Eldióxido de carbono (fórmula químicaCO2) es un compuesto decarbono yoxígeno que existe comogas incoloro en condiciones de temperatura y presión estándar (TPS).
Respiración celular (mitocondrial):Es un material industrial versátil usado, por ejemplo, como un gas inerte en soldadura y extintores de incendio, como presurizador de gas en armas de aire comprimido y recuperador de petróleo, como materia prima química y en forma líquida como solvente en ladescafeinización ysecador supercrítico. Se agrega a las bebidas y engaseosas incluidas lacerveza y elchampán para agregar efervescencia. Su forma sólida es conocida como «hielo seco» y se usa como refrigerante y abrasivo en ráfagas a presión.
El dióxido de carbono fue uno de los primerosgases en ser descritos como una sustancia distinta delaire respirable. En el siglo XVII, el químico flamencoJan 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 con mayor profundidad en 1750 por el médico escocésJoseph Black, quien encontró que la piedra caliza (carbonato de calcio) al calentarse o tratarse con ácidos producía un gas incoloro que llamó «aire fijo». Observó que elaire fijo era más denso que el aire atmosférico y que no sustentaba la llama de una combustión ni a la vida animal. Black también encontró que al burbujear a través de una solución acuosa decal (hidróxido de calcio), seprecipitaba carbonato de calcio. Posteriormente se utilizó este fenómeno para ilustrar que el dióxido de carbono se produce orgánicamente por la respiración animal y la fermentación microbiana. En 1772, el químico inglésJoseph Priestley publicó un documento tituladoImpregnación 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 delagua carbonatada.
El dióxido de carbono se licuó primero (a presiones elevadas) en 1823 porHumphry Davy yMichael Faraday. La primera descripción de dióxido de carbono sólido fue dada porCharles Thilorier, quien en 1834 abrió un recipiente a presión de dióxido de carbono líquido, solo para descubrir que el enfriamiento producido por la evaporación rápida del líquido produjo «nieve» dedióxido de carbono sólido (nieve carbónica).
El dióxido de carbono está presente, en forma gaseosa, en las atmósferas de varios planetas del sistema solar. Entre ellos, Venus, la Tierra y Marte. En los casos de Venus y Marte, sus atmósferas contienen más de un 95 % de CO2. En el caso de la Tierra, esta concentración es mucho menor, de alrededor de un 0,042 % (unas 421ppm).
La concentración de CO2 en la atmósfera terrestre ha variado a través de las edades. En el periododevónico se produjo una elevada concentración de CO2 atmosférico sobre las 3000 ppm (muy por encima de las actuales 421 ppm) y se verificó[7] una extinción masiva hace 400 millones de años. Por otro lado, en el periodojurásico (hace 150 millones de años), los niveles superaron las 1700 ppm. La alta presencia se ha relacionado con un intenso vulcanismo y una alta temperatura ambiente en esos periodos.[8][9]
Actualmente, el dióxido de carbono representa menos de un 1% del volumen de laatmósfera de la Tierra (lo que lo incluye dentro del concepto degas traza). En el año 2018 tenía una concentración de 407,8partes por millón en volumen.[10] Esta cifra es unamedia anual, pero la concentración atmosférica de CO2 muestraestacionalidad, es decir, fluctúa ligeramente a lo largo del año. Esto se debe a la variación que se produce en la masa vegetal presente en el hemisferio norte como consecuencia del cambio de las estaciones. Desde la segunda mitad de la primavera hasta el final del verano en el norte, las plantas están en su mayor desarrollo, lo que hace que consuman más CO2 y se reduzca la concentración de este en la atmósfera. Por el contrario, durante el otoño y el invierno del norte, las plantas entran en estado latente o mueren y se descomponen, lo que hace que consuman menos CO2 y aumente la concentración de este en la atmósfera. Las concentraciones varían también a nivel regional, con más fuerza cerca del suelo con variaciones mucho menores en lo alto. En las zonas urbanas las concentraciones son generalmente más altas[11] y en el interior de viviendas se pueden alcanzar concentraciones de 10 veces el nivel ambiental.
