Historia y Descubrimiento

El dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro que permea la atmósfera de la Tierra y es fundamental para sostener la vida en nuestro planeta. Además, también se identifica en cuerpos celestes dentro de nuestro sistema solar. Notablemente, Marte exhibe casquetes polares compuestos principalmente de dióxido de carbono congelado, mientras que la atmósfera de Venus está compuesta predominantemente por este gas. El reconocimiento del dióxido de carbono se atribuye a Joseph Black (1728–1799), cuyos hallazgos contribuyeron significativamente a desacreditar la teoría del flogisto y propulsar el avance de la química moderna.

Joseph Black, durante sus investigaciones médicas, inicialmente buscaba una sustancia para disolver cálculos renales, pero redirigió su enfoque al estudio de la acidez estomacal. Su experimentación con carbonatos, específicamente magnesia alba (carbonato de magnesio) y carbonato de calcio (caliza), reveló que calentar o reaccionar magnesia alba con ácidos producía un gas y una sal. En 1756, Black publicó su trabajo, refiriéndose al gas como "aire fijo" y reconociendo sus propiedades similares a las descritas por Jan Baptista van Helmont (1577–1644) para el espíritu sylvestrius. El espíritu sylvestrius, identificado como el gas producido durante procesos de combustión, llevó a van Helmont a comprender su asociación con la fermentación y la reacción de ácidos con conchas marinas.

Constituyendo apenas el 0,037% por volumen de la atmósfera, la baja concentración de dióxido de carbono requiere la adquisición de la mayoría de los suministros comerciales como subproductos de reacciones químicas industriales. Existen varios métodos para generar cantidades significativas de CO2, como la combustión de coque u otras sustancias carbonáceas, que resulta en la producción de CO2: C(coque) + O2 → CO2(g). En procesos de combustión, el CO2 se concentra mediante técnicas de lavado y absorción para separarlo de otros gases. Otra fuente de CO2 es la calcinación (calentamiento lento) de carbonatos como la caliza, representada por CaCO3: CaCO3(s) → CaO + CO2(g). Este proceso ocurre en un horno de cal durante la producción de carbonato de calcio precipitado a temperaturas que van desde 500°C hasta 900°C. Además, el dióxido de carbono se genera como subproducto en reacciones de fermentación, como se ve en la fermentación de glucosa, C6H12O6, a etanol (C2H5OH): C6H12O6(aq) → 2C2H5OH (aq) + 2CO2(g). Además, es un subproducto en varias síntesis, incluido el proceso Haber para la producción de amoníaco.

Aplicación

El dióxido de carbono sirve para varios propósitos significativos. Una aplicación notable implica su transformación en forma sólida, conocida como hielo seco, que se utiliza como refrigerante. Charles Thilorier, un científico francés (1797–1852), produjo por primera vez hielo seco en 1834, notando su formación durante la expansión del dióxido de carbono de contenedores presurizados. A pesar de los hallazgos de Thilorier en 1835, la utilización comercial del hielo seco no comenzó hasta la década de 1920. La marca comercial original para el hielo seco fue establecida por Prest Air Devices de Long Island en 1924, lo que llevó a un cambio de nombre de la empresa a DryIce. Esta nomenclatura es adecuada ya que, bajo presión atmosférica, el dióxido de carbono puede existir como sólido o gas según la temperatura, experimentando sublimación de sólido a gas sin pasar por un estado líquido, con el proceso inverso denominado deposición. La sublimación y deposición del dióxido de carbono ocurren a -78,5°C.

Otra aplicación significativa del dióxido de carbono es evidente en la industria de las bebidas gaseosas. La soda, específicamente el monohidrato de carbonato de sodio (Na2CO3? H2O), comprende varias formas, como la sosa cáustica (decahidrato de carbonato de sodio, Na2CO3? 10H2O) y el bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio, NaHCO3). El proceso Solvay, que emplea amoníaco, dióxido de carbono y agua, produce carbonato sódico, históricamente derivado del lixiviado de cenizas de madera. El bicarbonato de sodio, un subproducto de la reacción Na2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g) → 2NaHCO3(s), ejemplifica la versatilidad del dióxido de carbono en procesos químicos.

El papel del dióxido de carbono se extiende a la carbonatación de bebidas, un descubrimiento atribuido al químico inglés Joseph Priestley (1733–1804). Las investigaciones de Priestley en química, iniciadas cerca de su parroquia en Leeds, llevaron a la producción de agua con gas, precursora del agua carbonatada. Jacob Schweppe (1740–1821), fundador de la empresa homónima, comercializó el proceso de carbonatación de Priestley en la década de 1790.

El dióxido de carbono también encuentra aplicación como gas en extintores de incendios, como gas de inflado para dispositivos de flotación y como propelente en pistolas de aire. Su utilización como fluido supercrítico en química verde ha crecido, dadas sus propiedades por encima de su punto crítico (31,1°C y 73 atmósferas). El CO2 supercrítico (scCO2) ofrece ventajas como inertividad, no inflamabilidad, baja toxicidad, abundancia y rentabilidad. Sus aplicaciones incluyen reemplazar disolventes tradicionales en la extracción de cafeína, extracción de compuestos farmacéuticos, producción de especias y saborizantes, y procesos de limpieza industrial, sustituyendo gradualmente sustancias como el percloroetileno en la industria de la limpieza en seco.

Las plantas dependen del dióxido de carbono para el proceso de fotosíntesis y, simultáneamente, se genera dióxido de carbono durante la respiración. La fotosíntesis comprende una secuencia de reacciones bioquímicas en las que las plantas (así como ciertas bacterias) asimilan dióxido de carbono inorgánico y agua, utilizando energía solar para sintetizar carbohidratos. Estos carbohidratos se oxidan para obtener energía durante la respiración celular y contribuyen a la construcción de otros compuestos como lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. La reacción generalizada de la fotosíntesis se expresa como: nCO2 + nH2O (CH2O)n + nO2. La síntesis de la glucosa (C6H12O6) se representa por la ecuación: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.

Esta representación de la fotosíntesis es una simplificación; el proceso real implica intrincadas reacciones bioquímicas que ocurren en dos fases denominadas reacciones dependientes de la luz y reacciones independientes de la luz (también conocidas como reacciones luminosas y oscuras). El oxígeno se produce durante la fase dependiente de la luz cuando el agua se divide, mientras que las reacciones independientes de la luz convierten el dióxido de carbono en carbohidratos. El proceso de conversión de dióxido de carbono en carbohidratos se denomina fijación de carbono.

El dióxido de carbono se disuelve fácilmente en agua, generando el ácido débil ácido carbónico (H2CO3). La presencia de CO2 en solución acuosa da lugar a equilibrios que involucran dióxido de carbono, ácido carbónico, bicarbonato y carbonato: CO2(aq) + H2O(l) → H2CO3(aq) → H? + HCO?? → H? + CO?2?. Esta disolución de CO2 en agua explica la naturaleza ácida natural del agua de lluvia, con un pH de aproximadamente 5,6 debido a la presencia de ácido carbónico. La solubilidad del dióxido de carbono en agua influye significativamente en el ciclo del carbono terrestre, ya que el CO2 disuelto puede incorporarse en sedimentos de carbonato en océanos y lagos.

La solubilidad de CO2 en la sangre como ácido carbónico es un sistema tampón crucial en el cuerpo humano, manteniendo un pH sanguíneo de alrededor de 7,4. Tres sistemas de amortiguación principales, que involucran carbonato, fosfato y proteínas, regulan el pH sanguíneo. El sistema de amortiguación primario utiliza ácido carbónico y bicarbonato, con el ácido carbónico neutralizando el exceso de base y el ion bicarbonato neutralizando el exceso de ácido. La excreción de bicarbonato por los ri?ones y la eliminación de dióxido de carbono a través de la respiración regulan aún más el amortiguador sanguíneo de ácido carbónico/bicarbonato.

El dióxido de carbono es reconocido como un gas de efecto invernadero, contribuyendo significativamente al debate en curso sobre el calentamiento global y el cambio climático. Se considera el gas de efecto invernadero antropogénico más significativo, contribuyendo aproximadamente al 60% del calentamiento global reciente. La concentración de CO2 en la atmósfera ha aumentado de alrededor de 280 ppmv a 370 ppmv en los últimos 160 a?os, principalmente debido a la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. El efecto invernadero sigue siendo un tema debatido, pasando de las incertidumbres sobre el impacto humano en el clima a discusiones sobre el grado y la naturaleza de este impacto. La complejidad surge al separar las influencias humanas de la variabilidad natural del clima. Aunque persiste cierto escepticismo, el consenso prevaleciente sugiere la influencia humana en el cambio climático, aunque el alcance y las acciones necesarias siguen siendo temas de debate continuo. La capacidad sustancial de los océanos para absorber dióxido de carbono y el impacto de la vegetación en las concentraciones de carbono global a través de la fotosíntesis contribuyen aún más a la dinámica intrincada del problema.

Referencia

Richard L. Myers (2009). Los 100 Compuestos Químicos Más Importantes: Una Guía de Referencia. Greenwood Publishing Group. 1 de octubre de 2009. https://doi.org/10.1021/ed086p1182