06 - Lenntech - ¿Qué es el dióxido de carbono y cómo fue descubierto?

Joseph Black, un físico y químico escocés, descubrió el dióxido de carbono alrededor de 1750. A temperatura ambiental (20-25 ^oC), el dióxido de carbono es un gas inodoro e incoloro, ligeramente ácido y no inflamable.
El dióxido de carbono es una molécula con la fórmula molecular CO₂. Esta molécula linear está formada por un átomo de carbono que está ligado a dos átomos de oxígeno, O = C = O.
A pesar de que el dióxido de carbono existe principalmente en su forma gaseosa, también tiene forma sólida y líquida. Solo puede ser sólido a temperaturas por debajo de los 78 ^oC. El dióxido de carbono líquido existe principalmente cuando el dióxido de carbono se disuelve en agua. El dióxido de carbono solamente es soluble en agua cuando la presión se mantiene. Cuando la presión desciende intentará escapar al aire, dejando una masa de burbujas de aire en el agua.

Propiedades del dióxido de carbono

El dióxido de carbono posee ciertas propiedades físicas y químicas. A continuación las resumimos en una tabla.

¿Dónde encontramos dióxido de carbono en La Tierra?

El dióxido de carbono se encuentra principalmente en el aire, pero también en el agua formando parte del ciclo del carbono. Le podemos mostrar cómo funciona el ciclo del carbono, por medio de una explicación y una representación esquemática. -à Ir al ciclo del carbono.

Aplicaciones del dióxido de carbono por los humanos

Los seres humanos usamos el dióxido de carbono de muchas formas diferentes. El ejemplo más familiar es el uso en bebidas refrescantes y cerveza, para hacerlas gaseosas. El dióxido de carbono liberado por la levadura hace que la masa se hinche.
Algunos extintores usan dióxido de carbono porque es más denso que el aire. El dióxido de carbono puede cubrir un fuego, debido a su pesadez. Impide que el oxígeno tenga acceso al fuego y como resultado, el material en combustión es privado del oxígeno que necesita para continuar ardiendo.
El dióxido de carbono también es usado en una tecnología llamada extracción de fluido supercrítico que es usada para descafeinar el café. La forma sólida del dióxido de carbono, comúnmente conocida como hielo seco, se usa en los teatros para crear nieblas en el escenario y hacer que cosas como las “pociones mágicas” burbujeen.

El papel del dióxido de carbono en los procesos ambientales

El dióxido de carbono es uno de los gases más abundantes en la atmósfera. El dióxido de carbono juega un papel importante en los procesos vitales de plantas y animales, tales como fotosíntesis y respiración. A continuación explicaremos brevemente estos procesos.

Las plantas verdes transforman el dióxido de carbono y el agua en compuestos alimentarios, tales como glucosa y oxígeno. Este proceso se denomina fotosíntesis.

La reacción de la fotosíntesis es como sigue:
6 CO₂ + 6 H₂O --> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Las plantas y los animales, a su vez, transforman los componentes alimentarios combinándolos con oxígeno para obtener energía para el crecimiento y otras funciones vitales. Este es el proceso de respiración, el inverso de la fotosíntesis.

La reacción de la respiración es como sigue::
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ --> 6 CO₂ + 6 H₂O

La fotosíntesis y la respiración juegan un papel muy importante en el ciclo del carbón y están en equilibrio entre sí.
La fotosíntesis domina durante la época más templada del año y la respiración domina durante la época más fría del año. Sin embargo, ambos procesos tienen lugar a lo largo de todo el año. En conjunto, entonces, el dióxido de carbono en la atmósfera disminuye durante la época de crecimiento y aumenta durante el resto del año.
Debido a que las estaciones en los hemisferios norte y sur son opuestas, el dióxido de carbono en la atmósfera aumenta en el norte mientras que disminuye en el sur, y viceversa. El ciclo está más claramente presente en el hemisferio norte; porque tiene relativamente más masa y vegetación terrestre. Los océanos predominan en el hemisferio sur.