La combustión decombustibles fósiles y ladeforestación han provocado un aumento de la concentración atmosférica de CO2 cercana al 43 % desde el comienzo de laera de la industrialización.[12] La mayor parte del dióxido de carbono de las actividades humanas es liberado por la quema de carbón y otros combustibles fósiles. Otras actividades humanas, como la deforestación, la quema de biomasa y la producción de cemento también producen CO2. Losvolcanes emiten entre 0,2 y 0,3 mil millones de toneladas de CO2 por año, en comparación con los cerca de 29 mil millones de toneladas por año de CO2 emitido por las actividades humanas.[13] Hasta el 40 % de los gases emitidos por algunos volcanes enerupción subaérea es dióxido de carbono.[14]
El dióxido de carbono es ungas de efecto invernadero, que absorbe y emite radiación infrarroja en sus dos frecuencias de vibración activas en infrarrojos. Este proceso hace que el dióxido de carbono caliente la superficie y la atmósfera inferior y enfríe la atmósfera superior.
El caso más extremo de este efecto invernadero es el que se da en la atmósfera del planetaVenus. En la atmósfera de este planeta, que tiene una concentración del 96,5 % de dióxido de carbono, las capas gaseosas de este gas, combinadas conácido sulfúrico, calientan la atmósfera sometida a una presión de 94 atmósferas terrestres creando una temperatura de superficie de centenares de grados Celsius.[15]
En el caso del planeta Marte, su atmósfera contiene más de un 95,3 % de CO2 en forma gaseosa y debido a sus bajas temperaturas está presente como un sólido en sus casquetes polares. A pesar de la elevada presencia de CO2 en la atmósfera de Marte, este planeta no presenta efecto invernadero ya que su tenue atmósfera con una baja presión atmosférica quizás podría impedir la sustentación hidrodinámica de nubosidades de este gas.[16]
Incremento anual del CO2 en la atmósfera terrestre: en la década de 1960 el incremento fue el 37 % del aumento promedio 2000–2007.[17]
En el caso de la Tierra, una gran mayoría de climatólogos coinciden en que el aumento en la concentración atmosférica de CO2, y por lo tanto en el efecto invernadero inducido por CO2, es la principal razón del aumento de la temperatura media global desde mediados del siglo XX. Aunque el principal gas de efecto invernadero responsable por el calentamiento es el dióxido de carbono, también contribuyen elmetano, elóxido nitroso, elozono, y otros gases de efecto invernadero de larga vida. El CO2 es el más preocupante, ya que ejerce una mayor influencia de calentamiento total que todos los otros gases combinados, y porque tiene una larga vida atmosférica. Según elIPCC, más de la mitad del CO2 emitido tarda un siglo en eliminarse de la atmósfera y cerca del 20% del CO2 emitido se mantendrá en la atmósfera durante milenios.[18]
No solo el aumento de las concentraciones de CO2 conducen a aumentos en la temperatura de la superficie del planeta, sino que el aumento de las temperaturas globales también causan un aumento de las concentraciones de CO2. Esto produce unaretroalimentación positiva a los cambios inducidos por otros procesos, como losciclos orbitales.[19] Hace quinientos millones de años la concentración de dióxido de carbono era 20 veces mayor que la de hoy, disminuyó a 4-5 veces durante el períodoJurásico y luego declinó lentamente conuna reducción particularmente veloz que ocurrió hace 49 millones de años.[20][21]
Las concentraciones locales de dióxido de carbono pueden alcanzar valores altos cerca de fuentes fuertes, especialmente aquellas que están aisladas por el terreno circundante. En las aguas termales de Bossoleto cerca deRapolano Terme en la Toscana (Italia), situada en una depresión en forma de cuenco de aproximadamente 100 m de diámetro, las concentraciones de CO2 suben más del 75 % durante la noche, lo suficiente para matar insectos y animales pequeños. Después del amanecer el gas se dispersa por convección durante el día.[22] Las altas emisiones de CO2 al aire —producidas por la perturbación del agua profunda del lago, saturada con CO2— se cree que causaron 37 muertes en elLago Monoun (Camerún) en 1984 y 1700 víctimas en ellago Nyos (Camerún) en 1986.[23]
Laatmósfera delplanetaVenus se encuentra en un estado de efecto «superinvernadero» debido al dióxido de carbono.
