Диоксид углерода, или углекислый газ, - одно из самых распространенных химических соединений на Земле. Оно играет ключевую роль во многих природных процессах, а также активно используется человеком. Однако избыточное накопление СО2 в атмосфере ведет к негативным последствиям. Давайте разберемся, что из себя представляет этот газ и почему о нем стоит знать каждому.
Физические и химические свойства диоксида углерода
Диоксид углерода - это бесцветный газ без запаха, состоящий из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Его химическая формула: CO2.
При нормальных условиях СО2 находится в газообразном состоянии. Однако при понижении температуры и повышении давления он может переходить в жидкое или твердое (сухой лед) агрегатное состояние.
Диоксид углерода тяжелее воздуха, его плотность составляет около 1,5 г/л.
Растворимость СО2 в воде невысокая и сильно зависит от давления, температуры и присутствия примесей. При обычном атмосферном давлении в 1 литре воды может раствориться около 1,5 г СО2.
Реакции с участием диоксида углерода
Углекислый газ может образовываться и взаимодействовать с другими веществами различными способами:
- При взаимодействии с оксидами металлов образуются соли - карбонаты и гидрокарбонаты:
- Реагирует с основаниями, такими как гидроксиды металлов, с образованием солей - карбонатов и бикарбонатов:
- При растворении в воде находится в равновесии между растворенным СО2, угольной кислотой H2CO3 и гидрокарбонат- и карбонат-ионами:
Также диоксид углерода может участвовать в реакциях горения углеродсодержащих веществ и в биохимических процессах в живых организмах.
Диоксид карбона широко распространен на Земле в связанном и свободном состоянии. Рассмотрим основные природные источники СО2.
Концентрация в атмосфере
В воздухе диоксид углерода присутствует в небольших концентрациях - порядка 0,04% или 400 частей на миллион (ppm). Однако антропогенные выбросы приводят к росту этого показателя.
За последние 50 лет концентрация CO2 в атмосфере Земли увеличилась более чем на 25% и достигла 415 ppm.
Растворенный в Мировом океане
Огромное количество углекислого газа растворено в Мировом океане, по некоторым оценкам около 50 триллионов тонн. Это гораздо больше, чем содержится в атмосфере (примерно 750 миллиардов тонн).
В составе осадочных пород
Также диоксид углерода в больших объемах связан в карбонатных осадочных породах - известняках, доломитах, меле и мраморе. При их образовании происходит поглощение атмосферного СО2.
Круговорот углерода с участием CO2
Диоксид углерода играет важную роль в круговороте углерода на Земле, обеспечивая обмен этим элементом между атмосферой, литосферой, гидросферой и биосферой:
- Растения поглощают СО2 из воздуха в процессе фотосинтеза, а затем частично возвращают обратно в атмосферу при дыхании.
- Животные выдыхают углекислый газ в результате обмена веществ.
- Антропогенные источники, такие как сжигание ископаемого топлива, добавляют в атмосферу огромное количество CO2.
Также сезонные и многолетние колебания температуры и активности биосферы влияют на концентрацию этого газа в воздухе.
Помимо участия в круговороте углерода, диоксид карбона играет важную роль в биологических процессах живых организмов.
Транспорт в крови человека
Диоксид карбона попадает в организм человека при дыхании и транспортируется кровью к легким и другим органам тремя основными способами:
- Частично он просто растворяется в плазме крови.
- Другая часть связывается с гемоглобином эритроцитов.
- Также диоксид карбона в крови присутствует в виде бикарбонат-ионов.
Регуляция кислотно-щелочного баланса
Бикарбонаты, образующиеся при растворении СО2 в крови, очень важны для поддержания pH на оптимальном для организма уровне.
Влияние на дыхательную систему
Концентрация диоксида карбона является главным фактором, регулирующим интенсивность дыхания. При повышении уровня СО2 в крови активируется дыхательный центр в мозге.
Однако чрезмерное повышение концентрации этого газа может привести к нарушению дыхания вплоть до остановки.
Роль в регуляции кровотока
Еще одно важное физиологическое действие диоксида карбона - регуляция кровотока в тканях организма. Он является мощным вазодилататором, расширяющим кровеносные сосуды.
При повышении уровня СО2 в ткани происходит расширение капилляров, что приводит к увеличению кровоснабжения данного участка. Это позволяет скорректировать недостаток кислорода и избыток углекислоты.
Кроме того, диоксид карбона в определенных концентрациях оказывает стимулирующее действие на сердце, повышая силу и частоту его сокращений.
Последствия гиперкапнии
При слишком высоком накоплении СО2 в крови развивается состояние гиперкапнии, которое характеризуется следующими симптомами:
- Головные боли
- Головокружение
- Тошнота
- Одышка
- Повышенная утомляемость
Длительная гиперкапния может нанести существенный вред здоровью и даже привести к летальному исходу.
