Dióxido de carbono

El dióxido de carbono (fórmula química CO ₂) es un compuesto químico que se presenta como un gas ácido incoloro con una densidad un 53% mayor que la del aire seco. Las moléculas de dióxido de carbono consisten en un átomo de carbono unido por doble enlace covalente a dos átomos de oxígeno. Ocurre naturalmente en la atmósfera de la Tierra como un gas traza. La concentración actual es de aproximadamente 0,04 % (412 ppm) por volumen, habiendo aumentado desde los niveles preindustriales de 280 ppm.Las fuentes naturales incluyen volcanes, incendios forestales, fuentes termales, géiseres, y se libera de rocas carbonatadas por disolución en agua y ácidos. Debido a que el dióxido de carbono es soluble en agua, se encuentra naturalmente en aguas subterráneas, ríos y lagos, casquetes polares, glaciares y agua de mar. Está presente en yacimientos de petróleo y gas natural. El dióxido de carbono tiene un olor fuerte y ácido y genera el sabor del agua de soda en la boca, pero en las concentraciones normales es inodoro.

Como fuente de carbono disponible en el ciclo del carbono, el dióxido de carbono atmosférico es la principal fuente de carbono para la vida en la Tierra y su concentración en la atmósfera preindustrial de la Tierra desde finales del Precámbrico ha sido regulada por organismos fotosintéticos y fenómenos geológicos. Las plantas, las algas y las cianobacterias utilizan la energía de la luz solar para sintetizar carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua en un proceso llamado fotosíntesis, que produce oxígeno como producto de desecho. A su vez, todos los organismos aeróbicos consumen oxígeno y liberan CO ₂ como desecho cuando metabolizan compuestos orgánicos para producir energía mediante la respiración. Dado que las plantas requieren CO ₂ para la fotosíntesis, y los humanos y los animales dependen de las plantas para alimentarse, el CO ₂es necesario para la supervivencia de la vida en la tierra.

Se devuelve al agua a través de las branquias de los peces y al aire a través de los pulmones de los animales terrestres que respiran aire, incluidos los humanos. El dióxido de carbono se produce durante los procesos de descomposición de materiales orgánicos y la fermentación de azúcares en la elaboración del pan, la cerveza y el vino. Se produce por la combustión de madera, turba y otros materiales orgánicos y combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural. Es un subproducto no deseado en muchos procesos de oxidación a gran escala, por ejemplo, en la producción de ácido acrílico (más de 5 millones de toneladas/año).

Es un material industrial versátil, utilizado, por ejemplo, como gas inerte en soldadura y extintores de incendios, como gas presurizador en pistolas de aire comprimido y recuperación de aceite, como materia prima química y como solvente de fluido supercrítico en la descafeinación de café y secado supercrítico.. Se agrega al agua potable y a las bebidas carbonatadas, incluidas la cerveza y el vino espumoso, para agregar efervescencia. La forma sólida congelada de CO ₂, conocida como hielo seco, se utiliza como refrigerante y como abrasivo en la limpieza criogénica. Es una materia prima para la síntesis de combustibles y productos químicos.

El dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero de larga duración más significativo en la atmósfera de la Tierra. Desde la Revolución Industrial, las emisiones antropogénicas, principalmente por el uso de combustibles fósiles y la deforestación, han aumentado rápidamente su concentración en la atmósfera, lo que ha provocado el calentamiento global. El dióxido de carbono también provoca la acidificación de los océanos porque se disuelve en el agua para formar ácido carbónico.

Historia

El dióxido de carbono fue el primer gas que se describió como una sustancia discreta. Aproximadamente en 1640, el químico flamenco Jan Baptist van Helmont observó que cuando quemaba carbón en un recipiente cerrado, la masa de la ceniza resultante era mucho menor que la del carbón original. Su interpretación fue que el resto del carbón se había transmutado en una sustancia invisible que denominó "gas" o "espíritu salvaje" (spiritus sylvestris).

Las propiedades del dióxido de carbono fueron estudiadas más a fondo en la década de 1750 por el médico escocés Joseph Black. Descubrió que la piedra caliza (carbonato de calcio) podía calentarse o tratarse con ácidos para producir un gas que llamó "aire fijo". Observó que el aire fijo era más denso que el aire y no soportaba llamas ni vida animal. Black también descubrió que cuando se burbujeaba a través de agua de cal (una solución acuosa saturada de hidróxido de calcio), precipitaba carbonato de calcio. Usó este fenómeno para ilustrar que el dióxido de carbono es producido por la respiración animal y la fermentación microbiana. En 1772, el químico inglés Joseph Priestley publicó un artículo titulado Impregnación del agua con aire fijo en el que describía un proceso de goteo de ácido sulfúrico (o aceite de vitriolo).como lo conocía Priestley) sobre tiza para producir dióxido de carbono, y obligar al gas a disolverse agitando un recipiente con agua en contacto con el gas.

El dióxido de carbono fue licuado por primera vez (a presiones elevadas) en 1823 por Humphry Davy y Michael Faraday. La primera descripción del dióxido de carbono sólido (hielo seco) fue dada por el inventor francés Adrien-Jean-Pierre Thilorier, quien en 1835 abrió un recipiente presurizado de dióxido de carbono líquido, solo para descubrir que el enfriamiento producido por la rápida evaporación del líquido produjo una "nieve" de CO ₂ sólido.

Propiedades químicas y físicas

Estructura, enlaces y vibraciones moleculares.

La simetría de una molécula de dióxido de carbono es lineal y centrosimétrica en su geometría de equilibrio. La longitud del enlace carbono-oxígeno en el dióxido de carbono es de 116,3 pm, notablemente más corta que la longitud aproximada de 140 pm de un enlace simple C-O típico, y más corta que la mayoría de los otros grupos funcionales C-O con enlaces múltiples, como los carbonilos. Como es centrosimétrica, la molécula no tiene momento dipolar eléctrico.

Como molécula triatómica lineal, el CO ₂ tiene cuatro modos de vibración, como se muestra en el diagrama. En los modos de estiramiento simétrico y antisimétrico, los átomos se mueven a lo largo del eje de la molécula. Hay dos modos de flexión, que son degenerados, lo que significa que tienen la misma frecuencia y la misma energía, debido a la simetría de la molécula. Cuando una molécula toca una superficie o toca otra molécula, los dos modos de flexión pueden diferir en frecuencia porque la interacción es diferente para los dos modos. Algunos de los modos de vibración se observan en el espectro infrarrojo (IR): el modo de estiramiento antisimétrico en el número de onda 2349 cm (longitud de onda 4,25 μm) y el par degenerado de modos de flexión en 667 cm(longitud de onda 15 μm). El modo de estiramiento simétrico no crea un dipolo eléctrico, por lo que no se observa en la espectroscopia IR, pero se detecta mediante espectroscopia Raman a 1388 cm (longitud de onda 7,2 μm).

En la fase gaseosa, las moléculas de dióxido de carbono experimentan importantes movimientos vibratorios y no mantienen una estructura fija. Sin embargo, en un experimento de imágenes de explosión de Coulomb, se puede deducir una imagen instantánea de la estructura molecular. Tal experimento se ha realizado para el dióxido de carbono. El resultado de este experimento, y la conclusión de cálculos teóricos basados ​​en una superficie de energía potencial ab initio de la molécula, es que ninguna de las moléculas en la fase gaseosa es nunca exactamente lineal.

