Ugljik-dioksid (drugi nazivi: karbon-dioksid, karbon (IV) oksid, ugljik (IV) oksid, nepravilno: ugljendioksid) (hemijska formula CO2) je prirodni hemijski spoj dva atoma kisika spojenih sa jednim atomom ugljika kovalentnom vezom. U standardnim uslovima temperature i pritiska je u gasovitom stanju. U Zemljinoj atmosferi se nalazi u količini od oko 0,039% (po zapremini)http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/#mlo Dio je ugljikovog ciklusa, a biljke, alge i cijanobakterije ga koriste u procesu fotosinteze (u prisustvu vode djelovanjem sunčeve svjetlosti) za proizvodnju ugljikohidrata, čime se kao nusproizvod otpušta kisik. Međutim, pošto se fotosinteza ne može odvijati u mraku, dio ugljik dioksida proizvode biljke noću u procesu disanja.Food Factories. www.legacyproject.org. Pristupljeno 10. oktobar 2011.
Ugljik-dioksid u prirodi nastaje sagorijevanjem uglja ili ugljikovodika, fermentacijom šećera u alkoholnim pićima kao i disanjem svih živih organizama. Ljudi i kopnene životinje ga izbacuju iz disajnih organa. Emitiraju ga vulkani, gejziri i vreli izvori vode te druga mjesta gdje je Zemljina kora tanka. Oslobađa se i iz karbonatnih stijena putem rastvaranja. CO2 se može naći u jezerima na dubinama ispod nivoa mora, te izmješan sa naftom i prirodnim gasom.
Uticaji ugljik dioksida na okolinu su od značajnog interesa. Ugljik dioksid je važan staklenički gas, koji zagrijava površinu Zemlje tako što smanjuje i onemogućava radijaciju toplote u svemir. Atmosferski ugljik dioksid je osnovni izvor karbona za život na Zemlji, a njegova koncentracija u Zemljinoj atmosferi prije industrijske revolucije još od kasnog prekambrija bila je regulirana fotosintetičkim organizmima. Međutim, od industrijske revolucije do danas brzo je porasla koncentracija CO2 u atmosferi zbog sagorijevanja karbonskih (fosilnih) goriva (uglja, nafte i prirodnog gasa). Posljedica povećanja koncentracije CO2 u atmosferi je globalno zatopljenje te antropogene klimatske promjene. Ugljik dioksid je najveći izvor zakiseljavanja okeana pošto on pri rastvaranju u vodi proizvodi ugljičnu kiselinuNational Research Council. "Summary." Ocean Acidification: A National Strategy to Meet the Challenges of a Changing Ocean. Washington, DC: The National Academies Press, 2010. 1. Print. koja je slaba kiselina te njena ionizacija u vodi je nekompletna.
CO2 + H2O ⇔ H2CO3
Osobine Fizičke lijevo|thumb|220px|Fazni dijagram temperature i pritiska kod ugljik dioksida, prikazana je trojna i kritična tačka ugljik dioksida desno|thumb|220px|Uzorci čvrstog ugljik dioksida ili suhog leda To je gas bez boje. U manjim koncentracijama je bez mirisa i okusa. U većim koncentracijama, gas ima oštar kiseli miris. Pri standardnim uslovima temperature i pritiska, gustoća mu je oko 1,98 kg/m3 što je oko 1,5 puta više od zraka te se u zatvorenim prostorima često nalazi na dnu prostorije. Ugljik dioksid ne može biti u tečnom stanju pri pritisku ispod 5,1 atm. Pri pritisku od 1 atm (približno "normalnom" pritisku na nivou mora), gas se pretvara direktno u čvrsto stanje na temperaturi ispod -78,5 °C a iznad te temperature CO2 u čvrstom stanju sublimira direktno u gas. U svom čvrstom stanju, ugljik dioksid se često naziva i suhi led.
Tečni ugljik dioksid se formira samo pri pritisku iznad 5,1 atm. Trojna tačka uglik-dioksida je na oko 518 kPa i −56.6 °C. Kritična tačka je na 7,38 MPa i 31,1 °C. Proučavan je i drugačiji oblik ugljik dioksida u čvrstom stanju pri visokom pritisku u amorfnom obliku sličnom staklu. Taj oblik stakla nazvan karbonija se proizvodi od superohlađenog CO2 pri izuzetno visokom pritisku (40-48 GPa ili 400 hiljada atm) u dijamantskoj komori. Ovo otkriće je potvrdilo teoriju da bi ugljik dioksid mogao postojati u obliku sličnom staklu, poput drugih članova iste elementarne porodice spojeva kao što su silikon, silika staklo i germanij-dioksid. Za razliku od silika i germanijskog stakla, karbonija staklo nije stabilno na normalnom pritisku i vraća se u gasno stanje kada se smanji pritisak.
