Dióxido de carbono

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Dióxido de carbono
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Nombre (IUPAC) sistemático
Dióxido de carbono
General
Otros nombres Óxido de carbono (IV)
Anhídrido carbónico
Gas carbónico
Fórmula semidesarrollada CO2
Fórmula molecular CO2
Identificadores
Número CAS 124-38-9[1]
Número RTECS FF6400000
Propiedades físicas
Estado de agregación Gas
Apariencia Gas incoloro
Densidad 1.842 kg/m3; 0,001842 g/cm3
Masa molar 44,01 g/mol
Punto de fusión 194,7 K (-78 °C)
Punto de ebullición 216 K (-57 °C)
Estructura cristalina Parecida al cuarzo
Viscosidad 0,07 cP a −78 °C
Propiedades químicas
Acidez 6,35 y 10,33 pKa
Solubilidad en agua 1,45 kg/m³
Momento dipolar 0 D
Termoquímica
ΔfH0gas -393,52 kJ/mol
S0gas, 1 bar 213,79 J·mol-1·K
Peligrosidad
NFPA 704

NFPA 704.svg

0
2
0
Frases S S9, S26, S36 (líquido)
Riesgos
Ingestión Puede causar irritación, náuseas, vómitos y hemorragias en el tracto digestivo.
Inhalación Produce asfixia, causa hiperventilación. La exposición a largo plazo es peligrosa. Asfixiante a grandes concentraciones
Piel En estado líquido puede producir congelación.
Ojos En estado líquido puede producir congelación.
Compuestos relacionados
Compuestos relacionados Monóxido de carbono
Ácido carbónico
Valores en el SI y en condiciones estándar
(25 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.

El dióxido de carbono, también denominado óxido de carbono (IV), gas carbónico y anhídrido carbónico (los dos últimos cada vez más en desuso[cita requerida]), es un gas cuyas moléculas están compuestas por dos átomos de oxígeno y uno de carbono. Su fórmula molecular es CO2. Es una molécula lineal y no polar, a pesar de tener enlaces polares. Esto se debe a que, dada la hibridación del carbono, la molécula posee una geometría lineal y simétrica. Su representación por estructura de Lewis es: O=C=O.

Como parte del ciclo del carbono, plantas, algas y cianobacterias usan la energía lumínica del Sol para fotosintetizar carbohidratos a partir del dióxido de carbono y el agua, expulsando oxígeno como desecho de la reacción.[2] Sin embargo, las plantas no pueden hacer la fotosíntesis por la noche o en oscuridad, desprendiendo una cantidad menor de dióxido de carbono debido a la respiración celular.[3] No sólo las plantas, la mayoría de los organismos en la Tierra que respiran expulsa el dióxido de carbono como desecho del metabolismo, incluyendo al hombre. El dióxido de carbono es producido también por la combustión del carbón y los hidrocarburos, es emitido por volcanes, géiseres y fuentes volcánicas.

Los efectos ambientales del dióxido de carbono atmosférico generan un creciente interés. Actualmente existe una fuerte controversia sobre el calentamiento global y la relación que el CO2 tiene con éste. El dióxido de carbono es un importante gas que regula el calentamiento global de la superficie de la Tierra, además de ser la primera fuente de carbono para la vida en la Tierra. Su concentración en la atmósfera se ha mantenido constante desde el final del Precámbrico hasta la Revolución Industrial, pero debido al crecimiento desmesurado de la combustión de combustibles fósiles la concentración está aumentando, incrementando el calentamiento global y causando un cambio climático antropogénico. Sin embargo, los opositores a esta teoría se basan en la falta de evidencias científicas significativas que soporten el argumento de que el dióxido de carbono es el principal causante del calentamiento global, o incluso, tenga alguna relación con ésta.[4]

Historia[editar]

Estructura cristalina del hielo seco.

El dióxido de carbono fue uno de los primeros gases a ser descrito como una sustancia distinta del aire. En el siglo XVII, el químico flamenco Jan Baptist van Helmont observó que cuando se quema carbón en un recipiente cerrado, la masa resultante de la ceniza era mucho menor que la del carbón original. Su interpretación fue que el carbón fue transformado en una sustancia invisible que él llamó un "gas" o "espíritu silvestre" (spiritus sylvestre).

