L' Anidride Carbonica

Anidride carbonica

L'anidride carbonica è un'anidride (ossido di non metallo associato ad un ossiacido) formata da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. E' una sostanza fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali. E' inoltre il principale gas serra presente nell'atmosfera terrestre.

Caratteristiche principali

A temperatura e pressione ambiente è un gas incolore e inodore. La sua formula chimica è CO2.

La molecola

La molecola dell'anidride carbonica è lineare; ognuno dei due atomi di ossigeno è legato tramite un legame doppio all'atomo di carbonio (O=C=O). L'angolo di legame di 180 gradi neutralizza i due momenti dipolari opposti di ciascun doppio legame C=O, quindi la molecola risulta essere globalmente apolare. Il carbonio ha numero di ossidazione +4, si trova quindi al suo massimo stato di ossidazione possibile. Di conseguenza, l'anidride carbonica non è infiammabile e dal punto di vista chimico è relativamente inerte.

Produzione dell'anidride carbonica

L'anidride carbonica è il risultato della combustione di un composto organico in presenza di una quantità di ossigeno sufficiente a completarne l'ossidazione. In natura, viene anche prodotta da batteri durante il processo di fermentazione ed è il sottoprodotto della respirazione.

Le piante la utilizzano per la fotosintesi che, combinandola con l'acqua e per azione della luce solare e della clorofilla, la trasforma in glucosio liberando ossigeno come sottoprodotto.

E' presente a basse concentrazioni (379 ppm nel 2004) nell'atmosfera della Terra, dove agisce come gas serra. La correlazione tra il rapido aumento della sua concentrazione nell'atmosfera nell'ultimo secolo - principalmente dovuto all'intenso uso di combustibili fossili - ed il fenomeno di riscaldamento globale con la conseguente contrazione dei ghiacciai ed espansione delle aree desertiche della Terra sembra ormai essere un fatto assodato.

Proprietà

L'anidride carbonica è un gas incolore e inodore; non è tossica in sé, ma non è respirabile e quindi può provocare la morte per asfissia.

Respirare un'atmosfera particolarmente ricca di CO2 produce un sapore acidulo in bocca ed un senso di irritazione nel naso e nella gola; ciò è dovuto al suo reagire con l'acqua per formare acido carbonico.

La densità dell'anidride carbonica a temperatura e pressione ambiente è circa una volta e mezzo quella dell'aria; tende quindi a stratificare sul fondo degli ambienti chiusi e non ventilati. In fase solida (a temperature inferiori a -78 C e a pressione ambiente) non liquefa, ma sublima. L'anidride carbonica solida è nota anche come ghiaccio secco. L'anidride carbonica può essere però liquefatta sottoponendola ad alte pressioni.

A pressione ambiente, l'acqua è in grado di assorbire un volume circa uguale di anidride carbonica ed ancora di più sotto pressione. Circa l'1% dell'anidride carbonica assorbita si converte in acido carbonico, un acido debole, il quale a sua volta si dissocia in ioni idrogeno, ioni bicarbonato e ioni carbonato.

CO2 + H2O → H2CO3

Chimicamente, ? un reagente elettrofilo. Reagisce con i reattivi di Grignard e con altri composti organometallici a dare i corrispondenti acidi carbossilici

R-Mg-X + CO2 → R-COO-MgX → R-COOH

Reagisce inoltre con il fenolo nella reazione di Kolbe a dare l'acido 2-idrossibenzoico, ossia l'acido salicilico, il precursore dell'aspirina.

Utilizzi

L'anidride carbonica solida, ossia il ghiaccio secco, viene usata per raffreddare e negli effetti speciali per creare la nebbia. Viene prodotta comprimendo l'anidride carbonica fino a farla liquefare, quindi raffreddandola e lasciandola espandere velocemente. L'espansione causa una rapida caduta della temperatura che la fa ghiacciare in cristalli simili a neve, che vengono quindi compressi.

In un'atmosfera di anidride carbonica il fuoco si spegne, per questo alcuni tipi di estintore contengono anidride carbonica liquida sotto pressione. Anche i giubbotti salvagente spesso contengono capsule di anidride carbonica liquida, usate per ottenere un rapido gonfiaggio in caso di emergenza.

Le acque minerali frizzanti e le bibite gassate devono la loro effervescenza all'aggiunta di anidride carbonica. Alcune bibite, tra cui la birra ed i vini frizzanti contengono anidride carbonica come conseguenza della fermentazione che hanno subito.

Ancora, è l'anidride carbonica che fa lievitare gli impasti; molti lieviti, naturali o chimici, sviluppano anidride carbonica per fermentazione o per reazione chimica.

Anidride carbonica ed acqua sono le materie prime della fotosintesi; spesso l'aria all'interno delle serre è arricchita di anidride carbonica per stimolare la crescita delle piante; inoltre un'atmosfera contenente circa l'1% di anidride carbonica risulta letale per molti parassiti.

Infine, l'anidride carbonica è impiegata in alcuni tipi di laser industriali.

Tra gli additivi alimentari è identificata dalla sigla E 290.

Aspetto biologico

L'anidride carbonica è un prodotto di rifiuto degli organismi che ottengono l'energia dall'ossidazione degli zuccheri o dei grassi, sistema di reazioni che fa parte del loro metabolismo, in un processo chiamato respirazione cellulare. Quest'ultimo è proprio di piante, animali, molti funghi e alcuni batteri. Negli animali superiori, l'anidride carbonica viaggia nel sangue (in soluzione) andando dai tessuti del corpo ai polmoni, dove viene espirata.