En solución acuosa

El dióxido de carbono es soluble en agua, en la que forma reversiblemente H₂CO₃(ácido carbónico), que es un ácido débil ya que su ionización en agua es incompleta.CO₂+ H₂O ⇌ H₂CO₃

La constante de equilibrio de hidratación del ácido carbónico es{displaystyle K_{mathrm {h} }={frac {rm {[H_{2}CO_{3}]}}{rm {[CO_{2}(aq)]}}}=1,70 veces 10^{-3}}(a 25 °C). Por lo tanto, la mayor parte del dióxido de carbono no se convierte en ácido carbónico, sino que permanece como moléculas de CO2 _, sin afectar el pH.

Las concentraciones relativas de CO₂, h₂CO₃, y las formas desprotonadas HCO₃(bicarbonato) y CO₃(carbonato) dependen del pH. Como se muestra en un gráfico de Bjerrum, en agua neutra o ligeramente alcalina (pH > 6,5), la forma de bicarbonato predomina (> 50 %) convirtiéndose en la más frecuente (> 95 %) al pH del agua de mar. En aguas muy alcalinas (pH > 10,4), la forma predominante (>50%) es el carbonato. Los océanos, que son levemente alcalinos con un pH típico de 8,2 a 8,5, contienen alrededor de 120 mg de bicarbonato por litro.

Al ser diprótico, el ácido carbónico tiene dos constantes de disociación ácida, la primera para la disociación en el ion bicarbonato (también llamado hidrogenocarbonato) (HCO ₃):H ₂ CO ₃ ⇌ HCO ₃ + HKa1 = _{_}2,5 × 10 mol/L; pKa1 ₌ 3,6 a 25 °C.

Esta es la verdadera primera constante de disociación ácida, definida como{displaystyle K_{a1}={frac {rm {[HCO_{3}^{-}][H^{+}]}}{rm {[H_{2}CO_{3}]}} }}_{, donde el denominador incluye solo H 2} CO ₃ unido covalentemente y no incluye CO ₂ hidratado (aq). El valor mucho más pequeño y cotizado a menudo cerca de4,16 × 10 es un valor aparente calculado sobre la suposición (incorrecta) de que todo el CO ₂ disuelto está presente como ácido carbónico, de modo que{displaystyle K_{mathrm {a1} }{rm {(aparente)}}={frac {rm {[HCO_{3}^{-}][H^{+}]}}{rm {[H_{2}CO_{3}]+[CO_{2}(aq)]}}}}. Dado que la mayor parte del CO ₂ disuelto permanece como moléculas de CO _2, K _a1 (aparente) tiene un denominador mucho más grande y un valor mucho más pequeño que el verdadero K _a1.

El ion bicarbonato es una especie anfótera que puede actuar como ácido o como base, dependiendo del pH de la solución. A pH alto, se disocia significativamente en el ion carbonato (CO ₃):HCO ₃ ⇌ CO ₃ + HKa2 = _{_}4,69 × 10 mol/L; pKa2 = 10.329 _{_}

En los organismos, la producción de ácido carbónico está catalizada por la enzima anhidrasa carbónica.

Reacciones químicas del CO ₂

El CO2 es un _electrófilo potente que tiene una reactividad electrófila comparable al benzaldehído o compuestos carbonílicos α,β-insaturados fuertes. Sin embargo, a diferencia de los electrófilos de reactividad similar, las reacciones de los nucleófilos con el CO ₂ son termodinámicamente menos favorecidas y, a menudo, resultan altamente reversibles. Solo los nucleófilos muy fuertes, como los carbaniones proporcionados por los reactivos de Grignard y los compuestos de organolitio, reaccionan con el CO ₂ para dar carboxilatos:MR + CO ₂ → RCO ₂ Mdonde M = Li o Mg Br y R = alquilo o arilo.

En los complejos de dióxido de carbono metálico, el CO ₂ sirve como ligando, lo que puede facilitar la conversión de CO ₂ en otras sustancias químicas.

La reducción de CO ₂ a CO es normalmente una reacción difícil y lenta:CO ₂ + 2 e + 2H → CO + H ₂ O

Los fotoautótrofos (es decir, las plantas y las cianobacterias) utilizan la energía contenida en la luz solar para realizar la fotosíntesis de azúcares simples a partir del CO ₂ absorbido del aire y el agua:nCO2 ₊ nH _ _ _₂O → (CH₂O)_norte+ n O₂

El potencial redox para esta reacción cerca de pH 7 es de aproximadamente -0,53 V frente al electrodo de hidrógeno estándar. La enzima monóxido de carbono deshidrogenasa que contiene níquel cataliza este proceso.

Propiedades físicas

El dióxido de carbono es incoloro. A bajas concentraciones, el gas es inodoro; sin embargo, en concentraciones suficientemente altas, tiene un olor ácido fuerte. A temperatura y presión estándar, la densidad del dióxido de carbono es de alrededor de 1,98 kg/m3, aproximadamente 1,53 veces la del aire.

El dióxido de carbono no tiene estado líquido a presiones inferiores a0,517 95 (10) MPa (5.111 77 (99) atm). A una presión de 1 atm (0,101 325 MPa), el gas se deposita directamente en un sólido a temperaturas inferiores a194.6855(30) K (−78,4645(30) °C) y el sólido se sublima directamente a gas por encima de esta temperatura. En su estado sólido, el dióxido de carbono se denomina comúnmente hielo seco.

El dióxido de carbono líquido se forma sólo a presiones superiores0,517 95 (10) MPa (5.111 77 (99) atmósfera); El punto triple del dióxido de carbono es216.592(3) K (−56,558(3) °C) a0,517 95 (10) MPa (5.111 77 (99) atm) (ver diagrama de fase). El punto crítico es304.128(15) K (30.978(15) °C) a7,3773(30) MPa (72.808(30) atm). Otra forma de dióxido de carbono sólido que se observa a alta presión es un sólido amorfo similar al vidrio. Esta forma de vidrio, llamada carbonia, se produce superenfriando CO2 calentado _a presiones extremas (40–48 GPa, o alrededor de 400 000 atmósferas) en un yunque de diamante. Este descubrimiento confirmó la teoría de que el dióxido de carbono podría existir en un estado vítreo similar a otros miembros de su familia elemental, como el silicio (vidrio de sílice) y el dióxido de germanio. Sin embargo, a diferencia de los vidrios de sílice y germania, el vidrio de carbonia no es estable a presiones normales y se convierte en gas cuando se libera la presión.

A temperaturas y presiones por encima del punto crítico, el dióxido de carbono se comporta como un fluido supercrítico conocido como dióxido de carbono supercrítico.

Aislamiento y producción

El dióxido de carbono se puede obtener por destilación del aire, pero el método es ineficiente. Industrialmente, el dióxido de carbono es predominantemente un producto de desecho no recuperado, producido por varios métodos que pueden practicarse a varias escalas.

