Hiilidioksidi

Hiilidioksidi, molekyylikaavaltaan CO2, on hiilestä ja hapesta koostuva kemiallinen yhdiste. Normaaliolosuhteissa hiilidioksidi on hajuton, väritön, myrkytön ja huonosti reagoiva kaasu. Hiilidioksidi on suurina pitoisuuksina terveydelle haitallista[1]. Puhtaana kaasuna se syrjäyttää hapen ja voi tukehduttaa ihmisen.

Hiilidioksidi
Tunnisteet
CAS-numero 124-38-9
Ominaisuudet
Molekyylikaava CO2
Moolimassa 44,0 g/mol
Ulkomuoto Väritön kaasu
Sulamispiste −78 °C (195 K)
Kiehumispiste −57 °C (216 K) (5,812 barissa)
Tiheys 1 600 kg/m3 (kiinteä)
 1,98 kg/m3 (kaasu)
Liukoisuus veteen 1,45 kg / 1 000 l
Hiilidioksidikuplia virvoitusjuomassa

Hiilidioksidia esiintyy Maan ilmakehässä luontaisesti pieninä pitoisuuksina. Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä on vaihdellut luontaisesti eri aikakausina, ollen ennen teollistumista noin 0,028 % eli 280 miljoonasosaa tilavuudesta.[2] Vuoden 2019 lopulla ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on keskimäärin 0,04 % (411 ppm).[3]

Hiilidioksidia syntyy hiilipitoisten aineiden palamistuotteena, kuten palaessa sekä soluhengityksessä. Hiilidioksidin lähteitä ovat myös tulivuorien purkaukset, kuumat lähteet, geysirit ja sitä vapautuu karbonaattikivistä.

Kasvit käyttävät hiilidioksidia raaka-aineena orgaanisten yhdisteiden valmistuksessa eli yhteyttämisessä. Hiilidioksidi sisältää painon mukaan 27 % hiiltä, ja siinä on lähes kaikki ilmakehässä esiintyvä hiili, jos muun muassa kivihiilen, turpeen ja puun polttamisessa syntyviä PAH-yhdisteitä ei oteta huomioon.

Hiilidioksidi on merkittävin ihmistoiminnan tuottama kasvihuonekaasu.[4] Hiilidioksidi on merkittävä ilmastoa lämmittävä[5] kasvihuonekaasu, koska se päästää näkyvän valon lävitseen, mutta absorboi voimakkaasti infrapuna- eli lämpösäteilyä. Yhden henkilön verestä siirtyy ulkoilmaan hiilidioksidia pääasiassa hengityksen kautta noin 200 ml minuutissa (8 mmol).[6]

Löytöhistoria

Hiili­dioksidin löytäjänä on pidetty Jan Baptist van Helmontia (1577–1644). Koska puuhiilen palaessa syntynyt tuhka painoi vain pienen osan alku­peräisen puu­hiilen painosta, hän päätteli, että loppuosa siitä muuttui kaasuksi ja poistui ilmaan. Tälle kaasulle hän antoi nimen "metsä­kaasu" (gas sylvestre).[7] Tarkemmin sen ominaisuuksia tutki Joseph Black, joka vuonna 1756 havaitsi sitä muodostuvan kuumennettaessa magnesia albaa eli magnesiumkarbonaattia.[8] Hän kutsui sitä "sitoutuneeksi ilmaksi".[9] Vuonna 1778 Joseph Priestley havaitsi, että tätä kaasua sisältävässä vedessä kasvit tuottivat "deflogistoitunutta ilmaa" eli happea[10], mikä havainto pian johti fotosynteesin luonteen selvittämiseen.[11] Samoihin aikoihin Antoine Laurent Lavoisier selvitti palamisen luonteen ja osoitti, että tämä kaasu on hiilen ja hapen yhdiste.

