Ildiossido di carbonio, noto anche comebiossido di carbonio oanidride carbonica, (formula:CO2) è unossido del carbonio formato da unatomo dicarbonio legato da due doppilegami a due atomi diossigeno. A temperatura ambiente si presenta come ungas incolore e di odore e sapore aciduli. È naturalmente presente inatmosfera, nell'idrosfera e nellabiosfera.
L'attuale concentrazione atmosferica di anidride carbonica si aggira attorno a 0,04% (424ppm)[6] ed è cresciuta rispetto al livello pre-industriale, in cui era stabile a circa 0,03% (280 ppm). Questo rapido aumento atmosferico di anidride carbonica è ascrivibile dunque alle attività umane.[7] Tra le attività piùinquinanti sono riconosciute: la produzione dienergia elettrica dallacombustione digas naturale,metano ocarbone e iltrasporto dalla combustione dicombustibili fossili. L'abbondanza di anidride carbonica allo stato gassoso, surriscalda l'atmosfera attraverso un fenomeno chiamato "effetto serra". Secondo questo modello, laradiazione elettromagnetica proveniente dalSole, genererebbe uncalore maggiore rispetto a quello uscente dallaTerra, surriscaldando il pianeta gradualmente. La CO2, assieme ad altrigas serra, sarebbe responsabile dell'abbassamento della quantità di questo calore uscente.
Nell'idrosfera la CO2 è in partedisciolta in acqua con una solubilità di 1,48 g/L incondizioni standard. In questo senso, glioceani, imari, ilaghi, ifiumi e leacque sotterranee possono essere considerate dei serbatoi di anidride carbonica, che la sequestrano dall'atmosfera. L'abbondanza di CO2 disciolta nelle acque però, ne cambia ilpH, generando squilibri per le forme di vita.
Nella biosfera, l'anidride carbonica interagisce con qualsiasi essere vivente. Per gliorganismi autotrofi la CO2 è la molecola di costruzione della materia organica: lafotosintesi clorofilliana usa CO2, H2O e energia solare per produrre materia organica e ossigeno. Per gliorganismi eterotrofi la CO2 è la molecola di scarto del metabolismo: larespirazione cellulare usa materia organica e ossigeno per produrre CO2 e H2O.
A −78 °C e apressione atmosferica l'anidride carbonica allo stato gassosobrina allo stato solido in un composto comunemente chiamatoghiaccio secco. La CO2 allo stato liquido non può esistere a pressione atmosferica, ma esiste se la si pone sotto 31,1 °C e con una pressione di oltre 5 atmosfere.
L'anidride carbonica fu scoperta nel1638 dalchimicobelgaJean Baptiste van Helmont[8] mentre bruciava del carbone in un recipiente. Quando vide che la massa dellacenere risultante era di molto inferiore a quella del carbone originale, ipotizzò che il resto del carbone si fosse trasformato in una sostanza invisibile che chiamò "gas" o, talvolta, "gas silvestre". Fu il primo gas ad essere scoperto e Van Helmont ne osservò la formazione durante processi di combustione efermentazione.[9]
Le proprietà dell'anidride carbonica furono ulteriormente studiate nel1750 dal chimicobritannicoJoseph Black. Egli dimostrò che alcuni sali alcalini, come ilcarbonato di calcio oquello di sodio, potevano produrre un gas quando riscaldati o trattati con acidi.[10] Tale gas fu da lui definito "aria fissa" a causa del fatto che era contenuto, fissato, all'interno della struttura cristallina del calcare. Osservò, inoltre, che quell'aria era più densa dell'aria atmosferica e non supportava la combustione di unafiamma. Determinò anche i valori delcalore latente e delcalore specifico.[8][11]
Nel1772 il chimico ingleseJoseph Priestley pubblicò un articolo intitolatoImpregnating Water with Fixed Air (Impregnare acqua con aria fissa) in cui descriveva un processo didissoluzione dell'anidride carbonica in acqua, ottenendo così per la prima volta, l'acqua gassata.[8][12] Nel1781Antoine-Laurent de Lavoisier, attraverso la combustione delcarbonio con l'ossigeno, poté dedurre la composizione chimica di questo gas.[8]
L'anidride carbonica fu liquefatta per la prima volta nel 1823 daHumphry Davy eMichael Faraday, applicando ad un contenitore elevate pressioni.[13] Nel tentativo di ottenerla liquida a pressione atmosferica, l'inventorefranceseAdrien-Jean-Pierre Thilorier, nel 1835, abbassò la temperatura fino a −78 °C ottenendo così direttamente la forma solida.[14] Si scoprì dunque che l'anidride carbonica brina a −78 °C, passando dalla sua forma gassosa a quella solida, o viceversasublima passando da quella solida a quella gassosa.
L'aumento dell'effetto serra imputabile alla produzione umana di anidride carbonica fu sottolineato già nel1896 daSvante Arrhenius, che mise in relazione laconcentrazione di anidride carbonica con la temperatura dell'atmosfera.[16] Tale relazione fu chiarita maggiormente da molti studi successivi. L'Organizzazione Mondiale della Meteorologia (OMM) ha evidenziato un costante aumento della concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera, dal valore di 280ppm prima dellaseconda rivoluzione industriale fino al valore attuale di 418 ppm,[6] mai raggiunto prima negli ultimi 800 000 anni.[17][18] Analogamente si è registrato un forte incremento delle temperature medie.