La combustión de todos los combustibles a base de carbono, como el metano (gas natural), los destilados del petróleo (gasolina, diésel, queroseno, propano), el carbón, la madera y la materia orgánica genérica produce dióxido de carbono y, salvo en el caso del carbono puro, agua.. Como ejemplo, la reacción química entre el metano y el oxígeno:CH₄+ 2O₂→ CO₂+ 2 horas₂O

El hierro se reduce a partir de sus óxidos con coque en un alto horno, produciendo arrabio y dióxido de carbono:

El dióxido de carbono es un subproducto de la producción industrial de hidrógeno mediante reformado con vapor y la reacción de cambio de gas de agua en la producción de amoníaco. Estos procesos comienzan con la reacción del agua y el gas natural (principalmente metano). Esta es una fuente importante de dióxido de carbono de calidad alimentaria para usar en la carbonatación de cerveza y refrescos, y también se usa para aturdir animales como las aves de corral. En el verano de 2018 se presentó en Europa una escasez de dióxido de carbono para estos fines debido al cierre temporal de varias plantas de amoníaco por mantenimiento.

Carbonatos

Se produce por descomposición térmica de calizas, CaCO₃por calentamiento (calcinación) a unos 850 °C (1560 °F), en la fabricación de cal viva (óxido de calcio, CaO), un compuesto que tiene muchos usos industriales:CaCO₃→ CaO + CO₂

Los ácidos liberan CO ₂ de la mayoría de los carbonatos metálicos. En consecuencia, puede obtenerse directamente de manantiales naturales de anhídrido carbónico, donde se produce por la acción de aguas acidificadas sobre calizas o dolomías. La reacción entre el ácido clorhídrico y el carbonato de calcio (piedra caliza o tiza) se muestra a continuación:CaCO₃+ 2 HCl → CaCl₂+ H₂CO₃

El ácido carbónico (H₂CO₃) luego se descompone en agua y CO ₂:H₂CO₃→ CO₂+ H₂O

Tales reacciones van acompañadas de formación de espuma o burbujeo, o ambos, a medida que se libera el gas. Tienen usos generalizados en la industria porque pueden usarse para neutralizar corrientes de ácido residual.

Fermentación

El dióxido de carbono es un subproducto de la fermentación del azúcar en la elaboración de cerveza, whisky y otras bebidas alcohólicas y en la producción de bioetanol. La levadura metaboliza el azúcar para producir CO ₂ y etanol, también conocido como alcohol, de la siguiente manera:C₆H₁₂O₆→ 2CO₂+ 2C₂H₅OH

Todos los organismos aeróbicos producen CO ₂ cuando oxidan carbohidratos, ácidos grasos y proteínas. La gran cantidad de reacciones involucradas son extremadamente complejas y no se describen fácilmente. Consulte (respiración celular, respiración anaeróbica y fotosíntesis). La ecuación para la respiración de glucosa y otros monosacáridos es:C₆H₁₂O₆+ 6O₂→ 6 CO₂+ 6 horas₂O

Los organismos anaeróbicos descomponen la materia orgánica produciendo metano y dióxido de carbono junto con trazas de otros compuestos. Independientemente del tipo de material orgánico, la producción de gases sigue un patrón cinético bien definido. El dióxido de carbono comprende alrededor del 40-45% del gas que emana de la descomposición en los vertederos (denominado "gas de vertedero"). La mayor parte del 50-55% restante es metano.

Aplicaciones

El dióxido de carbono es utilizado por la industria alimentaria, la industria petrolera y la industria química. El compuesto tiene variados usos comerciales, pero uno de sus mayores usos como químico es en la producción de bebidas carbonatadas; proporciona el brillo en bebidas carbonatadas como agua de soda, cerveza y vino espumoso.

Precursor de productos químicos

En la industria química, el dióxido de carbono se consume principalmente como ingrediente en la producción de urea, y una fracción más pequeña se usa para producir metanol y una gama de otros productos. Algunos derivados de ácidos carboxílicos, como el salicilato de sodio, se preparan utilizando CO ₂ mediante la reacción de Kolbe-Schmitt.

Además de los procesos convencionales que utilizan CO ₂ para la producción química, también se están explorando métodos electroquímicos a nivel de investigación. En particular, el uso de energías renovables para la producción de combustibles a partir de CO ₂ (como el metanol) es atractivo, ya que esto podría resultar en combustibles que podrían transportarse y usarse fácilmente dentro de las tecnologías de combustión convencionales pero que no tienen emisiones netas de CO ₂.

Agricultura

Las plantas requieren dióxido de carbono para realizar la fotosíntesis. Las atmósferas de los invernaderos pueden (si son de gran tamaño, deben) enriquecerse con CO2 adicional para mantener y aumentar la tasa de crecimiento de las plantas _. En concentraciones muy altas (100 veces la concentración atmosférica o más), el dióxido de carbono puede ser tóxico para la vida animal, por lo que aumentar la concentración a 10 000 ppm (1 %) o más durante varias horas eliminará plagas como la mosca blanca y la araña roja en un abrir y cerrar de ojos. invernadero.

Alimentos

El dióxido de carbono es un aditivo alimentario utilizado como propulsor y regulador de la acidez en la industria alimentaria. Está aprobado para su uso en la UE (enumerado como E número E290), EE. UU. y Australia y Nueva Zelanda (enumerado por su INS número 290).

Un caramelo llamado Pop Rocks se presuriza con gas de dióxido de carbono a unos 4000 kPa (40 bar; 580 psi). Cuando se coloca en la boca, se disuelve (al igual que otros caramelos duros) y libera las burbujas de gas con un chasquido audible.

Los agentes de fermentación hacen que la masa suba produciendo dióxido de carbono. La levadura de panadería produce dióxido de carbono por fermentación de azúcares dentro de la masa, mientras que los leudantes químicos como el polvo de hornear y el bicarbonato de sodio liberan dióxido de carbono cuando se calientan o si se exponen a ácidos.

Bebidas

El dióxido de carbono se utiliza para producir refrescos carbonatados y agua de soda. Tradicionalmente, la carbonatación de la cerveza y el vino espumoso se realizaba a través de la fermentación natural, pero muchos fabricantes carbonatan estas bebidas con dióxido de carbono recuperado del proceso de fermentación. En el caso de la cerveza embotellada y de barril, el método más común utilizado es la carbonatación con dióxido de carbono reciclado. Con la excepción de la cerveza real británica, la cerveza de barril generalmente se transfiere de los barriles en una cámara frigorífica o bodega a los grifos dispensadores en la barra utilizando dióxido de carbono presurizado, a veces mezclado con nitrógeno.

El sabor del agua de soda (y las sensaciones de sabor relacionadas en otras bebidas carbonatadas) es un efecto del dióxido de carbono disuelto en lugar de las burbujas que revientan del gas. La anhidrasa carbónica 4 se convierte en ácido carbónico dando lugar a un sabor agrio, y también el dióxido de carbono disuelto induce una respuesta somatosensorial.

