L’anidride carbonica è un gas incolore e inodore presente in tutta la nostra atmosfera e immagazzinato nell’oceano, nelle rocce e in molte altre sostanze. Potresti aver sentito parlare molto di questo composto negli ultimi anni. Si ritiene che l’aumento dei livelli di anidride carbonica sia uno dei principali fattori che contribuiscono al cambiamento climatico. La concentrazione di questo gas serra nell’atmosfera aumenta di anno in anno, spinta in parte dal consumo di combustibili fossili. Eppure l’anidride carbonica è un composto così necessario che la vita sul nostro pianeta non potrebbe esistere senza di essa. Le piante usano l’anidride carbonica e producono l’ossigeno da cui dipendono tanti altri organismi. Facciamo affidamento sull’anidride carbonica, ma dobbiamo trovare un modo per mantenerla in equilibrio. In questo articolo scopriremo la massa molare dell’anidride carbonica e come questo gas si confronta con altri composti.
Le piante da sole non possono tenere il passo con la produzione di anidride carbonica nella nostra era industriale.
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La massa molare dell’anidride carbonica
Ogni sostanza pura, ovvero ogni elemento o composto chimico, ha una massa molare definita. La massa molare di una sostanza influenza le sue proprietà fisiche e chimiche. La massa molare di una sostanza è semplicemente la massa, in grammi, di una mole di quella sostanza.
Un composto è una sostanza formata da due o più atomi in un rapporto definito. Anidride carbonica, di formula molecolare CO2, è formato da un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno. La massa atomica dell’anidride carbonica è di 44,01 unità di massa atomica e la sua massa molare è di 44,01 grammi per mole.
In chimica, una talpa è un determinato numero di particelle, siano esse atomi o molecole. Quel numero è una costante, il che significa che è lo stesso numero esatto in ogni circostanza. Il numero di particelle in una mole di qualsiasi sostanza è di circa 6,022 × 1023 unità, noto anche come numero di Avogadro o costante di Avogadro. Questa costante, che prende il nome dallo scienziato italiano Amadeo Avogadro, è essenziale per comprendere la chimica e come funziona il mondo.
Calcolo della massa molare dell’anidride carbonica
Nell’anidride carbonica, che è un composto, la particella più piccola della sostanza è la CO2 molecola. Ciò significa che ci sono 6,022 × 1023 molecole di CO2 in ogni mole di anidride carbonica. Ma all’interno di ogni molecola di CO2, ci sono due atomi di ossigeno e un atomo di carbonio. Pertanto, in una mole di anidride carbonica, ci sono due moli di atomi di ossigeno e una mole di atomi di carbonio.
La massa molare di ciascun elemento sulla tavola periodica è semplicemente la sua massa atomica espressa in grammi. La massa atomica di un elemento è determinata sommando il numero di protoni più il numero medio di elettroni in tutti gli isotopi conosciuti, pesati dalla loro proporzione come si trova in natura. Questo numero può essere trovato sulla tavola periodica, di solito appena sotto il simbolo dell’elemento.
Il carbonio, elemento numero sei nella tavola periodica, ha una massa atomica misurata di 12.011 unità di massa atomica. La sua massa molare, quindi, è pari a 12,011 grammi per mole. L’ossigeno, elemento numero otto della tavola periodica, ha una massa atomica di 15,999 unità di massa atomica e una massa molare di 15,999 grammi per mole. Pertanto, la massa molare dell’anidride carbonica sarebbe uguale alla massa molare di una mole di carbonio più due moli di ossigeno.
