Koolstofdioxide
|
Structuurformule en molecuulmodel
|
|
|
|
|
|
Pellets vast koolstofdioxide (
droogijs
) sublimeren bij kamertemperatuur
|
Algemeen
|
Molecuulformule
|
CO
2
|
IUPAC-naam
|
koolstofdioxide
|
Andere namen
|
kooldioxide, koolzuurgas
|
Molmassa
|
44,0095
g
/
mol
|
SMILES
|
C(=O)=O
|
InChI
|
1S/CO2/c2-1-3
|
CAS-nummer
|
124-38-9
|
EG-nummer
|
204-696-9
|
PubChem
|
280
|
Wikidata
|
Q1997
|
Beschrijving
|
Prikkelend kleurloos gas
|
Vergelijkbaar met
|
koolstofdisulfide
|
Waarschuwingen en veiligheidsmaatregelen
|
Waarschuwing
|
H-zinnen
|
H280
|
EUH-zinnen
|
geen
|
P-zinnen
|
P410+P403
|
Opslag
|
Bij bewaring in een gasfles mag de temperatuur van de gasfles niet boven 50°C uitkomen.
|
Fysische eigenschappen
|
Aggregatietoestand
|
gasvormig
|
Kleur
|
kleurloos
|
Dichtheid
|
1,98 × 10
?3
g/cm³
|
Sublimatiepunt
|
?78,5
[1]
°C
|
Dampdruk
|
(bij 20°C) 5,7258 × 10
6
Pa
|
Oplosbaarheid
in
water
|
1,45 g/L
|
log(
P
ow
)
|
0,83
|
Thermodynamische eigenschappen
|
Δ
f
H
o
g
|
?393,5
kJ
/
mol
|
S
o
g, 1 bar
|
213,8
J
/
mol
·
K
|
Nutritionele eigenschappen
|
E-nummer
|
E290
|
Tenzij anders vermeld zijn
standaardomstandigheden
gebruikt (298,15
K
of 25
°C
, 1
bar
).
|
|
Koolstofdioxide
,
kooldioxide
, ook
koolzuurgas
, in de 19e eeuw ook
koolstofzuurgas
genoemd, is een
anorganische verbinding
van
koolstof
en
zuurstof
, met als
brutoformule
CO
2
. In zuivere toestand is het een kleurloos en geurloos
gas
dat van nature in de
aardatmosfeer
voorkomt. De molecule bezit een
lineaire geometrie
en behoort tot de
puntgroep
D
∞h
.
Hoewel het gas zelf geurloos is, vormt het samen met waterdamp
koolzuur
, waardoor bij hogere concentraties een scherpe zure geur waargenomen kan worden. De eigenschappen van kooldioxide werden in de jaren 1750 bestudeerd door de Schotse wetenschapper
Joseph Black
.
[2]
De atmosfeer van de Aarde bevatte in 2020 ongeveer 417
ppm
koolstofdioxide.
[3]
Deze concentratie neemt verder toe.
[4]
Dit wordt veroorzaakt door menselijk handelen ? voornamelijk door verbranding van fossiele brandstoffen ? met klimaatverandering als gevolg. Het
Intergovernmental Panel on Climate Change
(IPCC) houdt zich intensief bezig met de oorzaken en
gevolgen
daarvan voor de
opwarming van de aarde
.
Koolstofdioxide opgelost in water vormt koolzuur of
diwaterstofcarbonaat
(H
2
CO
3
). Soms wordt kooldioxide zelf ? foutief ? koolzuur genoemd (koolzuurgas zou correct zijn). Kooldioxide wordt veel gebruikt in
frisdranken
. Het toevoegen van koolstofdioxide onder druk aan dranken voor de
prik
, wordt
carboniseren
genoemd. In
bier
zit koolzuur na vergisting van de
maltose
uit
mout
. Het komt ook van nature voor in sommige
mineraalwaters
.
Koolstofdioxide wordt in sommige typen
brandblussers
gebruikt om vuur te bestrijden, met name indien water gevaarlijk zou zijn als blusmiddel, doordat het
chemische reacties
veroorzaakt, stroom geleidt of grote schade kan veroorzaken, zoals in papieren archieven.
Koolstofdioxide wordt gebruikt als een koudemiddel in koel- en vriesinstallaties. Het staat als koudemiddel bekend onder nummer R-744. Het gebruik van koolstofdioxide als koudemiddel is (opnieuw) in opkomst omdat het een veel lagere bijdrage aan de opwarming van het klimaat heeft dan de meeste synthetische koudemiddelen. Ook wordt koolstofdioxide, naast
propaan
(R-290), als koudemiddel ook gebruikt in warmtepompen voor minder goed te isoleren huizen waar een hogere radiatortemperatuur vereist is en met hun lage
Global Warming Potential
in het geval van lekkage tevens een geringere invloed heeft op opwarming van het klimaat.
