تحضير إنتاج ثاني أكسيد الكربون

إنّ حرق الوقود الحاوي على الكربون، خاصّةً من الوقود الأحفوري، يعطي كمّيّات من غاز ثنائي أكسيد الكربون، وعلى هذا النحو، ينتج سنويّاً ما مقداره حوالي 36 مليار طن، ينتج غاز ثنائي أكسيد الكربون كناتج ثانوي من قمين الجير، وذلك عند حرق الجير (كربونات البوتاسيوم)، حيث أنّ هذه العمليّة تعطي حوالي 530 مليون طن سنويّاً، بما أنّ أبحاث احتجاز وتخزين ثنائي أكسيد الكربون لا زالت في المستوى البحثي، ولم تطبّق على شكل تجاري، فإنّ الكمّيّة المنتجة من ثنائي أكسيد الكربون تنتقل إلى الغلاف الجوّي،

ينتج غاز ثنائي أكسيد الكربون من تفاعل الكربون مع الأكسجين:

C   +   O 2 ⟶   C O 2   ; Δ H = − 394 k J / m o l 

إنّ تفاعل الأكسدة أعلاه يحدث عند احتراق كلّ أنواع الوقود الحاوية على الكربون، مثل الميثان (الغاز الطبيعي) وكل قطفات تقطير النفط (من البنزين والديزل والكيروسين وغيرها)، بالإضافة إلى الفحم والخشب والمواد العضويّة الأخرى،

C H 4   +   2   O 2   ⟶   C O 2   +   2   H 2 O 

كما يعطي تكليس الجير عند تسخينه إلى درجات حرارة فوق 850 °س غاز ثنائي أكسيد الكربون:

C a C O 3   → Δ   C a O   +   C O 2 

على المستوى الصناعي، ينتج ثنائي أكسيد الكربون بعدّة طرق على كافّة المستويات،

وغالباً على شكل ناتج ثانوي من إنتاج الأمونياك في عملية هابر-بوش ومن إنتاج الهيدروجين في عمليّات تغويز الفحم وإصلاح البخار في محطّات إنتاج الغاز الطبيعي، حيث يُحصل على ثنائي أكسيد الكربون كناتج من تفاعل انزياح ماء-غاز، والمستخدَم من أجل تحضير غاز الاصطناع،

C O + H 2 O ← → C O 2 + H 2 Δ H R   298 0 = − 41 , 2   k J / m o l 

تقوم الخميرة باستقلاب السكّر لإنتاج الإيثانول، وينطلق غاز ثنائي أكسيد الكربون نتيجة لذلك:

C 6 H 12 O 6   ⟶   2   C 2 H 5 O H   +   2   C O 2 

يستخدم التفاعل أعلاه أثناء إنتاج الكحول والمشروبات الروحيّة، كما يعدّ الأساس في إنتاج الإيثانول الحيوي،

على المستوى المخبري، فقد كان ثنائي أكسيد الكربون في السابق ينتج مخبريّاً من أثر حمض الهيدروكلوريك على كربونات الكالسيوم، وذلك في جهاز كيب على سبيل المثال،

C a C O 3   +   2   H C l   ⟶   C a C l 2   +   H 2 O +   C O 2 

أمّا في الوقت الراهن، فيمكن الحصول على غاز CO₂ ضمن أسطوانات أو على شكل الثلج الجاف الصلب،

الخواص

الخواص الفيزيائيّة

إنّ غاز ثنائي أكسيد الكربون في الظروف القياسيّة من الضغط ودرجة الحرارة غاز عديم اللون، له كثافة مقدارها 1،98 كغ/م³،

والتي هي أكبر بمقدار 1،67 مرّة من الهواء، لا توجد هناك حالة سائلة من ثنائي أكسيد الكربون عند ضغوط أدنى من 5،2 بار، عند الضغط العادي (1 وحدة ضغط جوّي (جوّ)، فإنّ ثنائي أكسيد الكربون يوجد عند درجات حرارة أدنى من −78،5 °س على شكل صلب، يدعى باسم الثلج الجاف، لا يؤدّي تسخين الثلج الجاف إلى انصهاره، حيث يتسامى (يتصعّد)، أي أنّه يتحوّل بشكل مباشر إلى الحالة الغازيّة،

