goma por las emisiones de CO 2 del cercano volcán Monte Nyiragongo . [48] El término swahili para este fenómeno es mazuku .
En los seres humanos se produce una adaptación a concentraciones elevadas de CO 2 , incluida una respiración modificada y una producción renal de bicarbonato, para equilibrar los efectos de la acidificación de la sangre ( acidosis ). Varios estudios sugirieron que las concentraciones inspiradas del 2,0 por ciento podrían usarse para espacios aéreos cerrados (por ejemplo, un submarino ), ya que la adaptación es fisiológica y reversible, ya que el deterioro en el rendimiento o en la actividad física normal no ocurre con este nivel de exposición durante cinco días. [49] [50] Sin embargo, otros estudios muestran una disminución en la función cognitiva incluso en niveles mucho más bajos. [51] [52] Además, con acidosis respiratoria en curso , los mecanismos de adaptación o compensatorios no podrán revertir la afección.
Hay pocos estudios sobre los efectos en la salud de la exposición continua a largo plazo al CO 2 en humanos y animales a niveles inferiores al 1%. Los límites de exposición ocupacional al CO 2 se han establecido en los Estados Unidos en 0,5% (5000 ppm) durante un período de ocho horas. [53] Con esta concentración de CO 2 , la tripulación de la Estación Espacial Internacional experimentó dolores de cabeza, letargo, lentitud mental, irritación emocional y alteraciones del sueño. [54] Estudios en animales con 0,5% de CO 2 han demostrado calcificación renal y pérdida ósea después de ocho semanas de exposición. [55] Un estudio de seres humanos expuestos en sesiones de 2,5 horas demostró efectos negativos significativos sobre las capacidades cognitivas en concentraciones tan bajas como 0,1% (1000 ppm) de CO 2, probablemente debido a aumentos inducidos por el CO 2 en el flujo sanguíneo cerebral. [51] Otro estudio observó una disminución en el nivel de actividad básica y el uso de información a 1000 ppm, en comparación con 500 ppm. [52]
Sin embargo, una revisión de la literatura encontró que un subconjunto confiable de estudios sobre el fenómeno del deterioro cognitivo inducido por dióxido de carbono solo muestra un pequeño efecto en la toma de decisiones de alto nivel (para concentraciones inferiores a 5000 ppm). La mayoría de los estudios se vieron confundidos por diseños de estudio inadecuados, comodidad ambiental, incertidumbres en las dosis de exposición y diferentes evaluaciones cognitivas utilizadas. [56] De manera similar, un estudio sobre los efectos de la concentración de CO 2 en los cascos de motocicleta ha sido criticado por tener una metodología dudosa al no tomar nota de los autoinformes de los motociclistas y tomar medidas utilizando maniquíes. Además, cuando se alcanzaron condiciones normales de motocicleta (como velocidades en carretera o ciudad) o se levantó la visera, la concentración de CO 2 disminuyó a niveles seguros (0,2%). [57] [58]
La mala ventilación es una de las principales causas de concentraciones excesivas de CO 2 en espacios cerrados, lo que deriva en una mala calidad del aire interior . El diferencial de dióxido de carbono por encima de las concentraciones exteriores en condiciones de estado estable (cuando la ocupación y el funcionamiento del sistema de ventilación son lo suficientemente prolongados como para que la concentración de CO 2 se haya estabilizado) a veces se utilizan para estimar las tasas de ventilación por persona. [ cita necesaria ] Las concentraciones más altas de CO 2 están asociadas con la salud, la comodidad y la degradación del rendimiento de los ocupantes. [62] [63] Las tasas de ventilación de la norma ASHRAE 62.1–2007 pueden generar concentraciones en interiores de hasta 2100 ppm por encima de las condiciones ambientales exteriores. Por lo tanto, si la concentración exterior es de 400 ppm, las concentraciones interiores pueden alcanzar las 2500 ppm con índices de ventilación que cumplan con este estándar de consenso de la industria. En espacios mal ventilados se pueden encontrar concentraciones incluso superiores (entre 3.000 y 4.000 ppm).
Los mineros, que son particularmente vulnerables a la exposición a los gases debido a una ventilación insuficiente, se referían a las mezclas de dióxido de carbono y nitrógeno como " humedad negra ", "humedad asfixiante" o "stythe". Antes de que se desarrollaran tecnologías más efectivas, los mineros frecuentemente monitoreaban los niveles peligrosos de grisú y otros gases en los pozos de las minas llevando consigo un canario enjaulado mientras trabajaban. El canario es más sensible a los gases asfixiantes que los humanos y al perder el conocimiento dejaba de cantar y se caía de su percha. La lámpara Davy también podría detectar altos niveles de humedad negra (que se hunde y se acumula cerca del piso) al arder con menos brillo, mientras que el metano , otro gas asfixiante y con riesgo de explosión, haría que la lámpara arda con más brillo.
