Диоксид углерода¶

Диоксид углерода (углекислый газ, CO₂) — химическое соединение углерода и кислорода, при нормальных условиях представляющее собой бесцветный газ без запаха, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха. Молекула CO₂ линейна и состоит из одного атома углерода, связанного двойными связями с двумя атомами кислорода. Это важнейший компонент углеродного цикла в природе, продукт дыхания живых организмов и горения углеродсодержащего топлива, а также ключевой парниковый газ, влияющий на климат планеты.

¶Физические и химические свойства

При атмосферном давлении диоксид углерода не имеет жидкой фазы: при температуре −78,5 °C он переходит из твёрдого состояния (сухой лёд) сразу в газообразное (сублимация). Жидкий CO₂ существует только при повышенном давлении. Газ хорошо растворим в воде: при 20 °C в одном объёме воды растворяется около одного объёма CO₂, образуя слабую угольную кислоту (H₂CO₃), что придаёт растворам слабокислую реакцию.

Химически CO₂ относительно инертен, но вступает в реакции:

• с водой — с образованием угольной кислоты;
• со щелочами — с образованием карбонатов и гидрокарбонатов;
• в реакциях фотосинтеза — восстанавливается растениями до органических веществ.

Молекула CO₂ не горит и не поддерживает горение, поэтому газ применяется в огнетушителях.

¶Нахождение в природе и круговорот

Атмосфера Земли содержит около 0,04 % (примерно 420 ppm) диоксида углерода. Основные природные резервуары углерода — атмосфера, океан, почва, живые организмы и ископаемое топливо. Круговорот включает:

• выделение CO₂ при дыхании, разложении органики, извержениях вулканов и лесных пожарах;
• поглощение растениями в процессе фотосинтеза и растворение в водах Мирового океана.

Океан играет роль крупнейшего поглотителя антропогенных выбросов, однако это приводит к подкислению морской воды.

¶Антропогенные источники и климат

С середины XIX века концентрация CO₂ в атмосфере устойчиво растёт. Основные антропогенные источники — сжигание угля, нефти и природного газа, промышленное производство цемента, а также изменение землепользования, прежде всего вырубка лесов. Диоксид углерода относится к парниковым газам: он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение, что ведёт к дополнительному нагреву нижних слоёв атмосферы.

Повышение концентрации CO₂ связывают с ростом средней глобальной температуры, изменением режима осадков, таянием ледников и повышением уровня моря. Международные усилия по ограничению выбросов отражены в Рамочной конвенции ООН об изменении климата (1992), Киотском протоколе (1997) и Парижском соглашении (2015).

¶Применение

Диоксид углерода широко используется в промышленности и быту:

В медицине CO₂ применяется в лазерной хирургии и при карбоперитонеуме в лапароскопии.

¶Воздействие на организм и техника безопасности

Диоксид углерода не токсичен, но при высоких концентрациях вытесняет кислород и может вызывать удушье. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны в России составляет 9000 мг/м³ (0,5 %). При содержании 3–5 % появляются головная боль, учащённое дыхание, при 10 % и выше — потеря сознания. Поскольку газ тяжелее воздуха, он скапливается в подвалах, колодцах, бродильных чанах, что требует вентиляции и контроля атмосферы.

¶Улавливание и хранение

Технологии улавливания, использования и захоронения углерода (CCUS) направлены на снижение выбросов от крупных источников. Улавливание возможно на этапе сжигания (пост- и пре-комбустионные схемы) или при переработке газа. Захоронение производят в истощённых нефтегазовых пластах, глубоких соленосных водоносных горизонтах и базальтовых формациях, где CO₂ минерализуется. В России соответствующие проекты рассматриваются на ряде промышленных объектов.

¶Измерение и мониторинг

Концентрацию CO₂ определяют инфракрасными газоанализаторами, а также на фоновых станциях глобальной сети наблюдений. Эталонной считается обсерватория Мауна-Лоа (Гавайи), где непрерывные измерения ведутся с 1958 года. В России мониторинг парниковых газов осуществляют станции Росгидромета.

¶Значение

Диоксид углерода — основа жизни на Земле как источник углерода для фотосинтеза и одновременно фактор, определяющий климатический баланс. Его баланс между природными и антропогенными потоками остаётся предметом научных исследований и международной политики.

Источники: Большая российская энциклопедия; Росгидромет; Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК); Всемирная метеорологическая организация.