Las propiedades del dióxido de carbono fueron estudiadas más a fondo en la década de 1750 por el médico escocés Joseph Black, quien encontró que la piedra caliza (carbonato de calcio) al calentarse o tratarse con ácidos producía un gas que llamó "aire fijo". Observó que el aire fijo era más denso que el aire y que no sustentaba ni las llamas ni a la vida animal. Black también encontró que al burbujear a través de una solución acuosa de cal (hidróxido de calcio), se precipitaba carbonato de calcio. Posteriormente se utilizó este fenómeno para ilustrar que el dióxido de carbono se produce por la respiración animal y la fermentación microbiana. En 1772, el químico Inglés Joseph Priestley publicó un documento titulado Impregnación de agua con aire fijo en el que describía un proceso de goteo de ácido sulfúrico (o aceite de vitriolo como Priestley lo conocía) en tiza para producir dióxido de carbono, obligando a que el gas se disolviera; agitando un cuenco de agua en contacto con el gas, obtuvo agua carbonatada. Esta fue la invención del agua carbonatada. El dióxido de carbono se licuó primero (a presiones elevadas) en 1823 por Humphry Davy y Michael Faraday. La primera descripción de dióxido de carbono sólido fue dada por Charles Thilorier, quien en 1834 abrió un recipiente a presión de dióxido de carbono líquido, sólo para descubrir que el enfriamiento producido por la evaporación rápida del líquido produjo "nieve" de dióxido de carbono sólido (nieve carbónica).

Ciclo del carbono[editar]

Ciclo entre autótrofos y heterótrofos. Los autótrofos pueden utilizar dióxido de carbono (CO2) y agua para formar oxígeno y compuestos orgánicos complejos, principalmente a través del proceso de fotosíntesis. Todos los organismos pueden usar tales compuestos para formar nuevamente CO2 y agua a través de la respiración celular.

El ciclo del dióxido de carbono comprende, en primer lugar, un ciclo biológico donde se producen unos intercambios de carbono (CO2) entre la respiración de los seres vivos y la atmósfera. La retención del carbono se produce a través de la fotosíntesis de las plantas, y la emisión a la atmósfera, a través de la respiración animal y vegetal. Este proceso es relativamente corto y puede renovar el carbono de toda la Tierra en 20 años.

En segundo lugar, el ciclo del dióxido de carbono comprende un ciclo biogeoquímico más extenso que el biológico y que regula la transferencia entre la atmósfera y los océanos y el suelo (litosfera). El CO2 emitido a la atmósfera, si supera al contenido en los océanos, ríos, etc., es absorbido con facilidad por el agua, convirtiéndose en ácido carbónico (H2CO3). Este ácido débil influye sobre los silicatos que constituyen las rocas y se producen los iones bicarbonato (HCO3). Los iones bicarbonato son asimilados por los animales acuáticos en la formación de sus tejidos. Una vez que estos seres vivos mueren, quedan depositados en los sedimentos calcáreos de los fondos marinos. Finalmente, el CO2 vuelve a la atmósfera durante las erupciones volcánicas, al fusionarse en combustión las rocas con los restos de los seres vivos. Los grandes depósitos de piedra caliza en el lecho del océano así como en depósitos acotados en la superficie son verdaderos reservorios de CO2. En efecto, el calcio soluble reacciona con los iones bicarbonato del agua (muy solubles) del siguiente modo:

Ca2+ + 2 HCO3 = CaCO3 + H2O + CO2

En algunas ocasiones, la materia orgánica queda sepultada sin producirse el contacto entre ésta y el oxígeno, lo que evita la descomposición aerobia y, a través de la fermentación, provoca la transformación de esta materia en carbón, petróleo y gas natural.

Efecto invernadero[editar]

El dióxido de carbono, junto al vapor de agua y otros gases, es uno de los gases de efecto invernadero (G.E.I.) que contribuyen a que la Tierra tenga una temperatura tolerable para la biomasa. Por otro lado, un exceso de dióxido de carbono se supone que acentuaría el fenómeno conocido como efecto invernadero,[cita requerida] reduciendo la emisión de calor al espacio y provocando un mayor calentamiento del planeta; sin embargo, se sabe también que un aumento de la temperatura del mar por otras causas (como la intensificación de la radiación solar) provoca una mayor emisión del dióxido de carbono que permanece disuelto en los océanos (en cantidades colosales), de tal forma que la variación del contenido del gas en el aire podría ser causa y/o consecuencia de los cambios de temperatura, cuestión que no ha sido dilucidada por la ciencia.

En los últimos años la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera ha presentado un aumento. Se ha pasado de unas 280 ppm en la era preindustrial a unas 390 ppm en 2009 (aun cuando su concentración global en la atmósfera es de apenas 0,039%). Este aumento podría contribuir, según el Grupo intergubernamental de expertos sobre el cambio climático promovido por la ONU, al calentamiento global del clima planetario;[5] en oposición, otros científicos[6] dudan de que la influencia de los gases llamados "de efecto invernadero" (básicamente anhídrido carbónico y metano) haya sido crucial en el calentamiento que se lleva registrando en promedio en la superficie terrestre (0,6 grados Celsius) en los aproximadamente últimos 100 años.

El dióxido de carbono en el entorno espacial[editar]

La atmósfera del planeta Venus se encuentra en un estado de efecto "superinvernadero" debido al dióxido de carbono.