Influencia del dióxido de carbono en la alcalinidad

El dióxido de carbono puede cambiar el pH del agua. Así es como funciona:

El dióxido de carbono se disuelve ligeramente en agua para formar un ácido débil llamado ácido carbónico, H₂CO₃, de acuerdo con la siguiente reacción:
CO₂ + H₂O --> H₂CO₃

Después de esto, el ácido carbónico reacciona ligera y reversiblemente en el agua para formar un catión hidronio, H₃O⁺, y el ión bicarbonato, HCO^3-, de acuerdo con la siguiente reacción:
H₂CO₃ + H₂O --> HCO₃^- + H₃O⁺

Este comportamiento químico explica por qué el agua, que normalmente tiene un pH neutro de 7, tiene un pH ácido de aproximadamente 5.5 cuando ha sido expuesta al aire.

Emisiones de dióxido de carbono por el hombre
 

Debido a las actividades humanas, la cantidad de CO₂ liberada a la atmósfera ha estado aumentando enormemente durante los últimos 150 años. Como resultado, ha excedido la cantidad absorbida por la biomasa, los océanos y otros sumideros.

Ha habido un aumento de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera de alrededor de 280 ppm en 1850 a 364 ppm en 1998, principalmente debido a las actividades humanas durante y después de la revolución industrial, que empezó en 1850.
Los humanos han estado incrementando la cantidad de dióxido de carbono en el aire  quemando combustibles fósiles, produciendo cemento y clareando terreno y quemando bosques. Alrededor del 22% de la actual concentración de CO₂ en la atmósfera existe debido a estas actividades humanas, considerando que no hay cambio en las cantidades naturales de dióxido de carbono. En el siguiente párrafo hablaremos de estos efectos con más detalle.

Problemas ambientales – el efecto invernadero

La troposfera es la parte baja de la atmósfera, de 10 a 15 kilómetros de ancho. Dentro de la troposfera hay gases llamados gases invernadero. Cuando la luz del sol alcanza La Tierra, una parte es transformada en calor. Los gases invernadero absorben parte del calor y lo retienen cerca de la superficie terrestre, de forma que La Tierra se calienta. Este proceso, comúnmente conocido como efecto invernadero, fue descubierto hace muchos años y fue más tarde confirmado por medio de experimentos de laboratorio y medidas atmosféricas.
La vida tal y como la conocemos existe únicamente gracias a este efecto invernadero natural, porque este proceso regula la temperatura de La Tierra. Cuando el efecto invernadero no exista, toda La Tierra se cubrirá de hielo.
La cantidad de calor retenida en la troposfera determina la temperatura de La Tierra. La cantidad de calor en la troposfera depende de las concentraciones de los gases invernadero y de la cantidad de tiempo que estos gases permanecen en la atmósfera. Los gases invernadero más importantes son dióxido de carbono, CFCs (Cloro Fluoro Carbonos), óxidos de nitrógeno y metano.

Desde el inicio de la revolución industrial en 1850, los procesos humanos han estado provocando emisiones de gases invernadero, tales como CFCs y dióxido de carbono. Esto ha causado un problema ambiental: la cantidad de gases invernadero ha aumentado tanto, que el clima terrestre está cambiando porque las temperaturas están aumentando. Esta adición anti-natural al efecto invernadero es conocida como calentamiento global. Se sospecha que el calentamiento global puede provocar un  aumento de la actividad de las tormentas, derretimiento de las placas de hielo de los polos, lo que provocará inundaciones en los continentes habitados, y otros problemas ambientales.

Junto con el hidrógeno, el dióxido de carbono es el principal gas invernadero. Sin embargo, el hidrógeno no es emitido durante los procesos industriales. Los humanos no contribuimos a la variación de la cantidad de hidrógeno en el aire, ésta cambia solo naturalmente durante el ciclo hidrológico, y como resultado no constituye una causa del calentamiento global.
El incremento de las emisiones de dióxido de carbono provoca alrededor del 50-60% del calentamiento global.
Las emisiones de dióxido de carbono han aumentado de 280 ppm en 1850 a 364 ppm en los 90.