Nell'odierna nomenclaturaIUPAC, la locuzione "anidride carbonica" è obsoleta: il termine "anidride" designa una specifica classe dicomposti organici ai quali l'anidride carbonica non appartiene, essendo uncomposto inorganico. Dunque si preferisce il nome "diossido di carbonio", anche se ormai il termine anidride carbonica è radicato nell'uso comune.
La geometria della molecola è lineare e dunque presenta una distribuzione dielettroni non uniforme, con una parziale carica negativa su entrambi gli ossigeni e una positiva sul carbonio. Data però la sua simmetria rispetto all'atomo di carbonio, la CO2 non presentamomento di dipolo elettrico. La lunghezza dei doppi legami C=O è di 116,3pm, più corta della lunghezza del doppio legame C=O presente in altri gruppi funzionali come icarbonili.[19]
Modalità dioscillazioni vibrazionali di stiramento (riga superiore) e di flessione (riga inferiore) di una molecola di CO2
Stiramento simmetrico: i due atomi di ossigeno si allontanano e si avvicinano all'atomo di carbonio in maniera sincrona e simmetrica lungo l'asse di legame. Questa modalità di vibrazione non genera un momento di dipolo e dunque la molecola rimaneapolare, rimanendo invisibile allaspettroscopia IR, ma venendo rilevata dallaspettroscopia Raman ad una lunghezza d'onda di 7,2 µm.[20]
Stiramento antisimmetrico: i due atomi di ossigeno si allontanano e si avvicinano all'atomo di carbonio in maniera asincrona e asimmetrica ma sempre lungo l'asse di legame. Questa vibrazione genera momento di dipolo e rende la CO2 visibile nello spettro infrarosso ad una lunghezza d'onda di 4,25 µm.[21]
Flessione degenere: i due atomi di ossigeno e quello di carbonio flettono i loro legami lungo assi casuali diversi da quello di legame. Questa vibrazione rende la CO2 visibile all'IR ad una lunghezza d'onda di 15 µm.[21]
Flessione perpendicolare all'asse della molecola: i due atomi di ossigeno e quello di carbonio flettono i loro legami lungo l'asse perpendicolare a quello della molecola. Anche questa vibrazione rende la molecola visibile all'osservazione IR a 15 µm.[21]
Date queste modalità di vibrazione, si può osservare unospettro di assorbimento della radiazione elettromagnetica relativo alla CO2 con picchi a 4,25 µm e a 15 µm, entrambe lunghezze d'onda che ricadono nello spettro infrarosso. Quando un fotone con queste caratteristiche viene assorbito dalla CO2 questa vibra con maggiore intensità e l'energia in eccesso viene dissipata in calore. Per questo motivo lo spettro IR viene utilizzato per rilevare le temperature delle superfici e, sempre per questo motivo la CO2 è definitogas serra.
Diagramma di stato dell'anidride carbonica. Si noti l'equilibrio solido-gas che si instaura a bassi valori di pressione.
Atemperatura epressione ambiente il diossido di carbonio è ungas incolore ed inodore. La suadensità a temperatura e pressione ambiente è superiore di 1,5 volte a quella dell'aria[11] e tende quindi a stratificarsi sul fondo degli ambienti chiusi e non ventilati. All'abbassarsi della temperatura, il primo passaggio di stato che avviene è ilbrinamento dagas asolido. A −78,2 °C infatti, la CO2 gassosa brina in un solido comunemente chiamato "ghiaccio secco".[22] Viceversa avviene lasublimazione del ghiaccio secco in CO2 gassosa.
Lo stato liquido viene raggiunto solo se si applicano più di 5,2 atmosfere di pressione e temperature inferiori a 31,1 °C. Se alle elevate pressioni (come quelle usate per ottenere CO2 liquida) si applicano temperature inferiori, a −56,6 °C si raggiunge ilpunto triplo, ossia un momento in cui coesistono lo stato solido, liquido e aeriforme nello stesso momento. Quando si applicano 72,8 atm e 30,9 °C, si arriva alpunto critico, un momento in cui lo stato liquido e aeriforme si mescolano in un fluido chiamato "anidride carbonicasupercritica".
Raffreddando la CO2 a pressioni di oltre 400 000 atm, si ottiene unsolido amorfo simil-vetroso chiamato "carbonia", il quale sublima in forma gassosa non appena viene rilasciata la pressione.[23]
All'aumentare della concentrazione, la CO2 gassosa non rimane inodore ed insapore. Ad alte concentrazioni, reagendo parzialmente con l'acqua dellemucose delnaso e dellabocca, produceacido carbonico. Dunque respirare un'atmosfera particolarmente ricca di CO2 produce un odore e un sapore acre ed acidulo, oltre che un senso di irritazione delle vie aeree superiori.