[5]
Koolstofdioxide werd ontdekt in het begin van de
17e eeuw
door de Brusselaar
Jan Baptista van Helmont
, die het
sylvestergas
noemde. Hij stelde vast dat na verbranding van
houtskool
in een gesloten kom, de restmassa kleiner was dan de oorspronkelijke massa. Zijn conclusie was dat het verschil veranderd was in een
wilde geest
(toen
spiritus sylvestre
genoemd) of gas.
Koolstofdioxide bestaat uit een centraal koolstofatoom waaraan met
dubbele bindingen
twee zuurstofatomen zijn gebonden. Derhalve komt koolstof hier voor in zijn hoogste
oxidatietoestand
(+IV). Koolstofdioxide wordt gevormd bij de volledige
verbranding
van koolstof of koolstofhoudende verbindingen:
Bij onvolledige verbranding ontstaat
koolstofmonoxide
(CO), een toxisch en verstikkend gas dat aanleiding kan geven tot
koolstofmonoxidevergiftiging
.
Planten
en andere
autotrofe organismen
gebruiken koolstofdioxide bij de
fotosynthese
. Bij deze
chemische reactie
worden water (H
2
O) en koolstofdioxide (CO
2
) opgenomen en in
glucose
omgezet, terwijl
zuurstofgas
(O
2
) wordt afgegeven. Voor dit proces is
energie
nodig, die wordt betrokken uit
zonlicht
. De
zonne-energie
wordt als
chemische energie
vastgelegd in de
chemische verbinding
glucose. De glucose wordt gebruikt als energiebron of
omgezet
in andere organische stoffen, bouwstoffen als
cellulose
en
eiwitten
, ten behoeve van groei en voortplanting. Zo komt de koolstof uit de kooldioxide via fotosynthese terecht in allerlei andere stoffen, deels zichtbaar, zoals cellulose en
lignine
in het hout van bomen.
In
kassen
wordt koolzuurgas als een soort
bemesting
van de planten gebruikt: bij aanwezigheid van meer koolstofdioxide groeien veel planten wat sneller. Ook bij een toename van het koolstofdioxidegehalte op Aarde kan de vegetatie sneller groeien.
Dieren
doen het omgekeerde van wat planten doen: zij
ademen
zuurstof in voor de
'verbranding'
van, uit
verteerd
voedsel
afkomstige,
voedingsstoffen
. Bij de verbranding van deze
vetten
en
koolhydraten
in het lichaam wordt koolstofdioxide geproduceerd, die ze uitademen. De eerder door het zonlicht aan de planten geleverde energie komt tijdens de verbranding van deze voedingsstoffen weer vrij. Dit geldt ook voor de stofwisseling van schimmels.
De bovenstaande wisselwerking tussen planten en dieren, of nauwkeuriger gezegd autotrofe en
heterotrofe
organismen, vormt de kern van de
koolstofkringloop
.
Dierlijke cellen produceren koolstofdioxide als afvalproduct van de
citroenzuurcyclus
. Extra inspanning levert extra koolzuur, dat via het
bloed
wordt afgevoerd. De toename van koolzuur in het bloed verlaagt de
pH
(verhoogt de zuurgraad), die door het lichaam nauwkeurig tussen 7,35 en 7,45 wordt gehouden. Dreigt de pH te ver te dalen dan grijpt het
ademhalingscentrum
in de
hersenen
in door het versnellen en verdiepen van de
ademhaling
.
Twee fysische eigenschappen van koolstofdioxide komen in het dagelijks leven elk op hun eigen wijze naar voren. De meest prominente eigenschap is dat van
broeikasgas
. Daarnaast wordt koolstofdioxide vanwege de wijze waarop het van fase verandert, voor verschillende doeleinden gebruikt.
Doordat koolstofdioxide
infrarode straling
absorbeert, vermindert het de uitstraling naar de ruimte van zonnewarmte die de Aarde bereikt. Dit wordt het
broeikaseffect
genoemd, omdat in een
kas
een vergelijkbaar effect optreedt: kortegolfstraling kan naar binnen waar ze wordt omgezet in langegolfstraling, die niet meer kan ontsnappen.
