二酸化炭素の定義、利点、影響、特性、役割
二酸化炭素、利点、特性、役割と影響を理解する : は、炭素原子に共有結合した2つの酸素原子からなる化合物の一種です。
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二酸化炭素の定義
二酸化炭素 （化学式： CO2）または 炭酸 は、炭素原子に共有結合した2つの酸素原子からなる化合物の一種です。 これは標準の温度と圧力のガスであり、地球の大気中に存在します。 地球の大気中の二酸化炭素の平均濃度は、体積で約387ppmです。 [1] ただし、この数は場所や時間帯によって異なる場合があります。 二酸化炭素は赤外線を強く吸収するため、重要な温室効果ガスです。
二酸化炭素は、呼吸の過程ですべての動物、植物、真菌、および微生物によって生成され、光合成の過程で植物によって使用されます。 したがって、二酸化炭素は炭素循環の重要な要素です。 二酸化炭素は、化石燃料の燃焼の副産物としても生成されます。 無機二酸化炭素は、火山や温泉などの他の地熱プロセスから排出されます。
化学と物理学による二酸化炭素
二酸化炭素は、1つの炭素原子と2つの酸素原子からなるガスです。 二酸化炭素（CO）の構造2 ）は次のように説明できます。
二酸化炭素分子は2つの二重結合で構成され、線形の形状をしています。 電気双極子はありません。 完全に酸化されると、不活性で不燃性になります。 二酸化炭素は、十分な酸素があれば、有機物を燃焼させることで作ることができます。 二酸化炭素は、発酵と呼吸のプロセスの結果として微生物によっても生成されます。 二酸化炭素と酸素は炭水化物を生産するために使用することができます。 植物はOを放出します
2 大気中に放出され、最終的に従属栄養生物による呼吸に使用されます。二酸化炭素は、高用量で吸入すると無色のガスです（有害な活動）。 息切れのリスクがあるため）、口の中で酸っぱい味、鼻と喉で刺すような味を生み出します 喉。 この効果は、ガスが粘膜や唾液に溶けて炭酸の溶液を形成することによって引き起こされます。 25での密度0Cは1.98kg / m3、空気の密度の約1.5倍。
液体二酸化炭素は、5.1気圧を超える圧力でのみ形成されます。 常圧では、次のようなプロセスによって気体と固体を直接交換します。 昇華。
水はその内容物と同じくらい二酸化炭素を吸収します。 溶存二酸化炭素の約1％が炭酸に変換されます。 次に、炭酸は部分的に分裂して重炭酸イオンと炭酸イオンを形成します。
生物学によると
二酸化炭素は、砂糖や脂肪の分解からエネルギーを得る生物の蓄積の結果です 細胞呼吸として知られているプロセスで、代謝の一部として酸素を使用します。 これには、すべての植物、動物、ほとんどの菌類、および一部の細菌が含まれます。 高等動物では、二酸化炭素は血液（ほとんどが溶液になっている）を介して体の細胞から肺に運ばれ、そこで排出されます。
新鮮な空気中の二酸化炭素の含有量は1％未満または約350 ppmであり、呼気中の二酸化炭素の含有量は約4.5％です。 約5％の高濃度で吸入すると、人や動物に有毒です。
赤血球の主要分子であるヘモグロビンは、酸素と二酸化炭素を結合することができます。 COの濃度が2 高すぎると、すべてのヘモグロビンが二酸化炭素で満たされ、酸素を運びません（空気中に酸素がたくさんある場合でも）。 その結果、密閉された部屋にいる人は、酸素の不足が問題を引き起こしますが、二酸化炭素の蓄積による息切れを経験します。 気体または固体の二酸化炭素は、換気の良い場所で管理する必要があります。
CO2 血液によって運ばれるものはさまざまな形で見つけることができます。 COの8％2 プラズマ中にガスとして存在します。 COの20％2 ヘモグロビンに結合します。 CO2 ヘモグロビンに結合しているのは、ヘム分子ではなくアミノ酸に結合しているため、酸素結合と競合しません。 残りの72％はHCOとして運ばれます3- 生物のpHを制御する上で重要なイオンである重炭酸塩。 重炭酸塩のレベルは増加すると制御され、過剰な二酸化炭素を取り除くために呼吸が速くなります。 血液中の二酸化炭素/重炭酸塩のレベルは、毛細血管の厚さに影響を与えます。 それが高いとき、毛細血管は拡張し、より多くの血液が入り、過剰な重炭酸塩を肺に運びます。