Hemijske Struktura i veze Molekula ugljik dioksida je pravolinijska i centrosimetrična. Dvije C-O veze su jednake i kratke (116,3 pm), a sastoje se iz dvostruke veze.Norman N. Greenwood; Alan Earnshaw (1997): Chemistry of the Elements (2. izd.). Butterworth–Heinemann. Pošto je centrosimetrična, molekula nema električni dipol. U skladu sa ovom činjenicom, moguće je uočiti samo dvije vibracijske linije u IC spektru i to: antisimetrično proširenje na 2349 cm−1 i savijanje u blizini 666 cm−1. Postoji i simetrično proširenje na 1388 cm−1 koje se može uočiti samo putem Ramanove spektroskopije.
U vodenom rastvoru Ugljik-dioksid je dosta topljiv u vodi. Vodeni rastvor reagira kiselo (pH oko 4), zbog stvaranja ugljične kiseline:
CO2 + H2O ⇔ H2CO3
Ova ravnoteža pomaknuta je jako ulijevo, jer je više od 99% CO2 otopljeno kao molekula, a samo mali dio reagira s vodom, dajući kiselinu. Henryeva konstanta ugljične kiseline je (na 25 °C). Zbog toga, veći dio ugljik dioksida nije prešao u ugljičnu kiselinu već je ostao kao molekula CO2 bez uticaja na pH vrijednost. Relativne koncentracije CO2 i Hsub>2</sub>CO3 te deprotoniziranih formi HCO3− (bikarbonat) i CO32− (karbonat) zavise od pH. U neutralnim i blago alkalnim vodama (pH > 6,5) dominira bikarbonatna forma (>50%) i pretežna je (>95%) pri pH vrijednosti morske vode. U veoma alkalnim vodama (pH > 10,4), dominira karbonatna forma (>50%). Okeani, koji su blago alkalni sa tipičnim vrijednostima pH od 8,2 do 8,5 sadrže oko 120 mg bikarbonata po litru.
Pošto je ugljična kiselina diprotična, ima dvije konstante kisele disocijacije, prva je za disocijaciju u bikarbonatni ion (hidrogen karbonat) (HCO3−):
H2CO3 ⇔ HCO3− + H+ Ka1 = 2,5x10-4 mol/litru; pKa1 = 3,6 na 25 °C.
Ovo je prava prva konstanta kiselinske disocijacije, definirana kao , gdje denominator uključuje samo kovalentnu vezu H2CO3 a ne uključuje hidratizirani CO2(aq). Mnogo manja i mnogo češće spominjana vrijednost oko 4,16x10−7 je vidljiva vrijednost izračunata na bazi (netačne) pretpostavke da je sav otopljeni CO2 prisutan kao ugljična kiselina, tako da je . Pošto većina otopljenog ugljik dioksida ostaje kao molekula, Ka1(vidljiva) ima daleko veći denominator i mnogo manju vrijednost od stvarne Ka1.Jolly, William L., Modern Inorganic Chemistry (McGraw-Hill 1984), str. 196
Bikarbonatni ion je amfoterična vrsta koja može reagirati i kao kiselina i kao baza, u zavisnosti od pH vrijednosti rastvora. Kod viših pH vrijednosti, on se u velikoj mjeri disocira na karbonatni ion (CO32−): HCO3− ⇔ CO32− + H+ Ka2 = 4,69x10-11 mol/litru; pKa2 = 10,329
U organizmima, proizvodnja ugljične kiseline se katalizira putem enzima karbonanhidraze.
Reakcije CO2 je slabi elektrofil. Njegova reakcija sa vodom ilustruje ovu osobinu, pri čemu je hidroksid nukleofil. S njim reagiraju i drugi nukleofili. Naprimjer, karbanion koji se dobija iz Grignardovog reagensa i organolitijskih spojeva reagira sa ugljik dioksidom te daje karboksilate: MR + CO2 → RCO2M (gdje je M = Li ili MgBr a R = alkil ili aril).
U metalnim-ugljik dioksid kompleksima CO2 služi kao ligand, a može poslužiti pri konverziji CO2 u druge hemikalijeM. Aresta (Ed.) "Carbon Dioxide as a Chemical Feedstock" 2010, Wiley-VCH: Weinheim.
Redukcija CO2 u ugljik-monoksid je obično "teška" i spora reakcija: CO2 + 2 e− + 2H+ → CO + H2O Redoks potencijal za ovu reakciju pri pH vrijednost od približno 7 se kreće oko -0,53 V u odnosu na standardnu vodikovu elektrodu. Enzim ugljik-monoksid dehidrogenaza koji sadrži nikl je katalizator u ovom procesu.Colin Finn, Sorcha Schnittger, Lesley J. Yellowlees, Jason B. Love "Molecular approaches to the electrochemical reduction of carbon dioxide" Chemical Communications 2011, 0000.
