Выбросы углекислого газа

Кто выбрасывает в атмосферу больше углекислого газа – человек или природа?

Прошлая моя заметка вызвала в комментариях ожесточенный спор на тему, является ли человеческая цивилизация основным источником парниковых газов на планете. Уважаемый dims12 привел интересную , где говорится, что вулканы выбрасывают в 100-500 раз меньше углекислого газа, чем современная цивилизация:

В ответ на это, уважаемый vladimir000 привел свой расчет. В результате него он получил, что выбросы СО2 человеческой цивилизацией гораздо меньше: около 600 миллионов тонн:
Что-то у вас порядок цифр странный. Поиск дает суммарную мощность всех электростанций Земли 2*10^12 ватт, то есть, предположив, что все они работают на ископаемом топливе круглый год, получаем примерно 2*10^16 ватт-час годового потребления, то есть 6*10^15 КДжоулей.
Опять же, поиск дает удельную теплоту сгорания первые десятки тысяч КДжоулей на килограмм ископаемого топлива. Примем для простоты 10000, и примем, что все переработанное топливо улетает в трубу без остатка.
Тогда, чтобы полностью покрыть потребности человечества в энергии, получается, достаточно сжигать 6*10^15 / 10^4 килограмм углерода в год, то есть 6*10^8 тонн. 600 мегатонн в год. Учитывая, что существуют еще атомные, гидро и прочие возобновляемые станции, не вижу за счет чего, итоговое потребление увеличится в 500 раз.
Разница получилась огромная – 500 раз. Но при этом я не совсем понял, откуда получилась эта 500-кратная разница. Если разделить 29 миллиардов тонн на 600 миллионов тонн, то будет разница в 50 раз. С другой стороны, эта разница, вероятно, связана с не 100% КПД электростанцией, и с тем фактом, что ископаемое топливо потребляют не только электростанции, но и для транспорта, обогрева жилищ или производства цемента.
Поэтому можно точнее произвести этот расчет. Для этого просто используем следующую цитату: «при сжигании угля в размере одной тонны условного топлива потребляется 2,3 тонны кислорода и выбрасывается 2,76 тонны углекислого газа, а при сжигании природного газа выбрасывается 1,62 тонны углекислого газа, а потребляется все те же 2,35 тонны кислорода».
Сколько сейчас человечество потребляет условного топлива в год? Такая статистика приводится в отчетах компании BP. Около 13 миллиардов тонн условного топлива. Тем самым человечество выбрасывает в атмосферу порядка 26 миллиардов тонн углекислого газа. Более того, в тех же данных приводится подробная статистика по выбросам СО2 за каждый год. Из неё следует, что эти выбросы постоянно растут:

В тоже время, только половина этих выбросов попадает в атмосферу. Другая половина связывается океаном и почвой:

Тем не менее, палеонтологические данные говорят, что современный уровень углекислого газа является максимальным за последние 3-5 миллионов лет.

Поэтому у меня нет сомнений, что основную часть выбросов СО2 приходится на антропогенные, а не природные источники.

Poll #2020266 Главным источником выбросов СО2 в атмосферу является..?

Источники углекислоты

Большая часть диоксида углерода планеты естественного происхождения. Но также источниками СО2 являются промышленные предприятия и транспорт, которые обеспечивают выброс в атмосферу углекислого газа искусственного происхождения.

Природные источники

При перегнивании деревьев и травы каждый год выделяется 220 миллиардов тонн углекислого газа. Океанами выделяется 330 миллиардов тонн. Пожары, которые образовались в связи с природными факторами приводят к выбросу СО2, равному по количеству антропогенной эмиссии.

Естественными источниками углекислоты являются:

  • Дыхание флоры и фауны. Растения и животные поглощают и вырабатывают СО2, так устроено их дыхание.
  • Извержение вулканов. Вулканические газы содержат двуокись углерода. В тех регионах, где есть активные вулканы, углекислый газ способен выходить из земных трещин и разломов.
  • Разложение органических элементов. Когда органические элементы горят и перегнивают появляется СО2.

Диоксид углерода хранится в углеродных комбинациях: угле, торфе, нефти, известняке. В качестве резервных хранилищ можно назвать океаны, в которых содержатся большие резервы углекислоты и вечную мерзлоту. Однако, вечная мерзлота начинает таять, это можно заметить по уменьшению снежных шапок самых высоких гор мира. При разложении органики наблюдается рост выделения в атмосферу углекислого газа. В результате чего хранилище преобразуется в источник.