Vinificación

El dióxido de carbono en forma de hielo seco se usa a menudo durante la fase de remojo en frío en la vinificación para enfriar los racimos de uvas rápidamente después de la cosecha para ayudar a prevenir la fermentación espontánea por levaduras silvestres. La principal ventaja de usar hielo seco sobre hielo de agua es que enfría las uvas sin agregar agua adicional que pueda disminuir la concentración de azúcar en el mosto de uva y, por lo tanto, la concentración de alcohol en el vino terminado. El dióxido de carbono también se usa para crear un ambiente hipóxico para la maceración carbónica, el proceso que se usa para producir el vino Beaujolais.

El dióxido de carbono a veces se usa para rellenar botellas de vino u otros recipientes de almacenamiento, como barriles, para evitar la oxidación, aunque tiene el problema de que puede disolverse en el vino, lo que hace que un vino que antes estaba tranquilo se vuelva ligeramente burbujeante. Por este motivo, los enólogos profesionales prefieren otros gases como el nitrógeno o el argón para este proceso.

Animales impresionantes

El dióxido de carbono se utiliza a menudo para "aturdir" a los animales antes del sacrificio. "Aturdir" puede ser un nombre inapropiado, ya que los animales no quedan inconscientes de inmediato y pueden sufrir angustia.

Gas inerte

El dióxido de carbono es uno de los gases comprimidos más utilizados para sistemas neumáticos (gas presurizado) en herramientas de presión portátiles. El dióxido de carbono también se utiliza como atmósfera para soldar, aunque en el arco de soldadura reacciona para oxidar la mayoría de los metales. El uso en la industria automotriz es común a pesar de la evidencia significativa de que las soldaduras realizadas en dióxido de carbono son más frágiles que las realizadas en atmósferas más inertes. Cuando se usa para soldadura MIG, el uso de CO ₂ a veces se denomina soldadura MAG, para Metal Active Gas, como CO ₂puede reaccionar a estas altas temperaturas. Tiende a producir un charco más caliente que las atmósferas verdaderamente inertes, mejorando las características de flujo. Aunque, esto puede deberse a las reacciones atmosféricas que ocurren en el sitio del charco. Este suele ser el efecto opuesto al deseado cuando se suelda, ya que tiende a fragilizar el sitio, pero puede no ser un problema para la soldadura de acero dulce en general, donde la ductilidad final no es una preocupación importante.

El dióxido de carbono se usa en muchos productos de consumo que requieren gas presurizado porque es económico y no inflamable, y porque pasa por una fase de transición de gas a líquido a temperatura ambiente a una presión alcanzable de aproximadamente 60 bar (870 psi; 59 atm), lo que permite mucho más dióxido de carbono para caber en un contenedor dado de lo que cabría de otra manera. Los chalecos salvavidas a menudo contienen botes de dióxido de carbono a presión para inflarlos rápidamente. Cápsulas de aluminio de CO ₂también se venden como suministros de gas comprimido para pistolas de aire comprimido, marcadores/pistolas de paintball, inflado de neumáticos de bicicletas y para hacer agua carbonatada. También se pueden usar altas concentraciones de dióxido de carbono para matar plagas. El dióxido de carbono líquido se utiliza en el secado supercrítico de algunos productos alimenticios y materiales tecnológicos, en la preparación de muestras para microscopía electrónica de barrido y en el descafeinado de granos de café.

Extintor de incendios

El dióxido de carbono se puede utilizar para extinguir las llamas al inundar el ambiente alrededor de la llama con el gas. No reacciona por sí mismo para extinguir la llama, sino que priva a la llama de oxígeno desplazándola. Algunos extintores de incendios, especialmente los diseñados para incendios eléctricos, contienen dióxido de carbono líquido bajo presión. Los extintores de dióxido de carbono funcionan bien en incendios pequeños de líquidos inflamables y eléctricos, pero no en incendios de combustibles ordinarios, porque no enfrían significativamente las sustancias en llamas y, cuando el dióxido de carbono se dispersa, pueden incendiarse al exponerse al oxígeno atmosférico. Se utilizan principalmente en salas de servidores.

El dióxido de carbono también se ha utilizado ampliamente como agente extintor en sistemas fijos de protección contra incendios para la aplicación local de peligros específicos y la inundación total de un espacio protegido. Las normas de la Organización Marítima Internacional reconocen los sistemas de dióxido de carbono para la protección contra incendios de bodegas de barcos y salas de máquinas. Los sistemas de protección contra incendios a base de dióxido de carbono se han relacionado con varias muertes, ya que puede causar asfixia en concentraciones suficientemente altas. Una revisión de los sistemas de CO ₂ identificó 51 incidentes entre 1975 y la fecha del informe (2000), que causaron 72 muertes y 145 heridos.

CO ₂ supercrítico como disolvente

El dióxido de carbono líquido es un buen solvente para muchos compuestos orgánicos lipofílicos y se usa para eliminar la cafeína del café. El dióxido de carbono ha atraído la atención de las industrias farmacéutica y de otros procesos químicos como una alternativa menos tóxica a los solventes más tradicionales, como los organoclorados. También lo utilizan algunas tintorerías por este motivo. Se utiliza en la preparación de algunos aerogeles debido a las propiedades del dióxido de carbono supercrítico.

Usos médicos y farmacológicos

En medicina, se agrega hasta un 5% de dióxido de carbono (130 veces la concentración atmosférica) al oxígeno para estimular la respiración después de la apnea y para estabilizar el O₂/CO₂equilibrio en la sangre.

El dióxido de carbono se puede mezclar con hasta un 50% de oxígeno, formando un gas inhalable; esto se conoce como Carbogen y tiene una variedad de usos médicos y de investigación.

Otro uso médico son las mofettas, balnearios secos que utilizan el dióxido de carbono de la descarga post-volcánica con fines terapéuticos.

Energía

El CO2 supercrítico se utiliza como fluido de trabajo en el motor de ciclo de potencia Allam _.

Recuperación de combustibles fósiles

El dióxido de carbono se utiliza en la recuperación mejorada de petróleo donde se inyecta en pozos de producción de petróleo o junto a ellos, generalmente en condiciones supercríticas, cuando se vuelve miscible con el petróleo. Este enfoque puede aumentar la recuperación de petróleo original al reducir la saturación de petróleo residual entre un 7 % y un 23 % adicional a la extracción primaria. Actúa como agente presurizador y, cuando se disuelve en el petróleo crudo subterráneo, reduce significativamente su viscosidad y cambia la química de la superficie, lo que permite que el petróleo fluya más rápidamente a través del yacimiento hasta el pozo de extracción. En los yacimientos petrolíferos maduros, se utilizan extensas redes de tuberías para llevar el dióxido de carbono a los puntos de inyección.

En la recuperación mejorada de metano del lecho de carbón, se bombearía dióxido de carbono a la veta de carbón para desplazar el metano, a diferencia de los métodos actuales que se basan principalmente en la eliminación de agua (para reducir la presión) para hacer que la veta de carbón libere el metano atrapado.

Biotransformación en combustible

Se ha propuesto que el CO ₂ de la generación de energía se burbujee en estanques para estimular el crecimiento de algas que luego podrían convertirse en combustible biodiesel. Se ha modificado genéticamente una cepa de la cianobacteria Synechococcus elongatus para producir los combustibles isobutiraldehído e isobutanol a partir de CO ₂ mediante la fotosíntesis.