Ominaisuudet

Hiilidioksidimolekyyli (O=C=O) on lineaarinen, ja siinä on kaksi kaksoissidosta. Hiilidioksidilla ei ole sähköistä dipolimomenttia.

Vesi pystyy liuottamaan normaaliolosuhteissa hieman yli oman tilavuutensa verran hiilidioksidia. Osa liuenneesta hiilidioksidista muuttuu hiilihapoksi.

Normaalin ilmanpaineen vallitessa hiilidioksidi ei esiinny nesteenä missään lämpötilassa, vaan se muuttuu suoraan kiinteäksi alle −78 °C:n lämpötiloissa. Nesteenä se voi esiintyä vain, kun paine on vähintään 5,2 baaria. Kiinteää hiilidioksidia kutsutaan kuivajääksi tai "hiilihappojääksi".

Hiilidioksidi ei ylläpidä palamista, joten sitä voidaan käyttää sammuttimissa. Vastaavasti se ei myöskään ylläpidä hengitystä, joten liian suurina pitoisuuksina hiilidioksidi aiheuttaa tukehtumisen, tajuttomuuden ja kuoleman.

Käyttö

Hiilidioksidia käytetään teollisuudessa muun muassa elintarvikkeiden jäähdytyksessä ja pakastamisessa, virvoitusjuomien hiilihapotuksessa sekä elintarvikkeiden suojakaasupakkaamisessa. Hiilidioksidikaasua käytetään myös juoma-, pesu-, prosessi- ja jäteveden käsittelyssä, selluteollisuudessa massan pesun tehostuksessa, mäntyöljyn valmistuksessa, kutistusliitoksissa, putkenjäädytyksessä, hiilidioksidilannoituksessa kasvihuoneissa sekä eläinten tainnutuksessa. Koska hiilidioksidikaasu on kemiallisesti inerttiä, sitä käytetään hapettumissuojauksessa, hitsaussuojakaasuissa, laserkaasuissa, palojen ja räjähdysten ehkäisyssä ja palonsammutuksessa. Hiilidioksidia käytetään myös lääkkeellisessä karbogeenissa (lääkkeellisen hapen ja lääkkeellisen hiilidioksidin seos).[12] Lisäksi hiilidioksidia käytetään kirurgisissa leikkauksissa.[13]

Yhdistämällä hiilidioksidia ja vetyä voidaan valmistaa erilaisia hiilivetyjä kuten polttoaineita, muoveja ja kemikaaleja. Teoriassa kaikki öljytuotteet voitaisiin korvata tällä tavalla.[14]

Käyttöä varten hiilidioksidia otetaan talteen joissakin suurissa voimaloissa, sellutehtaissa ja öljyteollisuudessa.[14]

Kuivajää
Kuivajää muodostaa höyryä lämmetessään.

Lämpötilassa −78,5 °C hiilidioksidikaasu härmistyy kiinteäksi hiilidioksidijääksi eli hiilihappojääksi (”kuivajääksi”). Hiilidioksidijää on kätevä jäähdytin, koska se muuttuu lämmetessään suoraan kaasuksi, eikä se siten kastele pintoja. Paljain käsin kosketeltuna kuivajää aiheuttaa iholle palovamman kaltaisia vaurioita.

Hiilidioksidijään ja veden avulla voidaan synnyttää "savua" esimerkiksi elokuvia ja esityksiä varten. Kuivajäätä valmistettiin ensi kertaa vuonna 1825, kun avattiin nestemäistä suurpaineista hiilidioksidia sisältävä säiliö. Säiliöistä karkasi kaasumaista hiilidioksidia ja sinne jäi kuivajäätä.

