ثاني أكسيد الكربون (CO2) هو مركب كيميائي يتكون من جزيئات لكل منها ذرة كربون واحدة مرتبطة تساهميًا بذرتين من الأكسجين. يكون بالحالة الغازية في درجة حرارة الغرفة. وهو أحد أهم غازات الدفيئة المرتبطة بالاحتباس الحراري، ومكون ثانوي من الغلاف الجوي للأرض، يتشكل عند احتراق المواد المحتوية على الكربون، ومن خلال التخمير، ومن عمليات التنفس.
إن وجود الغاز في الغلاف الجوي يمنع بعض الطاقة المشعة التي تتلقاها الأرض من العودة إلى الفضاء. كما إن ثاني أكسيد الكربون مادة صناعية متعددة الاستخدامات، مثلًا تستخدم كغاز خامل في طفايات الحريق واللحام، وكغاز مضغوط في مسدسات الهواء واسترداد النفط، وإزالة الكافيين من القهوة..الخ.
تاريخ غاز ثاني أكسيد الكربون
كان ثاني أكسيد الكربون أول الغازات التي وصفت أنها خاملة. [ref]ثاني أوكسيد الكربون[/ref]
- لاحظ الكيميائي الفلمنكي يان بابتيست فان هيلمونت في حوالي عام 1640م، أنه عندما أحرق الفحم في وعاء مغلق، كانت كتلة الرماد الناتج أقل بكثير من كتلة الفحم الأصلي. كان تفسيره أن باقي الفحم قد تم تحويله إلى مادة غير مرئية أطلق عليها اسم غاز أو روح برية.
- في خمسينيات القرن 18 درست خصائص غاز CO2 من قبل الطبيب الاسكتلندي جوزيف بلاك. ووجد أن تسخين كربونات الكالسيوم ومعالجتها بالأحماض لإنتاج غاز أسماه الهواء الثابت.
- ومن خلال الملاحظة وجد أن الهواء الثابت كان يتواجد بكثافة في الهواء، ويطفئ اللهب كما إنه يسبب الاختناق للحيوانات.
- وجد بلاك أيضًا أنه عندما تترسب كربونات الكالسيوم تصدر فقاعات من خلال ماء الجير، واعتمد هذه الظاهرة لتوضيح أن ثاني أكسيد الكربون ناتج عن التخمير الميكروبي والتنفس الحيواني.
- في عام 1772 م، نشر الكيميائي الإنجليزي جوزيف بريستلي بحثه بعنوان تشريب الماء بالهواء الثابت وصف فيها عملية تقطير حمض الكبريتيك (أو زيت الزاج كما عرفه بريستلي) على الطباشير من أجل إنتاج ثاني أكسيد الكربون، وإجبار الغاز على الذوبان عن طريق تحريك وعاء من الماء عند ملامسته للغاز.
- تم تسييل غاز ثاني أكسيد الكربون للمرة الأولى بضغوط عالية من قبل مايكل فاراداي وهمفري ديفي في عام 1823م.
- قدم أول وصف لثاني أكسيد الكربون الصلب في عام 1835م، من قبل المخترع الفرنسي أدريان جان بيير ثيلورييه، بعد أن فتح حاوية مضغوطة لثاني أكسيد الكربون السائل، ليجد تشكل ثاني أكسيد الكربون الصلب بعد التبخر السريع للسائل الموجود فيها.
الخصائص الكيميائية والفيزيائية لغاز ثاني أكسيد الكربون
الخصائص الفيزيائية
- ثاني أكسيد الكربون عديم اللون والرائحة في التراكيز المنخفضة. ومع ذلك، يكون له رائحة حمضية حادة في حال توفره بتركيزات عالية.
- عند درجة الحرارة والضغط القياسيين، تبلغ كثافة ثاني أكسيد الكربون حوالي 1.98 كجم/ م 3.
- لا يتوفر غاز ثاني أكسيد الكربون في حالته السائلة عند ضغوط أقل من (99) ضغط جوي.