تقع النقطة الثلاثيّة، والتي تكون فيها أطوار المادة الثلاثة؛ الصلبة والسائلة والغازيّة، في حالة توازن، بالنسبة لثنائي أكسيد الكربون عند درجة حرارة مقدارها −56،6 °س، وعند ضغط مقداره 5،18 بار، أمّا النقطة الحرجة فهي تقع عند الدرجة 31،0 °س، وذلك عند ضغط 73،8 بار،

يمكن تحويل ثنائي أكسيد الكربون بتطبيق ضغط مرتفع دون درجة الحرارة الحرجة إلى سائل عديم اللون،

لا يمكن الحصول على ثنائي أكسيد الكربون السائل عند درجة حرارة الغرفة إلّا عند تطبيق ضغط حوالي 60 بار،

يكون لثنائي أكسيد الكربون الصلب (الثلج الجاف) بنية بلّوريّة مكعّبة، ذات زمرة فراغيّة من النمط Pa3، ويكون ثابت الشبكة البلّوريّة a = 562،4 بيكومتر،

يمتصّ ثنائي أكسيد الكربون قسماً من الطيف الكهرومغناطيسي عند مجال طيف أشعة تحت الأحمر، حيث يؤدّي ذلك إلى حدوث اهتزاز جزيئي، على أساس هذه الخاصّيّة يعدّ ثنائي أكسيد الكربون أحد الغازات الدفيئة،

الانحلاليّة

إنّ انحلاليّة ثنائي أكسيد الكربون في الماء جيّدة جداً، وهي تقريباً في كل الحالات (أكثر من 99%) انحلال فيزيائي، حيث يتحوّل بشكل عكوس ومتوازن إلى حمض الكربونيك H₂CO₃، نظراً لأن ثابت توازن إماهة حمض الكربونيك هو K h = [ H 2 C O 3 ] [ C O 2 ( a q ) ] = 1،70 × 10 − 3  (عند 25°س)، لذلك فإنّ معظم ثنائي أكسيد الكربون لا يتحوّل إلى حمض الكربونيك بشكل كامل، ويبقى معظمه في صورة جزيئات CO₂، بالتالي فإنّ تأثير ثنائي أكسيد الكربون على قيمة الأس الهيدروجيني عند انحلاله في الماء ضعيفة،

يمكن كتابة معادلة توازن ثنائي أكسيد الكربون في الماء وتشكّل حمض الكربونيك بالشكل المبسّط التالي:

C O 2   +   H 2 O   ⇌   H 2 C O 3 

ولكن فعلياً تكون معادلات التوازن الكيميائي على الشكل التالي:

C O 2 + 2   H 2 O ⇄ H C O 3 − + H 3 O + 

H C O 3 − + H 2 O ⇄ C O 3 2 − + H 3 O + 

يكون حمض الكربونيك في توازن كيميائي مع نواتج تفكّكه في الماء وهي أيون البيكربونات ⁻HCO₃ وأيون الكربونات ²⁻CO₃، تتعلّق نسبة وجود هذين الأيونين إلى بعضهما بقيمة الأس الهيدروجيني (pH الوسط)، يسود انتشار أيون البيكربونات (بنسبة> 50٪) في المياه المتعادلة أو قليلة القلويّة (pH> 6،5)، وتصل نسبته إلى (> 95٪) في مياه البحر، تحوي مياه المحيطات، والتي هي متوسّطة القلويّة (pH = 8،2–8،5) على نحو 120 مغ من البيكربونات لكل لتر، أما في المياه شديدة القلويّة (pH> 10،4)، فيسود أيون الكربونات (بنسبة> 50٪)، لأنه في حال سحب أيون الأوكسونيوم ⁺H₃O من الوسط وذلك بإضافة كاشف قلوي يحوي أيون الهيدروكسيد ⁻OH، فإن التوازن بين البيكربونات والكربونات ينزاح إلى صالح تشكّل الكربونات،

تعدّ انحلالية ثنائي أكسيد الكربون في الماء مقارنةً مع الغازات الأخرى مرتفعة نسبيّاً، حيث أنّ درجة الإشباع لغاز CO₂ نقيّ في حالة توازن مع الماء عند درجة حرارة 20 °س وعند الضغط العادي (1 جوّ) تبلغ 1688 مغ/ل، في حين أنّها للأكسجين النقي 44 مغ/ل، وللنتروجين النقي 19 مغ/ل،