Biologia

Orgaanisten yhdisteiden hapetus, toisin sanoen hengitys, on monen eliölajin, kuten eläinten, energianlähde. Tällöin niissä oleva hiili yhtyy ilman hapen kanssa hiilidioksidiksi vapauttaen samalla energiaa. Samoin tapahtuu myös, kun orgaaninen aines palaa täydellisesti. Kasvit ja muut auringonvalosta energiansa saavat eliöt, alkutuottajat, puolestaan sitovat auringonvalon energiaa yhteyttäessään ja varastoivat sen orgaanisiin yhdisteisiin, lähinnä hiilihydraatteihin. Rakennusaineeksi tarvitaan hiilidioksidin hiiltä, ja sivutuotteena ilmaan vapautuu happea. Näin hiili kiertää ilmasta alkutuottajiin, alkutuottajista ravintoketjun muihin osiin ja lopulta taas ilmakehään.

Hiilidioksidi ilmakehässä

Globaali näkökulma
Muutokset ilmakehän hiilidioksidipitoisuudessa vuosina 1958–2022. Kuukausittaiset hiilidioksidin pitoisuusmittaukset näyttävät pientä vuodenaikojen mukaan tapahtuvaa oskillaatiota eli heilahdusvaihtelua, jonka huippukohta on pohjoisen pallonpuoliskon myöhäiskevään aikaan. CO2-pitoisuudet laskevat kasvukauden aikana, kun kasvillisuus sitoo hiilidioksidia ilmakehästä.

Ilmakehän hiilidioksidi on välttämätön edellytys kasvien fotosynteesille ja muiden auringonvaloa hyödyntävien autotrofien elintoiminnoille. Hiilidioksidin keskimääräinen pitoisuus maan ilmakehässä on vaihdellut huomattavasti maapallon eri geologisina aikakausina. Vuonna 2008 pitoisuus oli mittausten mukaan noin 385 ppm[15], mutta esiteollisella ajalla (noin 1800-luvun alkuun saakka) pitoisuus pysyi 260–280 ppm:n tasolla noin kymmenen tuhannen vuoden ajan. Merenpohjan sedimenteistä ja kasvien fossiileista tehtyjen mittausten perusteella on voitu arvioida, että esimerkiksi 150–200 miljoonaa vuotta sitten hiilidioksidin pitoisuus oli kuitenkin ilmeisesti paljon nykyistä korkeampi, yli 2 000 ppm, ja 400–600 miljoonaa vuotta sitten ajoittain jopa yli 5 000 ppm.[16]

Hiilidioksidi on kasvihuonekaasu, eli sen määrän lisääntyminen ilmakehässä kasvattaa maapallon lämpötilaa. Fossiilisten polttoaineiden käyttö nostaa ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta, kun syvällä maaperässä ollut hiili poltettaessa muuttuu hiilidioksidiksi ja siirtyy ilmakehään. Ihmistoiminta lisää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta ja lämmittää ilmastoa silloin kun poltetaan öljyä, maakaasua, hiiltä ja muita fossiilisia polttoaineita.

Jos CO2-pitoisuus nousisi yli 450 ppm, Grönlanti ja läntinen Antarktis todennäköisesti sulaisivat. Tämä nostaisi merten pintaa noin 6 metriä, sillä nykyisin jäätiköt ovat osin maa-alueiden päällä, eivätkä siten vaikuta pinnan tasoon. Kun hiilidioksiditaso oli ennen teollista vallankumousta 280 ppm, vuonna 2008 se oli jo 385 ppm ja nousee 2 ppm joka vuosi.[17]

Hiilidioksidi hengitysilmassa

Ilmakehässä maanpinnan tuntumassa hiilidioksidia on noin 0,039 % eli 390 ppm kaikista kaasuista .[18] Ympäristöministeriön ohje hiilidioksidin enimmäispitoisuudelle sisäilmassa tavanomaisissa sääoloissa ja huonetilan käyttöaikana on 1 200 ppm. [19] Lyhytaikaisen altistumisen alle 2 % (20 000 ppm) hiilidioksidipitoisuuksille ei ole todettu aiheuttavan haitallisia terveysvaikutuksia.[20] Työpaikoilla hyväksyttävä altistusraja 8 tunnin työpäivän aikana on 5 000 ppm.[21]

