Hiilidioksidi

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Hiilidioksidi

Carbon-dioxide-3D-vdW.svg

Carbon-dioxide.svg

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 1600 kg/m3 (kiinteä)
1,98 kg/m3 (kaasu)
Liukoisuus veteen 1,45 kg / 1 000 l
Hiilidioksidikuplia virvoitusjuomassa

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 tukahduttaa ihmisen.

Hiilidioksidia esiintyy maan ilmakehässä luontaisesti pieninä pitoisuuksina. Hiilidioksidin luontainen pitoisuus vaihtelee vuorokauden ja vuodenajan mukaan ollen keskimäärin 0,028 % eli 280 miljoonasosaa tilavuudesta.

Maaliskuussa 2009 ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli keskimäärin 0,0387 % eli 387 miljoonasosaa ollen siten noin 38 prosenttia luontaiseksi määriteltyä tasoa suurempi[2]. Ihmisen aiheuttamia hiilidioksidipäästöjä syntyy muun muassa liikenteestä, energiantuotannosta ja teollisuudesta. Ihmiskunnan hiilidioksidipäästöt olivat 29 miljardia tonnia vuonna 2006[3].

Hiilidioksidia syntyy hiilipitoisten aineiden palamistuotteena, kuten palaessa sekä soluhengityksessä. Kasvit käyttävät sitä raaka-aineena orgaanisten yhdisteiden valmistuksessa eli yhteyttämisessä. Hiilidioksidi sisältää painon mukaan 27 % hiiltä, ja siinä on lähes kaikki ilmakehässä esiintyvä hiili, jos mm. kivihiilen, turpeen ja puun polttamisessa syntyviä PAH-yhdisteitä ei oteta huomioon.

Hiilidioksidi on merkittävä ilmastoa lämmittävä[4]kasvihuonekaasu, koska se päästää näkyvän valon lävitseen, mutta absorboi voimakkaasti infrapuna- eli lämpösäteilyä. Näin tekee myös vesihöyry, jota on ilmakehässä noin 1-4 % eli noin tuhatkertaisesti hiilidioksidiin nähden.

Löytöhistoria[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hiili­dioksidin keksijänä 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).[5] Tarkemmin sen ominaisuuksia tutki Joseph Black, joka vuonna 1756 havaitsi sitä muodostuvan kuumennettaessa magnesia albaa eli magnesiumkarbonaattia.[6] Hän kutsui sitä "sitoutuneeksi ilmaksi".[7] Vuonna 1778 Joseph Priestley havaitsi, että tätä kaasua sisältävässä vedessä kasvit tuottivat "deflogistoitunutta ilmaa" eli happea[8], mikä havainto pian johti yhteyttämisen luonteen selvittämiseen.[9] Samoihin aikoihin Antoine Laurent Lavoisier selvitti palamisen luonteen ja osoitti, että tämä kaasu on hiilen ja hapen yhdiste.

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hiilidioksidia käytetään teollisuudessa mm. elintarvikkeiden jäähdytyksessä ja pakastamisessa, virvoitusjuomien ja oluen 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).[10] Lisäksi hiilidioksidia käytetään kirurgisissa leikkauksissa.[11]

Kuivajää[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kuivajää muodostaa "savua" 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Globaali näkökulma[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viimeaikaiset muutokset maan ilmakehän CO2-pitoisuuksissa. 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[12], 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.[13]

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 nousee yli 450 ppm, Grönlanti ja läntinen Antarktis todennäköisesti sulavat tulevaisuudessa. 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.[14]

Hiilidioksidi hengitysilmassa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rakennusten sisäilmassa hiilidioksidin pitoisuus saattaa helposti nousta moninkertaiseksi ilmakehän keskimääräiseen pitoisuuteen verrattuna, jos rakennuksessa oleskelee hiilidioksidia tuottavia eläimiä, kuten ihmisiä tai kotieläimiä. Asumisterveysohjeen[15] mukaan sisäilma ei enää täytä terveydensuojelulain vaatimuksia, jos hiilidioksidipitoisuus on yli 2 700 mg/m3 eli 1 500 ppm. Jo tätä pienemmät pitoisuudet voivat aiheuttaa väsymystä, päänsärkyä ja työskentelytehon huononemista. Tyydyttävän ilmanlaadun rajana pidetään 1200 ppm:n pitoisuutta.


Suomen hiilidioksidipäästöt polttoaineittain (milj. t CO2)[16] Muutos
1990 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006* 2000-6
Öljyt 27,9 25,7 26,1 26,5 26,5 26,5 26,0 26,1 0,4
Kivihiili & muu hiili 14,9 12,9 14,5 16,1 21,7 19,4 11,2 19,1 6,2
Maakaasu 5,0 7,8 8,4 8,4 9,3 8,9 8,2 8,7 0,9
Turve 5,6 6,5 9,1 9,6 10,6 9,3 7,2 9,8 3,3
Puu 19,1 29,3 28,1 30,3 30,9 32,2 29,9 33,8 -
Yhteensä 53,1 53,4 58,5 61,1 68,7 64,6 52,4 64,1 10,7
* = ennakkotieto, yhteensä ei sisällä puun hiilidioksidia
Hiilidioksidin
ominaispäästökertoimia
Polttoaine (g CO2 / kWh)[17]
Maakaasu 198
Nestekaasut 234
Lentopetroli 264
Moottoribensiinit 262
Dieselöljy 265
Kevyt polttoöljy 267
Raskas polttoöljy 284
Kivihiili 341
Jyrsinturve 381
Koksi 389
Puutähde 395
Mustalipeä 395

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. "Carbon Dioxide as a Fire Suppressant: Examining the Risks", U.S. Environmental Protection Agency:. 
  2. Mauna Loa CO2 annual mean data from NOAA. "Trend" data was used. See also: Trends in Carbon Dioxide from NOAA.
  3. http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/emissions.html
  4. Causes of Climate Change United States Environmental Protection Agency. Viitattu 22.3.2013. (englanniksi)
  5. Löytöretki happamuuteen - kemian historiaa, Jan Babtist van Helmont (1577-1644) Helsingin yliopisto. Viitattu 17.7.2010.
  6. John Hudson: Suurin tiede - kemian historiaa, s. 87-88. Suom. Kimmo Pietiläinen. Art House, 2002. ISBN 951-884-346-5.
  7. Reijo Rasinkangas: Tieteen ja ajattelun historiaa – Uusi aika I Oulun yliopisto. Viitattu 21. kesäkuuta 2007.
  8. Hudson, s. 94
  9. A. G. Morton: Kasvitieteen historia. Suom. Johannes Enroth, Ilkka Kukkonen. Gaudeamus, 1999. ISBN 951-662-756-0.
  10. (OVA-kortti: Hiilidioksidi)
  11. www.aga.fi/international/web/lg/fi/like35agafi.nsf/docbyalias/gasschool_co2_sol| AGA Oy, hiilidioksidin käyttökohteet
  12. NOAA Global Monitoring Division (Noaa.gov)
  13. Climate Change 2001: The Scientific Basis
  14. Carbon’s New Math, National Geography 10 3007 s.33 (in English)
  15. Sosiaali- ja terveysministeriön oppaita, 2003:1
  16. Energiatilasto 11.3.1, Energia 2007, Tilastokeskus
  17. Energiatilasto, Vuosikirja 2006, Tilastokeskus, Helsinki 2006

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]