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Anidride carbonica

Proprietà e caratteristiche dell'anidride carbonica

L'anidride carbonica o diossido di carbonio o -impropriamente- biossido di carbonio è un composto inorganico con formula chimica CO2.

E' un gas incolore, debolmente acido, inodore e di sapore acidulo. E' più pesante dell'aria; per questo motivo, nelle località in cui essa emana dal terreno rimane negli strati bassi del suolo. Tale è il caso che si verifica nella "grotta del cane" presso Pozzuoli, così chiamata perchè un cane, entrando nella grotta, resta asfissiato mentre l'uomo, in piedi, non risente di alcun danno.

L'anidride carbonica si produce per combustione di sostanze contenenti carbonio, durante la respirazione cellulare, nelle fermentazioni e putrefazioni; si trova inoltre in alcune acque minerali, nelle emanazioni vulcaniche ed in certe emanazioni gassose naturali. Sorgenti naturali di anidride carbonica si riscontrano in terreni vulcanici.

L'aria atmosferica ne contiene circa lo 0,03% in volume e questa quantità rimane sensibilmente costante.

La solubilità in acqua è proporzionale alla pressione e diminuisce con l'aumentare della temperatura. E' inoltre solubilissima in alcool, etere etilico ed acetone. Si può presentare sia allo stato gassoso, liquido che solido (ghiaccio secco).

L'anidride carbonica liquida, per rapida evaporazione, assorbe tanto calore da solidificare la CO2 restante, trasformandosi in una massa solida nivea (neve carbonica).

L'aumento della quantità di anidride carbonica nell'atmosfera è responsabile dell'effetto serra.

Alla temperatura di 0°C e alla pressione di 1 atm la densità dell'anidride carbonica vale 1,976 kg/m3.

Cenni storici

Per quanto gli antichi conoscessero gli effetti letali dovuti all'anidride carbonica (lo spiritus letalis di Plinio probabilmente è da riferire a questa sostanza), e gli amanti dell'alchimia del secolo XVI indicassero con i nomi di spiritus mineralis o spiritus sylvestris l'aria mefitica, essa fu riconosciuta diversa dagli altri gas noti solo nel secolo XVII da Van Helmont, che la chiamò gas silvestre. Egli notò la sua formazione per combustione del carbone e la sua identità col gas che si sviluppa per azione dell'aceto sul marmo, nella fermentazione ordinaria, e che si trova in alcune caverne ed anfrattuosità del terreno.

Black (1757) ottenne l'anidride carbonica per azione degli acidi sulla creta e la chiamò aria fissa; inoltre, osservò che essa impedisce la vita degli animali e che si forma durante la respirazione.

Bergman e Priestley la chiamarono gas cretoso o fluido elastico e ne perfezionarono i metodi di preparazione e di purificazione.

Felice Fontana osservò che l'anidride carbonica si forma nell'interno dell'organismo animale e viene emessa durante la respirazione.

Finalmente Lavoisier (1780) riconobbe l'anidride carbonica come un composto del carbonio con l'ossigeno.

Struttura dell'anidride carbonica

La molecola dell'anidride carbonica è lineare. L'atomo di carbonio è legato a ciascun atomo di ossigeno da un doppio legame covalente.

struttura dell'anidride carbonica

Grazie alla sua elevata simmetria la molecola dell'anidride carbonica è non polare.

Soluzioni acquose di anidride carbonica

La soluzione acquosa dell'anidride carbonica si comporta come un acido debole, bibasico, al quale si attribuisce la formula H2CO3 sebbene questo acido non sia mai stato isolato. Esso infatti appena si forma si scinde quasi completamente (circa il 99%) secondo la seguente equazione chimica:

H2CO3 <==> H2O + CO2

Tuttavia, la piccola quantità di CO2 che si combina con l'acqua si dissocia negli ioni H+ e HCO3- secondo la seguente equazione:

H2CO3 <==> H+ + HCO3-

In una soluzione acquosa di CO2 esistono quindi due equilibri chimici simultanei riferiti entrambi all'acido carbonico che possiamo rappresentare nella forma seguente:

H2O + CO2 <==> H2CO3 <==> H+ + HCO3-

Poichè due specie in equilibrio con una stessa specie sono anche in equilibrio tra di loro, possiamo scrivere più semplicemente:

H2O + CO2 <==> H+ + HCO3-

Lo ione HCO3- può a sua volta dissociarsi in ione idrogeno H+ e ione carbonato CO32-:

HCO3- <==> H+ + CO32-

Diagramma di stato dell'anidride carbonica

Se ti interessa lo trovi qui: diagramma di stato dell'anidride carbonica.

Sintesi dell'anidride carbonica

La CO2 proviene da diverse origini:

  • combustione di coke, nafta o metano;
  • processi di fermentazione (distillerie, birrerie, ecc.);
  • sorgenti naturali;
  • sottoprodotto da impianti di produzione dell'ammoniaca.

Si può preparare CO2 recuperando l'anidride carbonica contenuta nelle sorgenti naturali se queste non sono troppo ricche in gas solforosi, altrimenti la purificazione presenta difficoltà e richiede costosi impianti, diventando di conseguenza antieconomica.

Un'altra fonte di anidride carbonica è costituita dai gas di recupero industriali (gas di fermentazione delle distillerie e delle birrerie, gas residui della preparazione dell'idrogeno dal gas d'acqua e dal metano, ecc.). Le fabbriche di birra e le distillerie di alcool dispongono infatti di un'abbondante produzione di anidride carbonica in parte recuperabile, dopo essere stata accuratamente depurata e deodorata.

Anche nella preparazione di ammoniaca sintetica si ottiene molta anidride carbonica proveniente dalla conversione dell'ossido di carbonio dal gas d'acqua.

L'anidride carbonica viene venduta liquefatta in bombole a 60-70 atm, che in genere ne contengono 10-20 kg; per rifornire grossi consumatori si usano cisterne ferroviarie o autocisterne.

In laboratorio è possibile ottenere l'anidride carbonica facendo reagire un carbonato (generalmente carbonato di calcio, sotto forma di marmo) con acido cloridrico:

CaCO3 + HCl → CaCl2 + H2O + CO2(gas)

Si può ottenere anche decomponendo i carbonati metallici (tutti ad eccezione di quelli dei metalli alcalini) ad alta temperatura (850-900°C):

CaCO3 → CaO + CO2

oppure decomponendo i bicarbonati sempre ad alta temperatura:

2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2

Usi dell'anidride carbonica

Una grande quantità di anidride carbonica è usata per preparare bevande gassate, nella conservazione dei cibi e nella fabbricazione della soda "Solvay" nome commerciale del carbonato di sodio (per info si veda: processo Solvay).

Per le sue proprietà germicide, l'anidride carbonica viene pure impiegata per la conservazione di succhi di frutta che non devono subire la fermentazione e mantenere inalterati il sapore e l'aroma. A tale scopo i succhi immagazzinati in grandi serbatoi in acciaio inossidabile od in acciaio comune protetti internamente da un rivestimento neutro, vengono saturati con CO2.

L'anidride carbonica viene anche usata per il travaso della birra, che a contatto dell'aria si ossiderebbe.

In miscela con l'ossido di etilene (CO2/C2H4 = 12 : 1 circa) l'anidride carbonica viene usata come insetticida nei silos dei cereali e di altre derrate alimentari (fichi secchi e datteri).

Per il suo potere anticomburente l'anidride carbonica viene usata come agente estintore. Infatti la CO2 liquida espandendosi condensa in neve carbonica circa il 40% del gas: di conseguenza la temperatura si abbassa intorno a -78 °C e si ha assorbimento di una grande quantità delle calorie sviluppate dall'incendio. L'azione è amplificata anche perchè essendo l'anidride carbonica più pesante dell'aria isola la fiamma dall'aria circostante e la soffoca.

In fonderia da oramai diversi anni l'anidride carbonica viene usata per l'indurimento delle forme e delle anime.

L'anidride carbonica ha ancora, oltre a queste, molteplici applicazioni nell'industria meccanica e chimica.

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