La reazione che compie con l'acqua è formalmente unasolvatazione, il cui equilibrio è spostato verso la formazione dell'acido carbonico in quanto questo si dissocia con facilità in ioni carbonato (HCO3− e CO32−) i quali vengono poi sequestrati dagli ionicalcio,sodio epotassio in soluzione a formarecarbonato di calcio,carbonato di sodio,bicarbonato di sodio ecc.
A temperature superiori ai 1700 °C, il diossido di carbonio si converte parzialmente inmonossido di carbonio e ossigeno:[9]
La riduzione della CO2 a CO è un processo molto lento e generalmente difficile, ma può accadere:
La concentrazione atmosferica del diossido di carbonio è variata enormemente durante i 4,54 miliardi di anni distoria della Terra. Si ritiene fosse presente nella prima atmosfera terrestre, poco dopo la formazione della Terra[24] e che l'attività vulcanica e il bombardamento da parte di asteroidi ne abbiano aumentato la concentrazione nei successivi 2 miliardi di anni.[25] Una parte importante delle emissioni di diossido di carbonio fu presto dissolta nell'acqua e incorporata neisedimenti carbonatici. Grazie a questi sedimenti oggi si può stimare che la concentrazione di CO2 salì durante tutto ilPrecambriano fino a 4000ppm.[26]
La massiccia produzione diossigeno da parte dellafotosintesicianobatterica portò ad un evento diestinzione di massa delle primordiali forme di vita chiamatocatastrofe dell'ossigeno che cambiò drasticamente la composizione dell'atmosfera terrestre, facendola assomigliare a quella moderna. La concentrazione atmosferica della CO2 che si ipotizza essere tipica di quel periodo è, anche in questo caso, una stima effettuata sullo studio degli isotopi del carbonio contenuti nelle rocce carbonatiche.
Le registrazioni di temperatura degli ultimi 420 milioni di anni indicano che le concentrazioni atmosferiche di CO2 hanno raggiunto un picco di circa 2000 ppm durante il periodoDevoniano (circa 380 milioni di anni fa) e di nuovo nelTriassico (220–200 milioni di anni fa). Entrambi questi periodi corrispondono a grandi linee ad estinzioni di massa: l'estinzione di massa del tardo Devoniano e l'estinzione di massa del Permiano-Triassico. Le concentrazioni di CO2 sono ricavate da diversi fattori: il numero distomi osservati sufoglie fossili[27] e la concentrazione difitano come prodotto di degradazione dellaclorofilla.[28]
Circa 34 milioni di anni fa, quando avvenne l'estinzione minore dell'Eocene-Oligocene, la CO2 si stima fosse di circa 760 ppm,[29] e ci sono prove geochimiche che le concentrazioni scesero a 300 ppm circa 20 milioni di anni fa. La diminuzione della concentrazione di CO2 è stato l'agente principale che ha forzato la glaciazione antartica.[30] Basse concentrazioni di CO2 potrebbero essere state lo stimolo che ha favorito l'evoluzione dellepiante C4, che sono aumentate notevolmente tra 7 e 5 milioni di anni fa.[28]
Correlazione tra concentrazione atmosferica di CO2 e temperatura media negli ultimi 800 000 anni
Durante l'ultimo periodo geologico, le concentrazioni di anidride carbonica sono scese fino a circa 180 ppm nel corso dellaglaciazione quaternaria avvenuta 2 milioni di anni fa, per poi risalire fino a 280 ppm durante iperiodi interglaciali.[6] In generale si è osservato che una bassa concentrazione atmosferica di CO2 è spesso correlata ad un'era glaciale, anche se non è quasi mai l'unica causa scatenante. Campionamenti dell'atmosfera di quel periodo e dei periodi successivi sono possibili grazie alcarotaggio delle calotte polari dellaGroenlandia e dell'Antartide.
Anche negli ultimi 200 000 anni, ossia durante tutta la storia diHomo Sapiens, la quantità atmosferica di diossido di carbonio è oscillata tra 180 ppm e 290 ppm, scandendoperiodi glaciali einterglaciali. Dall'inizio del 1900 però, in concomitanza con gli eventi dellaseconda rivoluzione industriale, la sua concentrazione è aumentata vertiginosamente fino a raggiungere 400 ppm nel 2015. Attualmente il livello medio di CO2 nell'atmosfera terrestre ha raggiunto 419 ppm[6] e continua ad aumentare di circa 2 ppm/anno seguendo un modelloesponenziale[31][32] e provocando il fenomeno delriscaldamento globale. Per questo motivo gli scienziati monitorano costantemente le concentrazioni di CO2 atmosferica e studiano il loro impatto sulla biosfera.
Ogni ppm di CO2 in atmosfera rappresenta circa 7,82 × 1012 kg di diossido di carbonio.[33] Moltiplicando questo numero con il numero di ppm totali si ottiene 3,21 × 1015 kg, che è il peso complessivo della CO2 presente nell'atmosfera terrestre.