- عند ضغط 1 ضغط جوي، تترسب رواسب الغاز مباشرة إلى مادة صلبة عند درجات حرارة أقل من (30) درجة مئوية وتتسامى المواد الصلبة مباشرة إلى غاز في حال كانت درجة الحرارة أكثر من 30 درجة مئوية
- الحالة الصلبة من غاز ثاني أكسيد الكربون تسمى الثلج الجاف.
شكل آخر من ثاني أكسيد الكربون الصلب لوحظ عند الضغط العالي هو مادة صلبة غير متبلورة تشبه الزجاج. يتم إنتاج هذا النوع من الزجاج، المسمى Carbonia، عن طريق التبريد الفائق التسخين لثاني أكسيد الكربون عند ضغوط قصوى حوالي 400000 ضغط جوي في سندان ماسي.
الهيكل والترابط الاهتزازات الهيكلية والجزيئية
جزيء غاز ثاني أكسيد الكربون متناظر خطيًا ومتماثلًا مركزيًا في هندسة توازنه. ويبلغ طول رابطة الكربون والأكسجين في ثاني أكسيد الكربون 116.3 ميكرومترًا.
يحتوي ثاني أكسيد الكربون على أربعة أوضاع اهتزازية باعتباره كجزيء خطي ثلاثي الذرات، في وضعي التمدد المتماثل وغير المتماثل، تتحرك الذرات على طول محور الجزيء. هناك نوعان غير ثابتان من أنماط الانحناء، مما يعني أن لهما نفس التردد ونفس الطاقة، وذلك لأن الجزيء متناظر.
في المرحلة الغازية، تخضع جزيئات ثاني أكسيد الكربون لحركات اهتزازية كبيرة ولا تحتفظ بهيكل ثابت. ومع ذلك، في تجربة تصوير انفجار كولوم، يمكن استنتاج صورة فورية للبنية الجزيئية. وخلاصة الحسابات النظرية بناءً على سطح الطاقة الكامنة للجزيء، أنه لا يوجد أي جزيء في الطور الغازي خطي تمامًا على الإطلاق.
في محلول مائي
ثاني أكسيد الكربون قابل للذوبان في الماء، حيث يتكون بشكل عكسي H2CO3 (حمض الكربونيك)، وهو حمض ضعيف لأن تأينه في الماء غير مكتمل
CO2 + H2O ⇌ H2CO3
ثابت توازن الماء لحمض الكربونيك عند 25 درجة مئوية:هو 1.70*10-3
ومن ثم، فإن غالبية ثاني أكسيد الكربون لا يتم تحويله إلى حمض الكربونيك، ولكنه يظل جزيئات ثاني أكسيد الكربون، ولا يؤثر على الرقم الهيدروجيني.
ونظرًا لكونه ثنائي النواة، يحتوي حمض الكربونيك على ثابتين لتفكك الحمض، الأول للانفصال في أيون البيكربونات (يُسمى أيضًا كربونات الهيدروجين) (HCO)
+H2CO3 ⇌ HCO3– + H بالتالي يكون ثابت تفكك الحمض الأول الحقيقي هو: 3.6 عند 25 درجة مئوية.
كما أن أيون البيكربونات هو نوع مذبذب يمكن أن يعمل كحمض أو كقاعدة، اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني للمحلول. وعند ارتفاع درجة الحموضة، يتفكك بشكل كبير في أيون الكربونات CO3-2
HCO3– ⇌ CO3-2 + H ويتم تحفيز إنتاج حمض الكربونيك في الكائنات الحية بواسطة إنزيم الأنهيدراز الكربوني.
التفاعلات الكيميائية
في معّقدات ثاني أكسيد الكربون المعدني، يعمل ثاني أكسيد الكربون كرابطة، والتي يمكن أن تسهل تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية أخرى. وعادةً ما يكون التقليل من ثاني أكسيد الكربون رد فعل صعب وبطيء.