Hiilidioksidin määrää sisäilmassa voidaan pitää ihmisestä peräisin olevien epäpuhtauksien esiintymisen indikaattorina, mikä määrittää ilmanvaihdon tarpeen, mutta ei sinänsä kerro hiilidioksidin haitallisista määristä.[22]

Suomen CO2-päästöt polttoaineittain (miljoonaa tonnia CO2)[23]
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Öljy 27,3 25,2 25,3 25,8 24,3 20,0 18,8
Hiili 14,5 14,2 12,9 11,1 16,2 8,3 5,2
Maakaasu 5,0 6,4 7,6 8,0 8,0 4,4 4,0
Turve 5,6 8,3 6,6 7,4 10,2 6,1 4,5
Muut fossiiliset 0,1 0,2 0,3 0,3 0,4 0,8 1,0
Yhteensä 52,5 54,2 52,7 52,7 59,1 39,6 33,6
Hiilidioksidin
ominaispäästökertoimia
Polttoaine (g CO2 / kWh)[24]
Maakaasu198
Nestekaasut234
Lentopetroli264
Moottoribensiinit262
Dieselöljy265
Kevyt polttoöljy267
Raskas polttoöljy284
Kivihiili341
Jyrsinturve381
Koksi389
Puutähde395
Mustalipeä395

On huomattava, että kasvipohjaiset polttoaineet (puutähde, mustalipeä) eivät lisää ilmakehän hiilidioksidikuormaa, jos samoille paikoille kasvatetaan uudelleen metsää. Vuosina 2000–2006 Suomen hiilidioksidipäästöt kasvoivat 20,7 %. Polttoainekohtainen päästöjen kasvu oli hiilellä 58 % ja turpeella 31 %.