Los investigadores han desarrollado un proceso llamado electrólisis, utilizando enzimas aisladas de bacterias para impulsar las reacciones químicas que convierten el CO ₂ en combustibles.

Refrigerante

El dióxido de carbono líquido y sólido son refrigerantes importantes, especialmente en la industria alimentaria, donde se emplean durante el transporte y almacenamiento de helados y otros alimentos congelados. El dióxido de carbono sólido se llama "hielo seco" y se usa para envíos pequeños donde el equipo de refrigeración no es práctico. El dióxido de carbono sólido siempre está por debajo de -78,5 °C (-109,3 °F) a una presión atmosférica normal, independientemente de la temperatura del aire.

El dióxido de carbono líquido (nomenclatura industrial R744 o R-744) se utilizó como refrigerante antes del uso de diclorodifluorometano (R12, un compuesto de clorofluorocarbono (CFC)). El CO ₂ podría disfrutar de un renacimiento porque uno de los principales sustitutos de los CFC, el 1,1,1,2-tetrafluoroetano (R134a, un compuesto de hidrofluorocarbono (HFC)) contribuye al cambio climático más que el CO ₂. Las propiedades físicas del CO ₂ son muy favorables para fines de enfriamiento, refrigeración y calefacción, ya que tiene una alta capacidad de enfriamiento volumétrico. Debido a la necesidad de operar a presiones de hasta 130 bares (1900 psi; 13 000 kPa), el CO ₂Los sistemas requieren depósitos de alta resistencia mecánica y componentes que ya han sido desarrollados para la producción en masa en muchos sectores. En el aire acondicionado de automóviles, en más del 90 % de todas las condiciones de manejo para latitudes superiores a 50°, el CO ₂ (R744) funciona de manera más eficiente que los sistemas que usan HFC (p. ej., R134a). Sus ventajas medioambientales (GWP de 1, no agotador de la capa de ozono, no tóxico, no inflamable) podrían convertirlo en el futuro fluido de trabajo para reemplazar los actuales HFC en automóviles, supermercados y calentadores de agua con bomba de calor, entre otros. Coca-Cola ha lanzado enfriadores de bebidas a base de CO ₂ y el Ejército de EE. UU. está interesado en la tecnología de calefacción y refrigeración con CO _2.

Usos menores

El dióxido de carbono es el medio láser en un láser de dióxido de carbono, que es uno de los primeros tipos de láser.

El dióxido de carbono se puede utilizar como un medio para controlar el pH de las piscinas, agregando continuamente gas al agua, evitando así que el pH aumente. Entre las ventajas de esto está el evitar el manejo de ácidos (más peligrosos). De manera similar, también se usa en el mantenimiento de acuarios de arrecife, donde se usa comúnmente en reactores de calcio para bajar temporalmente el pH del agua que pasa sobre carbonato de calcio para permitir que el carbonato de calcio se disuelva en el agua más libremente, donde es utilizado por algunos corales para construir su esqueleto.

Se utiliza como refrigerante principal en el reactor británico avanzado refrigerado por gas para la generación de energía nuclear.

La inducción de dióxido de carbono se usa comúnmente para la eutanasia de animales de investigación de laboratorio. Los métodos para administrar CO ₂ incluyen colocar a los animales directamente en una cámara cerrada y precargada que contiene CO _{2, o exponerlos a una concentración de CO 2} que aumenta gradualmente. Las pautas de 2020 de la Asociación Médica Veterinaria Estadounidense para la inducción de dióxido de carbono establecen que una tasa de desplazamiento del 30 % al 70 % del volumen de la cámara o jaula por minuto es óptima para la eutanasia humanitaria de pequeños roedores. Los porcentajes de CO ₂ varían para las diferentes especies, en función de los porcentajes óptimos identificados para minimizar la angustia.

El dióxido de carbono también se utiliza en varias técnicas relacionadas de limpieza y preparación de superficies.

En la atmósfera de la Tierra

El dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra es un gas traza, con una concentración global promedio de 415 partes por millón en volumen (o 630 partes por millón en masa) a finales del año 2020. Las concentraciones atmosféricas de CO ₂ fluctúan ligeramente con las estaciones, cayendo durante la primavera y el verano del hemisferio norte, cuando las plantas consumen el gas, y aumenta durante el otoño y el invierno del norte, cuando las plantas quedan inactivas o mueren y se descomponen. Las concentraciones también varían según la región, más fuertemente cerca del suelo con variaciones mucho menores en altura. En áreas urbanas, las concentraciones son generalmente más altas y en interiores pueden alcanzar 10 veces los niveles de fondo.

La concentración de dióxido de carbono ha aumentado debido a las actividades humanas. La extracción y quema de combustibles fósiles, utilizando carbono secuestrado durante muchos millones de años en la litosfera, ha provocado que la concentración atmosférica de CO ₂ aumente en aproximadamente un 50% desde el comienzo de la era de la industrialización hasta el año 2020. La mayor parte del CO ₂ de las actividades humanas se libera al quemar carbón, petróleo y gas natural. Otras grandes fuentes antropogénicas incluyen la producción de cemento, la deforestación y la quema de biomasa. Las actividades humanas emiten más de 30 mil millones de toneladas de CO ₂ (9 mil millones de toneladas de carbono fósil) por año, mientras que los volcanes emiten solo entre 0,2 y 0,3 mil millones de toneladas de CO ₂.Las actividades humanas han provocado que el CO ₂ aumente por encima de niveles no vistos en cientos de miles de años. Actualmente, aproximadamente la mitad del dióxido de carbono liberado por la quema de combustibles fósiles permanece en la atmósfera y no es absorbido por la vegetación ni por los océanos.

Si bien es transparente a la luz visible, el dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero que absorbe y emite radiación infrarroja en sus dos frecuencias vibratorias infrarrojas activas (consulte la sección "Estructura y unión" más arriba). La emisión de luz desde la superficie de la Tierra es más intensa en la región infrarroja entre 200 y 2500 cm, a diferencia de la emisión de luz del Sol mucho más caliente, que es más intensa en la región visible. La absorción de luz infrarroja a las frecuencias vibratorias del CO ₂ atmosférico atrapa energía cerca de la superficie, calentando la superficie y la atmósfera inferior. Menos energía llega a la atmósfera superior, que por lo tanto es más fría debido a esta absorción.

El aumento de las concentraciones atmosféricas de CO ₂ y otros gases de efecto invernadero de larga duración como el metano, el óxido nitroso y el ozono han reforzado su absorción y emisión de radiación infrarroja, provocando el aumento de la temperatura global media desde mediados del siglo XX. El dióxido de carbono es de gran preocupación porque ejerce una mayor influencia en el calentamiento general que todos estos otros gases combinados. Además, tiene un tiempo de vida atmosférico que aumenta con la cantidad acumulada de carbono fósil extraído y quemado, debido al desequilibrio que esta actividad ha impuesto en el ciclo rápido del carbono de la Tierra. Esto significa que una fracción (un 20-35 % proyectado) del carbono fósil transferido hasta ahora persistirá en la atmósfera como CO _{2 elevado.}niveles durante muchos miles de años después de que estas actividades de transferencia de carbono comiencen a disminuir.