تستخدم الكائنات الضوئية (مثل النباتات والبكتيريا الزرقاء) الطاقة الموجودة في ضوء الشمس من أجل عملية التركيب الضوئي للسكريات البسيطة من ثاني أكسيد الكربون الممتص من الهواء والماء.
العزلة والإنتاج
يمكن الحصول على ثاني أكسيد الكربون عن طريق التقطير من الهواء، لكن الطريقة غير فعالة. صناعيًا، ويعتبر ثاني أكسيد الكربون في الغالب أحد منتجات النفايات غير المستعادة، ويتم إنتاجه بعدة طرق يمكن ممارستها على مستويات مختلفة.
ينتج عن احتراق جميع أنواع الوقود الكربوني مثل الميثان (الغاز الطبيعي)، ونواتج تقطير البترول (البنزين، والديزل، والكيروسين، والبروبان) والفحم والخشب والمواد العضوية العامة، ثاني أكسيد الكربون والماء، باستثناء حالة الكربون النقي. كمثال، التفاعل الكيميائي بين الميثان والأكسجين:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2 O
تعد عمليات التفاعل بين الغاز الطبيعي خاصة الميتان، مصدرًا رئيسيًا لثاني أكسيد الكربون من الدرجة الغذائية لاستخدامه في كربنة البيرة والمشروبات الغازية. وقد نشأ في صيف 2018م نقص في ثاني أكسيد الكربون لهذه الأغراض في أوروبا بسبب الإغلاق المؤقت للعديد من مصانع الأمونيا للصيانة.
الكربونات
يتم إنتاجه عن طريق التحلل الحراري للحجر الجيري، كربونات الكالسيوم، بالتسخين عند حوالي 850 درجة مئوية، في تصنيع الجير الحي (أكسيد الكالسيوم CaO)، وهو مركب له العديد من الاستخدامات الصناعية:
CaCo4 → CaO + CO2
تحرر الأحماض ثاني أكسيد الكربون من معظم الكربونات المعدنية. وبالتالي، يمكن الحصول عليها مباشرة من ينابيع ثاني أكسيد الكربون الطبيعية، حيث يتم إنتاجها عن طريق عمل الماء المحمض على الحجر الجيري أو الدولوميت وفق المعادلة:
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2CO3
ثم يتحلل حمض الكربونيك (H2CO3) إلى الماء وثاني أكسيد الكربون وفق المعادلة:
H2CO3 → CO2 + H2O
وهي تفاعلات مصحوبة بفقاعات أو رغوة ولها استخدامات واسعة النطاق في الصناعة لأنها تستخدم لتحييد تيارات الأحماض المتبقية.
التخمير
غاز ثاني أكسيد الكربون من المنتجات الثانوية لتخمير السكر في تخمير البيرة والويسكي …الخ. وتستقلب الخميرة السكر لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والإيثانول، المعروف أيضًا باسم الكحول، على النحو التالي:
C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH
تنتج جميع الكائنات الهوائية ثاني أكسيد الكربون عندما تؤكسد الكربوهيدرات والأحماض الدهنية والبروتينات. والعدد الكبير من التفاعلات المتضمنة معقدة جدًا ولا يمكن وصفها بسهولة. كما أن الرجوع إلى معادلة تنفس الجلوكوز والسكريات الأحادية الأخرى:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
تتحلل الكائنات اللاهوائية المواد العضوية التي تنتج الميثان وثاني أكسيد الكربون مع آثار من المركبات الأخرى. ونجد أنه بغض النظر عن نوع المادة العضوية، فإن إنتاج الغازات يتبع نمطًا حركيًا محددًا. ويتكون ثاني أكسيد الكربون من حوالي 40 – 45 ٪ من الغاز المنبعث من التحلل في مدافن النفايات ويطلق عليه غاز المكباب. ومعظم النسبة المتبقية حوالي 50- 55٪ عبارة عن ميثان.
