Anidride carbonica

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Anidride carbonica
Formula di struttura
Modello a sfere e bastoncini
Modello 3D della molecola
Nome IUPAC
diossido di carbonio
Nomi alternativi
biossido di carbonio
anidride carbonica
gas silvestre
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare CO2
Massa molecolare (u) 44,010[1]
Aspetto gas incolore
Numero CAS [124-38-9]
PubChem 280
Proprietà chimico-fisiche
Densità (kg·m−3, in c.s.) 1,98
Solubilità in acqua 1,45 g/l a 293 K
Temperatura di fusione 194,7 K (−78,5 °C)
Temperatura di ebollizione 216,59 K (−56,56 °C)
Punto triplo 216,5 K (−56,6 °C)
5,18 × 105 Pa
Punto critico 304 K (31 °C)
7,38 × 106 Pa
Tensione di vapore (Pa) a 293 K 5,73 × 106
Proprietà termochimiche
ΔfH0 (kJ·mol−1) −393,51[1]
ΔfG0 (kJ·mol−1) −394,36[1]
S0m(J·K−1mol−1) 213,74[1]
C0p,m(J·K−1mol−1) 37,11[1]
Indicazioni di sicurezza
Frasi R --
Frasi S --

L'anidride carbonica (nota anche come biossido di carbonio o diossido di carbonio) è un ossido acido (anidride) formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È una sostanza fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali. È ritenuta uno dei principali gas serra presenti nell'atmosfera terrestre. È indispensabile per la vita e per la fotosintesi delle piante, ma è anche responsabile dell'aumento dell'effetto serra.

Si noti che il termine anidride carbonica è obsoleto nella nomenclatura IUPAC, che riserva il termine anidride a una specifica classe di composti organici.

Cenni storici[modifica | modifica sorgente]

Il comportamento del biossido di carbonio fu descritto per la prima volta dal chimico belga Jean Baptiste van Helmont nel 1638.[2]

Nel 1750 il chimico britannico Joseph Black determina il valore del calore latente e del calore specifico dell'anidride carbonica, chiamandola aria fissa[2] (a causa del fatto che l'anidride carbonica a basse temperature può diventare "fissa", cioè solidificare).

Nel 1772 Joseph Priestley svolse l'assorbimento dell'anidride carbonica in acqua, ottenendo l'acqua gassata.[2]

Nel 1781 Antoine-Laurent de Lavoisier scopre la reazione di formazione dell'anidride carbonica a partire da carbonio e ossigeno.[2]

Nel 1866 Thaddeus Lowe mise a punto un ciclo frigorifero ad anidride carbonica, utilizzato per la produzione di ghiaccio.[3]

L'aumento dell'effetto serra imputabile alla produzione di anidride carbonica fu sottolineato nel 1896 da Svante Arrhenius, che mise in relazione la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera con la temperatura dell'atmosfera.[4]

Caratteristiche chimico-fisiche[modifica | modifica sorgente]

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

A temperatura e pressione ambiente il biossido di carbonio è un gas incolore e inodore.

La sua formula chimica è CO2. Allo stato solido è comunemente chiamato "ghiaccio secco", e ha numerose applicazioni in questa forma. Sublima a una temperatura di -78 °C.

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

Respirare un'atmosfera particolarmente ricca di CO2 produce un sapore acidulo in bocca e un senso di irritazione nel naso, nella faringe e nella laringe; ciò è dovuto al suo reagire con l'acqua per formare acido carbonico. Non è tossico in sé, ma non è respirabile e quindi può provocare la morte per asfissia.

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

Presenza in natura[modifica | modifica sorgente]

Atmosfera[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Contenuto di CO2.
Concentrazione media di CO2 nella troposfera nel 2010.

Nel settembre 2012 la concentrazione di biossido di carbonio nell'atmosfera terrestre è di circa 391 ppm.[5] Per via della maggiore estensione delle terre emerse e quindi della maggiore superficie occupata da vegetazione, nell'emisfero nord della Terra si osserva una fluttuazione della concentrazione di biossido di carbonio di circa 5 ppm nell'arco dell'anno, che raggiunge il suo massimo a maggio e il suo minimo a ottobre, al termine della stagione vegetativa dell'emisfero nord, quando la biomassa vegetale del pianeta è al suo valore massimo.