Come evidenzia lacurva di Keeling, esiste una fluttuazione annuale nella concentrazione di CO2. Il livello scende di circa 6 o 7 ppm da maggio a settembre durante la stagione di crescita dellepiante dell'emisfero boreale, per poi salire di circa 8 o 9 ppm durante il periodo invernale. L'emisfero settentrionale domina il ciclo annuale di concentrazione di CO2 perché ha una superficie terrestre e una biomassa vegetale molto maggiori rispetto all'emisfero australe.[34][35]
Il diossido di carbonio svolge un ruolo significativo nel provvedere al mantenimento relativamente alto delle temperature presenti sul pianeta. Nonostante la sua bassa concentrazione rispetto agli altricomponenti dell'atmosfera, la CO2 riveste anche un ruolo fondamentale per il mantenimento abbastanza costante della temperatura durante l'escursione termica giorno-notte. Senza l'effetto serra dovuto in gran parte alla CO2, la temperatura superficiale media dellaTerra sarebbe di circa −18 °C.[36][37] L'effetto serra presente naturalmente sulla Terra rende dunque possibile la vita come la conosciamo.
Sebbene l'acqua sia responsabile della maggior parte (circa il 36-70%) dell'effetto serra totale, il ruolo del vapore acqueo come gas serra dipende dalla temperatura. Sulla Terra, l'anidride carbonica è il gas serra più rilevante e direttamente influenzato dal punto di vista antropologico. Il concetto di CO2 atmosferica che aumenta la temperatura del suolo fu pubblicato per la prima volta daSvante Arrhenius nel 1896.[38] L'aumento delforzante radiativo dovuto all'aumento della CO2 nell'atmosfera terrestre si basa sulle proprietà fisiche della CO2. L'aumento della forzatura determina ulteriori cambiamenti nel bilancio energetico terrestre e, a lungo termine, nel clima terrestre.[39]
Il rilascio naturale di CO2 in atmosfera avviene principalmente a causa dieruzioni vulcaniche,fumarole,geyser oincendi. Anche larespirazione cellulare degliorganismi eterotrofi produce CO2, secondo una reazione che è essenzialmente unacombustione delglucosio. A differenza di una vera combustione però, la velocità di reazione è controllata da parte deglienzimi, i quali permettono che l'energia prodotta non si disperda immediatamente in calore, ma venga immagazzinata sotto altre forme.
La CO2 è anche un prodotto dellafermentazione alcolica, un metabolismo analogo alla respirazione, ma che avviene in assenza di ossigeno ad opera di numerosi batteri.
Altri microorganismi decompongono la materia organica producendo un miscuglio di metano e CO2 definitobiogas.[14]
L'attività umana che immette più CO2 in atmosfera è lacombustione di qualsiasi materiale a base dicarbonio (metano,petrolio,cherosene,legno,carbone,carta, ecc.). Per esempio, la combustione di una molecola di metano produce una molecola di CO2 e due di H2O, come mostrato dalla reazione:
Questa particolare attività è alla base di moltissime altre, come la produzione dienergia elettrica, lospostamento di veicoli o losmaltimento di rifiuti. Anche ildisboscamento e la deforestazione sono attività umane che contribuiscono significativamente all'aumento della concentrazione atmosferica di CO2. In questo caso, non immettendo nuove molecole in ambiente, ma togliendo gli organismi che naturalmente la rimuovono, e quindi favorendone l'accumulo. La deforestazione è ritenuta essere la seconda causa delriscaldamento globale, dopo la combustione dei materiali a base di carbonio.[40]
Molti processi industriali producono CO2 come scarto. Il più impattante di essi è l'alligazione degli ossidi delferro con ilcarbon coke, per formare laghisa.[15] Anche laproduzione di ammoniaca è responsabile della formazione di CO2 oltre che diidrogeno. Nell'estate del 2018 in Europa si è verificata una carenza di CO2 a causa della chiusura temporanea di diversi impianti di ammoniaca per manutenzione.[16]
Simulazione in laboratorio della dissoluzione del guscio di un mollusco (Limacina helicina) dopo 45 giorni nell'oceano alle condizioni previste per l'anno 2100 a causa dell'acidificazione degli oceani.
L'anidride carbonicaentra in soluzione in una quantità di circa 1,48 g/L in condizioni standard di pressione e temperatura. Lasolubilità del gas diminuisce all'aumentare dellatemperatura dell'acqua, tranne quando sia la pressione che la temperatura superano valori estremi (296 atmosfere e 120 °C) che si trovano solo vicino asfiati geotermici profondi.[17] La maggior parte della CO2 assorbita dagli oceani, formaacido carbonico in equilibrio con gli ioni bicarbonato e carbonato. L'aumento di CO2 nell'atmosfera ha portato a una diminuzione dell'alcalinità dell'acqua di mare e si teme che ciò possa influire negativamente sugli organismi acquatici. In particolare, con la diminuzione dell'alcalinità, la disponibilità di carbonati per la formazione diconchiglie diminuisce,[18] sebbene vi siano prove di un aumento della produzione di conchiglie da parte di alcune specie.[19]
C'è circa cinquanta volte più anidride carbonica disciolta negli oceani rispetto a quella che esiste nell'atmosfera. Gli oceani agiscono come un enorme pozzo di carbonio e hanno assorbito circa un terzo della CO2 emessa dall'attività umana.[20]
Con l'aumento della concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera, l'aumento dell'assorbimento di anidride carbonica negli oceani sta causando una diminuzione misurabile del pH degli oceani, che viene definitaacidificazione degli oceani. Questa riduzione del pH colpisce i sistemi biologici negli oceani, principalmente gli organismi calcificanti. Questi effetti abbracciano la catena alimentare dagli autotrofi agli eterotrofi e comprendono organismi comecoccolitofori,coralli,foraminiferi,echinodermi,crostacei emolluschi. In condizioni normali, il carbonato di calcio è stabile nelle acque superficiali poiché lo ione carbonato è a concentrazioni sovrasaturanti. Tuttavia, quando il pH dell'oceano diminuisce, diminuisce anche la concentrazione di questo ione e quando il carbonato diventa sottosaturato e le strutture dicarbonato di calcio sono vulnerabili alla dissoluzione.[22] Coralli,[23][24][25] coccolitofori,[26][27][29] alghe coralline,[30] foraminiferi,[31] molluschi[32] e pteropodi[34] subiscono una ridotta calcificazione o maggiore dissoluzione.