التطبيقات التي يستخدم بها غاز ثاني أكسيد الكربون
ثاني أكسيد الكربون مادة متعددة الاستخدامات، يتم استخدامها في العديد من العمليات والتطبيقات وذلك لخصائصه المتعددة كالتفاعلية والخمول و البرودة. [ref] ثاني أكسيد الكربون (CO2) خصائص ، الاستخدامات، التطبيقات غاز ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون السائل [/ref]
1 – في الصناعة الكيميائية
- يُستهلك ثاني أكسيد الكربون بشكل أساسي كمكون في إنتاج اليوريا، مع استخدام جزء أصغر لإنتاج الميثانول ومجموعة من المنتجات الأخرى.
- يتم تحضير بعض مشتقات حمض الكربوكسيل مثل ساليسيلات الصوديوم باستخدام ثاني أكسيد الكربون بواسطة تفاعل كولبي – شميت.
2 – الزراعة
- يمكن إضافة غاز ثاني أكسيد الكربون إلى أجواء البيوت الزجاجية كبيرة الحجم، للحفاظ على معدل نمو النبات. لأن النباتات تحتاج إلى غاز ثاني أكسيد الكربون لإجراء عملية التمثيل الضوئي.
- التركيزات العالية جدًا من ثاني أكسيد الكربون يمكن أن تكون سامة لحياة الحيوانات، لذا فإن رفع التركيز إلى 10000 جزء في المليون (1٪) أو أعلى لعدة ساعات سيقضي على الآفات مثل الذباب الأبيض وعث العنكبوت في الدفيئة.
3 – الأغذية
يضاف ثاني أكسيد الكربون إلى الغذاء لأنه يعمل كمنظم يدفع الحموضة في صناعة الأغذية. تمت الموافقة على استخدامه في الاتحاد الأوروبي (مدرج برقم E E290) والولايات المتحدة وأستراليا ونيوزيلندا. ومن الأمثلة:
- استخدم في حلوى تسمى Pop Rocks وهي حلوى يتم ضغطها بغاز ثاني أكسيد الكربون عند حوالي 4000 كيلو باسكال، وعند وضعها في الفم، تذوب وتطلق فقاعات الغاز بصوت مسموع.
- تنتج خميرة الخباز ثاني أكسيد الكربون عن طريق تخمير السكريات داخل العجين، بينما تطلق الخميرة الكيميائية مثل مسحوق الخبز وصودا الخبز ثاني أكسيد الكربون عند تسخينها أو عند تعرضها للأحماض.
المشروبات
يستخدم ثاني أكسيد الكربون في إنتاج المشروبات الغازية والمياه الغازية. حيث نشأت كربونات البيرة والنبيذ الفوار من خلال التخمير الطبيعي، لكن العديد من الشركات المصنعة تكربن هذه المشروبات بثاني أكسيد الكربون المستعاد من عملية التخمير.
في حالة البيرة المعبأة والبرميل، فإن الطريقة المستخدمة هي الكربنة بثاني أكسيد الكربون المعاد تدويره. باستثناء البيرة الأصلية البريطانية.
طعم المياه الغازية هو تأثير لثاني أكسيد الكربون المذاب وليس فقاعات الغاز المنفجرة. ويتحول الأنهيدراز الكربوني إلى حمض الكربونيك مما يؤدي إلى طعم حامض، كما أن ثاني أكسيد الكربون المذاب يؤدي إلى استجابة حسية جسدية.
صناعة النبيذ
يستخدم ثاني أكسيد الكربون على شكل ثلج جاف أثناء مرحلة النقع البارد في صناعة النبيذ لتبريد العنب بسرعة بعد قطفه ومنعه التخمير التلقائي بواسطة الخميرة البرية. والميزة الرئيسية لاستخدام الثلج الجاف فوق الثلج المائي هي أنه يبرد العنب دون إضافة أي ماء إضافي قد يقلل من تركيز السكر في العنب، والنتيجة هي الحفاظ على تركيز الكحول في النبيذ المُنتج.
4 – غاز خامل
ثاني أكسيد الكربون هو أحد الغازات المضغوطة الأكثر استخدامًا لأنظمة الهواء المضغوط في أدوات الضغط المحمولة.