En febrero de 2020, tres personas murieron por asfixia en una fiesta en Moscú cuando se añadió hielo seco (CO 2 congelado ) a una piscina para enfriarla. [64] Un accidente similar ocurrió en 2018 cuando una mujer murió a causa de los vapores de CO 2 que emanaban de la gran cantidad de hielo seco que transportaba en su automóvil. [sesenta y cinco]
Los seres humanos pasan cada vez más tiempo en una atmósfera confinada (alrededor del 80-90% del tiempo en un edificio o vehículo). Según la Agencia Francesa de Seguridad Alimentaria, Ambiental y Laboral (ANSES) y diversos actores en Francia, la tasa de CO 2 en el aire interior de los edificios (vinculada a la ocupación humana o animal y a la presencia de instalaciones de combustión ), ponderada por renovación de aire, “normalmente está entre 350 y 2.500 ppm”. [66]
En hogares, escuelas, guarderías y oficinas, no existen relaciones sistemáticas entre los niveles de CO 2 y otros contaminantes, y el CO 2 interior no es estadísticamente un buen predictor de los contaminantes relacionados con el tráfico exterior (o aéreo, etc.). [67] El CO 2 es el parámetro que cambia más rápidamente (con higrometría y niveles de oxígeno cuando los seres humanos o los animales están reunidos en una habitación cerrada o mal ventilada). En los países pobres, muchos hogares abiertos son fuentes de CO 2 y CO emitido directamente al medio ambiente. [68]
Las concentraciones locales de dióxido de carbono pueden alcanzar valores elevados cerca de fuentes potentes, especialmente aquellas que están aisladas por el terreno circundante. En las aguas termales de Bossoleto cerca de Rapolano Terme en Toscana , Italia, situadas en una depresión en forma de cuenco de unos 100 m (330 pies) de diámetro, las concentraciones de CO 2 aumentan por encima del 75% durante la noche, suficiente para matar insectos y animales pequeños. Después del amanecer, el gas se dispersa por convección. [69] Se cree que las altas concentraciones de CO 2 producidas por la perturbación del agua profunda del lago saturada con CO 2 causaron 37 muertes en el lago Monoun , Camerún , en 1984 y 1.700 víctimas en el lago Nyos , Camerún, en 1986. [70]
El cuerpo produce aproximadamente 2,3 libras (1,0 kg) de dióxido de carbono por día por persona, [72] que contiene 0,63 libras (290 g) de carbono.En los seres humanos, este dióxido de carbono se transporta a través del sistema venoso y se exhala a través de los pulmones, lo que da como resultado concentraciones más bajas en las arterias . El contenido de dióxido de carbono de la sangre a menudo se expresa como presión parcial , que es la presión que habría tenido el dióxido de carbono si solo ocupara el volumen. [73] En humanos, el contenido de dióxido de carbono en sangre se muestra en la tabla adyacente.
El CO 2 se transporta en la sangre de tres maneras diferentes. (Los porcentajes exactos varían entre sangre arterial y venosa).
La hemoglobina , la principal molécula transportadora de oxígeno en los glóbulos rojos , transporta tanto oxígeno como dióxido de carbono. Sin embargo, el CO 2 unido a la hemoglobina no se une al mismo sitio que el oxígeno. En cambio, se combina con los grupos N-terminales de las cuatro cadenas de globina. Sin embargo, debido a los efectos alostéricos sobre la molécula de hemoglobina, la unión de CO 2 disminuye la cantidad de oxígeno que se une para una presión parcial de oxígeno determinada. Esto se conoce como Efecto Haldane y es importante en el transporte de dióxido de carbono desde los tejidos a los pulmones. Por el contrario, un aumento de la presión parcial de CO 2 o un pH más bajo provocarán la descarga de oxígeno de la hemoglobina, lo que se conoce como efecto Bohr .
El dióxido de carbono es uno de los mediadores de la autorregulación local del suministro de sangre. Si su concentración es alta, los capilares se expanden para permitir un mayor flujo sanguíneo a ese tejido. [75]
Los iones de bicarbonato son cruciales para regular el pH de la sangre. La frecuencia respiratoria de una persona influye en el nivel de CO 2 en la sangre. La respiración demasiado lenta o superficial causa acidosis respiratoria , mientras que la respiración demasiado rápida conduce a la hiperventilación , que puede causar alcalosis respiratoria . [76]
Aunque el cuerpo necesita oxígeno para el metabolismo, los niveles bajos de oxígeno normalmente no estimulan la respiración. Más bien, la respiración es estimulada por niveles más altos de dióxido de carbono. Como resultado, respirar aire a baja presión o una mezcla de gases sin oxígeno (como nitrógeno puro) puede provocar la pérdida del conocimiento sin siquiera experimentar falta de aire . Esto es especialmente peligroso para los pilotos de cazas de gran altitud. También es la razón por la que los asistentes de vuelo instruyen a los pasajeros, en caso de pérdida de presión en la cabina, a que se apliquen primero la máscara de oxígeno antes de ayudar a los demás; de lo contrario, se corre el riesgo de perder el conocimiento. [74]
Los centros respiratorios intentan mantener una presión arterial de CO 2 de 40 mmHg . Con la hiperventilación intencional, el contenido de CO 2 de la sangre arterial puede disminuir a 10 a 20 mmHg (el contenido de oxígeno de la sangre se ve poco afectado) y el impulso respiratorio disminuye. Esta es la razón por la que uno puede contener la respiración por más tiempo después de hiperventilar que sin hiperventilar. Esto conlleva el riesgo de que se produzca pérdida del conocimiento antes de que la necesidad de respirar se vuelva abrumadora, razón por la cual la hiperventilación es particularmente peligrosa antes del buceo en apnea. [77]
En la atmósfera terrestre , el dióxido de carbono es un gas traza que desempeña un papel integral en el efecto invernadero , el ciclo del carbono , la fotosíntesis y el ciclo del carbono oceánico . Es uno de los varios gases de efecto invernadero en la atmósfera de la Tierra. La concentración media mundial actual de CO 2 en la atmósfera es de 421 ppm a mayo de 2022 (0,04%). [80] Esto es un aumento del 50% desde el inicio de la Revolución Industrial , frente a 280 ppm durante los 10.000 años anteriores a mediados del siglo XVIII. [81] [80] [82] El aumento se debe a la actividad humana . [83] La quema de combustibles fósiles es la principal causa de este aumento de las concentraciones de CO 2 y también la principal causa del cambio climático. [84] Otras fuentes antropogénicas importantes incluyen la producción de cemento , la deforestación y la quema de biomasa .