Anidride carbonica nell’atmosfera
L’anidride carbonica non è un gas particolarmente abbondante nell’atmosfera. Rappresenta solo lo 0,04% circa dell’atmosfera, rispetto all’ossigeno, che costituisce il 21%, e all’azoto, che rappresenta il 78%. Tuttavia, l’anidride carbonica è un componente estremamente importante per la sua capacità di intrappolare e riflettere il calore. Gli scienziati stimano che l’atmosfera contenesse circa 280 parti per milione di anidride carbonica prima della rivoluzione industriale. Sulla base dei dati prelevati dalle carote di ghiaccio, il livello di anidride carbonica è rimasto stabile all’incirca allo stesso livello per quasi 12.000 anni. La situazione è cambiata con la combustione di massa di combustibili fossili iniziata meno di 200 anni fa.
Secondo la National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA, la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera è salita a circa 315 parti per milione entro il 1960. A maggio 2023, la quantità di anidride carbonica nell’atmosfera ha raggiunto 423 parti per milione e continua salire. Si tratta di un aumento di oltre il 50% rispetto ai livelli costanti del periodo preindustriale.
Da dove viene l’anidride carbonica?
La maggior parte di noi ha imparato in giovane età che l’anidride carbonica proviene dagli esseri umani e da molti altri organismi viventi. Respiriamo ossigeno e il nostro corpo lo converte in energia e il prodotto di scarto, anidride carbonica. Le piante, a loro volta, assorbono anidride carbonica ed emettono ossigeno. È un bellissimo ciclo che permette alla vita su questo pianeta di prosperare.
Quello che molti di noi non imparano è che l’anidride carbonica proviene anche da molte altre fonti. Il consumo di combustibili fossili, tra l’altro per il trasporto e la produzione di elettricità, rilascia nell’aria anidride carbonica immagazzinata. Anche le reazioni chimiche che avvengono durante la fabbricazione dei beni, inclusi tutti i tipi di plastica, provocano il rilascio del composto. L’attività vulcanica o geotermica può rilasciare il gas e anche l’industria agricola aumenta le emissioni di anidride carbonica.
Stati fisici dell’anidride carbonica
L’anidride carbonica esiste solo come gas a temperatura e pressione standard. Ha una densità misurata circa 1,5 volte quella dell’aria secca, ma si mescola bene nell’atmosfera. Il composto non forma mai un liquido a pressione standard. Si liquefa solo a pressioni superiori a 5,11 atmosfere.
Se raffreddata a temperature molto basse, l’anidride carbonica si congela o forma un solido. Ciò accade a circa -78,5 °C, o circa -109,3 °F, a pressione standard. L’anidride carbonica allo stato solido è nota come ghiaccio secco. Se la temperatura viene aumentata oltre il punto di congelamento, il composto tornerà direttamente allo stato gassoso in un processo noto come sublimazione.
Il ghiaccio secco ha molti usi, tra cui la liofilizzazione o il congelamento rapido di alimenti e campioni medici, mantenere le cose fredde dove la refrigerazione standard non è un’opzione, rimuovere verruche, montare tubi metallici, creare effetti teatrali spettrali e molto altro ancora. Uno dei motivi per cui il ghiaccio secco è così efficace è che non si trasforma in un liquido alla pressione atmosferica standard. Ciò significa che non c’è confusione quando l’anidride carbonica congelata ritorna al suo stato gassoso. Naturalmente, quando il gas della sublimazione del ghiaccio secco viene rilasciato nuovamente nell’aria, si aggiunge, seppur minimamente, alla composizione percentuale di anidride carbonica nell’atmosfera, quindi dovrebbe essere usato con giudizio.
Il ghiaccio secco subisce sublimazione, passando direttamente da solido a gas, a pressione standard.
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Struttura atomica dell’anidride carbonica
L’anidride carbonica ha una struttura lineare con l’atomo di carbonio al centro e gli atomi di ossigeno ai lati. Il carbonio ha quattro elettroni nel suo guscio esterno, ma vuole avere otto elettroni nel guscio esterno per ottenere la configurazione stabile del gas nobile più vicino, il neon. L’ossigeno ha sei elettroni nel suo guscio esterno e allo stesso modo vuole raggiungere una configurazione stabile con otto elettroni nel guscio esterno. Il carbonio può legarsi a due atomi di ossigeno condividendo due dei suoi elettroni con ciascun ossigeno. Ogni ossigeno, a sua volta, condivide due dei suoi elettroni con l’atomo di carbonio.
Attraverso questa condivisione, o legame covalente, l’atomo di carbonio nell’anidride carbonica forma un forte doppio legame con ciascun atomo di ossigeno. Gli elettroni si muovono a una velocità incredibile attorno agli atomi legati, trascorrendo del tempo negli orbitali esterni di ciascun atomo in una sorta di disposizione di condivisione del tempo super veloce. Il carbonio finisce con i suoi quattro elettroni, più due da ogni ossigeno, mentre ogni ossigeno finisce con i suoi sei elettroni originali più due che estrae dal carbonio. Ogni atomo nel composto gode di una configurazione stabile di otto elettroni almeno parte del tempo.
Un atomo di carbonio si lega a due atomi di ossigeno in una struttura lineare per formare anidride carbonica.
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La forma lineare dell’anidride carbonica risulta dagli atomi di ossigeno che si orientano attorno all’atomo di carbonio in modo tale da darsi reciprocamente il massimo spazio. Tuttavia, la molecola non mantiene una forma rigida e lineare. In realtà vibra continuamente e cambia forma, molto leggermente, più e più volte, proprio come altre molecole lineari che contengono più di due atomi.
Altri composti familiari
Monossido di carbonio
Il monossido di carbonio, un gas potenzialmente mortale, è composto da un atomo di carbonio e un atomo di ossigeno. Con una formula molecolare, CO, il monossido di carbonio ha una massa molare di 28,01 grammi per mole. Il monossido di carbonio si forma attraverso la combustione incompleta di sostanze a base di carbonio. Questi possono includere gas naturale, propano, carbone, carbone di legna, benzina, petrolio, cherosene o persino legno. Il monossido di carbonio è incolore e inodore, ma è tossico per l’uomo e altri animali. Si lega all’emoglobina, impedendo il trasporto di molecole di ossigeno nel nostro sangue. L’esposizione eccessiva può portare a danni cerebrali, danni cardiaci e persino alla morte. Una lieve esposizione può causare mal di testa, vertigini e nausea. Un rilevatore di monossido di carbonio può aiutare a rilevare livelli pericolosi di gas e prevenire malattie e morte.
Acido carbonico
L’acido carbonico si forma quando l’anidride carbonica si dissolve in acqua. Ha la formula chimica H2CO3, con due atomi di idrogeno, un atomo di carbonio e tre atomi di ossigeno in ogni molecola. Potresti avere più familiarità con l’acido carbonico come il composto che conferisce alle bevande gassate il loro effetto frizzante. Questi liquidi devono essere mantenuti sotto pressione per evitare che l’acido carbonico si scomponga in anidride carbonica e acqua attraverso una serie di reazioni. Quando una bottiglia di soda viene aperta e iniziano immediatamente a formarsi delle bolle, queste sono il risultato del rilascio di gas di anidride carbonica dall’acido carbonico nella soluzione. Se una bevanda gassata viene lasciata aperta all’aria, alla fine si appiattirà riconvertendo la maggior parte dell’acido carbonico nella soluzione in anidride carbonica e rilasciandola nell’atmosfera.
Altri composti con una massa molare simile
Diversi altri composti hanno una massa molare simile a quella dell’anidride carbonica. La massa molare di questo composto, come ricorderete, è di 44,01 grammi per mole. Ecco alcuni altri composti con una massa molare relativamente vicina.
Conclusione
L’anidride carbonica è un composto essenziale nel nostro mondo. È sia necessario per la nostra sopravvivenza che potenzialmente mortale se non mantenuto entro limiti controllati. Dobbiamo sforzarci di comprendere questo importante composto,…