Katso myös

Lähteet
  1. "Carbon Dioxide as a Fire Suppressant: Examining the Risks", U.S. Environmental Protection Agency:.
  2. Eggleton, R. A.: A short introduction to climate change, s. 52. Cambridge: Cambridge University Press, 2012. 819572508. ISBN 9781139524353, 1139524356, 9781139627399, 1139627392, 9781283943024, 1283943026, 9781139627948, 1139627945, 1139627058, 9781139627054. Teoksen verkkoversio (viitattu 15.11.2019).
  3. ESRL monitoring: Trends in Atmospheric Carbon Dioxide NOAA. (englanniksi)
  4. toim. Virtanen, Anne & Rohweder, Liisa: ”Sanasto”, Ilmastonmuutos käytännössä, s. 410. Helsinki: Gaudeamus (Oy Yliopistokustannus University Press Finland Ltd), 2011. ISBN 978-952-495-178-4.
  5. Causes of Climate Change United States Environmental Protection Agency. Viitattu 22.3.2013. (englanniksi)
  6. Walter Nienstedt, Osmo Hänninen, Antti Arstila, Stig-Eyrik Björkqvist: Ihmisen fysiologia ja anatomia, s. 279, WSOY, 2000, ISBN 951-0-23265-3
  7. Löytöretki happamuuteen – kemian historiaa, Jan Babtist van Helmont (1577–1644) Helsingin yliopisto. Viitattu 17.7.2010.
  8. John Hudson: Suurin tiede – kemian historia, s. 87–88. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Art House, 2002. ISBN 951-884-346-5.
  9. Reijo Rasinkangas: Tieteen ja ajattelun historiaa – Uusi aika I Oulun yliopisto. Arkistoitu 7.6.2007. Viitattu 21. kesäkuuta 2007.
  10. Hudson, s. 94
  11. A. G. Morton: Kasvitieteen historia. Suomentanut Johannes Enroth, Ilkka Kukkonen. Gaudeamus, 1999. ISBN 951-662-756-0.
  12. (OVA-kortti: Hiilidioksidi) (Arkistoitu – Internet Archive)
  13. http://www.aga.fi/international/web/lg/fi/like35agafi.nsf/docbyalias/gasschool_co2_sol%7C AGA Oy, hiilidioksidin käyttökohteet [vanhentunut linkki]
  14. Tässä kontissa puhdistetaan ja pullotetaan ilmastopahis hiilidioksidia – yhdessä vedyn kanssa se voisi korvata vaikka kaikki öljytuotteet Yle Uutiset. 7.3.2023. Viitattu 7.3.2023.
  15. NOAA Global Monitoring Division (Noaa.gov)
  16. Climate Change 2001: The Scientific Basis (Arkistoitu – Internet Archive)
  17. Carbon’s New Math, National Geography 10 3007 s. 33 (in English)
  18. Ilmakehä-ABC Ilmatieteen laitos. Viitattu 24.11.2011.
  19. D2 SRMK Rakennusten sisäilmasto ja ilmanvaihto. Määräykset ja ohjeet 2012 Oikeusministeriö. Viitattu 24.11.2014.
  20. OVA-ohjeet: Hiilidioksidi Onnettomuuden vaaraa aiheuttavat aineet -turvallisuusohjeet. Työturvallisuuslaitos. Arkistoitu 3.9.2014. Viitattu 24.11.2014.
  21. HTP-arvot 2014. Haitallisiksi tunnetut pitoisuudet HTP-arvot 2014. Haitallisiksi tunnetut pitoisuudet. Sosiaali- ja terveysministeriö.. Viitattu 24.11.2011.
  22. Asumisterveysohje, tiivistelmä Sosiaali- ja terveysministeriö. Viitattu 24.11.2014.
  23. Energiakäytön polttoperäiset kasvihuonekaasupäästöt (1A) polttoaineryhmittäin muuttujina Vuosi, Päästöluokka, Kasvihuonekaasu, Polttoaine ja Tiedot PxWeb. Viitattu 7.3.2023.
  24. Energiatilasto, Vuosikirja 2006, Tilastokeskus, Helsinki 2006

    Aiheesta muualla
    Elintarvikelisäaineisiin kuuluvat pakkauskaasut

    argon (E 398) | butaani (E 943a) | happi (E 948) | helium (E 939) | hiilidioksidi (E 290) | isobutaani (E 943b) | propaani (E 944) | typpi (E 941) | typpimonoksidi (E 942) | vety (E 949)

    Ilmastonmuutos ja ilmaston lämpeneminen
    Syyt

    Kasvihuoneilmiö • Kasvihuonekaasu • Hiilidioksidi • Metaani • Auringon aktiivisuus • Ilmaston viileneminen • Milankovićin jaksot • Vulkanismi • Laattatektoniikka • Termohaliinikierto

    Vaikutukset

    Ilmastopakolaisuus • Merien happamoituminen • Merenpinnan nousu • Tulvat • Sadannan muutokset • Kuivuuskaudet • Lämpöaallot • Äärimmäiset sääilmiöt • Trooppiset hirmumyrskyt

    Tiede

    Hallitustenvälinen ilmastopaneeli IPCC • Ilmastoherkkyys • Ilmastomalli • Palautekytkennät • Kaupunkisaarekeilmiö • Keskiajan lämmin kausi • Pieni jääkausi • Hiilinielu • Otsonikato • Historialliset vaikutukset

    Keskustelu ja politiikka

    Hillitseminen • Hinku-verkosto • Sopeutuminen • Kioton sopimus • Kööpenhaminan ilmastokokous • UNFCCC • Päästökauppa • Sternin raportti • Uusiutuva energia • Energiansäästö • Oregonin vetoomus • Energiapolitiikka • Euroopan unionin energiapolitiikka • Suomen energiapolitiikka • Kiinan energiapolitiikka

     

    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.