Inhalt
- Was ist Kohlendioxid?
- Kohlendioxid im Stoffwechsel
- Kohlendioxid und Klimawandel
- Verwendung von CO2 in der Industrie
Kohlendioxid gehört zu den vielen wissenschaftlichen Begriffen, die eine breite Palette von Bedeutungen und eine ähnlich breite Palette von Konnotationen haben. Wenn Sie mit der Zellatmung vertraut sind, wissen Sie möglicherweise, dass Kohlendioxidgas - abgekürzt CO2 - ist ein Abfallprodukt dieser Reaktionsreihe bei Tieren, bei denen Sauerstoffgas oder O2ist ein Reaktant; Möglicherweise wissen Sie auch, dass dieser Prozess in Pflanzen mit CO umgekehrt abläuft2 dient als Brennstoff in der Photosynthese und O2 als Abfallprodukt.
Vielleicht berühmter dank der Politik und der Geowissenschaften des laufenden Jahrhunderts, CO2 ist berüchtigt dafür, ein Treibhausgas zu sein, das dazu beiträgt, die Wärme in der Erdatmosphäre einzufangen. CO2 ist ein Nebenprodukt der Verbrennung fossiler Brennstoffe, und die damit einhergehende Erwärmung des Planeten hat die Bürger der Erde auf die Suche nach alternativen Energiequellen geführt.
Abgesehen von diesen Problemen ist CO2 gas, ein elegant einfaches molekül, hat eine reihe anderer biochemischer und industrieller funktionen, die wissenschaftsfans beachten sollten.
Was ist Kohlendioxid?
Kohlendioxid ist bei Raumtemperatur ein farbloses, geruchloses Gas. Jedes Mal, wenn Sie ausatmen, verlassen Kohlendioxidmoleküle Ihren Körper und werden Teil der Atmosphäre. CO2 Moleküle enthalten ein einziges Kohlenstoffatom, das von zwei Sauerstoffatomen flankiert wird, so dass das Molekül eine lineare Form hat:
O = C = O
Jedes Kohlenstoffatom bildet mit seinen Nachbarn vier Bindungen in stabilen Molekülen, während jedes Sauerstoffatom zwei Bindungen bildet. Somit ist bei jeder Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung in CO2 Bestehend aus einer Doppelbindung - also zwei Paaren gemeinsamer Elektronen - CO2 ist sehr stabil.
Wie ein Blick auf ein Periodensystem der Elemente zeigt (siehe Ressourcen), beträgt das Molekulargewicht von Kohlenstoff 12 Atommasseneinheiten (amu), während das von Sauerstoff 16 amu beträgt. Das Molekulargewicht von Kohlendioxid beträgt somit 12 + 2 (16) = 44. Eine andere Möglichkeit, dies auszudrücken, besteht darin, dass ein Mol CO verwendet wird2 hat eine Masse von 44, wobei ein Mol 6,02 × 10 entspricht23 einzelne Moleküle. (Diese als Avogadros-Zahl bekannte Zahl leitet sich aus der Tatsache ab, dass die Molekülmasse von Kohlenstoff auf genau 12 Gramm festgelegt ist, was das Doppelte der Anzahl der Protonen bedeutet, die Kohlenstoff enthält, und dass diese Kohlenstoffmasse 6,02 × 10 enthält23 Kohlenstoffatomen. Das Molekulargewicht jedes anderen Elements wurde nach diesem Standard strukturiert.)
Kohlendioxid kann auch als Flüssigkeit vorliegen, in einem Zustand, in dem es als Kältemittel verwendet wird, in Feuerlöschern und bei der Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken wie Soda; und als Feststoff, in welchem Zustand es als Kältemittel verwendet wird und Erfrierungen verursachen kann, wenn es mit der Haut in Berührung kommt.
Kohlendioxid im Stoffwechsel
Kohlendioxid wird häufig als giftig missverstanden, da es häufig mit Erstickung und sogar mit dem Verlust von Leben verbunden ist. Während ausreichend CO2 kann in der Tat direkt toxisch sein und Ersticken verursachen, was normalerweise passiert, ist, dass CO2 Stattdessen bildet sich als Ergebnis oder Folge der Erstickung. Wenn jemand aus irgendeinem Grund aufhört zu atmen, wird CO2 wird nicht mehr durch die Lunge ausgestoßen und baut sich daher im Blutkreislauf auf, da es sonst nirgends zu gehen gibt. CO2 ist daher ein Marker für Erstickung. In etwa der gleichen Weise ist Wasser nicht "giftig", nur weil es zum Ertrinken führen kann.