Si bien es transparente a la luz visible , el dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero que absorbe y emite radiación infrarroja en sus dos frecuencias vibratorias activas en el infrarrojo. El CO 2 absorbe y emite radiación infrarroja en longitudes de onda de 4,26 μm (2347 cm −1 ) ( modo vibratorio de estiramiento asimétrico ) y 14,99 μm (667 cm −1 ) (modo vibratorio de flexión). Desempeña un papel importante al influir en la temperatura de la superficie de la Tierra a través del efecto invernadero. [85] La emisión de luz desde la superficie de la Tierra es más intensa en la región infrarroja entre 200 y 2500 cm −1 , [86] a diferencia de la emisión de luz del Sol, mucho más caliente, que es más intensa en la región visible. La absorción de luz infrarroja en las frecuencias vibratorias del CO 2 atmosférico atrapa energía cerca de la superficie, calentando la superficie y la atmósfera inferior. Llega menos energía a la atmósfera superior, que por tanto es más fría debido a esta absorción. [87]
Los aumentos de las concentraciones atmosféricas de CO 2 y otros gases de efecto invernadero de larga vida como el metano , el óxido nitroso y el ozono aumentan la absorción y emisión de radiación infrarroja por la atmósfera, provocando el aumento observado de la temperatura media global y la acidificación de los océanos . Otro efecto directo es el efecto fertilización con CO 2 . Estos cambios provocan una serie de efectos indirectos del cambio climático en el entorno físico, los ecosistemas y las sociedades humanas. El dióxido de carbono ejerce una influencia de calentamiento general mayor que todos los demás gases de efecto invernadero combinados. [82] Tiene una vida atmosférica que aumenta con la cantidad acumulada de carbono fósil extraído y quemado, debido al desequilibrio que esta actividad ha impuesto al rápido ciclo del carbono de la Tierra . [88] Esto significa que una fracción (se proyecta entre un 20% y un 35%) del carbono fósil transferido hasta ahora persistirá en la atmósfera como niveles elevados de CO2 durante muchos miles de años después de que estas actividades de transferencia de carbono comiencen a disminuir. [89] [90] [91] El ciclo del carbono es un ciclo biogeoquímico en el que se intercambia carbono entre los océanos , el suelo, las rocas y la biosfera de la Tierra . Las plantas y otros fotoautótrofos utilizan la energía solar para producir carbohidratos a partir del dióxido de carbono atmosférico y el agua mediante la fotosíntesis . Casi todos los demás organismos dependen de los carbohidratos derivados de la fotosíntesis como fuente principal de energía y compuestos de carbono.