Historija thumb|lijevo|220px|Kristalna struktura "suhog leda" Ugljik dioksid je jedan od prvih gasova koji je opisan kao supstanca različita od zraka. U 17. vijeku, flamanski hemičar Jan Baptist van Helmont je uočio da se sagorijevanjem uglja u zatvorenoj posudi dobija pepeo koji je mnogo lakši od početne količine sagorjelog uglja. Njegovo objašnjenje je bilo da je ostatak uglja transmutirao u nevidljivu supstancu koju je nazvao gas ili divlji duh (spiritus sylvestre)Ebbe Almqvist (2003): History of industrial gases, Springer, 2003, , str. 93
Osobine ugljik-dioksida su intenzivnije proučavane od 1750tih od strane škotskog fizičara Josepha Blacka. On je zapadio da krečnjak (kalcij-karbonat) može biti zagrijavan ili tretiran sa kiselinama, nakon čega se dobija gas koji je on nazvao fiksni zrak. Otkrio je da je taj gas gušći od zraka i da ne podržava sagorijevanje niti život. Black je otkrio i da taj gas prolazi kroz vodeni rastvor kreča (kalcij-hidroksida), taloži se kalcij-karbonat. On je ovaj fenomen koristio za ilustriranje da ugljik-dioksid nastaje putem ćelijskog disanja i mikrobiološke fermentacije. Engleski hemičar Joseph Priestley je 1772. godine objavio rad pod naslovom Impregnacija vode sa fiksnim zrakomhttp://todayinsci.com/P/Priestley_Joseph/PriestleyJoseph-MakingCarbonatedWater1772.htm (engl. Impregnating Water with Fixed Air) u kojem je opisao proces sipanja sumporne kiseline na kredu da bi dobio ugljik dioksid, te nastojao da taj gas rastvori u posudi sa vodom. Na taj način je izumio soda vodu.
Ugljik-dioksid je prvi put ukapljen (pri povišenom pritisku) 1823. godine od strane Davya i Faradaya. Najraniji opis čvrstog ugljik-dioksida je dao Charles Thilorier 1834. godine kada je otvorio kontejner tekućeg ugljik dioksida pod pritiskom i otkrio da je hlađenjem nastalim brzim isparavanjem tekućine došlo do formiranja snijega od CO2.
Izdvajanje i proizvodnja Ugljik dioksid se uglavnom proizvodi kao krajnji nusproizvod četiri tehnologije: sagorijevanja fosilnih goriva, proizvodnje vodika putem reformiranja pare, sinteze amonijaka i fermentacije. Može se dobiti i iz zraka putem destilacije, međutim ovaj način nije efikasan i skup je.
Sagorijevanjem svih goriva koja sadrže ugljik, poput metana, prirodnog gasa, destilata nafte (benzina, dizela, kerozina), propana kao i drveta i uglja, stvara se ugljik dioksid i, najčešće, voda. Hemijska reakcija između metana i kisika je data kao primjer: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Proizvodnja živog (negašenog) kreča (CaO), materijala koji se često koristi, uključuje zagrijavanje (kalciniranje) krečnjaka na oko 850 °C: CaCO3 → CaO + CO2
Ruda željeza se reducira uz koks u visokoj peći, dajući elementarno željezo i ugljik-dioksid: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2
Kvasci metaboliziraju šećer i proizvode ugljik-dioksid i etanol, poznat i kao obični alkohol, pri proizvodnji vina, piva i drugih alkoholnih pića, kao i proizvodnji bioetanola::
C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH
Svi aerobski organizmi proizvode CO2 prilikom oksidiranja ugljikohidrata, masnih kiselina i bjelančevina u mitohondrijama ćelija. Veliki broj reakcija koje se odvijaju u tim procesima su izrazito složene. Jedna od njih je proces fotosinteze. Jednačina razlaganja glukoze i drugih monosaharida pri procesu disanja je:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
Fotoautotrofni organizmi (biljke i cijanobakterije) koriste drugi način: biljke absorbiraju CO2 iz zraka, zajedno sa vodom, te oni reagiraju dajući ugljikohidrate: nCO2 + nH2O → (CH2O)n + nO2
Upotreba thumb|250px|Mjehurići ugljik-dioksida u gaziranom piću. Ugljik-dioksid se uglavnom koristi u prehrambenoj, hemijskoj i naftnoj industriji.Pierantozzi, Ronald (2001): Carbon Dioxide u "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology". Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Wiley.
Proizvodnja hemikalija U hemijskoj industriji, ugljik-dioksid se uglavnom koristi kao sastojak pri proizvodnji uree i metanola. Metalni karbonati i bikarbonati kao i neki derivati karboksilnih kiselina (npr. natrij-salicilat) se dobijaju iz CO2.
Hrana