Biossido di carbonio
Il biossido di carbonio, più comunemente noto come anidride carbonica è una molecola gassosa a temperatura ambiente e ha formula CO2.
In essa il carbonio è ibridato sp e si lega, tramite doppio legame ai due atomi di ossigeno. La molecola è lineare e, sebbene l’ossigeno sia più elettronegativo del carbonio, e conseguentemente il legame è polare stante la simmetria di tali legami i dipoli si annullano reciprocamente e quindi la molecola risulta apolare.
Nel biossido di carbonio il carbonio presenta numero di ossidazione +4 che costituisce il suo massimo numero di ossidazione pertanto la molecola non risulta ulteriormente ossidabile e quindi è relativamente inerte e non dà reazioni di combustione.
Viene quindi usato in taluni tipi di estintori ovvero bombole contenenti il biossido di carbonio ad elevata pressione sotto forma gassosa. Azionando l’estintore il biossido di carbonio si trasforma, a contatto con l’atmosfera in neve carbonica con un brusco abbassamento della temperatura a – 78.5°C.
L’abbassamento di temperatura e la sottrazione di ossigeno permettono di estinguere la fiamma senza lasciare residui. Infatti l’anidride carbonica allo stato solido sublima passando direttamente dallo stato solido a quello gassoso.
Diagramma di fase
Osservando infatti il diagramma del biossido di carbonio
Si nota che il punto triplo dell’anidride carbonica coincide con la temperatura di – 56.6 °C e con la pressione di 5.2 atm, superiore cioè a quella standard di 1 atm.
Ciò implica che se a partire da temperature molto basse riscaldiamo l’anidride carbonica solida sotto la pressione esterna costante di 1 atm, la sostanza sublima alla temperatura di – 78.5 °C senza passare attraverso lo stato liquido. Infatti, nel diagramma di fase risulta chiaramente evidente che la retta di equilibrio solido-liquido esiste per valori di pressione esterna superiori a 5.2 atm.
Il fatto che l’anidride carbonica solida sotto la pressione normale di 1 atm, si trovi in equilibrio con i propri vapori alla temperatura di – 78.5 °C, trova una pratica applicazione con l’impiego di questa sostanza come refrigerante per la conservazione degli alimenti. Il noto ghiaccio secco così denominato perché alla pressione di 1 atm sviluppa vapori senza fondere, non è altro che anidride carbonica allo stato solido.
Il chimico fiammingo Jean Baptiste van Helmont intorno al 1640 descrisse il comportamento dell’anidride carbonica quando notò che bruciando il carbone in un recipiente chiuso la massa della cenere era minore rispetto a quella del carbonio. Egli quindi ritenne che parte del carbone si fosse trasformato in una sostanza invisibile che chiamò spirito silvestre.
Il biossido di carbonio si trova nell’atmosfera e deriva dall’ossidazione di sostanze organiche a seguito della respirazione, decomposizione, fermentazioni naturali o per reazioni di combustione.
E’ una sostanza di fondamentale importanza nei processi vitali di animali e piante come la fotosintesi clorofilliana e la respirazione che giocano un ruolo importante nel ciclo del carbonio.
Le piante verdi che sono organismi autotrofi sono in grado infatti di convertire il biossido di carbonio e l’acqua in glucosio e ossigeno:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Nel processo di respirazione in cui viene assunto ossigeno la reazione avviene in senso inverso.
A pressione atmosferica il biossido di carbonio si solubilizza in acqua per dare un equilibrio con l’acido carbonico e la sua solubilità è influenzata della pressione secondo la legge di Henry.
Il biossido di carbonio gassoso è infatti in equilibrio con quello disciolto in acqua:
CO2(g) ⇌ CO2(aq)
Il biossido di carbonio acquoso in acqua dà luogo all’equilibrio:
CO2(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq)
Questo equilibrio è spostato a sinistra infatti solo circa l’1% di biossido di carbonio acquoso si trova sotto forma di acido carbonico.
L’acido carbonico è un acido diprotico
che si dissocia secondo gli equilibri:
H2CO3(aq) + 6 H2O ⇌ HCO3–(aq) + H3O+(aq)
HCO3–(aq) + H2O(l) ⇌ CO32-(aq) + H3O+(aq)
Se l’acqua, come quella degli oceani contiene ione carbonato si ha un effetto di ione in comune e l’ultimo equilibrio retrocede verso sinistra secondo il Principio di Le Chatelier con formazione di carbonato acido. Pertanto la reazione netta è:
CO2(aq) + H2O(l) + CO32-(aq) ⇌ 2 HCO3–(aq)
Effetto serra
L’aumento del biossido di carbonio che si è verificato a partire dalla Seconda Rivoluzione Industriale, oltre a contribuire notevolmente all’effetto serra, provoca la diminuzione di carbonato nelle acque oceaniche con il risultato che il pH sta andando gradualmente a diminuire e si stima sia passato da 8,25 a 8,14 negli ultimi 250 anni.
Questo fenomeno ha un impatto devastante sull’ecosistema marino e porta alla dissoluzione dei gusci calcarei delle conchiglie di molluschi, echinodermi, alghe, coralli e plancton calcareo; in pratica, di tutti gli organismi la cui esistenza è legata alla fissazione di carbonato di calcio.
Il biossido di carbonio, è prodotto oltre che dalle reazioni di combustione, anche dalla decomposizione termica del carbonato di calcio, di litio, magnesio, stronzio e bario, ad esempio:
CaCO3(s)→ CaO(s) + CO2(g)
Il biossido di carbonio può essere ottenuto per trattamento di un carbonato metallico con un acido minerale:
CaCO3(s) + 2 HCl(aq) → CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)
Il biossido di carbonio è utilizzato allo stato solido come ghiaccio secco e nella pulitura di superfici con il metodo della sabbiatura criogenica.
È aggiunto ad alcune bevande per provocare effervescenza ed è usato come fluido refrigerante in impianti di refrigerazione e di condizionamento