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無機研究における二酸化炭素
二酸化炭素は、大気（300 ppm）、火山ガス、および特定の泉からの過飽和溶液に存在します。
CO。ガス2 次の理由で生成できます。
- 完璧な炭素燃焼
C + O2 CO2
- 生き物の息の残骸
- 火山噴火
- 炭酸化合物の燃焼または酸の影響下
それを作る方法に関して：
発酵結果
C6H12O6 2C2H3OH + 2CO2
石灰石の燃焼
CaCO3 CaO + CO2
実験室ではそれはによって作ることができます：
H2CO3 CO2 + H2OK = 600
CaCO3 + 2HCl→CaCl2 + H2O + CO2
すべてのCOではありません2 可溶性で解離していないものはHとして存在します2CO3. COの大部分2 溶解するものは、COが2 Hと平衡状態になる2CO3 そして、水を通過するときのその解離生成物は遅い。 これにより、Hを区別することができます2CO3 およびCO2（aq） ゆるく水和。
化学的および物理的特性
二酸化炭素は無色無臭のガスです。 大気中の二酸化炭素濃度よりも高い濃度で吸入すると、口や鼻、喉に酸味があります。 この効果は、粘膜と唾液にガスが溶解し、炭酸の弱い溶液を形成するためです。 この感覚は、炭酸水（コカコーラなど）を飲んだ後にげっぷをしたときにも感じることができます。 5,000 ppmを超える濃度は健康に良くありませんが、50,000ppmを超える濃度は動物の生命を危険にさらす可能性があります。
二酸化炭素の利点
植物の光合成の過程で役割を果たします。 光合成では、植物は二酸化炭素と水を使って、食物に必要な糖と酸素を生成します。 反応式は
12H2O + 6CO2 +ライト→C6H12O6 （ブドウ糖）+ 6O2 + 6H2O
グルコースは、セルロースなどの他の有機化合物を形成するために使用でき、燃料としても使用できます。 呼吸では、ブドウ糖やその他の化合物が酸素と反応して、二酸化炭素、水、化学エネルギーを生成します。
植物はクロロフィルと呼ばれる色素を使って光を捕らえます。 植物に緑色を与えるこの色素。 クロロフィルには、光合成に使用される光を吸収する葉緑体と呼ばれる細胞小器官が含まれています。 植物体のすべての緑色の部分には葉緑体が含まれていますが、エネルギーのほとんどは葉で生成されます。
葉の中には葉肉と呼ばれる細胞の層があり、1平方ミリメートルあたり50万個の葉緑体が含まれています。 秘訣は、表皮の無色透明の層を通り、ほとんどの光合成プロセスが起こる葉肉に向かっていきます。 葉の表面は通常、日光の吸収や水の過度の蒸発を防ぐために、撥水性のワックス状のカティクルでコーティングされています。
液体および固体の二酸化炭素（ドライアイス）は、特に食品業界で重要な冷媒であり、アイスクリームやその他の冷凍食品の輸送および保管中に使用されます。
二酸化炭素は、炭酸飲料や炭酸水を作るために使用されます。 伝統的に、スパークリングビールとワインの炭酸塩は自然発酵によって生成されますが、一部のメーカーはこれらの飲み物に人工的に炭酸塩を加えています。
調理に使用される現像液は二酸化炭素を生成し、生地を浮き上がらせます。 パンエキスパンダーは生地を持ち上げることで二酸化炭素を生成しますが、化学開発者は ベーキングパウダーや重曹などは、加熱または混合すると二酸化炭素を放出します 酸。 二酸化炭素は、安価で不燃性の圧力ガスとしてよく使用されます。
二酸化炭素は消火に使用でき、一部の消火器（消火器）、主に電気火災用に作られ、圧力下で液体二酸化炭素を含みます。 二酸化炭素を使用する化合物が 不活性雰囲気よりも脆く、酸の生成により凝固剤が徐々に劣化します 炭酸。 アルゴンやヘリウムなどの他のガスよりも安価であるため、凝固ガスとして使用されます。
液体二酸化炭素は、ほとんどの有機物質にとって優れた溶媒です。 注目を集め始めています 製薬 および他の従来の溶媒よりも毒性の少ないオプションとしての他の化学処理産業 有機塩素化合物.