La concentración atmosférica actual de CO 2 es la más alta en 14 millones de años. [92] Las concentraciones de CO 2 en la atmósfera alcanzaron las 4.000 ppm durante el período Cámbrico , hace unos 500 millones de años, y las tan bajas como 180 ppm durante la glaciación Cuaternaria de los últimos dos millones de años. [81] Los registros de temperatura reconstruidos de los últimos 420 millones de años indican que las concentraciones atmosféricas de CO 2 alcanzaron un máximo de aproximadamente 2000 ppm durante el período Devónico (400 millones de años), y nuevamente en el período Triásico (220-200 millones de años), y fueron cuatro veces mayores. niveles actuales durante el período Jurásico (201-145 millones de años). [93] [94]
El dióxido de carbono se disuelve en el océano para formar ácido carbónico ( H 2 CO 3 ), bicarbonato ( HCO−3), y carbonato ( CO2-3). Hay aproximadamente cincuenta veces más dióxido de carbono disuelto en los océanos que en la atmósfera. Los océanos actúan como un enorme sumidero de carbono y han absorbido alrededor de un tercio del CO 2 emitido por la actividad humana. [96]
La acidificación de los océanos es la disminución continua del pH de los océanos de la Tierra . Entre 1950 y 2020, el pH promedio de la superficie del océano cayó de aproximadamente 8,15 a 8,05. [97] Las emisiones de dióxido de carbono procedentes de las actividades humanas son la causa principal de la acidificación de los océanos, con niveles atmosféricos de dióxido de carbono (CO 2 ) que superan las 410 ppm (en 2020). El CO 2 de la atmósfera es absorbido por los océanos. Esto produce ácido carbónico ( H 2 CO 3 ) que se disocia en un ion bicarbonato ( HCO−3) y un ion hidrógeno ( H + ). La presencia de iones de hidrógeno libres ( H + ) baja el pH del océano, aumentando la acidez (esto no significa que el agua de mar sea ácida todavía; sigue siendo alcalina , con un pH superior a 8). Los organismos marinos calcificantes , como los moluscos y los corales , son especialmente vulnerables porque dependen del carbonato de calcio para formar conchas y esqueletos. [98]
Un cambio de 0,1 en el pH representa un aumento del 26% en la concentración de iones de hidrógeno en los océanos del mundo (la escala de pH es logarítmica, por lo que un cambio de uno en unidades de pH equivale a un cambio diez veces mayor en la concentración de iones de hidrógeno). El pH de la superficie del mar y los estados de saturación de carbonatos varían según la profundidad y la ubicación del océano. Las aguas más frías y de mayor latitud son capaces de absorber más CO 2 . Esto puede provocar un aumento de la acidez, lo que reduce el pH y los niveles de saturación de carbonatos en estas áreas. Otros factores que influyen en el intercambio de CO 2 entre la atmósfera y el océano y, por tanto, en la acidificación local de los océanos, incluyen: las corrientes oceánicas y las zonas de afloramiento , la proximidad a grandes ríos continentales, la cobertura de hielo marino y el intercambio atmosférico con nitrógeno y azufre procedente de la quema de combustibles fósiles y la agricultura . [99] [100] [101]
Los cambios en la química de los océanos pueden tener amplios efectos directos e indirectos en los organismos y sus hábitats. Una de las repercusiones más importantes del aumento de la acidez de los océanos se relaciona con la producción de conchas a partir de carbonato de calcio ( CaCO 3 ). [98] Este proceso se llama calcificación y es importante para la biología y la supervivencia de una amplia gama de organismos marinos. La calcificación implica la precipitación de iones disueltos en estructuras sólidas de CaCO 3 , estructuras para muchos organismos marinos, como cocolitóforos , foraminíferos , crustáceos , moluscos , etc. Una vez formadas, estas estructuras de CaCO 3 son vulnerables a la disolución a menos que el agua de mar circundante contenga sustancias saturadas . concentraciones de iones carbonato ( CO2-3).
Muy poco del dióxido de carbono adicional que se agrega al océano permanece como dióxido de carbono disuelto. La mayoría se disocia en bicarbonato adicional e iones de hidrógeno libres. El aumento de hidrógeno es mayor que el aumento de bicarbonato, [102] creando un desequilibrio en la reacción:
Para mantener el equilibrio químico, algunos de los iones de carbonato que ya se encuentran en el océano se combinan con algunos de los iones de hidrógeno para producir más bicarbonato. De este modo, se reduce la concentración de iones carbonato en el océano, eliminando un componente esencial para que los organismos marinos construyan conchas o calcifiquen:
El dióxido de carbono también se introduce en los océanos a través de respiraderos hidrotermales. El respiradero hidrotermal de Champagne , que se encuentra en el volcán Eifuku del noroeste en la fosa de las Marianas , produce dióxido de carbono líquido casi puro, uno de los dos únicos sitios conocidos en el mundo en 2004, el otro está en la fosa de Okinawa . [103] En 2006 se informó del hallazgo de un lago submarino de dióxido de carbono líquido en la depresión de Okinawa. [104]
El dióxido de carbono es un subproducto de la fermentación del azúcar en la elaboración de cerveza , whisky y otras bebidas alcohólicas y en la producción de bioetanol . La levadura metaboliza el azúcar para producir CO 2 y etanol , también conocido como alcohol, de la siguiente manera:
Todos los organismos aeróbicos producen CO 2 cuando oxidan carbohidratos , ácidos grasos y proteínas . El gran número de reacciones involucradas son extremadamente complejas y no se describen fácilmente. Consulte ( respiración celular , respiración anaeróbica y fotosíntesis ). La ecuación para la respiración de glucosa y otros monosacáridos es:
Los organismos anaeróbicos descomponen la materia orgánica produciendo metano y dióxido de carbono junto con trazas de otros compuestos. [105] Independientemente del tipo de material orgánico, la producción de gases sigue un patrón cinético bien definido . El dióxido de carbono comprende entre el 40% y el 45% del gas que emana de la descomposición en los vertederos (denominado " gas de vertedero "). La mayor parte del 50-55% restante es metano. [106]
El dióxido de carbono se puede obtener por destilación del aire, pero el método es ineficaz. Industrialmente, el dióxido de carbono es predominantemente un producto de desecho no recuperado, producido mediante varios métodos que pueden practicarse a diversas escalas. [107]
La combustión de todos los combustibles basados en carbono , como el metano ( gas natural ), los destilados del petróleo ( gasolina , diésel , queroseno , propano ), el carbón, la madera y la materia orgánica genérica produce dióxido de carbono y, excepto en el caso del carbono puro, agua. . Como ejemplo, la reacción química entre metano y oxígeno :
El hierro se reduce de sus óxidos con coque en un alto horno , produciendo arrabio y dióxido de carbono: [108]
El dióxido de carbono es un subproducto de la producción industrial de hidrógeno mediante reformado con vapor y la reacción de desplazamiento del gas del agua en la producción de amoníaco . Estos procesos comienzan con la reacción del agua y el gas natural (principalmente metano). [109] Esta es una fuente importante de dióxido de carbono de calidad alimentaria para su uso en la carbonatación de cerveza y refrescos , y también se utiliza para aturdir animales como las aves de corral . En el verano de 2018 surgió en Europa una escasez de dióxido de carbono para estos fines debido al cierre temporal de varias plantas de amoníaco por mantenimiento. [110]
Se produce por descomposición térmica de piedra caliza, CaCO 3 , mediante calentamiento ( calcinación ) a unos 850 °C (1560 °F), en la fabricación de cal viva ( óxido de calcio , CaO), un compuesto que tiene muchos usos industriales:
Los ácidos liberan CO 2 de la mayoría de los carbonatos metálicos. En consecuencia, puede obtenerse directamente de manantiales naturales de dióxido de carbono , donde se produce por la acción del agua acidificada sobre piedra caliza o dolomita . La reacción entre el ácido clorhídrico y el carbonato de calcio (piedra caliza o tiza) se muestra a continuación:
El ácido carbónico ( H 2 CO 3 ) luego se descompone en agua y CO 2 :
Estas reacciones van acompañadas de formación de espuma o burbujeo, o ambas, a medida que se libera el gas. Tienen usos generalizados en la industria porque pueden usarse para neutralizar corrientes de ácidos residuales.
El dióxido de carbono es utilizado por la industria alimentaria, la industria petrolera y la industria química. [107] El compuesto tiene diversos usos comerciales, pero uno de sus mayores usos como producto químico es en la producción de bebidas carbonatadas; Proporciona el brillo de las bebidas carbonatadas como el agua con gas, la cerveza y el vino espumoso.
En la industria química, el dióxido de carbono se consume principalmente como ingrediente en la producción de urea , y una fracción más pequeña se utiliza para producir metanol y una variedad de otros productos. [111] Algunos derivados de ácidos carboxílicos, como el salicilato de sodio, se preparan utilizando CO 2 mediante la reacción de Kolbe-Schmitt . [112]
Además de los procesos convencionales que utilizan CO 2 para la producción química, también se están explorando a nivel de investigación métodos electroquímicos. En particular, el uso de energía renovable para la producción de combustibles a partir de CO 2 (como el metanol) es atractivo ya que podría dar lugar a combustibles que podrían transportarse y utilizarse fácilmente dentro de las tecnologías de combustión convencionales pero que no tendrían emisiones netas de CO 2 . [113]
Las plantas necesitan dióxido de carbono para realizar la fotosíntesis. Las atmósferas de los invernaderos pueden (si son de gran tamaño, deben) enriquecerse con CO2 adicional para sostener e incrementar la tasa de crecimiento de las plantas. [114] [115] En concentraciones muy altas (100 veces la concentración atmosférica, o más), el dióxido de carbono puede ser tóxico para la vida animal, por lo que aumentar la concentración a 10,000 ppm (1%) o más durante varias horas eliminará plagas como moscas blancas y ácaros en un invernadero. [116]
El dióxido de carbono es un aditivo alimentario utilizado como propulsor y regulador de la acidez en la industria alimentaria. Está aprobado para su uso en la UE [117] (listado como número E E290), EE. UU . [118] y Australia y Nueva Zelanda [119] (listado por su número INS 290).
Un caramelo llamado Pop Rocks está presurizado con gas dióxido de carbono [120] a aproximadamente 4000 kPa (40 bar ; 580 psi ). Cuando se coloca en la boca, se disuelve (como otros caramelos duros) y libera las burbujas de gas con un chasquido audible.
Los agentes leudantes hacen que la masa suba al producir dióxido de carbono. [121] La levadura de panadería produce dióxido de carbono mediante la fermentación de los azúcares dentro de la masa, mientras que los leudantes químicos como el polvo para hornear y el bicarbonato de sodio liberan dióxido de carbono cuando se calientan o se exponen a ácidos .