_{El aumento de las concentraciones de CO 2} no solo conduce a aumentos en la temperatura global de la superficie, sino que el aumento de las temperaturas globales también provoca un aumento de las concentraciones de dióxido de carbono. Esto produce una retroalimentación positiva para los cambios inducidos por otros procesos, como los ciclos orbitales. Hace quinientos millones de años, la concentración de CO ₂ era 20 veces mayor que la actual, disminuyó de 4 a 5 veces durante el período Jurásico y luego disminuyó lentamente con una reducción particularmente rápida que ocurrió hace 49 millones de años.

Las concentraciones locales de dióxido de carbono pueden alcanzar valores altos cerca de fuentes fuertes, especialmente aquellas que están aisladas por el terreno circundante. En las aguas termales de Bossoleto cerca de Rapolano Terme en Toscana, Italia, situadas en una depresión en forma de cuenco de unos 100 m (330 pies) de diámetro, las concentraciones de CO ₂ superan el 75 % durante la noche, suficiente para matar insectos y animales pequeños. Después del amanecer, el gas se dispersa por convección. Se cree que las altas concentraciones de CO ₂ producidas por la perturbación de las aguas profundas del lago saturadas con CO _{2 causaron 37 muertes en el lago Monoun, Camerún en 1984 y 1700 muertes en el lago Nyos, Camerún en 1986.}

En los océanos

El dióxido de carbono se disuelve en el océano para formar ácido carbónico (H ₂ CO ₃), bicarbonato (HCO ₃) y carbonato (CO ₃). Hay unas cincuenta veces más dióxido de carbono disuelto en los océanos que en la atmósfera. Los océanos actúan como un enorme sumidero de carbono y han absorbido alrededor de un tercio del CO ₂ emitido por la actividad humana.

A medida que aumenta la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, el aumento de la absorción de dióxido de carbono en los océanos provoca una disminución medible del pH de los océanos, lo que se conoce como acidificación de los océanos. Esta reducción del pH afecta a los sistemas biológicos de los océanos, principalmente a los organismos calcificadores oceánicos. Estos efectos abarcan la cadena alimentaria desde autótrofos hasta heterótrofos e incluyen organismos como cocolitóforos, corales, foraminíferos, equinodermos, crustáceos y moluscos. En condiciones normales, el carbonato de calcio es estable en las aguas superficiales ya que el ion carbonato se encuentra en concentraciones sobresaturadas. Sin embargo, a medida que cae el pH del océano, también lo hace la concentración de este ion, y cuando el carbonato se vuelve insuficiente, las estructuras hechas de carbonato de calcio son vulnerables a la disolución. corales,Las algas cocolitóforas, las algas coralinas, los foraminíferos, los mariscos y los pterópodos experimentan una calcificación reducida o una disolución mejorada cuando se exponen a niveles elevados de CO₂.

La solubilidad del gas disminuye a medida que aumenta la temperatura del agua (excepto cuando la presión supera los 300 bar y la temperatura supera los 393 K, que solo se encuentran cerca de los respiraderos geotérmicos profundos) y, por lo tanto, la tasa de absorción de la atmósfera disminuye a medida que aumenta la temperatura del océano.

La mayor parte del CO ₂ absorbido por el océano, que es aproximadamente el 30% del total liberado a la atmósfera, forma ácido carbónico en equilibrio con bicarbonato. Algunas de estas especies químicas son consumidas por organismos fotosintéticos que eliminan el carbono del ciclo. El aumento de CO ₂ en la atmósfera ha provocado una disminución de la alcalinidad del agua de mar y existe la preocupación de que esto pueda afectar negativamente a los organismos que viven en el agua. En particular, con la disminución de la alcalinidad, la disponibilidad de carbonatos para formar caparazones disminuye, aunque hay evidencia de una mayor producción de caparazones por parte de ciertas especies bajo un mayor contenido _de CO2.

La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de EE. UU. (NOAA) afirma en su "Hoja informativa sobre el estado de la ciencia para la acidificación de los océanos" de mayo de 2008 que:

Los océanos han absorbido alrededor del 50% del dióxido de carbono (CO ₂) liberado por la quema de combustibles fósiles, lo que da como resultado reacciones químicas que reducen el pH del océano. Esto ha provocado un aumento de iones de hidrógeno (acidez) de alrededor del 30% desde el comienzo de la era industrial a través de un proceso conocido como "acidificación de los océanos". Un número creciente de estudios ha demostrado impactos adversos en los organismos marinos, que incluyen:

• La velocidad a la que los corales formadores de arrecifes producen sus esqueletos disminuye, mientras que aumenta la producción de numerosas variedades de medusas.
• Se reduce la capacidad de las algas marinas y del zooplancton que nada libremente para mantener capas protectoras.
• Se reduce la supervivencia de las especies marinas larvales, incluidos los peces y mariscos comerciales.

Además, el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés) escribe en su Informe de Síntesis sobre Cambio Climático 2007:

La absorción de carbono antropogénico desde 1750 ha llevado a que el océano se vuelva más ácido con una disminución promedio en el pH de 0,1 unidades. El aumento de las concentraciones atmosféricas de CO ₂ conduce a una mayor acidificación... Si bien los efectos de la acidificación oceánica observada en la biosfera marina aún no están documentados, se espera que la acidificación progresiva de los océanos tenga impactos negativos en los organismos marinos que forman las conchas (por ejemplo, los corales) y sus especies dependientes.

Algunos organismos marinos calcificadores (incluidos los arrecifes de coral) han sido señalados por las principales agencias de investigación, incluida la NOAA, la Comisión OSPAR, la Asociación del Noroeste de Sistemas de Observación del Océano en Red y el IPCC, porque su investigación más reciente muestra que la acidificación del océano debe esperarse. para impactarlos negativamente.

El dióxido de carbono también se introduce en los océanos a través de los respiraderos hidrotermales. El respiradero hidrotermal de Champagne, que se encuentra en el volcán Eifuku del noroeste en la Fosa de las Marianas, produce dióxido de carbono líquido casi puro, uno de los dos únicos sitios conocidos en el mundo a partir de 2004, el otro está en Okinawa Trough. En 2006 se informó del hallazgo de un lago submarino de dióxido de carbono líquido en el canal de Okinawa.

Rol biológico

El dióxido de carbono es un producto final de la respiración celular en organismos que obtienen energía al descomponer azúcares, grasas y aminoácidos con oxígeno como parte de su metabolismo. Esto incluye todas las plantas, algas y animales y hongos aerobios y bacterias. En los vertebrados, el dióxido de carbono viaja en la sangre desde los tejidos del cuerpo hasta la piel (p. ej., anfibios) o las branquias (p. ej., peces), desde donde se disuelve en el agua, o hacia los pulmones desde donde se exhala. Durante la fotosíntesis activa, las plantas pueden absorber más dióxido de carbono de la atmósfera del que liberan con la respiración.

Fotosíntesis y fijación de carbono.