Burbujas de dióxido de carbono en una bebidaPerdigones de «hielo seco»
Presenta diferentes usos de carácter industrial. A nivel mundial, su principal uso es en pozos depetróleo para la mejora de la cantidad de crudo de petróleo extraído, fundamentalmente enEstados Unidos de América.[24]
También se utiliza comoagente extintor eliminando eloxígeno encontrado en ese espacio, e impidiendo que se genere una combustión.
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 elsulfúrico.
En agricultura, se puede utilizar comoabono. Aunque las plantas no pueden absorberlo por las raíces, se puede añadir para bajar elpH, evitar los depósitos de cal y hacermás disponibles algunos nutrientes del suelo.
Se utiliza eninvernaderos y cultivos interiores para aumentar el CO2 del ambiente mediante combustión (propano o gas natural) o inyección de CO2 líquido puro y conseguir un aumento de la cosecha.[25]
También enrefrigeración se utiliza como una clase de líquidorefrigerante en máquinas frigoríficas o congelado comohielo 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 encondiciones supercríticas, dada su escasa o nula presencia de residuos en los extractos. Este uso actualmente se reduce a la obtención dealcaloides como lacafeína y determinadospigmentos, 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 potencialantioxidante. Latemperatura ypresión críticas del dióxido de carbono se puede modificar mediante la adición de otras sustancias conocidas comofluidos dopantes, lo que es útil para determinadas aplicaciones, como su uso enciclos termodinámicos para lageneración de electricidad.[26] La combinación del CO2 con dichos fluidos se denominamezcla de dióxido de carbono supercrítica.[27]
Es utilizado también como material activo para generarluz coherente (láser de CO2).
Junto con el agua, es el disolvente más empleado en procesos confluidos supercríticos.
El dióxido de carbono es un producto secundario no deseado en muchos procesos químicos a gran escala, como la oxidación selectiva de hidrocarburos a oxigenados. El dióxido de carbono es el producto termodinámicamente favorecido en cada reacción de oxidación. Por lo tanto, el reto en el desarrollo de estos procesos es encontrar un catalizador adecuado y condiciones de proceso que permitan la producción del producto diana termodinámicamente menos favorecido y minimice la producción de dióxido de carbono.[28][29][30][31]
El astromóvilPerseverance llevó aMarte un módulo denominado MOXIE–Mars Oxygen ISRU Experiment (Experimento ISRU de Oxígeno en Marte), un dispositivo deutilización de recursos in situ cuyo fin es produciroxígeno a partir de laatmósfera de Marte, la cual está compuesta por dióxido de carbono.[33] Esta tecnología basada en laelectrólisis podría ser considerada en el futuro para mantener la vida humana o hacer combustible de cohete para misiones de retorno.[34] El MOXIE logró producir oxígeno a partir de CO2 atmosférico marciano a pequeña escala.[35] A continuación se muestra la reacción neta:
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 formandocarbonato de bario, unprecipitado 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.
↑Genthon, G.; Barnola, J. M.; Raynaud, D.; Lorius, C.; Jouzel, J.; Barkov, N. I.; Korotkevich, Y. S.; Kotlyakov, V. M. (1987). «Vostok ice core: climatic response to CO2 and orbital forcing changes over the last climatic cycle».Nature329 (6138): 414.Bibcode:1987Natur.329..414G.doi:10.1038/329414a0.