Северные районы Аляски, Сибири и Канады — это в основном вечная мерзлота. В ней содержится много органического вещества. Из-за нагрева арктических регионов вечная мерзлота тает и происходит гниение ее содержимого.

Антропогенные источники

Главными искусственными источниками CO2 считаются:

  • Выбросы предприятий, которые происходят в процессе сгорания. Результатом является значительное повышение концентрации углекислого газа в атмосфере планеты.
  • Транспорт.
  • Превращение хозяйственных земель из лесов в пастбища и пахотные земли.


В мире растет количество экологических машин, но их процент по отношению к машинам внутреннего сгорания очень мал. Стоимость электрокаров выше обычных машин, поэтому многие не имеют финансовой возможности приобрести такой вид транспорта.

Интенсивное сокращение лесов для промышленности и сельского хозяйства относится к антропогенным источникам CO2 не в прямом смысле. Деятельность по уменьшению лесных массивов является причиной неучастия диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Что приводит к его накоплению в атмосфере.

Поглотители двуокиси углерода

Поглотителями называют любые искусственные или природные системы, которые впитывают из воздуха углекислый газ. Поглотитель — это структура, которая вбирает из воздуха больше CO2 чем выбрасывает в него.

Природные поглотители

Леса способны воздействовать на количество двуокиси углерода в воздухе. Они могут быть и поглотителями, и источниками выбросов параллельно (при вырубке). Когда деревья увеличиваются, а лес растет, то углекислый газ поглощается. Данный процесс считается основой развития биомассы. Выходит, что прогрессирующий лес выступает поглотителем.

При сжигании и уничтожении леса основная доля накопленного углерода опять преобразуется в углекислый газ. В итоге лес снова является источником СО2.
Фитопланктон также является поглотителем углекислого газа на земле. При этом большая часть поглощенного углерода, передаваясь по пищевой цепочке, остается в океане.

Искусственные поглотители

Самыми известными поглотителями СО2 считаются: раствор едкого калия, натронная известь и асбест, едкий натр.
Эти соединения при протекании химических реакций связывают углекислоту, преобразовывая ее в другие соединения. Существуют установки, которые улавливают углекислый газ из выбросов электростанций и преобразуют его в жидкое или твердое состояние с последующим применением в промышленности. Производятся испытания закачки углекислого газа, растворенного в воде, в базальтовые породы под землей. В процессе реакции образуется твердый минерал.

Взаимодействие с океаном

В океанах углекислота по наличию превышает атмосферное содержание, если пересчитать на углерод, то выйдет примерно 36 триллионов тонн. Растворенный в океане CO2 находится в виде гидрокарбонатов и карбонатов. Эти соединения образуются в процессе химических реакций между подводными скальными породами, водой и двуокисью углерода. Реакции эти обратимы, они вызывают образование известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде диоксида углерода.

Протекая сотни миллионов лет, этот круговорот реакций привёл к связыванию в карбонатных породах большей части диоксида углерода из атмосферы Земли. По итогу большинство двуокиси углерода, полученной в результате интенсивных выбросов углекислого газа в атмосферу человеком, будет растворено в океанах. Но скорость, с которой будет протекать этот процесс в дальнейшем, остается неизвестной.
Наличие фитопланктона на поверхности океанов помогает поглощать СО2 из воздуха в океан. Некоторое количество углекислого газа фитопланктон поглощает при фотосинтезе, приобретая энергию и источник для развития клеток. Когда он погибает и спускается на дно, углерод остается с ним.

Взаимодействие с землей

Углекислый газ воздуха на генетическом уровне взаимосвязан с землей. Постоянно протекающие почвенные движения увеличивают резервы СО2 в воздухе, где он используется растениями на образование органических элементов. Углекислота выполняет важную функцию в формировании и проветривании почвы. Он принимает участие в разрушении основных минералов, увеличении растворяемости, перемещении карбонатов и фосфатов.


Значительная доля диоксида углерода грунтового воздуха появляется в результате деятельности почвенных организмов, во время распада и окисления органического элемента. До 1/3 части СО2 вырабатывается корнями высоких растений. Также происходит поступление углекислого газа с газами ювенильного и вадозного происхождения из глубочайших шаров земли. В почвах, сформированных на известковых породах, СО2 способен выступать продуктом разрушения углекислого кальция почвенными кислотами.

СО2 грунтового воздуха имеет огромную биологическую значимость. Ее излишек (больше 1%) подавляет проращивание семян и рост корневой системы. Если убрать углекислоту все равно ее кратковременный излишек приведет к медленному росту семян.