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二酸化炭素と環境との関係と対策
CO。ガス2 COの場合、大気汚染粒子の1つです2 通常の限界を超えて空気中にいると、空気の質が生活に支障をきたすレベルまで低下します。
CO。ガス2 燃焼油、車両の排気ガス、火山の噴火、自動車のエンジンとエンジンの排気ガスの不完全燃焼が原因です。
COガスの結果2 制限を超えると、次の原因となる可能性があります。
- 呼吸器疾患
- 温室効果による地球の気温の上昇
一酸化炭素ガスの形の汚染物質2 それは空気中で膨張し、ガラスのような特性を持っています。 CO。は地球に降り注ぐ太陽光を反射しません2 これは拡大しますが、継続します。 その結果、地球の温度は上昇しています。
これは短期的な影響ですが、長期的な影響は極地の氷を溶かし、地表全体の海面が上昇する可能性があります。 海面の上昇は島を沈めることができるでしょう。
COガスガスを扱う方法はいくつかあります2 これは ：
- 保護植物の植え付けを増やす（再植林）
- 工場の煙突にエアフィルターを装備し、煙突の高さを上げる
- 純粋な燃料を使用してCOガス燃焼残留物を削減する2 過度に
- 有機性廃棄物を生物学的肥料に加工する。
生物学の役割
二酸化炭素は、糖、脂肪、 呼吸として知られているプロセスの代謝の一部として酸素を含むアミノ酸 細胞。 それはすべての植物、動物、多くの菌類といくつかのバクテリアを含みます。 高等動物では、血液中の二酸化炭素が体組織から肺に移動して排出されます。 植物では、二酸化炭素は光合成中に大気から吸収されます。
- 光合成における役割
植物は、同化としても知られる光合成によって大気から二酸化炭素を除去します 光エネルギーを利用して二酸化炭素を組み合わせて有機物を生成する炭素 と水。
遊離酸素は水分子の分解からガスとして放出され、水素はプロトンと電子に分離され、光リン酸化によって化学エネルギーを生成するために使用されます。 糖を形成するためにカルビン回路で二酸化炭素を固定するために必要なエネルギー。 この砂糖は、呼吸による植物の成長に使用されます。
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- 毒性
新鮮な空気中の二酸化炭素含有量は、場所に応じて0.03％（300ppm）から0.06％（600 ppm）の間で変化します。
オーストラリア海洋安全局によると、「二酸化炭素濃度が長すぎると、 アシドーシスとカルシウムリン代謝に対する中程度の悪影響により、カルシウム沈着が増加します。 軟部組織。 二酸化炭素は肝臓に有毒であり、収縮力の低下を引き起こします。
空気中の3体積パーセントの濃度では、それは軽度の麻薬性であり、血圧と脈拍の増加を引き起こし、聴力の低下を引き起こします。 約5体積パーセントの濃度では、呼吸中枢の刺激、めまい、錯乱、および頭痛と息切れを伴う呼吸困難を引き起こします。 8％の濃度では、5〜10分の曝露後に頭痛、発汗、かすみ目、震え、意識喪失を引き起こします。 “
人間の理解の歴史
17世紀、フレミングの化学者であるヤンバプテストファンヘルモントは、密閉容器で木炭を燃やすと、元の木炭よりも質量の少ない灰が生成されることを発見しました。 彼は、木炭の一部が目に見えない物質に変化したと結論付け、その物質を「ガス」または スピリトゥスシルベスター （インドネシア語：ワイルドスピリット）。