البنية

يرتبط الكربون مع كلتا ذرّتي الأكسجين برابطة تساهميّة مضاعفة وبشكل متكافئ، بحيث يبلغ طول الرابطة C=O ما مقداره 116،3 بيكومتر،

نتيجة هذا الارتباط يكون هناك زوجين إلكترونيّين غير رابطين على كل ذرة أكسجين، إنّ لجزيء ثنائي أكسيد الكربون بنية خطّيّة، حيث تصطف الذرّات الثلاثة (ذرّتي أكسجين طرفيتين وذرّة كربون في المنتصف) على خط مستقيم، وحسب هذا الترتيب، يكون جزيء CO₂ متناظر مركزيّاً،

على الرغم من استقطاب الرابطة بين الأكسجين والكربون بسبب اختلاف الكهرسلبيّة بين الذرّتين، إلاّ أنّ عزم ثنائي القطب بالنسبة للرابطتين يفني بعضه، نظراً لأنّ الجزيء متناظر مركزياً، بالتالي فإنّ ثنائي أكسيد الكربون ليس ثنائي قطب، نتيجة التناظر المركزي أيضاً، فإنّه لا يشاهد لجزيء ثنائي أكسيد الكربون في طيف مجال أشعّة تحت الحمراء سوى حزمتين اهتزازيّتين، إحداها من نمط الامتطاط اللامتناظر عند عدد الموجة 2349 سم⁻¹، والأخرى من نمط الانحناء بالقرب من عدد الموجة 666 سم⁻¹، هناك أيضاً اهتزاز من نمط الامتطاط المتناظر عند 1388 سم⁻¹، والذي يلاحظ فقط في مطيافية رامان،

الخواص الكيميائيّة

لا يعدّ ثنائي أكسيد الكربون من المؤكسدات القويّة، حيث أنّه يتفاعل فقط بشكل “مؤكسد” مع الفلزّات التي لها قدرة اختزال كبيرة مثل المغنسيوم، حيث يتشكّل الكربون والأكسيد الموافق،

C O 2 + 2   M g ⟶   C + 2   M g O 

نظراً لوجود شحنة جزئية موجبة على ذرة الكربون في جزيء ثنائي أكسيد الكربون، فإنّ CO₂ يتفاعل ككاشف ضعيف محب للإلكترون في تفاعلات إضافة كربوكسيل إلى الأنواع الكيميائيّة المحبّة للنواة، على سبيل المثال، يتفاعل ثنائي أكسيد الكربون مع الأنيونات الكربونيّة (الكربانيونات) التي توفّرها كواشف غرينيار ومركبات الليثيوم العضويّة لتعطي الكربوكسيلات:

M R   +   C O 2   ⟶   R C O 2 M 

حيث M هي Li أو MgBr و R عبارة عن ألكيل أو أريل،

يدخل CO₂ كربيطة في تركيب المعقدات التناسقيّة مع بعض الفلزّات الانتقاليّة، والتي تقوم بتسهيل تحوّل CO₂ إلى مركّبات أخرى،

إنّ تفاعل اختزال ثنائي أكسيد الكربون إلى أحادي أكسيد الكربون هو من التفاعلات البطيئة صعبة التنفيذ:

C O 2   +   2   e −   +   2   H +   ⟶   C O   +   H 2 O 

إنّ جهد اختزال هذا التفاعل في وسط معتدل (pH ~ 7) يكون حوالي −0،53 فولت مقابل القطب القياسي للهيدروجين، تقوم إنزيمات “ديهيدروجيناز أحادي أكسيد الكربون”  الحاوية على فلزّ النيكل بإجراء عمليّة تحفيز هذا التفاعل في الحيويّات،

الدور الحيوي

إنّ ثنائي أكسيد الكربون هو ناتج عملية التنفس الخلوي في الأحياء التي تحصل على الطاقة من تكسير سلاسل السكريات والدهون والأحماض الأمينيّة بواسطة الأكسجين وذلك كجزء من عملية الاستقلاب، تشمل هذه الأحياء كل من النباتات والطحالب والفطور الهوائيّة، والبكتريا، بالإضافة إلى الحيوانات والبشر،