- ويستخدم ثاني أكسيد الكربون للحام، على الرغم من أنه في قوس اللحام يتفاعل مع أكسدة معظم المعادن. لكنه حسب العديد من الأدلة يكون أكثر هشاشة من اللحام بالغازات الخاملة.
- يستخدم ثاني أكسيد الكربون في العديد من المنتجات الاستهلاكية التي تتطلب غازًا مضغوطًا لأنه غير مكلف وغير قابل للاشتعال، ولأنه يمر بمرحلة انتقالية من الغاز إلى السائل عند درجة حرارة الغرفة عند ضغط حوالي 59 ضغط جوي، مما يسمح كمية أكبر بكثير من ثاني أكسيد الكربون لتلائم حاوية معينة أكثر من غيرها.
- يستخدم ثاني أكسيد الكربون السائل في التجفيف لبعض المنتجات الغذائية والمواد التكنولوجية، وفي تحضير العينات للمسح المجهري الإلكتروني.
- يستخدم في إزالة الكافيين من حبوب البن.
5 – طفاية حريق
يمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون لإطفاء اللهب عن طريق رش الغاز على المكان المشتعل باللهب. حيث يعمل على إزاحة الأوكسجين بالتالي تقليل الاشتعال.
تحتوي بعض طفايات الحريق، خاصة تلك المصممة للحرائق الكهربائية، على ثاني أكسيد الكربون السائل تحت الضغط. التي تعمل بشكل جيد على الحرائق الصغيرة القابلة للاشتعال والسوائل الكهربائية.
لكن من المهم استخدامها بحذر، حيث تم ربط أنظمة الحماية من الحرائق القائمة على ثاني أكسيد الكربون بالعديد من الوفيات، لأنها يمكن أن تسبب الاختناق بتركيزات عالية. حيث ذكرت دراسة لأنظمة ثاني أكسيد الكربون حادثة بين عام 1975م، وتاريخ التقرير (2000)، تسببت في 72 حالة وفاة و 145 إصابة.
6 – ثاني أكسيد الكربون كمذيب
يعد ثاني أكسيد الكربون السائل مذيبًا جيدًا للعديد من المركبات العضوية المحبة للدهون ويستخدم لإزالة الكافيين من القهوة. لذلك استخدم غاز ثاني أكسيد الكربون في الصناعات الدوائية وغيرها من صناعات المعالجة الكيميائية كبديل أقل سمية للمذيبات التقليدية مثل الكلوريدات العضوية. كما يتم استخدامه من قبل بعض شركات المنظفات الجافة لهذا السبب.
7 – الاستخدامات الطبية والدوائية
- في الطب، يضاف ما يصل إلى 5٪ من ثاني أكسيد الكربون (130 ضعف تركيز الغلاف الجوي) إلى الأكسجين لتحفيز التنفس بعد انقطاع النفس ولثبيت توازن كل من الأوكسجين وغاز ثاني أكسيد الكربون في الدم.
- يمكن خلط ثاني أكسيد الكربون مع أكسجين بنسبة تصل إلى 50٪، والحصول على غاز يسمى كاربوجين الذي يكون غازًا قابل للاستنشاق، ولهذا الغاز مجموعة متنوعة من الاستخدامات الطبية والبحثية.
- استخدام طبي آخر هو mofette، والمنتجات الجافة التي تستخدم ثاني أكسيد الكربون لأغراض علاجية.
8 – طاقة
يستخدم ثاني أكسيد الكربون كسائل عامل في محرك دورة الطاقة.
استعادة الوقود الأحفوري
يتم حقن ثاني أكسيد الكربون في آبار النفط المنتجة أو بجوارها، فعندما يصبح قابلًا للامتزاج مع النفط، يعمل كعامل ضغط، وعندما يذوب في النفط الخام تحت الأرض، ويقلل بشكل كبير من لزوجته، من خلال تغيير كيمياء السطح، مما يتيح سهولة استخراج النفط من حقول النفط.