Ladissoluzione dellerocce carbonatiche causa una serie di reazioni, al cui termine si ha produzione di CO2. Quando per esempio una roccia a base dicarbonato di calcio incontra un acido tende a dissolversi secondo la seguente reazione:
La presenza diacido carbonico acidifica ancora di più l'ambiente, generando un meccanismo afeedback positivo che fa crescere costantemente l'acidità. L'acido carbonico infine, a seconda del pH e della sua concentrazione in soluzione, si dissocia in H2O e CO2 seguendo la reazione:
Questa reazione di dissociazione avviene anche nei vasi sanguigni dei nostri polmoni: quando la pressione parziale di CO2 è bassa, l'equilibrio si sposta verso i prodotti, producendo CO2. Tornando alle rocce carbonatiche, all'aumentare della temperatura (circa 850 °C a pressione standard), il carbonato di calcio si dissocia autonomamente inCaO e CO2.
Gli ioni carbonato e bicarbonato sono consumati da organismi fotosintetici che rimuovono il carbonio dal ciclo, fissandolo in rocce di carbonato di calcio. Lo ioneidrogenocarbonato viene prodotto per azione del diossido di carbonio libero sulle rocce calcaree - un esempio è la reazione di dissoluzione del carbonato di calcio:
Il diossido di carbonio è unnutriente per gli organismiautotrofi e un materiale di scarto per gli quellieterotrofi. Ciò significa che la CO2 viene utilizzata, in modi diversi, da tutti gli esseri viventi.
L'insieme degli organismi autotrofi comprende tutti quegli esseri viventi che riescono ad autosintetizzarsi le proprie molecole organiche partendo da quelle inorganiche che l'ambiente offre, come ad esempio la CO2. Questo vasto raggruppamento di organismi lo si può suddividere ulteriormente in:
Fotoautotrofi, che sintetizzano le proprie molecole tramite reazioni che avvengono quando unfotone fornisce loro l'energia sufficiente. Rientrano in questa categoria lepiante, lealghe ed icianobatteri.
Chemioautotrofi, che sintetizzano le proprie molecole tramite reazioni che ricavano l'energia necessaria da altre reazioni che la liberano. Fanno parte di questa categoria alcunibatteri, e gliarchei.
Gli organismi eterotrofi invece, sono tutti quegli esseri viventi che non sono in grado di autosintetizzarsi le proprie molecole partendo da quelle inorganiche che l'ambiente offre. Rientrano in questa categoria glianimali, ifunghi e alcunibatteri.
Il metabolismo degli organismi fotoautotrofi che coinvolge la CO2 è lafotosintesi clorofilliana. La fase che consuma CO2 per generare molecole organiche è dettaciclo di Calvin e rientra in una più vasta categoria di metabolismi che si chiamanofissazione del carbonio.
Nella fotosintesi, l'enzima fondamentale perché avvenga la fissazione del carbonio è laribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi, comunemente abbreviata in RuBisCO. Si pensa che la RuBisCO sia laproteina più abbondante sulla Terra.[41] Il ciclo di Calvin prosegue poi, producendocarboidrati e consumando l'energia accumulata dallereazioni alla luce. I carboidrati prodotti dalla fotosintesi vengono usati sia come fonte alimentare, sia come materia per la sintesi di molecole organiche più complesse, come ipolisaccaridi, gliacidi nucleici e leproteine. Queste molecole sono a loro volta usate sia dagli organismi stessi che le producono, sia dagli eterotrofi, per la propria crescita. Le piante possono crescere fino al 50% più velocemente quando immesse in atmosfere con concentrazioni di 1000 ppm di CO2.[42] Questi livelli elevati di CO2, causano un aumento della crescita che si riflette nella resa dei raccolti, con grano, riso e soia che mostrano tutti aumenti della resa del 12-14%.[43][44] Tali livelli di CO2 provocano lo sviluppo di un minor numero di stomi sulle piante,[45] il che porta a un consumo idrico ridotto e a una maggiore efficienza nell'uso dell'acqua.[46] Lepiante C3 emettono CO2 durante la loro respirazione, sono solo assorbitori netti durante il giorno, ma non lo sono durante la notte. Sebbene una foresta in crescita assorbirà molte tonnellate di CO2 ogni anno, una foresta matura produrrà tanta CO2 dalla respirazione e dalla decomposizione di esemplari morti (ad esempio rami caduti) quanta ne viene utilizzata nella fotosintesi nelle piante in crescita. Durante la fotosintesi attiva, le piante possono assorbire più anidride carbonica dall'atmosfera di quanta ne rilascino durante la respirazione.