L'anidride carbonica nell'aria è presente in quantità inferiori allo 0,1%, mentre nell'aria esalata dopo un respiro è circa il 4,5%. Un'atmosfera che contiene oltre il 5% di anidride carbonica è tossica 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. Sia quando viene usata in forma gassosa, sia quando viene usata come ghiaccio secco, l'anidride carbonica va maneggiata in spazi ben areati.

I limiti fissati dall'OSHA (l'agenzia statunitense per la sicurezza sui luoghi di lavoro) per la concentrazione dell'anidride carbonica sul posto di lavoro sono lo 0,05%(500 ppm) per un'esposizione continua e lo 0,3% per un'esposizione breve (fino a dieci minuti). Concentrazioni superiori allo 0,4% sono considerate immediatamente pericolose per la vita e la salute. Persone che respirano un'aria contenente lo 0,5% (5000 ppm) di anidride carbonica per più di mezz'ora mostrano i sintomi di un'ipercapnia acuta.
L'anidride carbonica è comunque molto meno tossica dell'ossido di carbonio, CO, che produce incoscienza nel giro di pochissimi minuti.

La maggior parte dell'anidride carbonica presente nel sangue (il 72%) è presente in forma di ione bicarbonato, HCO3-, dove funge da tampone per la regolazione del pH sanguigno. Il livello ottimale dello ione bicarbonato è mantenuto attraverso la frequenza del respiro e la contrazione o la dilatazione dei vasi sanguigni e delle vie polmonari.

Esposte alla luce, le piante assorbono anidride carbonica dall'atmosfera attraverso la fotosintesi, tramite la quale anidride carbonica e acqua vengono convertiti in glucosio e ossigeno. In assenza di luce, anche le piante emettono anidride carbonica in conseguenza della respirazione cellulare.

Presenza in natura

Atmosfera

Attualmente (2004), il contenuto di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre è circa dello 0,038% (o 380 ppm) in volume. Per via della maggiore estensione delle terre emerse e quindi della maggiore superficie occupata da vegetazione, nell'emisfero nord della Terra si osserva una fluttuazione della concentrazione di anidride carbonica di circa 5 ppm nell'arco dell'anno, che raggiunge il suo massimo a maggio ed il suo minimo ad ottobre, al termine della stagione vegetativa dell'emisfero nord, quando la biomassa vegetale del pianeta ? al suo valore massimo.

Nonostante la sua piccola concentrazione, la CO2 è un componente fondamentale dell'atmosfera terrestre perché - insieme al vapore acqueo ed al metano - intrappola la radiazione infrarossa della luce solare riflettendola nuovamente verso la superficie terrestre (il cosiddetto effetto serra) impedendo alla Terra di raffreddarsi. Sono stati i vulcani le prime fonti di anidride carbonica atmosferica della Terra neonata, grazie ad essa si è potuto instaurare un clima favorevole allo sviluppo della vita. Oggi i vulcani rilasciano in atmosfera circa 130 - 230 milioni di tonnellate di anidride carbonica ogni anno, ma questa quantità rappresenta solo l'1% della quantità di anidride carbonica totale liberata in atmosfera dalle attività umane.

Si stima che la concentrazione atmosferica di anidride carbonica sia aumentata del 35% dai tempi della rivoluzione industriale e del 20% dal 1958. La combustione dei combustibili fossili (carbone, petrolio) è la principale causa di questo aumento, la deforestazione è la seconda.

L'ipotesi del riscaldamento globale compare nella letteratura scientifica per la prima volta alla fine del XIX secolo. Vi si ipotizza che un aumento della quantità di anidride carbonica nell'atmosfera vada ad incrementare l'effetto serra e contribuire quindi ad un rapido riscaldamento del pianeta al quale gli ecosistemi non avrebbero il tempo necessario per adattarsi. L'entità di questo effetto è ancora in discussione, ma la diffusa convinzione che stiamo in effetti attraversando una fase di riscaldamento generalizzato del clima terrestre ha portato molti paesi del mondo a siglare il protocollo di Kyoto, un accordo in cui le nazioni si impegnano a limitare e ridurre le emissioni di anidride carbonica.

Oceani

Gli oceani della Terra contengono quantità enormi di anidride carbonica sotto forma di ioni bicarbonato e carbonato, più di quanta ce ne sia nell'atmosfera. Il bicarbonato viene prodotto per azione dell'anidride carbonica libera sulle rocce calcaree - un esempio è la reazione di dissoluzione del carbonato di calcio:

CaCO3 + CO2 + H2O <--> Ca2+ + 2 HCO3-

E' attraverso reazioni come questa che gli oceani vanno a tamponare le variazioni di concentrazione dell'anidride carbonica nell'atmosfera; la reazione è infatti reversibile. Per centinaia di milioni di anni questo processo ha prodotto enormi quantità di rocce costituite da carbonati che sono andati a depositarsi sui fondali marini.

Con l'aumentare della concentrazione dell'anidride carbonica nell'atmosfera, aumenta la quantità di ioni bicarbonato presente nelle acque marine con conseguente abbassamento del pH. Si ritiene che gli aumenti di temperatura ed acidità siano all'origine della moria delle barriere coralline osservata negli ultimi anni in numerose zone tropicali del pianeta.

Storia

Il comportamento dell'anidride carbonica fu descritto per la prima volta dal chimico Jan Baptist van Helmont nel XVII secolo.

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