 
En el párrafo anterior se han mencionado diversas actividades humanas que contribuyen a la emisión de dióxido de carbono gaseoso. De esas actividades la combustión de combustibles fósiles para la generación de energía provoca alrededor del 70-75% de las emisiones de dióxido de carbono. El resto del 20-25% de las emisiones son provocadas por las emisiones de los tubos de escape de los vehículos.
La mayor parte de las emisiones de dióxido de carbono derivan de procesos industriales en países desarrollados, tales como los Estados Unidos y Europa. Sin embargo, las emisiones de dióxido de carbono de los países desarrollados están aumentando. En este siglo, se prevé que las emisiones de dióxido de carbono se dupliquen y se prevé que continuarán aumentando y que posteriormente causarán problemas.
El dióxido de carbono permanece en la troposfera durante 50 a 200 años.

La primera persona que predijo que las emisiones de dióxido de carbono procedentes de la combustión de combustibles fósiles y otros procesos de combustión provocarían un calentamiento global fue Svante Arrhenius, que publicó el estudio “Sobre la influencia en la temperatura del suelo del ácido carbónico en el aire” en 1896.
A principios de 1930 se confirmó que el dióxido de carbono atmosférico estaba realmente aumentando. A finales de los 50, cuando se desarrollaron técnicas de medida altamente precisas, se encontró aún mas confirmación. En los 90, la teoría del calentamiento global fue ampliamente aceptada, aunque no por todo el mundo. Todavía se discute el que el calentamiento global esté realmente causado por el aumento de dióxido de carbono en la atmósfera.

Elevación de las concentraciones de dióxido de

 carbono en el aire en las décadas pasadas

El tratado de Kyoto

Los líderes mundiales se reunieron en Kyoto, Japón, en Diciembre de 1997 para considerar un tratado mundial que restringiera las emisiones de los gases invernadero, principalmente del dióxido de carbono, que se supone que causan el calentamiento global. Desafortunadamente, mientras que los tratados de Kyoto han estado funcionando por un tiempo, América está ahora intentando evadirlos.

El dióxido de carbono y la salud

El dióxido de carbono es esencial para la respiración interna en el cuerpo humano. La respiración interna es un proceso por el cual el oxígeno es transportado a los tejidos corporales y el dióxido de carbono es tomado de ellos y transportado al exterior.
El dióxido de carbono es un guardián del pH de la sangre, lo cual es esencial para sobrevivir. El sistema regulador en el cual el dióxido de carbono juega un papel importante es el llamado tampón carbonato. Consiste en iones bicarbonato y dióxido de carbono disuelto, con ácido carbónico. El ácido carbónico neutraliza los iones hidroxilo, lo que hará aumentar el pH de la sangre cuando sea añadido. El ión bicarbonato neutraliza los protones, lo que provocará una disminución del pH de la sangre cuando sea añadido. Tanto el incremento como la disminución del pH son una amenaza para la vida.

Aparte de ser un tampón esencial en el cuerpo humano, también se sabe que el dióxido de carbono tiene efectos sobre la salud cuando la concentración supera un cierto límite.

Los principales peligros para la salud del dióxido de carbono son:

-          Asfixia. Causada por la liberación de dióxido de carbono en un área cerrada o sin ventilación. Esto puede disminuir la concentración de oxígeno hasta un nivel que es inmediatamente peligroso para la salud humana.

-          Congelación. El dióxido de carbono siempre se encuentra en estado sólido por debajo de los 78^oC en condiciones normales de presión, independientemente de la temperatura del aire. El manejo de este material durante más de un segundo ó dos sin la protección adecuada puede provocar graves ampollas, y otros efectos indeseados. El dióxido de carbono gaseoso liberado por un cilindro de acero, tal como un extintor de incendios, provoca similares efectos.

-          Daños renales o coma. Esto es causado por una alteración en el equilibrio químico de el tampón carbonato. Cuando la concentración de dióxido de carbono aumenta o disminuye, provocando alteración del equilibrio, puede tener lugar una situación amenazante para la salud.

Referencias:

http://www.oism.org/pproject/s33p36.htm
http://cdiac.ornl.gov/pns/faq.html
http://www.ilpi.com/msds/ref/carbondioxide.html
Living in the Environment, en libro de G. Tyler Miller.