Alcuni fotoautotrofi, icoccolitofori, sintetizzano scaglie dure di carbonato di calcio.[47] Una specie di importanza mondiale èEmiliania huxleyi le cui scaglie di calcite hanno formato la base di molte rocce sedimentarie come ilcalcare, dove ciò che in precedenza era carbonio atmosferico può rimanere fisso per scale temporali geologiche. Ilfitoplancton può effettuare fotosintesi consumando la CO2 disciolta nell'oceano e quindi promuove l'assorbimento della CO2 dall'atmosfera.[48] I cianobatteri sono stati i primi organismi ad effettuare fotosintesi clorofilliana ossigenica (che produce ossigeno) e si ritiene che siano i responsabili dell'accumulo di ossigeno che oggi caratterizza la nostra atmosfera. Col loro nuovo metabolismo causarono un abbassamento dei livelli di CO2 atmosferici e un innalzamento di quelli dell'O2, provocando un'estinzione di massa nota comecatastrofe dell'ossigeno.
Questi microorganismi utilizzano metabolismi molto diversificati per la fissazione del carbonio. Un esempio sono imetanogeni,archei che produconometano partendo da CO2 eidrogeno molecolare.
Nei vertebrati, l'anidride carbonica viaggia nel sangue dai tessuti del corpo alla pelle (ad esempio gli anfibi) o alle branchie (ad esempio i pesci), da dove si dissolve nell'acqua, o ai polmoni da dove viene espirata.
La CO2 è un gas asfissiante e non è classificato come tossico o nocivo in conformità con gli standard delsistema armonizzato di classificazione ed etichettatura delle sostanze chimiche (GHS) e dell'OCSE. A concentrazioni fino all'1% (10000 ppm), alcune persone si sentiranno assonnate e darà ai polmoni una sensazione di soffocamento.[49] Concentrazioni dal 7% al 10% (da 70000 a 100000 ppm) possono causaresoffocamento, anche in presenza di ossigeno sufficiente, manifestandosi comevertigini,mal di testa, disfunzioni visive e uditive e perdita di coscienza entro pochi minuti o un'ora.[50] Gli effetti fisiologici dell'esposizione acuta all'anidride carbonica sono raggruppati sotto il termineipercapnia, una categoria diasfissia.
Il biossido di carbonio nell'aria è presente in quantità dello 0,04% circa, mentre nell'aria esalata dopo un respiro è circa il 4,5%.Un'atmosfera che contiene oltre il 5% di biossido di carbonio è asfissiante per gli esseri umani e per gli animali, dato che va a saturare l'emoglobina del sangue impedendole di legarsi all'ossigeno e bloccando quindi l'ossigenazione dei tessuti. Per tale motivo, sia quando viene usato in forma gassosa, sia quando viene usato come ghiaccio secco, il biossido di carbonio va maneggiato in spazi ben aerati. I limiti fissati dall'OSHA (l'agenziastatunitense per la sicurezza sui luoghi di lavoro) per la concentrazione di biossido di carbonio sul posto di lavoro sono lo 0,5% (5000 ppm, 9000 mg/mcTLV-TWA[4]) per un'esposizione continua. Il limiteSTEL è pari al 3% (30000 ppm[4]). La maggior parte del biossido di carbonio presente nel sangue (il 72%) è presente in forma diioneidrogenocarbonato, HCO3-, dove funge datampone per la regolazione delpH sanguigno, anche se secondaria rispetto al potere tampone delle proteine che copre i tre quarti del totale. Il livello ottimale dello ione idrogenocarbonato è mantenuto attraverso la frequenza del respiro e la contrazione o la dilatazione dei vasi sanguigni e delle vie polmonari. Circa il 22% della CO2 nell'organismo si trova sotto forma di carbaminoemoglobina e il 6% sotto forma di CO2 libera.Ogni giorno il corpo umano produce 12-15mol di CO₂ (288-360 litri) a riposo e fino a 50mol in intensa attività fisica.[senza fonte] Esposte alla luce, le piante assorbono biossido di carbonio dall'atmosfera attraverso la fotosintesi, tramite la quale biossido di carbonio e acqua vengono convertiti in glucosio e ossigeno. Sia in presenza che in assenza di luce, anche le piante emettono biossido di carbonio in conseguenza della respirazione cellulare.
Venere, il pianeta del sistema solare più ricco di anidride carbonica.