El dióxido de carbono se utiliza para producir refrescos carbonatados y agua con gas . Tradicionalmente, la carbonatación de la cerveza y el vino espumoso se producía mediante fermentación natural, pero muchos fabricantes carbonatan estas bebidas con dióxido de carbono recuperado del proceso de fermentación. En el caso de la cerveza embotellada y en barriles, el método más común utilizado es la carbonatación con dióxido de carbono reciclado. Con la excepción de la cerveza real británica , la cerveza de barril generalmente se transfiere de los barriles en una cámara fría o bodega a los grifos dispensadores en la barra usando dióxido de carbono presurizado, a veces mezclado con nitrógeno.
El sabor del agua con gas (y las sensaciones gustativas relacionadas en otras bebidas carbonatadas) es un efecto del dióxido de carbono disuelto más que del estallido de las burbujas del gas. La anhidrasa carbónica 4 se convierte en ácido carbónico , lo que produce un sabor amargo y el dióxido de carbono disuelto induce una respuesta somatosensorial . [122]
El dióxido de carbono en forma de hielo seco se utiliza a menudo durante la fase de remojo en frío en la elaboración del vino para enfriar los racimos de uvas rápidamente después de la recolección y ayudar a prevenir la fermentación espontánea por levaduras silvestres . La principal ventaja de utilizar hielo seco sobre hielo de agua es que enfría las uvas sin añadir agua adicional que pueda disminuir la concentración de azúcar en el mosto de uva y, por tanto, la concentración de alcohol en el vino terminado. El dióxido de carbono también se utiliza para crear un ambiente hipóxico para la maceración carbónica , el proceso utilizado para producir vino Beaujolais .
A veces se utiliza dióxido de carbono para rellenar botellas de vino u otros recipientes de almacenamiento , como barriles, para evitar la oxidación, aunque tiene el problema de que puede disolverse en el vino, haciendo que un vino previamente tranquilo se vuelva ligeramente gaseoso. Por este motivo, los enólogos profesionales prefieren para este proceso otros gases como el nitrógeno o el argón .
El dióxido de carbono se utiliza a menudo para "aturdir" a los animales antes del sacrificio. [123] "Aturdir" puede ser un nombre inapropiado, ya que los animales no quedan inconscientes inmediatamente y pueden sufrir angustia. [124] [125]
El dióxido de carbono es uno de los gases comprimidos más utilizados para sistemas neumáticos (gas presurizado) en herramientas de presión portátiles. El dióxido de carbono también se utiliza como atmósfera para soldar , aunque en el arco de soldadura reacciona oxidando la mayoría de los metales. El uso en la industria automotriz es común a pesar de la evidencia significativa de que las soldaduras realizadas en dióxido de carbono son más frágiles que las realizadas en atmósferas más inertes. [ cita necesaria ] Cuando se usa para soldadura MIG , el uso de CO 2 a veces se denomina soldadura MAG, para metal activo gas, ya que el CO 2 puede reaccionar a estas altas temperaturas. Tiende a producir un charco más caliente que las atmósferas verdaderamente inertes, mejorando las características del flujo. Sin embargo, esto puede deberse a reacciones atmosféricas que ocurren en el sitio del charco. Esto suele ser el efecto opuesto al deseado al soldar, ya que tiende a fragilizar el sitio, pero puede no ser un problema para la soldadura general de acero dulce, donde la ductilidad final no es una preocupación importante.
El dióxido de carbono se utiliza en muchos productos de consumo que requieren gas presurizado porque es económico y no inflamable, y porque sufre una transición de fase de gas a líquido a temperatura ambiente a una presión alcanzable de aproximadamente 60 bar (870 psi ; 59 atm ), lo que permite En un recipiente determinado cabe mucho más dióxido de carbono del que cabría de otro modo. Los chalecos salvavidas suelen contener botes de dióxido de carbono a presión para inflarse rápidamente. Las cápsulas de aluminio de CO 2 también se venden como suministros de gas comprimido para pistolas de aire comprimido , pistolas/marcadoras de paintball , para inflar neumáticos de bicicletas y para producir agua carbonatada . También se pueden utilizar altas concentraciones de dióxido de carbono para matar plagas. El dióxido de carbono líquido se utiliza en el secado supercrítico de algunos productos alimenticios y materiales tecnológicos, en la preparación de muestras para microscopía electrónica de barrido [126] y en el descafeinado de granos de café .
