Karbondioksid

Karbondioksid (CO2, O=C=O), er et lineært symmetrisk molekyl med avstand 116.3 pikometer mellom C og O. Ved atmosfæretemperatur en gass bestående av et karbonatom (C) kovalent bundet til to oksygenatomer (O). Karbondioksid finnes i atmosfæren med konsentrasjon ca. 0.041% (410 ppm, ppm= deler per million). CO2 løses i vann og inngår der i en pH-avhengig likevekt med hydrogenkarbonat (HCO3-) og karbonat (CO32-) (Bjerrumdiagram).  I levende organismer kan enzymet karbonsyre anhydrase katalysere overgang mellom CO2 og HCO3-. Karbondioksid er karbonkilden i alt levende materiale på Jorden, uten CO2, intet liv, og CO2 inngår i karbonsyklus. CO2 er en drivhusgass som sammen med drivhusgassene vanndamp, metan, lystgass, og bakkenært ozon m.fl. gir temperaturøkning i atmosfæren.

CO2 blir assimilert (tatt opp) organsimer som kan utføre fotosyntese

CO2 blir assimilert (CO2-fangst) i fotosyntesen hos autotrofe organismer (planteplankton, alger og planter), og blir utskilt ved cellerespirasjon  i alle levende organismer på Jorden. Under anaerobe forhold blir CO2 produsert ved fermentering. Fotosyntesen assimilerer så store mengder CO2 at det gir sykliske svingninger av CO2-konsentrasjonen i atmosfæren, lav CO2-konsentrasjon ved aktiv fotosyntese i vekstsesongen, og høy konsentrasjon i vinterhalvåret. 

I gassutvekslingen hos alle dyr, planter og mikroorganismer skilles det ut CO2 fra metabolisme av organisk materiale. I utåndingsluften fra mennesker er det ca. 5% CO2, og luften vi puster inn er det ca.  0.041% CO2. Det vil si at et menneske i gjennomsnitt og grovt regnet puser ut 0.36 tonn CO2 per år. Planter kan produsere CO2 ved vanlig cellerespirasjon og i  fotorespirasjon.   I tillegg til respirasjon blir CO2 dannet ved forbrenning av organisk materiale og fossilt brensel, fra vulkanutbrudd, varme kilder og geysirer. 

Rubisko og CO2-gjødsling

Rubisko er det enzymet som fikserer CO2, i natruens egen CO2-fangst, og rubiskproteinet finnes i enorme mengder, men siden dette enzymet har relativt lav affinitet for CO2 har evolusjonen utviklet en rekke metoder (C4-fotosyntese, karboksysomer) for oppkonsentrering av CO2 omkring rubisko, blant annet for å redusere fotorespirasjon. Selv dagens konsentrasjon av CO2 i atmosfæren gir ikke optimal fotosyntese, forutsatt at det andre vekstfaktorene er tilstede, blant annet nitrogen (gjødsel) og vann, slik at økning i CO2-konsentrasjon gir en CO2-gjødsling av den gjenlevende vegetasjonen. Kombinasjonen høy temperatur, økt CO2-konsentrasjon og nitrogen i form av oksidasjon av nitrogenoksider (NOx) til nitrat (salpetersyre) har gitt økt plantevekst hos C3-planter hvis det er nok vann tilstede. Eksperimentene som er gjort med CO2-gjødsling er gjort i drivhus i veksthusnæringen, og konsekvensene for den naturlige vegetasjonen er i mange tilfeller ukjent. Man vet f.eks. at økt CO2-konsentrasjon i atmosfæren gjør at det dannes færre spalteåpninger per arealenhet på bladene. C4-planter responderer annerledes på økt CO2 enn C3-planter. Fytoplankton, alger og vannplanter kan få endret fotosynteserespons grunnet pH-endringer i vannet og endrete karbonlikevekter. Det kan også være tilbakekoblingsmekanismer fra økt CO2 som vi ikke har helt skjønt rekkevidden av.  

Kilder til CO2

Hovedkilden til CO2 i atmosfæren er cellerespirasjon, hos alle levende organismer (dyr, planter, sopp, og bakterier),  vegetasjonsbrann og brenning av biomasse, brenning av  fossilt brensel (kull, olje og gass), sementproduksjon og vulkanutbrudd. 

CO2-kompensasjonspunktet for C3-planter er ca. 0.01% CO2 (100 ppm), et resultat av fotorespirasjon,  og man anslår laveste CO2 konsentrasjon som er nødvendig for å opprettholde livet på Jorden slik det er idag er ca. 0.02% (200 ppm).

Karbondioksid løst i vann virker som en svak syre, karbonsyre (H2CO3):

CO2 + H2O  ⇔  H2CO3 ⇔ H+ + HCO3-

Brenning av alt materiale som inneholder karbon gir karbondioksid, eller karbon monoksid (CO) hvis det er dårlig tilgang på oksygen. 

Store mengder karbondioksid er bundet i form av kalsiumkarbonat (CaCO3). 

Karbondioksid fra forbrenning (oksidasjon)

Oksidasjon kan skje ved biologisk temperatur katalysert av enzymer i organismene, eller ved høy temperatur i forbrenningsreaksjoner. alt materiale som inneholder karbon, oksygen og hydrogen kan brennes og omsettes til energi, i tillegg produseres CO2 og vann. Det vil si alle typer søppel produsert fra menneskelig aktivitet, alle typer biomasse, 

For eksempel brenning av metan (CH4), eller hvis metanotrofe bakterier omsetter metan

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + energi

Brenning eller cellerespirasjon av organiske stoffer som inneholder karbohydrater:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energi

Brenning eller cellerespirasjon av stearinsyre:

C18H36O2 + 26O2 → 18CO2 + 18H2O + energi

Fett inneholder mye karbon og hydrogen og lite oksygen, og frigir derfor mye energi ved oksidasjon. I forbrenningsreaksjonen er energien i form av varme. Ved cellerespirasjonen blir energien produsert i form av reduksjonskraft (NAD(P)H), den biologiske energibæreren ATP, samt varme. 