Nur ein winziger Teil der Atmosphäre besteht aus CO2 - ungefähr 1 Prozent. Während es ein Nebenprodukt des tierischen Stoffwechsels ist, ist es für das Überleben der Pflanzen absolut notwendig und ein wesentlicher Bestandteil des weltweiten Marktes Kohlenstoffzyklus. Pflanzen nehmen CO auf2, wandeln es in einer Reihe von Reaktionen Kohlenstoff und Sauerstoff um und geben dann den Sauerstoff an die Atmosphäre ab, während der Kohlenstoff in Form von Glucose zum Leben und Wachsen zurückgehalten wird. Wenn Pflanzen sterben oder verbrannt werden, verbindet sich ihr Kohlenstoff wieder mit O2 in der Luft bildet sich CO2 und Vervollständigung des Kohlenstoffkreislaufs.
Tiere erzeugen Kohlendioxid durch den Abbau von aufgenommenen Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten in Nahrungsmitteln. Alle diese Stoffe werden zu Glukose metabolisiert, einem Molekül mit sechs Kohlenstoffatomen, das dann in die Zellen gelangt und schließlich zu Kohlendioxid und Wasser wird. Die dabei entstehende Energie wird zur Energiegewinnung für zelluläre Aktivitäten verwendet. Dies geschieht durch den Prozess der aeroben Atmung (oft Zellatmung genannt, obwohl die Begriffe nicht genau synonym sind). Alle Glukose, die in die Zellen sowohl von Prokaryoten (Bakterien) als auch von nicht-pflanzlichen Eukaryoten (Tiere und Pilze) gelangt, wird zuerst einer Glykolyse unterzogen, bei der ein Paar von drei Kohlenstoffmolekülen namens Pyruvat erzeugt wird. Das meiste davon gelangt in Form des Zweikohlenstoffmoleküls Acetyl CoA in den Krebszyklus, während CO2 wird befreit. Die energiereichen Elektronenträger NADH und FADH2 Die während des Krebszyklus gebildeten Elektronen geben dann in Gegenwart von Sauerstoff in den Elektronentransportkettenreaktionen Elektronen ab, was zur Bildung von viel ATP führt, der "Energiewährung" der Zellen von Lebewesen.
Kohlendioxid und Klimawandel
CO2 ist ein Gas, das Wärme einfängt. In vielerlei Hinsicht ist dies eine gute Sache, da dadurch verhindert wird, dass die Erde so viel Wärme verliert, dass Tiere wie Menschen nicht überleben können. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe seit Ausbruch der industriellen Revolution im 19. Jahrhundert wurde jedoch eine erhebliche Menge an CO freigesetzt2 Gas in die Atmosphäre, was zu einer globalen Erwärmung und den sich allmählich verschlechternden Auswirkungen führt.
Seit vielen tausend Jahren ist die atmosphärische Konzentration von CO2 in der Atmosphäre verblieben zwischen 200 und 300 ppm. Bis 2017 war sie auf fast 400 ppm angestiegen, eine Konzentration, die immer noch zunimmt. Dieser zusätzliche CO2 fängt Hitze ein und bewirkt, dass sich das Klima ändert. Dies äußert sich nicht nur in weltweit steigenden Durchschnittstemperaturen, sondern auch in steigenden Meeresspiegeln, Gletscherschmelzen, saurerem Meerwasser, kleineren polaren Eiskappen und einem Anstieg der Anzahl katastrophaler Ereignisse (z. B. Hurrikane). Diese Probleme sind alle miteinander verbunden und voneinander abhängig.
Beispiele für fossile Brennstoffe sind Kohle, Erdöl und Erdgas. Diese entstehen über einen Zeitraum von Millionen von Jahren, wenn abgestorbenes Pflanzen- und Tiermaterial unter Gesteinsschichten eingeschlossen und begraben wird. Unter günstigen Wärme- und Druckbedingungen wird diese organische Substanz in einen Brennstoff umgewandelt. Alle fossilen Brennstoffe enthalten Kohlenstoff, der zu Energie verbrannt und Kohlendioxid freigesetzt wird.
Verwendung von CO2 in der Industrie
Kohlendioxidgas hat eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten, was praktisch ist, da das Zeug buchstäblich überall ist. Wie bereits erwähnt, wird es als Kältemittel verwendet, obwohl dies eher für feste und flüssige Formen gilt. Es wird auch als Aerosoltreibmittel, Rodentizid (d. H. Rattengift), Bestandteil von physikalischen Experimenten bei sehr niedrigen Temperaturen und als Anreicherungsmittel in der Luft in Gewächshäusern verwendet. Es wird auch beim Brechen von Ölquellen, in einigen Bergbauarten, als Moderator in bestimmten Kernreaktoren und in speziellen Lasern eingesetzt.
Interessante Tatsache: Durch grundlegende Stoffwechselprozesse werden Sie etwa 500 Gramm CO produzieren2 in den nächsten 24 Stunden - noch mehr, wenn Sie aktiv sind. Das ist mehr als ein Pfund unsichtbares Gas, das sowohl aus Nase und Mund als auch aus den Poren austritt. Auf diese Weise verlieren Menschen im Laufe der Zeit an Gewicht, ohne (vorübergehende) Wasserverluste.