كما تُستخدم شبكات أنابيب واسعة لنقل ثاني أكسيد الكربون إلى نقاط الحقن، في استرداد ميثان طبقة الفحم، ويتم ضخ ثاني أكسيد الكربون في طبقات الفحم لإزاحة الميثان، على عكس الطرق الحالية.
التحول الحيوي إلى وقود
اقترح أن يضخ ثاني أكسيد الكربون الناتج عن توليد الطاقة في البرك لتحفيز نمو الطحالب التي يمكن أن تحول إلى وقود الديزل الحيوي.
المبردات
يعتبر ثاني أكسيد الكربون السائل والصلب من المبردات المهمة، خاصة في صناعة الأغذية، ويسمى بالثلج الجاف، حيث يتم استخدامه أثناء نقل وتخزين الآيس كريم والأطعمة المجمدة الأخرى في الشحنات الصغيرة التي تكون فيها معدات التبريد الأخرى غير عملية.
9 – صناعة المعادن
يستخدم ثاني أكسيد الكربون في صناعة قوالب الصب لتعزيز صلابتها.
10 – استخدامات صناعة المطاط والبلاستيك
تتم إزالة الوميض من الأجسام المطاطية عن طريق قلبها بالثلج الجاف المسحوق في أسطوانة دوارة.
11 – استخدامات قليلة
- ثاني أكسيد الكربون هو وسيط الليزر، وهو أحد أقدم أنواع الليزر.
- يمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون كوسيلة للتحكم في درجة الحموضة في المسابح.
- يستخدم أيضًا في أحواض الحفاظ على الشعاب المرجانية، حيث يتم استخدامه بشكل لخفض درجة الحموضة في الماء، كما تستخدمه بعض الشعاب المرجانية لبناء هيكلها.
- يستخدم كمبرد أساسي في المفاعل البريطاني المبرد بالغاز المتقدم لتوليد الطاقة النووية.
- يستخدم الكربون للقتل الرحيم لحيوانات التجارب المخبرية.
- يستخدم ثاني أكسيد الكربون في العديد من تقنيات التنظيف.
غاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض
يعتبر ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي للأرض من الغازات النزرة، بمتوسط تركيز عالمي يبلغ 415 جزءًا في المليون من حيث الحجم وذلك حتى نهاية عام 2020م.
- تتقلب تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل طفيف مع المواسم، حيث تنخفض خلال فصلي الربيع والصيف في النصف الشمالي من الكرة الأرضية حيث تستهلك النباتات الغاز وترتفع تركيزاته خلال الخريف والشتاء الشماليين حيث تصبح النباتات خامدة أو تموت وتتحلل.
- تختلف التركيزات أيضًا على أساس إقليمي، حيث تكون التركيزات في المناطق الحضرية أعلى بشكل عام وفي الداخل يمكن أن تصل إلى 10 أضعاف مستويات الخلفية.
- أدت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أيضًا إلى تقلص طبقة الستراتوسفير بمقدار 400 متر منذ عام 1980م، مما قد يؤثر على عمليات الأقمار الصناعية وأنظمة GPS والاتصالات اللاسلكية.
- زاد تركيز هذا الغاز بسبب العديد من الأنشطة البشرية، وقد أدى استخراج وحرق الوقود الأحفوري، باستخدام الكربون الذي تم عزله لملايين السنين في الغلاف الصخري، إلى زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بنحو 50٪ منذ بداية عصر التصنيع حتى عام 2020م.
- في حين أن ثاني أكسيد الكربون شفاف للضوء المرئي، فهو غاز من غازات الاحتباس الحراري، يمتص ويبعث الأشعة تحت الحمراء عند تردداته الاهتزازية النشطة بالأشعة تحت الحمراء.
- يكون انبعاث الضوء من سطح الأرض أكثر كثافة في منطقة الأشعة تحت الحمراء بين 200 و 2500 سم -1، على عكس انبعاث الضوء من الشمس الأكثر سخونة والتي تكون أكثر كثافة في المنطقة المرئية.
- امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء عند الترددات الاهتزازية لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يحبس الطاقة بالقرب من السطح، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة السطح والغلاف الجوي السفلي. وتصل طاقة أقل إلى الغلاف الجوي العلوي، وبالتالي يكون أكثر برودة بسبب هذا الامتصاص.
- أدت الزيادات في تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وغازات الاحتباس الحراري الأخرى طويلة العمر مثل الميثان وأكسيد النيتروز والأوزون إلى تعزيز امتصاصها وانبعاث الأشعة تحت الحمراء، مما تسبب في ارتفاع متوسط درجة الحرارة العالمية منذ منتصف القرن العشرين.
غاز ثاني أكسيد الكربون في المحيطات
يذوب ثاني أكسيد الكربون في المحيط ليشكل حمض الكربونيك (H2CO3) والبيكربونات (HCO3−) والكربونات (CO32−). بحيث تقدر كمية الغاز المذابة في المحيطات بخمسين ضعف الغاز الموجود في الغلاف الجوي، حيث تعمل المحيطات كبالوعة كربون هائلة، وقد استهلكت حوالي ثلث ثاني أكسيد الكربون المنبعث من النشاط البشري.
مع زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، يؤدي زيادة امتصاص ثاني أكسيد الكربون في المحيطات إلى انخفاض درجة الحموضة في المحيطات، والذي يشار إليه باسم تحمض المحيطات. يؤثر هذا الانخفاض في الرقم الهيدروجيني على النظم البيولوجية في المحيطات، وخاصة الكائنات الحية المتكلسة المحيطية.
وقد ذكرت الإدارة الوطنية الأمريكية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) في مايو 2008 “صحيفة الحقائق الخاصة بحالة تحمض المحيطات ما يلي:
- امتصت المحيطات حوالي 50٪ من ثاني أكسيد الكربون (CO2) المنطلق من حرق الوقود الأحفوري، مما أدى إلى تفاعلات كيميائية تخفض درجة الحموضة في المحيطات. وقد تسبب هذا في زيادة أيون الهيدروجين (الحموضة) بنحو 30٪ منذ بداية العصر الصناعي من خلال عملية تعرف باسم “تحمض المحيطات”. وقد أظهر عدد متزايد من الدراسات آثارًا ضارة على الكائنات البحرية، بما في ذلك:
- يتناقص معدل إنتاج الشعاب المرجانية لهياكلها، بينما يزداد إنتاج أنواع عديدة من قناديل البحر.
- تقل قدرة الطحالب البحرية والعوالق الحيوانية الخالية من السباحة على الحفاظ على الأصداف الواقية.
- ينخفض بقاء الأنواع البحرية اليرقية، بما في ذلك الأسماك التجارية والمحار.
الدور البيولوجي لغاز ثاني أكسيد الكربون
غاز ثاني أكسيد الكربون هو الناتج النهائي للتنفس الخلوي في الكائنات الحية (تشمل جميع النباتات والحيوانات والبكتربا والفطريات الهوائية) التي تستمد غذائها من خلال تكسير الأحماض الأمينية والسكريات والدهون باستخدام الأوكسجين وذلك جزء من عملية التمثيل الغذائي
في الفقاريات، ينتقل ثاني أكسيد الكربون في الدم من أنسجة الجسم إلى الجلد أو الخياشيم، حيث يذوب في الماء، أو إلى الرئتين حيث يتم الزفير. أثناء عملية التمثيل الضوئي النشط، يمكن للنباتات امتصاص المزيد من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي أكثر مما تطلقه في التنفس.
التمثيل الضوئي وتثبيت الكربون
تثبيت الكربون هو عملية كيميائية حيوية يتم من خلالها دمج ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بواسطة النباتات والطحالب و (البكتيريا الزرقاء) في الجزيئات العضوية الغنية بالطاقة مثل الجلوكوز، وبالتالي تكوين غذائها عن طريق التمثيل الضوئي.