La fijación de carbono es un proceso bioquímico mediante el cual las plantas, algas y (cianobacterias) incorporan dióxido de carbono atmosférico en moléculas orgánicas ricas en energía, como la glucosa, creando así su propio alimento mediante la fotosíntesis. La fotosíntesis utiliza dióxido de carbono y agua para producir azúcares a partir de los cuales se pueden construir otros compuestos orgánicos, y se produce oxígeno como subproducto.

La ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa oxigenasa, comúnmente abreviada como RuBisCO, es la enzima involucrada en el primer paso importante de la fijación de carbono, la producción de dos moléculas de 3-fosfoglicerato a partir de CO ₂ y ribulosa bisfosfato, como se muestra en el diagrama en izquierda.

Se cree que RuBisCO es la proteína más abundante en la Tierra.

Los fotótrofos utilizan los productos de su fotosíntesis como fuentes internas de alimento y como materia prima para la biosíntesis de moléculas orgánicas más complejas, como polisacáridos, ácidos nucleicos y proteínas. Estos se utilizan para su propio crecimiento y también como base de las cadenas y redes alimenticias que alimentan a otros organismos, incluidos animales como nosotros. Algunos fotótrofos importantes, los cocolitóforos, sintetizan escamas duras de carbonato de calcio. Una especie de cocolitóforo de importancia mundial es Emiliania huxleyi, cuyas escamas de calcita han formado la base de muchas rocas sedimentarias como la piedra caliza, donde lo que antes era carbono atmosférico puede permanecer fijo durante escalas de tiempo geológicas.

Las plantas pueden crecer hasta un 50 por ciento más rápido en concentraciones de 1000 ppm de CO ₂ en comparación con las condiciones ambientales, aunque esto supone que no hay cambios en el clima ni limitación de otros nutrientes. Los niveles elevados de CO ₂ provocan un mayor crecimiento que se refleja en el rendimiento cosechable de los cultivos, y el trigo, el arroz y la soja muestran aumentos en el rendimiento del 12 al 14 % con niveles elevados de CO ₂ en los experimentos FACE.

El aumento de las concentraciones atmosféricas de CO ₂ da como resultado que se desarrollen menos estomas en las plantas, lo que conduce a una reducción del uso de agua y una mayor eficiencia en el uso del agua. Los estudios que utilizan FACE han demostrado que el enriquecimiento de CO ₂ conduce a una disminución de las concentraciones de micronutrientes en las plantas de cultivo. Esto puede tener efectos colaterales en otras partes de los ecosistemas, ya que los herbívoros necesitarán comer más alimentos para obtener la misma cantidad de proteínas.

La concentración de metabolitos secundarios como fenilpropanoides y flavonoides también puede verse alterada en plantas expuestas a altas concentraciones de CO ₂.

Las plantas también emiten CO ₂ durante la respiración, por lo que la mayoría de las plantas y algas, que utilizan la fotosíntesis C3, son solo absorbentes netos durante el día. Aunque un bosque en crecimiento absorberá muchas toneladas de CO ₂ cada año, un bosque maduro producirá tanto CO ₂ a partir de la respiración y descomposición de especímenes muertos (p. ej., ramas caídas) como el que se utiliza en la fotosíntesis de las plantas en crecimiento. Contrariamente a la opinión de larga data de que son neutrales en carbono, los bosques maduros pueden continuar acumulando carbono y seguir siendo valiosos sumideros de carbono, lo que ayuda a mantener el equilibrio de carbono en la atmósfera de la Tierra. Además, y de manera crucial para la vida en la tierra, la fotosíntesis del fitoplancton consume CO _{2 disuelto}en la parte superior del océano y por lo tanto promueve la absorción de CO ₂ de la atmósfera.

Toxicidad

El contenido de dióxido de carbono en el aire fresco (promediado entre el nivel del mar y el nivel de 10 kPa, es decir, a unos 30 km (19 mi) de altitud) varía entre 0,036 % (360 ppm) y 0,041 % (412 ppm), dependiendo de la ubicación.

El CO ₂ es un gas asfixiante y no está clasificado como tóxico o nocivo de acuerdo con los estándares del Sistema Globalmente Armonizado de Clasificación y Etiquetado de Productos Químicos de la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas mediante el uso de las Directrices de la OCDE para la Prueba de Productos Químicos. En concentraciones de hasta el 1% (10,000 ppm), hará que algunas personas se sientan somnolientas y les dará una sensación de congestión en los pulmones. Las concentraciones del 7 % al 10 % (70 000 a 100 000 ppm) pueden causar asfixia, incluso en presencia de suficiente oxígeno, manifestándose como mareos, dolor de cabeza, disfunción visual y auditiva e inconsciencia en unos pocos minutos a una hora. Los efectos fisiológicos de la exposición aguda al dióxido de carbono se agrupan bajo el término hipercapnia, un subconjunto de la asfixia.

Debido a que es más pesado que el aire, en lugares donde el gas se filtra desde el suelo (debido a la actividad volcánica o geotérmica del subsuelo) en concentraciones relativamente altas, sin los efectos de dispersión del viento, puede acumularse en lugares protegidos/con cavidades debajo del suelo promedio. nivel, provocando la asfixia de los animales que se encuentren en él. Los carroñeros atraídos por los cadáveres también son asesinados. Los niños han muerto de la misma manera cerca de la ciudad de Goma por las emisiones de CO ₂ del volcán cercano Monte Nyiragongo. El término swahili para este fenómeno es 'mazuku'.

En los seres humanos se produce una adaptación a mayores concentraciones de CO ₂, incluida la modificación de la respiración y la producción de bicarbonato renal, para equilibrar los efectos de la acidificación de la sangre (acidosis). Varios estudios sugirieron que las concentraciones inspiradas del 2,0 por ciento podrían usarse para espacios aéreos cerrados (por ejemplo, un submarino) ya que la adaptación es fisiológica y reversible, ya que el deterioro en el rendimiento o en la actividad física normal no ocurre a este nivel de exposición durante cinco días. Sin embargo, otros estudios muestran una disminución en la función cognitiva incluso en niveles mucho más bajos. Además, con acidosis respiratoria en curso, los mecanismos de adaptación o compensación no podrán revertir dicha condición.

Por debajo del 1%

Hay pocos estudios sobre los efectos en la salud de la exposición continua a largo plazo al CO ₂ en humanos y animales a niveles inferiores al 1 %. Los límites de exposición ocupacional al CO ₂ se han establecido en los Estados Unidos en 0,5 % (5000 ppm) durante un período de ocho horas. Con esta concentración de CO ₂, la tripulación de la Estación Espacial Internacional experimentó dolores de cabeza, letargo, lentitud mental, irritación emocional y trastornos del sueño. Los estudios en animales a 0,5% de CO ₂ han demostrado calcificación renal y pérdida ósea después de ocho semanas de exposición. Un estudio de seres humanos expuestos en sesiones de 2,5 horas demostró efectos negativos significativos sobre las capacidades cognitivas en concentraciones tan bajas como 0,1 % (1000 ppm) de CO ₂probablemente debido a los aumentos inducidos por el CO ₂ en el flujo sanguíneo cerebral. Otro estudio observó una disminución en el nivel de actividad básica y el uso de información a 1000 ppm, en comparación con 500 ppm. Sin embargo, una revisión de la literatura encontró que la mayoría de los estudios sobre el fenómeno del dióxido de carbono indujo el deterioro cognitivo para tener un efecto pequeño en la toma de decisiones de alto nivel y la mayoría de los estudios se confundieron por diseños de estudio inadecuados, comodidad ambiental, incertidumbres en las dosis de exposición y diferentes evaluaciones cognitivas utilizadas. De igual manera un estudio sobre los efectos de la concentración de CO ₂en cascos de moto ha sido criticado por tener una metodología dudosa al no anotar los autoinformes de los motociclistas y tomar medidas con maniquíes. Además, cuando se alcanzaron las condiciones normales de la motocicleta (como velocidades de autopista o ciudad) o se levantó la visera, la concentración de CO ₂ disminuyó a niveles seguros (0,2 %).