Nonostante la sua piccola concentrazione, la CO2 è un componente fondamentale dell'atmosfera terrestre perché - insieme al vapore acqueo e al metano - intrappola la radiazione infrarossa della luce solare riflettendola nuovamente verso la superficie terrestre (il cosiddetto effetto serra) impedendo che la superficie della Terra subisca le grandi variazioni termiche del ritmo giorno-notte. Sono stati i vulcani le prime fonti di biossido di carbonio atmosferico della Terra neonata, grazie a essa si è potuto instaurare un clima favorevole allo sviluppo della vita. Oggi i vulcani rilasciano in atmosfera circa 130 - 230 milioni di tonnellate di biossido di carbonio ogni anno, ma questa quantità rappresenta meno dell'1% della quantità di biossido di carbonio totale liberata in atmosfera dalle attività umane, che è pari a 27 miliardi di tonnellate all'anno: 50.000 tonnellate al minuto.

Si ipotizza che la concentrazione atmosferica di biossido di carbonio prima della rivoluzione industriale fosse 280 ppm, e che quindi sia aumentata del 35% dai tempi della rivoluzione industriale e del 20% dal 1958. La combustione dei combustibili fossili (carbone, petrolio) sarebbe la causa di questo aumento per il 64%, mentre la deforestazione sarebbe la seconda con il 34%[6].

La teoria del riscaldamento globale compare nella letteratura scientifica per la prima volta alla fine del XIX secolo. L'aumento della quantità di anidride carbonica nell'atmosfera va a incrementare l'effetto serra e contribuisce quindi a un aumento della temperatura media del pianeta, al quale gli ecosistemi non hanno il tempo necessario per adattarsi. L'entità di questo effetto è ancora in discussione, ma la diffusa convinzione che stiamo in effetti attraversando una fase di riscaldamento generalizzato del clima terrestre ha portato molti paesi del mondo a siglare il protocollo di Kyōto, un accordo in cui le nazioni si impegnano a limitare e ridurre le emissioni di biossido di carbonio, affinché la sua concentrazione resti al di sotto di 450 ppm: nell'ultimo decennio (1999-2009) il livello di biossido di carbonio nell'aria è aumentato di 2 ppm all'anno, ed è in costante accelerazione. Se le emissioni non saranno ridotte secondo gli accordi, il livello di soglia stabilito a Kyōto verrà quindi superato nel 2030 circa. Secondo i modelli climatologici più seguiti il superamento di questa soglia porterebbe la temperatura media della terra ad aumentare di due gradi, e il livello dei mari a innalzarsi di almeno un metro entro il 2040. Altri studi, ritenuti meno verosimili, prevedono fino a 6 gradi di aumento di temperatura e fino a 3 metri di innalzamento dei mari.[senza fonte]

Oceani[modifica | modifica sorgente]

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

CaCO3 + CO2 + H2O → Ca2+ + 2 HCO3-

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

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

Distribuzione nel sistema solare[modifica | modifica sorgente]

Venere, il pianeta più ricco di anidride carbonica del sistema solare.

L'anidride carbonica, è presente in concentrazioni elevate sul pianeta Venere; l'anidride carbonica costituisce infatti il 96,4% dell'atmosfera di Venere.[7] A causa dell'anidride carbonica, su Venere l'effetto serra è particolarmente intenso, e ciò comporta che il pianeta sia il più caldo del sistema solare, con ben 750 K (che corrispondono a 475 °C).[8]

L'atmosfera di Marte contiene invece una quantità minore di anidride carbonica rispetto a Venere, ma comunque considerevole, pari all'85,32%.

L'anidride carbonica è presente anche su alcuni satelliti dei pianeti maggiori, ad esempio l'atmosfera di Callisto (satellite di Giove) è composta essenzialmente da anidride carbonica.[9]

Produzione[modifica | modifica sorgente]

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

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

Il biossido di carbonio viene prodotto principalmente a partire dai seguenti processi:[10]

  • come prodotto secondario da impianti di produzione di ammoniaca e idrogeno, in cui il metano è convertito in biossido di carbonio;
  • da combustione di petrolio e carbone fossile; e soprattutto da centrali termoelettriche e da autoveicoli;
  • come sottoprodotto della fermentazione;
  • da decomposizione termica di CaCO3;
  • come sottoprodotto della produzione di fosfato di sodio;
  • direttamente dai pozzi naturali di biossido di carbonio.

Reattività[modifica | modifica sorgente]

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

CO2 + H2O → H2CO3

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

R-Mg-X + CO2 → R-COO-MgX → R-COOH

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

Utilizzi[modifica | modifica sorgente]

Ghiaccio secco utilizzato per la conservazione dell'uva appena raccolta.

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

Il biossido di carbonio allo stato solido viene utilizzato nella pulitura delle superfici con il metodo della sabbiatura criogenica. Cristalli di anidride carbonica vengono lanciati contro la superficie da pulire da incrostazioni biologiche, patine minerali o altri depositi eliminandoli per il doppio effetto dell'abrasione e del forte raffreddamento localizzato che porta a una contrazione e un irrigidimento delle parti colpite. Uno dei grandi vantaggi di questo sistema rispetto alle sabbiature tradizionali è legato al fatto che il ghiaccio secco utilizzato come sabbia sublima immediatamente riducendo fortemente la quantità di residuo da smaltire dopo l'intervento.