El dióxido de carbono se puede utilizar para extinguir llamas inundando el entorno alrededor de la llama con gas. No reacciona por sí solo para extinguir la llama, sino que la priva de oxígeno desplazándola. Algunos extintores , especialmente los diseñados para incendios eléctricos , contienen dióxido de carbono líquido bajo presión. Los extintores de dióxido de carbono funcionan bien en pequeños incendios eléctricos y de líquidos inflamables, pero no en incendios de combustibles comunes, porque no enfrían significativamente las sustancias en llamas y, cuando el dióxido de carbono se dispersa, pueden incendiarse al exponerse al oxígeno atmosférico . Se utilizan principalmente en salas de servidores. [127]
El dióxido de carbono también se ha utilizado ampliamente como agente extintor en sistemas fijos de protección contra incendios para la aplicación local de riesgos específicos y la inundación total de un espacio protegido. [128] Las normas de la Organización Marítima Internacional reconocen los sistemas de dióxido de carbono para la protección contra incendios de las bodegas de los buques y las salas de máquinas. Los sistemas de protección contra incendios basados en dióxido de carbono se han relacionado con varias muertes, ya que en concentraciones suficientemente altas pueden causar asfixia. Una revisión de los sistemas de CO 2 identificó 51 incidentes entre 1975 y la fecha del informe (2000), que causaron 72 muertes y 145 heridos. [129]
El dióxido de carbono líquido es un buen disolvente para muchos compuestos orgánicos lipófilos y se utiliza para eliminar la cafeína del café . [18] El dióxido de carbono ha atraído la atención en las industrias farmacéutica y de procesamiento de otros productos químicos como una alternativa menos tóxica a los solventes más tradicionales como los organoclorados . También lo utilizan algunas tintorerías por este motivo. Se utiliza en la preparación de algunos aerogeles debido a las propiedades del dióxido de carbono supercrítico.
En medicina, se añade hasta un 5% de dióxido de carbono (130 veces la concentración atmosférica) al oxígeno para estimular la respiración después de una apnea y estabilizar el equilibrio O 2 /CO 2 en la sangre.
El dióxido de carbono se puede mezclar con hasta un 50% de oxígeno, formando un gas inhalable; esto se conoce como carburógeno y tiene una variedad de usos médicos y de investigación.
Otro uso médico son las mofette , spas secos que utilizan el dióxido de carbono procedente de la descarga postvolcánica con fines terapéuticos.
El CO 2 supercrítico se utiliza como fluido de trabajo en el motor de ciclo de energía Allam .
El dióxido de carbono se utiliza en la recuperación mejorada de petróleo , donde se inyecta en los pozos productores de petróleo o junto a ellos, generalmente en condiciones supercríticas , cuando se vuelve miscible con el petróleo. Este enfoque puede aumentar la recuperación de petróleo original al reducir la saturación de petróleo residual entre un 7% y un 23% adicional a la extracción primaria . [130] Actúa como agente presurizador y, cuando se disuelve en el petróleo crudo subterráneo , reduce significativamente su viscosidad y cambia la química de la superficie, lo que permite que el petróleo fluya más rápidamente a través del yacimiento hasta el pozo de extracción. [131] En los yacimientos petrolíferos maduros, se utilizan extensas redes de tuberías para transportar el dióxido de carbono a los puntos de inyección.
En la recuperación mejorada de metano de lechos de carbón , se bombearía dióxido de carbono a la veta de carbón para desplazar el metano, a diferencia de los métodos actuales que se basan principalmente en la eliminación de agua (para reducir la presión) para hacer que la veta de carbón libere el metano atrapado. [132]
Se ha propuesto que el CO 2 procedente de la generación de energía se burbujee en estanques para estimular el crecimiento de algas que luego podrían convertirse en combustible biodiesel . [133] Se ha modificado genéticamente una cepa de la cianobacteria Synechococcus elongatus para producir los combustibles isobutiraldehído e isobutanol a partir de CO 2 mediante la fotosíntesis. [134]
Los investigadores han desarrollado un proceso llamado electrólisis, utilizando enzimas aisladas de bacterias para impulsar las reacciones químicas que convierten el CO 2 en combustibles. [135] [136] [137]
El dióxido de carbono líquido y sólido son refrigerantes importantes , especialmente en la industria alimentaria, donde se emplean durante el transporte y almacenamiento de helados y otros alimentos congelados. El dióxido de carbono sólido se llama "hielo seco" y se utiliza para envíos pequeños donde el equipo de refrigeración no es práctico. El dióxido de carbono sólido siempre está por debajo de -78,5 °C (-109,3 °F) a la presión atmosférica normal, independientemente de la temperatura del aire.
Se utilizó dióxido de carbono líquido (nomenclatura industrial R744 o R-744) como refrigerante antes del uso [ cita necesaria ] de diclorodifluorometano (R12, un compuesto de clorofluorocarbono (CFC)). El CO 2 podría disfrutar de un renacimiento porque uno de los principales sustitutos de los CFC, el 1,1,1,2-tetrafluoroetano ( R134a , un compuesto de hidrofluorocarbono (HFC)) contribuye al cambio climático más que el CO 2 . Las propiedades físicas del CO 2 son muy favorables para fines de refrigeración, refrigeración y calefacción, teniendo una alta capacidad de refrigeración volumétrica. Debido a la necesidad de operar a presiones de hasta 130 bares (1900 psi; 13 000 kPa), los sistemas de CO 2 requieren depósitos y componentes altamente resistentes mecánicamente que ya se han desarrollado para la producción en masa en muchos sectores. En el aire acondicionado de los automóviles, en más del 90% de todas las condiciones de conducción en latitudes superiores a 50°, el CO 2 (R744) funciona de manera más eficiente que los sistemas que utilizan HFC (por ejemplo, R134a). Sus ventajas medioambientales ( PCA de 1, no agota la capa de ozono, no es tóxico, no es inflamable) podrían convertirlo en el futuro fluido de trabajo para sustituir a los actuales HFC en automóviles, supermercados y calentadores de agua con bomba de calor, entre otros. Coca-Cola ha instalado refrigeradores de bebidas a base de CO 2 y el ejército estadounidense está interesado en la tecnología de refrigeración y calefacción con CO 2 . [138] [139]
El dióxido de carbono es el medio láser en un láser de dióxido de carbono , que es uno de los primeros tipos de láser.