Ventilación

La mala ventilación es una de las principales causas de concentraciones excesivas de CO ₂ en espacios cerrados. El diferencial de dióxido de carbono por encima de las concentraciones exteriores en condiciones de estado estable (cuando la ocupación y la operación del sistema de ventilación son lo suficientemente largas como para que la concentración de CO ₂ se haya estabilizado) a veces se usa para estimar las tasas de ventilación por persona. Las concentraciones más altas de CO _{2 están asociadas con la salud de los ocupantes, la comodidad y la degradación del rendimiento.}Las tasas de ventilación de la norma ASHRAE 62.1–2007 pueden dar como resultado concentraciones en interiores de hasta 2100 ppm por encima de las condiciones ambientales al aire libre. Por lo tanto, si la concentración en el exterior es de 400 ppm, las concentraciones en el interior pueden alcanzar las 2500 ppm con índices de ventilación que cumplan con este estándar de consenso de la industria. Concentraciones en espacios mal ventilados se pueden encontrar incluso más altas (rango de 3.000 o 4.000 ppm).

Los mineros, que son particularmente vulnerables a la exposición al gas debido a una ventilación insuficiente, se refieren a las mezclas de dióxido de carbono y nitrógeno como "humedad negra", "humedad de asfixia" o "guadaña". Antes de que se desarrollaran tecnologías más efectivas, los mineros monitoreaban con frecuencia los niveles peligrosos de humedad negra y otros gases en los pozos de las minas trayendo consigo un canario enjaulado mientras trabajaban. El canario es más sensible a los gases asfixiantes que los humanos, y cuando pierde el conocimiento deja de cantar y se cae de su percha. La lámpara Davy también podría detectar altos niveles de humedad negra (que se hunde y se acumula cerca del piso) al arder con menos brillo, mientras que el metano, otro gas sofocante y riesgo de explosión, haría que la lámpara arda con más brillo.

En febrero de 2020, tres personas murieron asfixiadas en una fiesta en Moscú cuando se añadió hielo seco (CO ₂ congelado) a una piscina para enfriarla. Un accidente similar ocurrió en 2018 cuando una mujer murió a causa de los vapores de CO ₂ que emanaban de la gran cantidad de hielo seco que transportaba en su automóvil.

Fisiología humana

Contenido

compartimento de sangre	(kPa)	(mm Hg)
Dióxido de carbono en sangre venosa	5,5–6,8	41–51
Presiones de gas pulmonar alveolar	4.8	36
Dióxido de carbono en sangre arterial	4,7–6,0	35–45

El cuerpo produce aproximadamente 2,3 libras (1,0 kg) de dióxido de carbono por día por persona, que contiene 0,63 libras (290 g) de carbono.En los humanos, este dióxido de carbono se transporta a través del sistema venoso y se exhala a través de los pulmones, lo que da como resultado concentraciones más bajas en las arterias. El contenido de anhídrido carbónico de la sangre a menudo se da como la presión parcial, que es la presión que habría tenido el anhídrido carbónico si él solo ocupara el volumen. En humanos, el contenido de dióxido de carbono en la sangre se muestra en la tabla adyacente.

Transporte en la sangre

El CO ₂ se transporta en la sangre de tres formas diferentes. (Los porcentajes exactos varían según se trate de sangre arterial o venosa).

• La mayor parte (alrededor del 70% al 80%) se convierte en iones de bicarbonato HCO₃por la enzima anhidrasa carbónica en los glóbulos rojos, por la reacción CO ₂ + H₂O → H₂CO₃→ H+ HCO₃.
• 5–10% se disuelve en el plasma
• 5 a 10% se une a la hemoglobina como compuestos carbamino

La hemoglobina, la principal molécula transportadora de oxígeno en los glóbulos rojos, transporta tanto oxígeno como dióxido de carbono. Sin embargo, el CO ₂ unido a la hemoglobina no se une al mismo sitio que el oxígeno. En cambio, se combina con los grupos N-terminales en las cuatro cadenas de globina. Sin embargo, debido a los efectos alostéricos sobre la molécula de hemoglobina, la unión de CO ₂ disminuye la cantidad de oxígeno que se une para una presión parcial de oxígeno determinada. Esto se conoce como el efecto Haldane y es importante en el transporte de dióxido de carbono desde los tejidos hasta los pulmones. Por el contrario, un aumento en la presión parcial de CO ₂ o un pH más bajo provocará una descarga de oxígeno de la hemoglobina, lo que se conoce como efecto Bohr.

Regulación de la respiración

El dióxido de carbono es uno de los mediadores de la autorregulación local del riego sanguíneo. Si su concentración es alta, los capilares se expanden para permitir un mayor flujo de sangre a ese tejido.

Los iones de bicarbonato son cruciales para regular el pH de la sangre. La frecuencia respiratoria de una persona influye en el nivel de CO ₂ en su sangre. La respiración demasiado lenta o superficial provoca acidosis respiratoria, mientras que la respiración demasiado rápida provoca hiperventilación, que puede causar alcalosis respiratoria.

Aunque el cuerpo requiere oxígeno para el metabolismo, los niveles bajos de oxígeno normalmente no estimulan la respiración. Más bien, la respiración es estimulada por niveles más altos de dióxido de carbono. Como resultado, respirar aire a baja presión o una mezcla de gases sin nada de oxígeno (como el nitrógeno puro) puede provocar la pérdida del conocimiento sin experimentar hambre de aire. Esto es especialmente peligroso para los pilotos de combate de gran altitud. También es por eso que los asistentes de vuelo instruyen a los pasajeros, en caso de pérdida de presión en la cabina, que se apliquen primero la máscara de oxígeno antes de ayudar a los demás; de lo contrario, uno corre el riesgo de perder el conocimiento.

Los centros respiratorios tratan de mantener una presión de CO ₂ arterial de 40 mm Hg. Con la hiperventilación intencional, el contenido de CO ₂ de la sangre arterial puede disminuir a 10 a 20 mm Hg (el contenido de oxígeno de la sangre se ve poco afectado) y el impulso respiratorio disminuye. Esta es la razón por la cual uno puede contener la respiración por más tiempo después de hiperventilar que sin hiperventilar. Esto conlleva el riesgo de que se pierda el conocimiento antes de que la necesidad de respirar se vuelva abrumadora, razón por la cual la hiperventilación es particularmente peligrosa antes del buceo libre.