يستخدم التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون والماء لإنتاج السكريات التي يمكن من خلالها تكوين مركبات عضوية أخرى، ويتم إنتاج الأكسجين كمنتج ثانوي.
السمية
ثاني أكسيد الكربون هو غاز خانق ولا يصنف على أنه سام أو ضار وفقًا للنظام المنسق عالميًا لتصنيف ووسم معايير المواد الكيميائية للجنة الاقتصادية لأوروبا التابعة للأمم المتحدة بالاعتماد على إرشادات منظمة التعاون والتنمية لاختبار المواد الكيميائية في الميدان الاقتصادي.
أقل من 1٪
هناك القليل من الدراسات حول الآثار الصحية للتعرض المستمر طويل الأمد لثاني أكسيد الكربون على البشر والحيوانات بمستويات أقل من 1٪. تم تعيين حدود التعرض المهني لثاني أكسيد الكربون في الولايات المتحدة عند 0.5٪ (5000 جزء في المليون) لمدة ثماني ساعات. في تركيز ثاني أكسيد الكربون هذا، عانى طاقم محطة الفضاء الدولية من الصداع والخمول والبطء العقلي والتهيج العاطفي واضطراب النوم.
فسيولوجيا الإنسان
يتم نقل ثاني أكسيد الكربون عبر الجهاز الوريدي ويتم استنشاقه عبر الرئتين، مما يؤدي إلى انخفاض تركيزاته في الشرايين. وغالبًا ما يُعطى محتوى الدم من ثاني أكسيد الكربون كضغط جزئي، وهو الضغط الذي كان سيتعرض له ثاني أكسيد الكربون لو كان وحده يشغل الحجم عند الإنسان.
النقل في الدم
من الطرق التي ينتقل بها غاز ثاني أكسيد الكربون في الدم:
- بواسطة إنزيم الأنهيدراز الكربوني في خلايا الدم الحمراء.
- بواسطة تفاعل ثاني أكسيد الكربون.
- مذاب في بلازما الدم.
تنظيم التنفس
إذا كان تركيز غاز ثاني أكسيد الكربون مرتفعًا فيعد وسيط للتنظيم الذاتي لإمدادات الدم، أي أن الشعيرات الدموية تتمدد للسماح بتدفق أكبر للدم إلى هذا النسيج.
المخاطر الصحية الأولية لثاني أكسيد الكربون
في بريطانيا، يُصنف ثاني أكسيد الكربون على أنه مادة خطرة على الصحة وفقًا للوائح مراقبة المواد الخطرة على الصحة لعام 2002 (COSHH). ومن المخاطر الناتجة عن غاز ثاني أكسيد الكربون: [ref] ثاني أكسيد الكربون [/ref]
الاختناق
يحدث الاختناق من خلال التواجد في منطقة محصورة أو عديمة التهوية، وذلك ناتج عن إطلاق ثاني أكسيد الكربون في تلك المنطقة. حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى خفض تركيز الأكسجين إلى مستوى يشكل خطرًا مباشرًا على صحة الإنسان.
قضمة الصقيع
يكون ثاني أكسيد الكربون الصلب دائمًا أقل من – 78 درجة مئوية عند الضغط الجوي العادي، بغض النظر عن درجة حرارة الهواء. يمكن أن يؤدي التعامل مع هذه المادة لأكثر من ثانية أو ثانيتين دون حماية مناسبة إلى ظهور بثور خطيرة وتأثيرات أخرى غير مرغوب فيها. كما يتسبب غاز ثاني أكسيد الكربون المنطلق من أسطوانة فولاذية، مثل مطفأة الحريق في حدوث تأثيرات مماثلة.
تلف الكلى أو الغيبوبة
يحدث هذا بسبب اضطراب في التوازن الكيميائي لمخزن الكربونات. عندما تزيد أو تنقص تركيزات ثاني أكسيد الكربون، مما يتسبب في اضطراب التوازن، قد تسبب في حالة خطرة مهددة للحياة.