二酸化炭素の特性は、1750年にスコットランドの物理学者ジョセフブラックによってさらに研究されました。 彼は、石灰石（炭酸カルシウム）を燃焼または酸で処理できることを発見し、彼が名前を付けたガスを生成しました 「固定空気」. 彼はまた、このガスが空気よりも重く、石灰（水酸化カルシウム）の溶液中で加熱すると炭酸カルシウムを沈殿させることを発見しました。 彼はこの現象を使用して、二酸化炭素が動物の呼吸と微生物の発酵によって生成されることを説明しました。 1772年、英国の化学者ジョセフ・プリーストリーは、「 固定空気による水への含浸. ジャーナルでは、彼は硫酸を滴下するプロセスを説明しています（または ビトリオールオイル プリーストリーがそれを呼んだように）二酸化炭素を生成するために石灰化し、ガスと接触している水を入れたボウルを振ることによってガスを強制的に溶解させます。[5]
二酸化炭素は、1823年にハンフリーデービーとマイケルファラデーによって最初に液化されました（高圧で）。[6] 固体二酸化炭素の最初の記述は、1834年にチャールズ・ティロリエが容器を開けたときに報告されました 加圧された液体二酸化炭素は、冷却が「雪」を生成する蒸発をもたらすことを発見しました CO2 固体。[7]
工業規模での生産
二酸化炭素は通常、次の6つのプロセスで生成されます。[8]
- アンモニアと水素の精製の副産物として、メタンがCOに変換されます2.
- 木材や化石燃料の燃焼から。
- ビール、ウイスキー、その他のアルコール飲料を発酵させる過程での砂糖の発酵の副産物として。
- 石灰石、CaCOの熱分解プロセスから3;
- リン酸ナトリウムの製造の副産物として;
- 石灰岩またはドロマイトの水の酸性化によって二酸化炭素が生成される温泉から直接採取されます。
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二酸化炭素の影響と危険性
今日私たちが直面している最大の問題の1つは、地球温暖化です。 動物や農業への影響は、特に人口に懸念を抱いています。 地球温暖化についての事実は、政治やメディアでしばしば議論されますが、悲しいことに、多くの政党にもかかわらず 地球温暖化の原因については同意しませんが、地球温暖化は事実であり、地球規模で発生し、 測定可能。 地球温暖化の10の原因と影響は次のとおりです。
発電所での化石燃料の燃焼による二酸化炭素排出量。
石炭火力発電所から供給される電力の使用の増加は、大量の炭素を放出しています CO2排出量の40％は米国の電力生産によって生成され、これらの93％は産業用石炭燃焼排出物から発生します。 ユーティリティ。 市場は毎日ますますガジェットで溢れています。ガジェットの使用には、代替エネルギーでサポートされていなくても電力が必要です。 したがって、私たちは世界中で電力需要を供給するために石炭の燃焼にますます依存するようになるでしょう。
車内でのガソリンの燃焼による二酸化炭素排出量.
私たちが使用する車両は約33％の排出源であり、地球温暖化に影響を及ぼします。 人口の増加が驚くべき速さで増加しているので、それは確かに需要を増加させるでしょう より多くの車両、つまり輸送や工場での化石燃料の使用が増えることを意味します 大きい。 化石燃料の消費は、排出の影響を減らす方法を見つけることをはるかに超えています。 消費文化を離れる時が来ました。
家畜および北極海底からのメタン排出.