El dióxido de carbono se puede utilizar como medio para controlar el pH de las piscinas, [140] agregando gas continuamente al agua, evitando así que el pH aumente. Entre las ventajas de esto está la de evitar la manipulación de ácidos (más peligrosos). De manera similar, también se usa en el mantenimiento de acuarios de arrecife , donde se usa comúnmente en reactores de calcio para reducir temporalmente el pH del agua que pasa sobre el carbonato de calcio para permitir que el carbonato de calcio se disuelva más libremente en el agua, donde es utilizado por algunos corales para construir su esqueleto.
Se utiliza como refrigerante primario en el avanzado reactor británico refrigerado por gas para la generación de energía nuclear.
La inducción de dióxido de carbono se utiliza comúnmente para la eutanasia de animales de investigación de laboratorio. Los métodos para administrar CO 2 incluyen colocar a los animales directamente en una cámara cerrada y precargada que contiene CO 2 , o exponerlos a una concentración de CO 2 que aumenta gradualmente . Las pautas de 2020 de la Asociación Estadounidense de Medicina Veterinaria para la inducción de dióxido de carbono establecen que una tasa de desplazamiento del 30 al 70% del volumen de la cámara o jaula por minuto es óptima para la eutanasia humanitaria de pequeños roedores. [141] : 5, 31 Los porcentajes de CO 2 varían para diferentes especies, según los porcentajes óptimos identificados para minimizar la angustia. [141] : 22
El dióxido de carbono también se utiliza en varias técnicas relacionadas de limpieza y preparación de superficies .
El dióxido de carbono fue el primer gas descrito como sustancia discreta. Aproximadamente en 1640, [142] el químico flamenco Jan Baptist van Helmont observó que cuando quemaba carbón vegetal en un recipiente cerrado, la masa de la ceniza resultante era mucho menor que la del carbón original. Su interpretación fue que el resto del carbón había sido transmutado en una sustancia invisible que denominó "gas" (del griego "caos") o "espíritu salvaje" ( spiritus sylvestris ). [143]
Las propiedades del dióxido de carbono fueron estudiadas más a fondo en la década de 1750 por el médico escocés Joseph Black . Descubrió que la piedra caliza ( carbonato de calcio ) podía calentarse o tratarse con ácidos para producir un gas que llamó "aire fijo". Observó que el aire fijo era más denso que el aire y no sustentaba ni llamas ni vida animal. Black también descubrió que cuando se burbujeaba en agua de cal (una solución acuosa saturada de hidróxido de calcio ), precipitaba carbonato de calcio. Usó este fenómeno para ilustrar que el dióxido de carbono se produce por la respiración animal y la fermentación microbiana. En 1772, el químico inglés Joseph Priestley publicó un artículo titulado Impregnación de agua con aire fijo en el que describía un proceso de goteo de ácido sulfúrico (o aceite de vitriolo , como lo conocía Priestley) sobre tiza para producir dióxido de carbono y obligar al gas a disolver agitando un recipiente con agua en contacto con el gas. [144]
El dióxido de carbono fue licuado por primera vez (a presiones elevadas) en 1823 por Humphry Davy y Michael Faraday . [145] La primera descripción del dióxido de carbono sólido ( hielo seco ) fue dada por el inventor francés Adrien-Jean-Pierre Thilorier , quien en 1835 abrió un recipiente presurizado de dióxido de carbono líquido, solo para descubrir que el enfriamiento producido por la rápida evaporación del líquido produjo una "nieve" de CO 2 sólido . [146] [147]
El dióxido de carbono en combinación con nitrógeno se conocía desde tiempos anteriores como Blackdamp , stythe o estrangulador, [148] Junto con los otros tipos de humedad , se encontraba en operaciones mineras y en hundimientos de pozos. La lenta oxidación del carbón y los procesos biológicos reemplazaron el oxígeno para crear una mezcla asfixiante de nitrógeno y dióxido de carbono. [149]
(Rubisco) es la enzima más frecuente en este planeta y representa entre el 30% y el 50% de la proteína soluble total en el cloroplasto.
![{\displaystyle K_{\mathrm {h} }={\frac {{\ce {[H2CO3]}}}{{\ce {[CO2_{(aq)}]}}}}=1,70\times 10^{ -3}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7b01be634ec0c3d83cbf3aa2c71bbd51b9ce0e26)
![{\displaystyle K_{\mathrm {a1} }={\frac {{\ce {[HCO3- ][H+]}}}{{\ce {[H2CO3]}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f6013fac05dba06751345e4d824c525ed2c43b12)
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Figura 1f
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