L'atmosfera di Venere è composta al 96,5% da diossido di carbonio,[51][52][53] cioè contiene una quantità di CO2 che corrisponde all'incirca a 4,63 × 1017 kg.[54] Questa quantità è superiore di 100 volte rispetto a quella presente nell'atmosfera terrestre. A causa di questa elevata concentrazione, l'effetto serra che ne deriva è particolarmente intenso, tanto che le temperature venusiane raggiungono una media giornaliera di 464°C (737K).[54]
L'atmosfera di Marte è composta al 95% da diossido di carbonio,[55][56] cioè contiene una quantità di CO2 che corrisponde a 2,37 × 1013 kg.[57] Siccome l'asse di rotazione del pianeta è inclinato di 25,19°, accade che per circa metà periodo orbitale (0,94 anni) uno dei due poli non viene mai colpito dalla luce delSole, mentre l'altro polo non viene illuminato per l'altra metà dell'orbita. La temperatura media che viene raggiunta sulla superficie del polo non illuminato permette il brinamento del diossido di carbonio, che si accumula assieme al ghiaccio, formando una calotta polare.
L'atmosfera di Giove possiede circa 2,9 × 1010 kg di diossido di carbonio.[58] Questa quantità, rapportata massa complessiva dell'atmosfera, fa della CO2 una delle molecole più rare suGiove. Si ritiene che la CO2 gioviana possa provenire da comete che sono precipitate sul pianeta e che si sono disgregate negli strati alti dell'atmosfera.[59]
L'anidride carbonica è presente anche su alcuni satelliti di Giove, ad esempio l'atmosfera di Callisto è composta essenzialmente da anidride carbonica.[60] Essa è talmente tanto sottile che la pressione sulla superficie della luna è 7,5 × 10−7 Pa. Un'atmosfera così rarefatta si ipotizza che si disperda nello spazio in meno di 96 ore e che venga costantemente ricostituita dalla sublimazione della superficie, completamente ricoperta di ghiaccio secco.[60]
Il diossido di carbonio è il risultato dellacombustione di uncomposto organico in presenza di una quantità diossigeno sufficiente a completarne l'ossidazione. Può essere inoltre prodotta facendo reagire un carbonato o un bicarbonato con un acido.[11] In natura, viene anche prodotta dabatteriaerobici durante il processo dellafermentazione alcolica ed è il sottoprodotto dellarespirazione.Le piante lo utilizzano per lafotosintesi che, combinandolo con l'acqua e per azione dellaluce solare e dellaclorofilla, lo trasforma inglucosio liberando ossigeno come sottoprodotto.
Il diossido di carbonio viene prodotto principalmente a partire dai seguenti processi:[62]
da combustione di petrolio, carbone e gas; e soprattutto da centrali termoelettriche, aerei, navi e da autoveicoli ma anche da missili e razzi. Si pensi ad esempio che un aereo di linea sulla rotta Milano New York consuma 63 000 litri di cherosene[63];
come prodotto secondario da impianti di produzione diammoniaca eidrogeno, in cui ilmetano è convertito in diossido di carbonio;
Il diossido di carbonio solido (anche dettoghiaccio secco o neve carbonica[11]) viene usato come mezzo refrigerante, ad esempio per la conservazione degli alimenti, presentando il vantaggio di sublimare passando direttamente dallo stato solido allo stato gassoso e permettendo di mantenere la temperatura a valori più bassi rispetto alghiaccio. In particolare può raggiungere temperature tra -70 °C e -80 °C se miscelato conalcol etilico,acetone o altri liquidi organici.[11] Il diossido di carbonio viene inoltre utilizzato neglieffetti speciali per creare l'effetto nebbia.
Il diossido di carbonio allo stato solido viene utilizzato anche nella pulitura delle superfici attraverso il metodo dellasabbiatura criogenica, durante la quale cristalli di anidride carbonica vengono lanciati contro la superficie da pulire da incrostazioni biologiche, patine minerali o altri depositi eliminandoli per il doppio effetto dell'abrasione e del forte raffreddamento localizzato che porta a una contrazione e un irrigidimento delle parti colpite. Un vantaggio di questo metodo rispetto alle sabbiature tradizionali è legato al fatto che il ghiaccio secco utilizzato come sabbia sublima immediatamente riducendo fortemente la quantità di residuo da smaltire dopo l'intervento.
In un'atmosfera ricca di biossido di carbonio ilfuoco si spegne: per questo motivo alcuni tipi diestintore contengono biossido di carbonio liquido sotto pressione a 73atm. Anche i giubbotti salvagente spesso contengono capsule di biossido di carbonio liquido, usate per ottenere un rapido gonfiaggio in caso di emergenza.
Acqua gassata, ottenuta tramite l'aggiunta di anidride carbonica.
Le acque minerali frizzanti e le bibite gassate devono la loro effervescenza all'aggiunta di biossido di carbonio. Alcune bibite, tra cui labirra e ivini frizzanti contengono biossido di carbonio come conseguenza della fermentazione che hanno subito.
Ancora, è il biossido di carbonio che fa lievitare gli impasti; moltilieviti, naturali o chimici, sviluppano biossido di carbonio per fermentazione o per reazione chimica. Biossido di carbonio e acqua sono le materie prime dellafotosintesi; spesso l'aria all'interno delle serre è arricchita di biossido di carbonio per stimolare la crescita delle piante; inoltre un'atmosfera contenente circa l'1% di biossido di carbonio risulta letale per molti parassiti. La concimazione carbonica è anche impiegata inacquariofilia per promuovere la crescita dipiante acquatiche sommerse.