メタンはCO2に次ぐ最も強力な温室効果ガスです。 有機物が酸素不足の状態でバクテリアによって分解されると（嫌気性分解）、メタンが生成されます。
このプロセスは草食動物の腸でも起こり、集中した家畜の生産量が増えると、大気中に放出されるメタンのレベルが上がります。 メタンのもう1つの供給源は、氷山の構造に閉じ込められた大量のメタンを含む化合物であるメタンクラスレートです。 メタンが北極海底から逃げると、地球温暖化の速度が大幅に増加します。
森林伐採、特に木材、パルプ、農地のための熱帯林.
森林を燃料（木材と木炭の両方）に使用することは、森林破壊の原因の1つです。 世界的に木材や紙製品の使用が増加しており、食肉供給業者にとって家畜用地の必要性が高まっています。 と乳製品、そしてアブラヤシ農園などの商品のための熱帯林の土地の使用は、森林破壊の主な推進力です 世界。 森林破壊は、大気中に大量の炭素を放出する結果になります。
農地での化学肥料の使用の増加。
20世紀半ばまでに、化学肥料の使用（以前は肥料の使用）が劇的に増加しました。 窒素に富む肥料の高い使用率は、農地（窒素酸化物）の蓄熱に影響を及ぼします 二酸化炭素の300倍の熱-単位体積あたりの容量を持っています）そして過剰な肥料の流出は「デッドゾーン」を作成します 海。 これらの影響に加えて、過剰な施肥による地下水中の高レベルの硝酸塩は、人間の健康に影響を及ぼし、非常に懸念されています。
世界中の海面上昇.
科学者たちは、南極大陸とグリーンランド、特に米国の東海岸で2つの巨大な氷床が溶けることにより、世界中で海面が上昇すると予測しています。 しかし、世界中の多くの国が海面上昇の影響を経験し、何百万もの人々が新しい入植地を探すことを余儀なくされる可能性があります。 モルディブは海面上昇のために新しい家を見つける必要がある1つの国です
ハリケーンハリケーンの被害者が増加しています.
ハリケーンやハリケーンなどの暴風雨の深刻さは増しており、 自然 言う：
「科学者たちは、地球温暖化が世界で最も極端な嵐の強度を大幅に増加させるという強力な証拠を示しています。 最強の熱帯低気圧の最大風速は1981年以来大幅に増加しています 海水温度の上昇によって引き起こされると推定されており、時間の経過とともに減少する可能性は低いです。 閉じる。 “
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大規模な作物の失敗。
最近の調査によると、世界中で約30億人がに移動することを選択する必要があります 100年以内の気候変動による飢饉の脅威の可能性による温帯地域 年。
「この気候変動は、水供給に最も深刻な影響を与えると予測されています。 「将来の水不足は、食糧生産を脅かし、衛生状態を低下させ、経済発展を妨げ、生態系に損害を与える可能性があります。 これは、洪水と干ばつの間のより極端な気分のむらにつながります。」 ガーディアンによれば、…地球温暖化は年間30万人の死者を出している。
多数の種の絶滅.
Natureに発表された研究によると、気温の上昇は100万種以上の絶滅につながる可能性があります。 そして、地球上の多様な種の個体群なしでは私たちは一人で生きることができないので、これは人間に悲惨な結果をもたらすでしょう。
「今日の気候変動は、地球上にまだ生きている種の数にとって少なくとも同じくらい大きな脅威です。 生息地の破壊と変化の結果として。」 それは、大学の保全生物学者であるクリス・トーマスの意見です。 リーズ。
サンゴ礁の喪失。
WWFのサンゴ礁に関するレポートによると、最悪のシナリオでは、海水温と酸性度が上昇するにつれて、サンゴの個体数は2100年までに崩壊します。 海水温の継続的な上昇によるサンゴの「白化」は、生態系にとって非常に危険です 海、および海の他の多くの種は、生存のためにサンゴ礁に依存しています 彼ら。
「海は地球の表面の71％を覆っており、平均深度は約4 kmですが、これが転換点に近づいていることを示す兆候があります。 サンゴ礁の場合、水の温暖化と酸性化は地球規模の生態系の喪失を脅かします。 そのため、サンゴ礁を絶滅から救うには多大な努力が必要です。