Karbondioksid fra produksjon av sement

Termisk nedbrytning av kalkstein (CaCO3), tidliger gjort i kalkovner, gir kalsiumoksid (CaO

Brent kalk (kalsiumoksid) framstilles ved oppvarming av kalkstein (CaCO3, kalkspat, kalsitt) i en kalkovn ved ca. 1000oC med følgende reaksjon:

CaCO3 → CaO + CO2

I sementovnene blir det produsert store mengder CO2, og sementovnene er også et sted man kvitter seg med alle typer organiske løsemidler, olje, maling og alt annet brennbart organisk avfall i væskeform 

Karbondioksid fra gjødselindustrien

I Haber-Bosch-metoden i gjødselproduksjon  brukes metan (CH4) for å lage hydrogen (H2) og i prosessen blir det dannet CO2 som et biprodukt. I 2018 var fler gjødselfabriker stengt, og det ble mangel på CO2 brukt i produksjon av øl og mineralvann, samt mangel på CO2 brukt i vannrenseanlegg. Vannrensing med CO2 for å gi utfelling av partikulært materiale er basert på prinsippet diffusioforese, siden H+ diffunderer raskere i vann enn HCO3- er det mulig å lage en diffusjonsgradient. 

Karbondioksid fra fermentering

Når gjær fermenterer sukker  i produksjon av vin, øl, eller bakeverk blir det produsert CO2 og etanol(C2H5OH). CO2 fanget i et nettverk av glutenproteiner gir heving av bakeverk. 

C6H12O6 → 2CO2 + 2 C2H5OH

Parisavtalen og klimagassutslipp

Parisavtalen er en juridisk bindende internasjonal avtale, ratifisert av Norge i 2016, som forplikter landene til å sørge for at temperaturen på Jorden ikke må overstige 2oC , helst ikke mer enn 1.5oC, og krav om  klimanøytralitet innen år 2100. Klimanøytralitet vil si at utslippene er like store som opptakene. Alle land må ha en nasjonal plan for utklippskutt av klimagasser.  Parisavtalen setter Norge som gasse og oljeprodusent i en klemme, og norske borgere har ikke tatt helt inn over seg hvilke endringer i vår måte å leve på som må gjøres for å oppfylle avtaleforpliktelsene. 

Grunn til bekymring 

Fossilt brennstoff er en viktig energibærer, og inneholder kjemiske stoffer med stor nytteeffekt. Derfor hadde det vært fornuftig på lang sikt å begrense bruk og utvinning slik at energibæreren også kunne vært tilgjengelig for seinere generasjoner. Fossilt brensel er et resultat av fotosyntesen gjennom mange hundre millioner år, og store deler av det fossilte brennstoffet blir nå omsatt til energi, karbondioksid og vann. 

Når CO2-konsentrasjonen stiger i atmosfæren viser dette at det skjer endringer i de store fluksene av karbondiokside mellom hav, land og atmosfære. Spesielt gjelder dette fjerning av skog og vegetasjon, med formål brukt til beite og landbruk. Fjerning av flere sjikt med vegetasjon gir redusert fotosyntese og økt respirasjon fra rotbiomasse. I tillegg ødelegges leveområder for natrulig vegetasjon, sopp og dyr, og gir minsket biodiversitet

Karbondioksid er en av flere gasser i atmosfæren som absorberer varmestråling og bidrar til drivhuseffekten. og påvirker således Jordens klima. Det er grunn til bekymring for konsekvensene av økt konsentrasjon av CO2 og andre klimagasser i atmosfæren, habitatfragmentering og forsuringsprosesser i meget kompleks interaksjon med vann, nitrogen, svovel, fosfor og jern.   

Oppdagelsen av CO2

Den nederlandske kjemikeren Jan Baptiste von Helmont fant omkring 1640 at da han brant kull hadde asken mindre masse enn det opprinnelige kullet, og det som var forsvunnet var en usynlig gas sylvestre (Historien om plantefysiologi). Den skotske kjemikeren Joseph Black oppdaget midten på 1700-tallet  "fiksert luft" (karbondoksid), som var tyngre enn luft, ved å varme opp kalkstein (kalsiumkarbonat, CaCO3)) og tilsetning av syre. Ble gassen boblet gjennom en løsning av kalsiumhydroksid (Ca(OH)2) så ble det dannet utfelling av kalsiumkarbonat. Joseph Priestley  beskrev i Impregnating Water with Fixed Air  at det ble dannet "fiksert luft" ved å dryppe syre på kritt eller marmor, og at den fikserte luften kunne bli løst i vann. 

umphry Davy og Michael Faraday klarte i 1823 å omdanne gassen CO2 til flytende form ved høyt trykk, det er overgang mellom CO2- tilstandsformene gass, væske og fast form  Tørris er CO2 i fast form. ved å åpne en trykkbeholder med CO2 fant franskmannen Adrien Jean Pierre Thilorier i 1835 at det kom ut en hvitaktig "snø" ut fra flasken (tørris). 

Tilbake til hoveside

Publisert 28. feb. 2020 11:55 - Sist endret 24. nov. 2020 16:08