Il biossido di carbonio è utilizzato come fluido refrigerante in impianti di refrigerazione e di condizionamento a basso impatto ambientale, ed è identificato dalla sigla R-744. L'utilizzo della CO2 come fluido refrigerante è soggetto a condizioni particolari poiché si realizza unciclo transcritico. Inoltre, il biossido di carbonio è impiegato in alcuni tipi dilaser industriali. Nell'industria, viene utilizzato comereagente assieme all'ammoniaca per la produzione dicarbammato d'ammonio,[9] a sua volta utilizzato per produrreurea,[9] che trova applicazioni nell'ambito della produzione deifertilizzanti e dellematerie plastiche.[9] Infine, nell'industria, miscelato all'argon o puro, è adoperato come gas inerte per la protezione/penetrazione del bagno durante una saldatura (open-arc). Tra gliadditivi alimentari è identificato dalla siglaE 290.
È il metodo naturale più efficiente per ilsequestro e lafissazione del carbonio atmosferico. Sono state avanzate alcune proposte d'ingegneria per lacattura del biossido di carbonio direttamente dall'atmosfera ma gli sviluppi, se pur ben promettenti, sono solo agli inizi. Attualmente sono in corso esperimenti su dei prototipi,[66][67][68][69] ma non è ancora possibile predire se sarà possibile applicarli su vasta scala.
Il principale metodo per smaltire enormi quantità di biossido di carbonio è lafotosintesi clorofilliana svolta dai vegetali: questo processo coinvolge luce, biossido di carbonio e acqua trasformandoli inossigeno eglucosio; consiste quindi nel piantare e/o preservare foreste dadeforestazione eincendi. Questo è il modo più semplice, economico e spontaneo che praticamente avviene naturalmente sul nostro pianeta da quando esistono i vegetali. Esso fa parte inoltre delle misure adottabili secondo ilProtocollo di Kyoto per rispettare i vincoli sulle emissioni di CO₂ da parte di ciascun paese.
Sono allo studio metodi artificiali, appartenenti alla cosiddetta "geoingegneria", per lacattura e sequestro del carbonio (in ingleseCarbon Capture and Sequestration, abbreviato in CCS) col fine di catturare, trasportare e stoccare la CO2 per contrastare l'innalzamento della concentrazione di questo gas serra in atmosfera. In tal caso la cattura del biossido di carbonio si ha nei siti ove viene prodotta in grande quantità: fumi di combustione (ad esempiocentrali termoelettriche acarbone o agas) o da residui di raffinazione; il "sequestro" consiste nell'iniezione nel sottosuolo ove l'anidride carbonica può rimanere segregata grazie a diversi meccanismi chimico-fisici.
Oggi esistono tre principali siti di sperimentazione disequestro geologico, tutti legati all'industria petrolifera:Weyburn inCanada,In Salah inAlgeria eSleipner nell'offshorenorvegese. La quantità di biossido di carbonio sequestrato da questi progetti è dell'ordine del milione di tonnellate all'anno, in realtà una quantità molto modesta. Sleipner è in funzione dal 1995.Questi metodi formalmente non smaltiscono il biossido di carbonio ma prevedono il suo stoccaggio in sacche sotterranee che dovrebbero trattenere la molecola per migliaia di anni.[70]
In alternativa l'anidride carbonica può essere trasformata in altri prodotti utili come carburanti, polimeri, materiali per l'edilizia o altre sostanze chimiche. La conversione dell'anidride carbonica può essere ottenuta attraverso:fotocatalisi, termocatalisi,elettrocatalisi, bioconversione,mineralizzazione, fissazione biologica ocopolimerizzazione.
La concentrazione dell'anidride carbonica può impattare sulla salute e prestazione umana, generalmente le concentrazioni naturalmente presenti nell'ambiente non hanno effetti sulla salute, ma con l'aumento della concentrazione, si può verificare mal di testa, vertigini, confusione e perdita di coscienza.L'anidride carbonica è più pesante dell'aria, tendendo ad accumularsi sul fondo delle conche o spazi ristretti (serbatoi o cantine) senza ricambi d'aria e si sono verificati decessi per asfissia. Il limite d'esposizione sul posto di lavoro (WEL) è calcolata prendendo una media in un determinato periodo di tempo. I WEL per CO2 sono di 5000 ppm per esposizione a lungo termine, limite che aumenta a 15000 ppm per esposizioni a breve termine.[71]
Studi recenti che utilizzano il test di Strategic Management Simulation (SMS) hanno riscontrato compromissioni nelle prestazioni decisionali durante l'esposizione acuta alla CO2 (con livelli fino a 1000 ppm).
I sommergibilisti operano abitualmente nei sottomarini con livelli di anidride carbonica da 2000 a 5000 ppm quindi ben più elevati rispetto ai riferimenti ambientali considerati normali (400 - 600 ppm). Tuttavia in questi soggetti non si sono registrati cali significativi nelle prestazioni decisionali.[72]