التركيب الضوئي وتثبيت الكربون

إنّ تثبيت الكربون هي عمليّة كيميائيّة حيويّة يستخدم فيها ثنائي أكسيد الكربون من قبل النباتات والطحالب والزراقم ويحول إلى جزيئات عضويّة غنيّة بالطاقة، مثل الغلوكوز، وبالتالي تشكّل غذائها بعمليّة التركيب الضوئي، يُستخدم ثنائي أكسيد الكربون والماء في عملية التركيب الضوئي لإنتاج السكر، والذي يعدّ مادّة بدائيّة للعديد من المركّبات العضويّة، وفيها ينتج الأكسجين كناتج ثانوي للعمليّة،

يعدّ إنزيم ريبولوز-5،1-مضاعف فوسفات كربوكسيلاز أوكسيجيناز المعروف بالاسم المختصر روبيسكو، المسؤول عن الخطوة الرئيسيّة الأولى في عملية تثبيت الكربون، وهي إنتاج جزيئتين من حمض 3-فوسفوغليسيريك من CO₂ وريبولوز-5،1-مضاعف فوسفات، يعتقد أنّ أنزيم هو أكثر بروتين فردي متوفّر على سطح الأرض،

إنّ الكائنات ضوئيّة التغذية تستخدم منتجات عمليّة التركيب الضوئي كمصدر غذاء داخلي وكمادّة أوليّة من أجل التخليق الحيوي لمركّبات عضويّة معقّدة مثل متعدّدات السكاريد والأحماض النوويّة والبروتينات، تستخدم هذه المركّبات الناتجة من أجل نموّ النباتات، وكأساس في السلاسل الغذائيّة والشبكات من أجل تأمين غذاء المتعضيّات، حتّى أنّ بعض الكائنات ضوئيّة التغذية مثل البذيرات الجيريّة  تقوم بتصنيع كربونات الكالسيوم، ومن هذه الأنواع الإميليانيّة الهكسليّة (الاسم العلمي)، والتي تقوم بإنتاج الكالسيت، والذي يعدّ أساس العديد من الصخر الرسوبية مثل الحجر الجيري، ممّا يعدّ أحد الأمثلة على عملية تثبيت الكربون،

يمكن للنباتات أن تنمو بشكل أسرع وذلك بنسبة حتى 50% في تراكيز مرتفعة من CO₂ يمكن أن تصل إلى 1000 جزء في المليون، وذلك عند المقارنة مع الشروط العاديّة، وذلك مع افتراض عدم حدوث تغيير في المناخ وعدم وجود تقييد على مغذّيات أخرى،

إنّ تراكيز CO₂ المرتفعة يمكن أن تسبّب ازدياداً في نموّ النباتات، ممّا ينعكس على مردود المحاصيل، حيث أنّ محاصيل القمح والرز والصويا أظهرت ازدياداً بنسبة 12-14% وذلك في تجارب FACE التي فيها تركيز مرتفع من ثنائي أكسيد الكربون،بالمقابل، فإنّ ازدياد تركيز CO₂ الجوّي يؤدّي إلى تشكّل عدد أقلّ من المسام في النباتات،

ما يؤدّي إلى ازدياد في كفاءة استخدام الماء، أظهرت الدراسات باستخدام تجارب تخصيب تركيز ثنائي أكسيد الكربون في الهواء الطلق (FACE) أنّ رفع تركيز ثنائي أكسيد الكربون يؤدّي إلى تناقص تراكيز المغذّيات المكروئيّة في نباتات المحاصيل، هذا الأمر يمكن أن يؤدّي إلى حدوث تأثيرات على أجزاء أخرى من النظام البيئي،

حيث يمكن للحيوانات العاشبة أن تحتاج إلى تناول المزيد من الغذاء لتأمين كمّيّة أكبر من البروتين، إنّ تركيز المستقلبات الثانويّة مثل مركّبات فينيل بروبانويد والفلافونويد يمكن أن يختلف في النباتات التي تتعرّض إلى تراكيز مرتفعة من CO₂،تقوم النباتات بإصدار CO₂ خلال التنفّس، إلّا أنّه في المحصّلة فإنّ النباتات والطحالب، التي تستخدم التمثيل الضوئي ثلاثي الكربون، تقوم بامتصاص CO₂ خلال اليوم، رغم أنّ الغابة الفتيّة ستقوم بامتصاص العديد من الأطنان من CO₂ كلّ سنة،

فإنّ غابة معمّرة ستنتج كمية من CO₂ ناتجة عن التنفس وعن تفكّك الأجزاء والأغصان الميّتة، وذلك بشكل أكبر من المستهلَك في التركيب الضوئي للغابات الفتيّة، على الرغم من ذلك، فإنّ الغابات المعمّرة تعدّ من الأماكن المفضّلة لتجميع الكربون، وأحد مصارف الكربون بالغة الأهميّة من أجل المحافظة على توازن الكربون في الغلاف الجوّي للأرض، بالإضافة إلى ذلك، فإنّ هناك أمراً مهمّاً لاستمرارية الحياة على الأرض، وهو أنّ التركيب الضوئي الذي تقوم به العوالق النباتيّة يستهلك كمّيّات من CO₂ المنحلّ في الطبقات العليا من المحيطات، وبالتالي يحفّز امتصاص غاز CO₂ من الغلاف الجوّي،

الدور الفيزيولوجي في جسم الإنسان

المحتوى

ينتج جسم الإنسان تقريباً حوالي 1 كغ من ثنائي أكسيد الكربون كل يوم، وهذه الكمّيّة تحوي 290 غ من الكربون والباقي أكسجين، ينتقل ثنائي أكسيد الكربون الناتج من عملية الاستقلاب في جسم الإنسان في الأوردة بواسطة جهاز الدوران ثم ينتهي به المطاف خارج الجسم في هواء الزفير،

لذلك فإنّ تركيز ثنائي أكسيد الكربون يكون مرتفعاً في الأوردة ويتناقص في جهاز التنفس، بالتالي يكون تركيزه منخفضاً في الشرايين، إنّ محتوى ثنائي أكسيد الكربون في الدمّ يعبّر عنه باستخدام الضغط الجزئي، والذي هو الضغط الذي سيطبّقه غاز ثنائي أكسيد الكربون لو كان سيشغل وحده الحجم المعطى له،

يكون محتوى ثنائي أكسيد الكربون في جسم الإنسان كما يلي:

-6،8

-6،0

-45

النقل في الدم

ينتقل ثنائي أكسيد الكربون CO₂ في جسم الإنسان من خلال ثلاثة طرق، بحيث أن النسبة المئويّة الدقيقة تعتمد على نوع الوعاء الدموي إن كان شرياناً أو وريداً،

• أغلب ثنائي أكسيد الكربون (من 70% إلى 80%) يتحوّل إلى أيون بيكربونات ^–HCO₃ وذلك بواسطة أنزيم الأنهيدراز الكربوني (كربوأنهيدراز) في خلايا الدمّ الحمراء،

• وذلك عبر التفاعل:

C O 2   +   H 2 O   ⇌   H C O 3 −   +   H + 

• حوالي 5% إلى 10% ينحلّ في بلازما الدم،

حوالي 5% إلى 10% يرتبط مع خضاب الدم (الهيموغلوبين) وذلك على شكل كربامينو هيموغلوبين،

إنّ الهيموغلوبين هو الجزيء الحامل للأكسجين في خلايا الدم الحمراء، كما أنّه يرتبط مع ثنائي أكسيد الكربون CO₂، ولكن في موقع مختلف عن موقع ارتباطه مع الأكسجين، حيث يتحدّ مع مجموعات N-الطرفيّة على سلاسل الغلوبين الأربع، بسبب وجود ضوابط تفارغيّة من حيث الارتباط مع جزيء الهيموغلبين، فإنّ ارتباط CO₂ معه يؤدّي إلى تناقص كمّيّة الأكسجين المرتبط بالنسبة إلى ضغط جزئي معيّن من الأكسجين، وكذلك فالعكس صحيح، فإنّ ارتباط الأكسجين يؤدّي إلى تناقص كمّيّة ثنائي أكسيد الكربون المرتبط، تعرف هذه الظاهرة باسم تأثير هالدين، وهي مهمّة جدّاً فيما يخصّ نقل ثنائي أكسيد الكربون من الأنسجة إلى الرئتين، كما تلعب قيمة pH الوسط دوراً في مدى إلفة الهيموغلوبين إلى كلّ من الأكسجين وثنائي أكسيد الكربون، ويتمّ دراسة ذلك فيما يعرف باسم تأثير بور،