Bij afkoeling tot ?78 °C gaat koolstofdioxide direct over (
rijpt
) in de
vaste aggregatietoestand
:
droogijs
of koolzuursneeuw genoemd. Vaste koolstofdioxide ziet er ongeveer uit zoals
ijs
gevormd uit
water
. Bij een normale luchtdruk smelt droogijs niet als het verwarmd wordt, maar het
sublimeert
(verdampt) direct terug naar de gastoestand. Pas boven een druk van 5,2 bar (de druk in het
tripelpunt
, zie ook de grafiek hiernaast) smelt droogijs bij ?56 °C en komt het in de
vloeibare fase
zonder direct een gas te vormen. Als men bij 15 °C de druk verhoogt tot boven de 50 bar, wordt koolstofdioxide vloeibaar.
Er kunnen spectaculaire en toch relatief ongevaarlijke experimenten met vast koolstofdioxide gedaan worden. Als een paar korreltjes in een glas water worden gestrooid verdampt het droogijs door de relatieve warmte van het water. Het water gaat borrelen en er komt een flinke
damp
uit. Zo lijkt het of het water kookt, terwijl het gewoon op kamertemperatuur blijft of zelfs iets afkoelt. Doordat koolzuurdamp zwaarder is dan lucht loopt de damp vanuit het glas naar beneden. Dit effect wordt vaak op grotere schaal op toneel of televisie gebruikt in
nevelmachines
.
Droogijs wordt vaak gebruikt in combinatie met een bepaald
oplosmiddel
(zoals
aceton
of
2-propanol
) om een
koelbad
te vormen voor de uitvoering van bepaalde experimenten in de
organische synthese
.
Koolzuur opgelost in (regen)water (
diwaterstofcarbonaat
en
waterstofcarbonaat
) is ook geologisch van belang, doordat het in staat is
kalksteen
op te lossen. Dit leidt tot
karstverschijnselen
. In de gebonden vorm als
calciumcarbonaat
(CaCO
3
) komt het voor als kalksteen (in Limburg
mergel
genoemd). Wanneer calciumcarbonaat wordt opgelost in zuur of wordt verhit zoals bij de productie van klinker en cement, komt koolstofdioxide weer vrij. De
cementindustrie
draagt voor ca. 5% bij aan de wereldwijde jaarlijkse uitstoot van het broeikasgas.
Voorkomen in de natuur en uitstoot door de mens
[
bewerken
|
brontekst bewerken
]
Koolstofdioxide ontstaat bij diverse natuurlijke processen, onder andere bij savanne- en
bosbranden
, uitstoot door
vulkanen
, verteringsprocessen in natte oerwouden en mangroven, en komt vrij via CO
2
-uitwisseling met de zeeen en oceanen. De eenvoudigste manier om koolstofdioxide te produceren is echter de verbranding van koolstofhoudende stoffen, bijvoorbeeld houtskool en
fossiele brandstoffen
zoals
aardolie
en
aardgas
. Dit proces is voor de mensheid een van de belangrijkste energiebronnen. De menselijke/industriele CO
2
-uitstoot is volgens de huidige wetenschappelijke inzichten bijna 6% van de totale aardse CO
2
-uitwisseling.
[6]
Deze 6 procent moet door het systeem worden opgenomen om de concentratie CO
2
constant te houden.
De belangrijkste processen om vrijgekomen koolstofdioxide weer uit de atmosfeer te verwijderen zijn CO
2
-opname door groene planten en opname door de oceanen. Omdat er geen netto toename van bossen op Aarde is draagt fotosynthese door groene planten alleen tijdelijk bij aan de verwijdering van koolstofdioxide uit de atmosfeer. De opnamesnelheid van koolstofdioxide in de oceanen is daarom bepalend voor de concentratieverandering. De opname gaat langzaam, omdat koolstofdioxide wel snel oplost in de bovenste lagen van de oceaan, maar er ook weer snel uit wordt afgegeven. Het transport naar diepere waterlagen waardoor koolstofdioxide uiteindelijk echt uit de kringloop zou verdwijnen duurt vele honderden jaren.
[7]
Van de 6% koolstofdioxide (3,2 gigaton) die de mens toevoegt aan de natuurlijke kringloop door het verbranden van
fossiele brandstoffen
, wordt twee procentpunt gecompenseerd door permanente opname in de diepere waterlagen van de oceaan.
[6]
De overige vier procentpunt hebben sinds het begin van de
industriele revolutie
geleid tot een stijging van de CO
2
-concentratie van circa 280
ppm
tot pieken boven 410 ppm in 2017.
[8]
In 2015 doorbrak de
gemiddelde
concentratie wereldwijd voor het eerst de grens van 400 ppm.
[9]
De bekendste metingen van het CO
2
-gehalte in de lucht zijn de data, afkomstig van het
Mauna Loa Observatorium
op
Hawai
, gepubliceerd door de
National Oceanic and Atmospheric Administration
, een instelling van de Amerikaanse overheid. Uiteraard kunnen deze cijfers verschillen van de metingen, uitgevoerd elders op aarde. De cijfers van het allerlaatste jaar van meting zijn steeds voorlopig, in afwachting van kleine correcties.
Jaar
(historisch)
|
ppm
|
|
Jaar
[10]
(21e eeuw)
|
ppm
|
|
Jaar
[10]
(21e eeuw)
|
ppm
|
1750
|
277
|
2001
|
371
|
2016
|
404
|
1800
|
281
|
2002
|
373
|
2017
|
407
|
1850
|
284
|
2003
|
375
|
2018
|
409
|
1900
|
296
|
2004
|
377
|
2019
|
412
|
1950
|
313
|
2005
|
379
|
2020
|
414
|
1955
|
314
|
2006
|
381
|
2021
|
416
|
1960
|
317
|
2007
|
383
|
2022
|
419
|
1965
|
320
|
2008
|
385
|
2023
|
421
[11]
|
1970
|
325
|
2009
|
386
|
|
|
1975
|
331
|
2010
|
389
|
|
|
1980
|
339
|
2011
|
391
|
|
|
1985
|
345
|
2012
|
393
|
|
|
1990
|
354
|
2013
|
396
|
|
|
1995
|
360
|
2014
|
398
|
|
|
2000
|
369
|
2015
|
401
|
|
|
Om de uitstoot van het broeikasgas te reguleren is de CO
2
-emissiehandel
[12]
opgezet. Deelnemers aan de CO
2
-emissiehandel krijgen aan het begin van het jaar een bepaalde hoeveelheid rechten. Deze hoeveelheid is door de Nederlandse overheid (de ministeries van Economische Zaken en VROM) vastgesteld op basis van het nationale toewijzingsplan, ook wel het nationale allocatieplan of NAP genoemd. Een bedrijfslocatie waar emissie plaatsvindt beschikt over deze rechten als zij een geldige emissievergunning heeft. De registratie en de controle wordt in Nederland uitgevoerd door de
Nederlandse Emissieautoriteit
(NEA). Particulieren kunnen sinds 2010 via de CO
2
-markt
[13]
van
Stichting Natuur en Milieu
ook deze emissiehandel beinvloeden door rechten op te kopen.
Vergelijking van de CO
2
-uitstoot bij 100% effectiviteit van de verbranding.
materiaal
|
CO
2
in
kg
/
kWh
[14]
|
Steenkool
|
0,322
|
Olie
|
0,254
|
Aardgas
|
0,181
|
Bij verbranding van aardgas komt weliswaar veel minder CO
2
vrij, maar het gebruik van aardgas is anderzijds erg vervuilend vanwege de
methaanlekken
bij de ontginning en het
transport
.
[15]
Vergelijking van de CO
2
-uitstoot van transportmiddelen per passagier per kilometer gemeten voor 2014.
Middel
|
CO
2
in
g
/
km
[16]
|
Trein
|
28
|
Bus
|
56
|
Tweewielers
|
81
|
Auto
|
107
|
Vliegtuig
|
244
|
Hoewel koolstofdioxide in de atmosfeer voorkomt, is het in hogere concentraties giftig. In de omgeving van het
Nyosmeer
kwamen op 26 augustus 1986 meer dan 1700 mensen om toen uit het meer een grote hoeveelheid koolstofdioxide vrij kwam. Op 16 augustus 2008 moesten in Monchengladbach 107 mensen worden opgenomen omdat uit een brandblusinstallatie 25 000 m
3
koolstofdioxide
[17]
was vrijgekomen en een woonwijk was binnengestroomd.
[18]
Koolstofdioxide is zwaarder dan lucht en kan zich ophopen in grotten en (wijn)kelders. Een voorbeeld is de zogenaamde
Hondsgrot
bij
Napels
, waar de bodem bedekt is met een deken van kooldioxide. Mensen overleven een bezoek aan de grot, maar honden stikken direct, doordat ze zich met hun kop dichter bij de grond bevinden. De mogelijkheid van ontsnapping van grote hoeveelheden koolstofdioxide is een van de belangrijkste redenen van bezorgdheid bij ondergrondse
opslag
.