En el Sistema Solar, hay dos ejemplos cercanos de planetas rocosos con atmósfera de dióxido de carbono, a saber; Venus y Marte, ambas atmósferas contienen más de un 95% de este compuesto en forma de gas, siendo Venus quien presenta un cuadro extremo de efecto invernadero debido a que las capas gaseosas de este gas combinada con ácido sulfúrico calientan la atmósfera sometida a una presión de 94 atmósferas terrestres creando una temperatura de superficie de centenares de grados Celsius. En el caso de Marte, no se puede hablar de este efecto ya que su tenue atmósfera con una vaga presión atmosférica impide la sustentación hidrodinámica de nubosidades de este gas, no obstante, su presencia es muy elevada (95,3%).

Algunos satélites galileanos también han mostrado presencia de dióxido de carbono.

Usos[editar]

Burbujas de dióxido de carbono en una bebida.
Perdigones de "hielo seco".

Se utiliza como agente extintor enfriando el fuego (en forma de nieve carbónica) y dificultando el contacto de las llamas con el oxígeno del aire.

En la industria alimentaria, se utiliza en bebidas carbonatadas para darles efervescencia.

También se puede utilizar como ácido inocuo o poco contaminante. La acidez puede ayudar a cuajar lácteos de una forma más rápida y por tanto barata, sin añadir ningún sabor, y en la industria se puede utilizar para neutralizar residuos alcalinos sin añadir otro ácido más contaminante como el sulfúrico.

En agricultura, se puede utilizar como abono. Aunque las plantas no pueden absorberlo por las raíces, se puede añadir para bajar el pH, evitar los depósitos de cal y hacer más disponibles algunos nutrientes del suelo.

También en refrigeración se utiliza como una clase de líquido refrigerante en máquinas frigoríficas o congelado como hielo seco. Este mismo compuesto se usa para crear niebla artificial y apariencia de hervor en agua en efectos especiales en el cine y los espectáculos.

Otro uso que está incrementándose es como agente extractor cuando se encuentra en condiciones supercríticas, dada su escasa o nula presencia de residuos en los extractos. Este uso actualmente se reduce a la obtención de alcaloides como la cafeína y determinados pigmentos, pero una pequeña revisión por revistas científicas puede dar una visión del enorme potencial que este agente de extracción presenta, ya que permite realizar extracciones en medios anóxidos, lo que permite obtener productos de alto potencial antioxidante.

Es utilizado también como material activo para generar luz coherente (Láser de CO2).

Junto con el agua, es el disolvente más empleado en procesos con fluidos supercríticos.

Láser de anhídrido carbónico para experimentación.

Uso médico del dióxido de carbono[editar]

  • Como moderador de algunos reactores nucleares.
  • Como agente de Insuflación en cirugías laparoscópicas.
  • Como agente de contraste en Radiología.
  • En láser de CO2.
  • Como agente para ventilación en cirugías.
  • En tratamiento de heridas craneales y úlceras agudas y crónicas.
  • En tratamientos estéticos.
  • En tratamiento de problemas circulatorios.[7]

Detección y cuantificación[editar]

El dióxido de carbono puede ser detectado cualitativamente en la forma de gas por la reacción con agua de barita (Ba(OH)2) con la cual reacciona formando carbonato de bario, un precipitado blanco insoluble en exceso de reactivo pero soluble en soluciones ácidas. La cuantificación de dióxido de carbono se hace por métodos ácido-base en forma indirecta y por métodos instrumentales mediante infrarrojo.

Referencias[editar]

  1. Número CAS
  2. Biosphere 2000: protecting our global environment. Kendall/Hunt Pub. Co.. 1996. ISBN 978-0-7872-0460-0. http://books.google.com/books?id=nm5FAAAAYAAJ. Consultado el 11 October 2011. 
  3. Food Factories. www.legacyproject.org. Retrieved on 2011-10-10.
  4. http://www.co2science.org/about/position/globalwarming.php
  5. This topic considers both natural and anthropogenic drivers of climate change including the chain from greenhouse gas (GHG) emissions to atmospheric concentrations to radiative forcing to climate responses and effects. CO2 is the most important anthropogenic GHG. Its annual emissions have grown between 1970 and 2004 by about 80%, from 21 to 38 Gt, and represented 77% of total anthropogenic GHG emissions in 2004. The rate of growth of CO2-eq emissions was much higher during the recent ten year period of 1995-2004 (0.92 GtCO2-eq per year) than during the previous period of 1970-1994 (0.43 GtCO2-eq per year). {WGIII 1.3, TS.1, SPM} IPCC Fourth Assessment Report (Informe sobre el Cambio Climático de la ONU)
  6. Global Warming Petition Project
  7. «Uso médico del CO2». Consultado el 14 de septiembre.

Enlaces externos[editar]