Utilizzo di un estintore a CO2.

In un'atmosfera di biossido di carbonio il fuoco si spegne, per questo alcuni tipi di estintore contengono biossido di carbonio liquido sotto pressione a 73 atmosfere. Anche i giubbotti salvagente spesso contengono capsule di biossido di carbonio liquido, usate per ottenere un rapido gonfiaggio in caso di emergenza.

Acqua gassata, ottenuta tramite l'aggiunta di anidride carbonica.

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

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

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

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

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

Infine, nell'industria, miscelato all'argon o puro come gas inerte per la protezione/penetrazione del bagno durante una saldatura (open-arc).

Tra gli additivi alimentari è identificato dalla sigla E 290.

Aspetto biologico[modifica | modifica sorgente]

Visualizzazione attraverso risonanza magnetica funzionale degli effetti di un'elevata concentrazione di CO2 sul cervello umano.

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

Il biossido di carbonio nell'aria è presente in quantità dello 0,04% circa, mentre nell'aria esalata dopo un respiro è circa il 4,5%. Un'atmosfera che contiene oltre il 5% di biossido di carbonio è tossica per gli esseri umani e per gli animali, dato che va a saturare l'emoglobina del sangue impedendole di legarsi all'ossigeno e bloccando quindi l'ossigenazione dei tessuti. Sia quando viene usato in forma gassosa, sia quando viene usato come ghiaccio secco, il biossido di carbonio va maneggiato in spazi ben areati.

I limiti fissati dall'OSHA (l'agenzia statunitense per la sicurezza sui luoghi di lavoro) per la concentrazione di biossido di carbonio sul posto di lavoro sono lo 0,5% (5000 ppm, 9000 mg/mc TLV-TWA) per un'esposizione continua. Il limite STEL è pari al 3%.

Il biossido di carbonio è comunque molto meno tossico dell'ossido di carbonio, CO, che produce incoscienza nel giro di pochi minuti e la possibilità di danni irreversibili e morte in breve tempo.

La maggior parte del biossido di carbonio presente nel sangue (il 72%) è presente in forma di ione idrogenocarbonato, HCO3-, dove funge da tampone per la regolazione del pH sanguigno, anche se secondaria rispetto al potere tampone delle proteine che copre i 3/4 del totale. Il livello ottimale dello ione idrogenocarbonato è mantenuto attraverso la frequenza del respiro e la contrazione o la dilatazione dei vasi sanguigni e delle vie polmonari. Circa il 22% della CO2 nell'organismo si trova sotto forma di carbaminoemoglobina e il 6% sotto forma di CO2 libera.

Ogni giorno il corpo umano produce 12-15 M di CO2 (288-360 litri) a riposo e fino a 50 M in intensa attività fisica.

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

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

Il principale metodo per smaltire enormi quantità di biossido di carbonio è la fotosintesi clorofilliana svolta dai vegetali: questo processo coinvolge luce, biossido di carbonio e acqua trasformandoli in ossigeno e glucosio; consiste quindi nel piantare e/o preservare foreste da deforestazione e incendi. Questo è il modo più semplice economico e spontaneo, che praticamente avviene naturalmente sul nostro pianeta da quando esistono i vegetali. Esso fa parte inoltre delle misure adottabili secondo il Protocollo di Kyoto per rispettare i vincoli sulle emissioni di CO2 da parte di ciascun paese.

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

Oggi esistono tre principali siti di sperimentazione di sequestro geologico, tutti legati all'industria petrolifera: Weyburn in Canada, In Salah in Algeria e Sleipner nell'offshore norvegese. La quantità di biossido di carbonio sequestrato da questi progetti è dell'ordine del milione di tonnellate all'anno, in realtà una quantità molto modesta. Sleipner è in funzione dal 1995.

Questi metodi formalmente non smaltiscono il biossido di carbonio ma prevedono il suo stoccaggio in sacche sotterranee che dovrebbero trattenere la molecola per migliaia di anni.[11]

Sono state avanzate alcune proposte d'ingegneria per la cattura di biossido di carbonio direttamente dall'atmosfera ma gli sviluppi, se pur ben promettenti, sono solo agli inizi. Attualmente sono in corso esperimenti su dei prototipi,[12][13][14][15] ma non è ancora possibile predire se sarà possibile applicarli su vasta scala.

Note[modifica | modifica sorgente]

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

chimica Portale Chimica: Il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia