कार्बन डाइऑक्साइड

From LTRC
Carbon dioxide
IUPAC name Carbon dioxide
Other names Carbonic acid gas
Carbonic anhydride
Carbonic dioxide
Carbonic oxide
Carbon(IV) oxide
Methanedione
R-744 (refrigerant)
R744 (refrigerant alternative spelling)
Dry ice (solid phase)
Identifiers
CAS Number 124-38-9
PubChem CID 280
ChEMBL 1231871
ChemSpider 274
UNII 142M471B3J
EC Number 204-696-9
UN number 1013 (gas), 1845 (solid)
KEGG D00004
ChEBI 16526
RTECS number FF6400000
Beilstein Reference 1900390
Gmelin Reference 989
SMILES O=C=O
Properties
Formula CO2
Appearance Colorless gas
Odor Low concentrations: none
High concentrations: sharp; acidic[1]
Density * 1562 kg/m3 (solid at 1 atm and -78.5 °C)
  • 1101 kg/m3 (liquid at saturation -37 °C)
  • 1.977 kg/m3 (gas at 1 atm and 0 °C)
Solubility in water 1.45 g/L at 25 C, 100 kPa
Sublimation conditions 194.6855(30) K (−78.4645(30) °C) at 1 atm (0.101325 MPa)
Acidity (pKa) Carbonic acid:
pKa1 = 3.6
pKa1(apparent) = 6.35
pKa2 = 10.33
Viscosity * 14.90 μPa·s at 25 °C[2]
  • 70 μPa·s at -78.5 °C
Vapor pressure 5.7292(30) MPa, 56.54(30) atm (20 °C (293.15 K))
Dipole moment 0 D
Magnetic susceptibility −20.5·10−6 cm3/mol
Thermal conductivity 0.01662 W·m−1·K−1 (300 K)[3]
Structure
Crystal structure Trigonal
Molecular shape Linear
Pointgroup D∞h
Thermochemistry
Std enthalpy of formation −393.5 kJ·mol−1
Heat capacity 37.135 J/(K·mol)
Std molar entropy 214 J·mol−1·K−1
Pharmacology
Atccode suffix AN02
Hazards
Ghspictograms GHS04
Ghssignalword Warning
Hphrases 281
Pphrases 410+403
Externalsds Sigma-Aldrich
Nfpa-h 2
Nfpa-f 0
Nfpa-r 0
Nfpa-s SA
PEL (permissible) TWA 5000 ppm (9000 mg/m3)[4]
Idlh 40,000 ppm (72,000 mg/m3)[4]
Rel TWA 5000 ppm (9000 mg/m3), ST 30,000 ppm (54,000 mg/m3)[4]
Lclo 90,000 ppm (162,000 mg/m3) (human, 5 min)[5]
Related
Other anions Carbon disulfide
Carbon diselenide
Carbon ditelluride
Other cations Silicon dioxide
Germanium dioxide
Tin dioxide
Lead dioxide
Titanium dioxide
Zirconium dioxide
Hafnium dioxide
Cerium dioxide
Thorium dioxide
Otherfunction label carbon oxides
Otherfunction See Oxocarbon
Related compounds Carbonic acid
Carbonyl sulfide
Carbonyl selenide

कार्बन डाइऑक्साइड (carbon dioxide) एक रासायनिक यौगिक (chemical compound) है जिसका रासायनिक सूत्र CO2 है। यह ऐसे अणुओं से बना है जिसमें एक कार्बन परमाणु दो ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ सहसंयोजक द्वि-आबंध (covalent double bond) द्वारा जुड़ा होता है। सामान्य तापमान पर यह गैस अवस्था में पाया जाता है और सामान्य सांद्रता पर यह गंधहीन होता है। कार्बन चक्र (carbon cycle) में कार्बन के स्रोत के रूप में, वायुमंडलीय CO2 पृथ्वी पर जीवन के लिए प्राथमिक कार्बन स्रोत है। हवा में, कार्बन डाइऑक्साइड दृश्य प्रकाश (visible light) के लिए पारदर्शी होती है लेकिन अवरक्त विकिरण (infrared radiation) को अवशोषित करती है, जिससे यह एक ग्रीनहाउस गैस (greenhouse gas) के रूप में कार्य करती है। कार्बन डाइऑक्साइड पानी में घुलनशील है और भूजल (groundwater), झीलों, ध्रुवीय बर्फ की टोपियों और समुद्री जल में पाई जाती है।

पृथ्वी के वायुमंडल में यह एक लेश गैस (trace gas) के रूप में 428 भाग प्रति दस लाख (ppm)[note 1] या लगभग 0.043% (जुलाई 2025 के अनुसार) मौजूद है, जो औद्योगिक क्रांति से पहले के स्तर 280 ppm या लगभग 0.028% से काफी अधिक है।[7][8] जीवाश्म ईंधन (fossil fuels) को जलाना इस बढ़ी हुई सांद्रता का मुख्य कारण है, जो जलवायु परिवर्तन (climate change) का प्राथमिक कारण भी है।[9]

पौधे, शैवाल (algae) और सायनोबैक्टीरिया (cyanobacteria) प्रकाश संश्लेषण (photosynthesis) नामक प्रक्रिया में सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड और पानी से कार्बोहाइड्रेट का संश्लेषण करते हैं, जिसमें ऑक्सीजन एक अपशिष्ट उत्पाद के रूप में निकलती है।[10] इसके विपरीत, सभी वायवीय जीव (aerobic organisms) ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए कोशिकीय श्वसन (cellular respiration) के दौरान ऑक्सीजन का उपभोग करते हैं और अपशिष्ट के रूप में CO2 छोड़ते हैं।[11] जब कार्बन डाइऑक्साइड पानी में घुलती है, तो यह मुख्य रूप से बाइकार्बोनेट (bicarbonate - HCO3–) और कार्बोनेट बनाती है, जिससे वायुमंडलीय CO2 के बढ़ने पर महासागरीय अम्लीकरण (ocean acidification) होता है।[12]

रासायनिक और भौतिक गुण

संरचना और आबंध

कार्बन डाइऑक्साइड अणु की ज्यामिति रैखिक (linear) और केंद्र-सममित (centrosymmetric) होती है। इसमें कार्बन-ऑक्सीजन आबंध की लंबाई 116.3 pm होती है, जो सामान्य एकल C–O आबंध की लंबाई (लगभग 140 pm) से काफी छोटी है।[13] केंद्र-सममित होने के कारण इस अणु का कोई विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण (electric dipole moment) नहीं होता है।

CO2 अणु के तनन और नमन कंपन। ऊपर बाएं: सममित तनन। ऊपर दाएं: असममित तनन। नीचे की रेखा: नमन विधाओं का अपभ्रष्ट युग्म।

एक रैखिक त्रिपरमाणुक अणु के रूप में, CO2 में चार कंपन विधाएं (vibrational modes) होती हैं। असममित तनन विधा (antisymmetric stretching mode) 2349 cm−1 (तरंगदैर्घ्य 4.25 μm) पर और नमन विधाओं का अपभ्रष्ट युग्म (degenerate pair of bending modes) 667 cm−1 (तरंगदैर्घ्य 15.0 μm) पर अवरक्त स्पेक्ट्रमिकी (infrared spectroscopy) में देखा जाता है। सममित तनन विधा से कोई विद्युत द्विध्रुव उत्पन्न नहीं होता, इसलिए यह अवरक्त स्पेक्ट्रम में नहीं दिखती, लेकिन रमन स्पेक्ट्रमिकी (Raman spectroscopy) में इसे 1388 cm−1 पर देखा जा सकता है।

जलीय विलयन में

कार्बन डाइऑक्साइड पानी में घुलनशील है, जहां यह प्रतिवर्ती रूप से कार्बोनिक अम्ल (carbonic acid - H2CO3) बनाती है, जो एक दुर्बल अम्ल (weak acid) है:

CO2 + H2O <-> H2CO3

25 °C पर कार्बोनिक अम्ल का जलयोजन साम्य स्थिरांक (hydration equilibrium constant) निम्नलिखित है:

Kh=[HA2COA3][COA2A(aq)]=1.70×10−3

इस प्रकार, अधिकांश कार्बन डाइऑक्साइड कार्बोनिक अम्ल में परिवर्तित नहीं होती है, बल्कि CO2 अणुओं के रूप में ही रहती है।

विलयन के pH के आधार पर CO2, H2CO3, बाइकार्बोनेट (HCO3–) और कार्बोनेट (CO32–) की सांद्रता बदलती रहती है। उदासीन या हल्के क्षारीय पानी (pH > 6.5) में बाइकार्बोनेट रूप प्रमुख होता है। अत्यधिक क्षारीय पानी (pH > 10.4) में कार्बोनेट मुख्य रूप से पाया जाता है।

रासायनिक अभिक्रियाएं

CO2 एक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनरागी (electrophile) है। एमीनों (amines) के साथ कार्बन डाइऑक्साइड की प्रतिवर्ती अभिक्रिया से कार्बामेट (carbamates) बनते हैं, जिसका उपयोग CO2 स्क्रेबर्स (scrubbers) में किया जाता है। ग्रिन्यार अभिकर्मकों (Grignard reagents) जैसे अत्यंत शक्तिशाली नाभिकरागी (nucleophiles) CO2 के साथ अभिक्रिया करके कार्बोक्सिलेट (carboxylates) बनाते हैं:

MR + CO2 -> RCO2M

CO2 का कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) में अपचयन एक कठिन और धीमी अभिक्रिया है:

CO2 + 2 e- + 2 H+ -> CO + H2O

भौतिक गुण

ठोस कार्बन डाइऑक्साइड के टुकड़े जिन्हें आमतौर पर "शुष्क बर्फ" कहा जाता है

सामान्य तापमान और दबाव पर, कार्बन डाइऑक्साइड का घनत्व लगभग 1.98 kg/m3 होता है, जो हवा से लगभग 1.53 गुना अधिक है।[14] 5.11177 atm से कम दबाव पर कार्बन डाइऑक्साइड की कोई तरल अवस्था नहीं होती है। 1 atm दबाव पर, यह गैस सीधे -78.4645 °C से नीचे के तापमान पर ठोस में बदल जाती है और ठोस सीधे गैस में ऊर्ध्वपातित (sublime) हो जाता है। इसके ठोस रूप को आमतौर पर शुष्क बर्फ (dry ice) कहा जाता है।

तरल कार्बन डाइऑक्साइड केवल 5.11177 atm से अधिक दबाव पर ही बनती है। इसका त्रिक बिंदु (triple point) 216.592 K (−56.558 °C) और 5.11177 atm दबाव पर होता है। इसका क्रांतिक बिंदु (critical point) 30.978 °C और 72.808 atm पर होता है। क्रांतिक बिंदु से ऊपर के तापमान और दबाव पर, यह एक क्रांतिकोत्तर तरल (supercritical fluid) की तरह व्यवहार करती है जिसे क्रांतिकोत्तर कार्बन डाइऑक्साइड (supercritical carbon dioxide) कहा जाता है।

जैविक भूमिका

प्रकाश संश्लेषण और कार्बन स्थिरीकरण

केल्विन चक्र और कार्बन स्थिरीकरण का अवलोकन

कार्बन स्थिरीकरण (carbon fixation) वह जैव रासायनिक प्रक्रिया है जिसके द्वारा पौधे, शैवाल और सायनोबैक्टीरिया वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड को ग्लूकोज जैसे ऊर्जा-समृद्ध कार्बनिक अणुओं में परिवर्तित करते हैं। प्रकाश संश्लेषण में कार्बन डाइऑक्साइड और पानी का उपयोग करके शर्करा बनाई जाती है और ऑक्सीजन उपोत्पाद (by-product) के रूप में निकलती है।

रुबिस्को (RuBisCO) नामक एंजाइम कार्बन स्थिरीकरण के पहले प्रमुख चरण में शामिल होता है। रुबिस्को को पृथ्वी पर सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला एकल प्रोटीन माना जाता है।[15]

हवा में CO2 की सांद्रता बढ़ने से पौधों पर रंध्रों (stomata) की संख्या कम हो जाती है,[16] जिससे पानी की खपत कम होती है और जल-उपयोग दक्षता (water-use efficiency) बढ़ती है।[17] हालांकि, उच्च CO2 स्तरों के कारण फसलों में सूक्ष्म पोषक तत्वों (micronutrients) की सांद्रता में कमी देखी गई है।[18]

विषाक्तता

हवा में कार्बन डाइऑक्साइड की बढ़ती मात्रा के कारण होने वाले विषाक्तता के लक्षण

मनुष्यों में, 5% से अधिक सांद्रता वाली CO2 के संपर्क में आने से हाइपरकैप्निया (hypercapnia) और श्वसन अम्लरक्तता (respiratory acidosis) हो सकती है।[19] 7% से 10% की सांद्रता से दम घुट सकता है, जिससे चक्कर आना, सिरदर्द, दृष्टि और श्रवण दोष और कुछ ही मिनटों में बेहोशी हो सकती है।[20] 30% से अधिक का स्तर तेजी से बेहोशी और मृत्यु का कारण बनता है।[19]

चूंकि यह गैस हवा से भारी होती है, इसलिए ज्वालामुखी या भू-तापीय गतिविधि वाले क्षेत्रों में यह निचले स्थानों में जमा हो सकती है, जिससे वहां मौजूद जानवरों का दम घुट जाता है। कांगो के गोमा (Goma) शहर के पास न्यिरगोंगो ज्वालामुखी (Mount Nyiragongo) से निकलने वाली CO2 के कारण बच्चों की मौतें हुई हैं। स्वाहिली भाषा में इस घटना को मज़ुकु (mazuku) कहा जाता है।

मानव शरीर क्रिया विज्ञान

रक्त में परिवहन

मानव शरीर प्रति व्यक्ति प्रतिदिन लगभग 1 kg कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन करता है। रक्त में CO2 का परिवहन तीन तरीकों से होता है:

  • अधिकांश भाग (लगभग 70% से 80%) लाल रक्त कोशिकाओं में कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ (carbonic anhydrase) एंजाइम द्वारा बाइकार्बोनेट आयनों (HCO3–) में परिवर्तित हो जाता है:[21]
CO2 + H2O → H2CO3 -> H+ + HCO3–
  • 5-10% रक्त प्लाज्मा (blood plasma) में घुल जाता है।[21]
  • 5-10% हीमोग्लोबिन (hemoglobin) के साथ कार्बामिनो यौगिकों (carbamino compounds) के रूप में बंध जाता है।[21]

हीमोग्लोबिन ऑक्सीजन और carbon dioxide दोनों का परिवहन करता है। हीमोग्लोबिन से CO2 के बंधने से ऑक्सीजन के मुक्त होने की दर बढ़ जाती है, जिसे बोहर प्रभाव (Bohr effect) कहा जाता है। इसके विपरीत, ऑक्सीजन के कम होने पर हीमोग्लोबिन की CO2 वहन क्षमता बढ़ जाती है, जिसे हैल्डेन प्रभाव (Haldane Effect) कहते हैं।

श्वसन का नियंत्रण

मनुष्यों में सांस लेने की दर मुख्य रूप से रक्त में कार्बन डाइऑक्साइड के स्तर से नियंत्रित होती है, न कि ऑक्सीजन के स्तर से। यदि कोई व्यक्ति शुद्ध नाइट्रोजन जैसी बिना ऑक्सीजन वाली गैस में सांस लेता है, तो उसे सांस की कमी (air hunger) महसूस नहीं होगी और वह सीधे बेहोश हो जाएगा। यही कारण है कि विमानों में दबाव कम होने पर यात्रियों को सबसे पहले अपना ऑक्सीजन मास्क लगाने की सलाह दी जाती है।[21]

पर्यावरण और महासागर

महासागरीय अम्लीकरण

महासागरों में वायुमंडल की तुलना में लगभग पचास गुना अधिक कार्बन डाइऑक्साइड घुली हुई है। महासागर एक विशाल कार्बन सिंक (carbon sink) के रूप में कार्य करते हैं और उन्होंने मानव गतिविधियों द्वारा उत्सर्जित CO2 का लगभग एक-तिहाई हिस्सा अवशोषित किया है।[22]

जब कार्बन डाइऑक्साइड समुद्री जल में घुलती है, तो यह पानी के pH को कम कर देती है, जिससे महासागरीय अम्लीकरण (ocean acidification) होता है। इससे समुद्री जीवों, जैसे कि प्रवाल (corals) और घोंघों (pteropods) के लिए कैल्शियम कार्बोनेट के कवच या कंकाल बनाना कठिन हो जाता है।

औद्योगिक और व्यावसायिक उपयोग

प्रतिवर्ष लगभग 230 मिलियन टन CO2 का व्यावसायिक उपयोग किया जाता है।[23] इसका सबसे बड़ा हिस्सा उर्वरक उद्योग में यूरिया उत्पादन (130 मिलियन टन) और तेल उद्योग में संवर्धित तेल पुनर्प्राप्ति (enhanced oil recovery - 70 से 80 मिलियन टन) में होता है।[24]

खाद्य और पेय पदार्थ

सॉफ्ट ड्रिंक में कार्बन डाइऑक्साइड के बुलबुले

खाद्य उद्योग में कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग प्रणोदक (propellant) और अम्लता नियामक (acidity regulator) के रूप में किया जाता है। इसे यूरोपीय संघ में E290 के रूप में सूचीबद्ध किया गया है।

  • पेय पदार्थ: कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग कार्बोनेटेड सॉफ्ट ड्रिंक्स और सोडा वाटर बनाने के लिए किया जाता है। सोडा वाटर का खट्टा स्वाद घुली हुई CO2 के कारण होता है जो कार्बोनिक अम्ल में बदल जाती है।
  • बेकिंग: खमीर (yeast) आटे में शर्करा के किण्वन (fermentation) द्वारा CO2 उत्पन्न करता है, जिससे आटा फूलता है। बेकिंग पाउडर और बेकिंग सोडा भी गर्म होने पर CO2 छोड़ते हैं।
  • पॉप रॉक्स कैंडी: इस कैंडी में लगभग 4000 kPa दबाव पर CO2 गैस भरी होती है, जो मुंह में जाने पर चटखने की आवाज के साथ निकलती है।

अग्निशामक

कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग आग बुझाने के लिए किया जाता है। यह आग के आसपास की ऑक्सीजन को विस्थापित करके आग को बुझा देती है। विशेष रूप से बिजली की आग (electrical fires) के लिए डिज़ाइन किए गए अग्निशामक उपकरणों में दबाव में तरल कार्बन डाइऑक्साइड होती है।

प्रशीतक (Refrigerant)

तरल और ठोस कार्बन डाइऑक्साइड महत्वपूर्ण प्रशीतक हैं। ठोस CO2 (शुष्क बर्फ) का उपयोग उन छोटे शिपमेंट के लिए किया जाता है जहां भारी प्रशीतन उपकरण व्यावहारिक नहीं होते हैं। ऑटोमोबाइल एयर कंडीशनिंग और सुपरमार्केट प्रशीतन प्रणालियों में प्रशीतक के रूप में CO2 (R744) का उपयोग बढ़ रहा है क्योंकि यह पर्यावरण के अनुकूल (GWP = 1) है और ओजोन परत को नुकसान नहीं पहुंचाती है।

खोज का इतिहास

कार्बन डाइऑक्साइड पहली ऐसी गैस थी जिसे एक अलग पदार्थ के रूप में वर्णित किया गया था। लगभग 1640 में,[25] फ्लेमिश रसायनज्ञ जॉन बैप्टिस्ट वैन हेलमोंट (Jan Baptist van Helmont) ने देखा कि जब वे बंद बर्तन में लकड़ी का कोयला (charcoal) जलाते थे, तो बची हुई राख का द्रव्यमान मूल कोयले से बहुत कम होता था। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि कोयला एक अदृश्य पदार्थ में बदल गया जिसे उन्होंने "गैस" या "वाइल्ड स्पिरिट" (spiritus sylvestris) कहा।[26]

1750 के दशक में स्कॉटिश चिकित्सक जोसेफ ब्लैक (Joseph Black) ने इसके गुणों का और अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि चूना पत्थर (limestone) को गर्म करने या अम्लों के साथ उपचारित करने पर एक गैस मिलती है जिसे उन्होंने "फिक्स्ड एयर" (fixed air) कहा। उन्होंने देखा कि यह गैस हवा से भारी थी और जलने या जीवन का समर्थन नहीं करती थी। उन्होंने यह भी दिखाया कि यह गैस जंतुओं के श्वसन और किण्वन द्वारा उत्पन्न होती है।

1823 में हम्फ्री डेवी (Humphry Davy) और माइकल फैराडे (Michael Faraday) द्वारा कार्बन डाइऑक्साइड को पहली बार उच्च दबाव पर द्रवित किया गया था।[27] ठोस कार्बन डाइऑक्साइड (शुष्क बर्फ) का पहला विवरण 1835 में फ्रांसीसी आविष्कारक एड्रियन-जीन-पियरे थिलोरियर (Adrien-Jean-Pierre Thilorier) द्वारा दिया गया था।[28]

संदर्भ

  1. ↑ where "part" here means per molecule[6]
  1. ↑ Carbon Dioxide. Air Products.
  2. ↑ (2015). "Measurements of the viscosity of carbon dioxide at temperatures from (253.15 to 473.15) K with pressures up to 1.2 MPa". The Journal of Chemical Thermodynamics. 89 7–15. doi:10.1016/j.jct.2015.04.015.
  3. ↑ (1970). "Thermophysical properties of matter - the TPRC data series". Thermal Conductivity - Nonmetallic Liquids and Gases. 3.
  4. ↑ 4.0 4.1 4.2 0103
  5. ↑ Carbon dioxide
  6. ↑ (2022-11-18). CO2 Gas Concentration Defined. CO2 Meter.
  7. ↑ (2013). A Short Introduction to Climate Change. 52. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-61876-3.
  8. ↑ (3 June 2022). Carbon dioxide now more than 50% higher than pre-industrial levels | National Oceanic and Atmospheric Administration. www.noaa.gov.
  9. ↑ IPCC (2022) Summary for policy makers in Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, US
  10. ↑ (1996). Biosphere 2000: protecting our global environment. Kendall/Hunt Pub. Co.. ISBN 978-0-7872-0460-0.
  11. ↑ Food Factories. www.legacyproject.org.
  12. ↑ (22 April 2010). Ocean Acidification: A National Strategy to Meet the Challenges of a Changing Ocean. 23–24. National Academies Press. ISBN 978-0-309-15359-1. doi:10.17226/12904.
  13. ↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. p. 305–314.
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  15. ↑ (April 2004). "Enhanced translation of a chloroplast-expressed RbcS gene restores small subunit levels and photosynthesis in nuclear RbcS antisense plants". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (16) 6315–6320. doi:10.1073/pnas.0400981101.
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  23. ↑ CO2 Capture and Utilisation - Energy System. IEA. Text was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
  24. ↑ (2019-09-25). Putting CO2 to Use – Analysis. IEA.
  25. ↑ (September 1910). The Pioneer in the Hygiene of Ventilation. The Lancet. 176 (4542) 906–908. doi:10.1016/S0140-6736(00)52420-9.
  26. ↑ (2003). "History of industrial gases". 93. Springer. ISBN 978-0-306-47277-0.
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  28. ↑ (1835). Solidification de l'Acide carbonique. Comptes Rendus. 1 194–196.

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के "Carbon dioxide" लेख पर आधारित। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide यह लेख स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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