Koolstofdioxide heeft de volgende effecten op mensen, gemeten naar volumepercentage in lucht:
0,039%
|
koolstofdioxidegehalte in de atmosfeer op zeeniveau (rond 2011)
|
0,15%
|
maximum toelaatbare koolstofdioxidegehalte binnenlucht klaslokaal (1500 ppm)
[19]
|
0,3%
|
MIC-waarde
|
0,5%
|
MAC-waarde
(langdurige maximaal aanvaardbare blootstelling zonder blijvende schade)
|
1%
|
slecht geventileerde drukke (werk)ruimte. Sufheid bij langere blootstelling.
|
1,5%
|
versnellen en verdiepen van de ademhaling.
|
2%
|
licht narcotisch effect, toename van bloeddruk en polssnelheid, afname van het gehoor.
|
4-5%
|
koolstofdioxidegehalte in uitgeademde lucht.
[20]
Veroorzaakt naast bovengenoemde effecten ook duizeligheid, verwarring en een gevoel van ademnood bij langere blootstelling. Uiteindelijk raakt men bewusteloos. Vanaf een concentratie van 5% kunnen ook
paniekaanvallen
voorkomen,
[21]
door de invloed van kooldioxide op de
amygdala
.
|
8%
|
hoofdpijn, zweten, verlies van gezichtsvermogen en krampen. Bewusteloosheid na 5 tot 10 minuten, gevolgd door de dood na 30 minuten tot een uur.
|
20% en hoger
|
bewusteloosheid na enkele ademteugen, snel gevolgd door ademstilstand. Dood na enkele minuten.
|
Bronnen, noten en/of referenties
- CRC Handbook of Chemistry and Physics
, 2006, CRC Press LLC Headquarters te Boca Raton
- ↑
Omdat de atmosferische druk lager is dan de druk in het
tripelpunt
,
sublimeert
koolstofdioxide in plaats van dat het smelt. Zie ook het kopje
Faseovergangen
.
- ↑
Kooldioxide
.
nl.Alegsaonline.com
(
28 februari 2021
).
Gearchiveerd
op
21 mei 2021
. Geraadpleegd op
21 mei 2021
.
- ↑
Earth's CO2 Home Page
- ↑
Trends in Carbon Dioxide
.
Gearchiveerd
op 10 mei 2021.
- ↑
https://www.change.inc/energie/effectieve-co2-warmtepomp-maakt-oudere-woningen-klaar-voor-de-toekomst-40390
- ↑
a
b
The Carbon Cycle and Atmospheric Carbon Dioxide
. Gearchiveerd op
22 september 2017
. Geraadpleegd op
19 augustus 2023
.
- ↑
Analytical relationships between atmospheric carbon dioxide, carbon emissions, and ocean processes
[dode link]
- ↑
www.co2.earth/daily-co2?
.
Gearchiveerd
op 7 augustus 2023.
- ↑
Globally Averaged CO
2
Levels Reach 400 parts per million in 2015
.
WMO
(
24 oktober 2016
). Geraadpleegd op
26 oktober 2016
.
- ↑
a
b
ESRL DATA
.
Gearchiveerd
op 18 augustus 2023.
- ↑
Voorlopig cijfer
- ↑
Nederlandse Emissieautoriteit (NEA): co2-emissiehandel
- ↑
CO
2
markt
.
Gearchiveerd
op 9 juni 2023.
- ↑
https://www.physics.uci.edu/~silverma/units.html
.
Gearchiveerd
op 7 juli 2023.
- ↑
Is Natural Gas 'Clean'?
.
The New York Times
(
24 september 2013
).
Gearchiveerd
op
17 oktober 2017
. Geraadpleegd op
26 december 2017
.
- ↑
Energy efficiency and specific CO2 emissions
, geraadpleegd op 2020-10-20.
Gearchiveerd
op 21 oktober 2020.
- ↑
Westdeutsche Zeitung - Home - Politik - NRW - Losch- und andere Gase: Theoretisch sicher
- ↑
CO
2
-ongeluk Monchengladbach op 16 augustus 2008: 107 gewonden
, rapportage WDR
- ↑
GGD-richtlijn beoordelen van ventilatie scholen
- ↑
Kim E. Barrett, Susan M. Barman, Scott Boitano and Jane F Reckelhoff,
Ganong's Physiology, Examination and Board Review
, MCGrawHill Publishers, New York, NY | www.accessmedicine.com
- ↑
The medical news, november 2009
.
Gearchiveerd
op 30 november 2022.
|