В почвах с большим содержанием органического вещества концентрация СО2 летом и весной увеличивается до 3-9 %. Черноземные грунты вырабатывают от 2 до 6 кг углекислого газа на протяжении 24 часов. В почвенном воздухе на глубине 75-150 см в два раза больше содержание СО2 нежели в верхних слоях. В теплые времена содержание СО2 в почвенном воздухе в два раз больше чем в зимний период. Объяснить это можно увеличением активности организмов в грунте.
Необходимо понимать, что многочисленные способы земледелия приводят к повышению концентрации углекислоты в грунте. Среди них можно выделить:

  1. органические удобрения;
  2. травосеяние;
  3. сжатие катками.

Безусловно, не стоит говорить, что плодородность и качество земли зависит исключительно от углекислоты, есть и другие факторы, влияющие на это.
Чтобы регулировать динамику СО2 в почве и увеличивать его содержание до требуемого количества для извлечения хорошего урожая необходимо:

  • активировать жизненные процессы в грунте при помощи аэрации;
  • осуществлять правильное травосеяние для того чтобы поддерживался и обновлялся резерв органического вещества;
  • делать сидерацию и вносить органические удобрения.

Несомненно, что без углекислого газа существование на нашей Земле кардинально отличалось бы. Он вовлечен в важнейшие биологические, химические, геологические и климатические процессы. О них важно знать для объяснения многих явлений, происходящих вокруг нас.

CO2 -> CO уравнение реакции

Оксид углерода (II) из диоксида углерода (CO2 -> CO) можно получить двумя способами. Во-первых, если нагревать углекислый газ до температуры выше , то он будет разлагаться на монооксид углерода и кислород. Молекулярное уравнение реакции имеет вид:

Во-вторых, монооксид углерода является продуктом восстановления углекислого газа углем. Молекулярное уравнение реакции имеет вид:

Диоксид углерода (углекислый газ) при обычных условиях представляет собой бесцветный газ, который в 1,5 раза тяжелее воздуха, что позволяет переливать его, как жидкость, из одного сосуда в другой. Растворимость диоксида углерода в воде невелика.
Под давлением диоксид углерода при комнатной температуре превращается в жидкость. А при быстром выливании его из баллона он превращается в твердую белую снегообразную массу.
Углекислый газ проявляет кислотные свойства: реагирует со щелочами, гидратом аммиака. Восстанавливается активными металлами, водородом, углеродом.

В промышленных условиях углекислый газ получают из дымовых газов или в качестве побочного продукта многих химических реакций, например при разложении природных карбонатов – известняка и доломита.

Оксид углерода CO(II) — угарный газ

Оксид углерода CO(II) или монооксид углерода — бесцветный газ, не имеющий запаха, плохо растворимый в воде.

Оксид углерода CO(II) рядовому обывателю более известен, как угарный газ, который стал причиной трагических смертей десятков тысяч людей.

В молекуле оксида углерода (II) атомы кислорода и углерода соединены тройной связью.

Электронные конфигурации:

  • кислорода — 1s22s22p4
  • углерода — 1s22s22p2

У обоих элементов имеется по два неспаренных электрона на внешнем энергетическом уровне, которые и образуют две ковалентные связи (обозначены зеленым цветом). Третья связь образуется по донорно-акцепторному принципу — атом углерода (акцептор) предоставляет свою свободную орбиталь (желтая ячейка), на которой размещается электронная пара кислорода (донор) (красный цвет).

В молекуле угарного газа атом углерода принимает валентность 3, но степень окисления +2. По этой причине, для оксида углерода CO(II) характерны реакции присоединения, в которых он играет роль восстановителя:

  • на воздухе оксид углерода CO(II) горит, образуя углекислый газ:
    2C+2O+O20 = 2C+4O2+Q
  • восстановительные свойства угарного газа нашли широкое применение в металлургических процессах получения металлов из их оксидов (руд):
    CO+FeO = CO2+Fe
    CO+CuO = CO2+Cu
  • в присутствии угля, который выполняет роль катализатора, на свету угарный газ взаимодействует с хлором с образованием отравляющего вещества фосген:
    CO+Cl2 = COCl2

Поскольку монооксид углерода не образует солей, при н.у. угарный газ не взаимодействует с кислотами и щелочами.

В промышленных целях угарный газ получают взаимодействием углекислого газа с раскаленным углем:
CO2+C = 2CO

В лабораторных условиях CO получают действием концентрированной серной кислоты на муравьиную кислоту при высокой температуре:
HCOOH → CO + H2O

Угарный газ также образуется в процессе неполного сгорания топлива:
CH4+1½O2 = CO+2H2O

Именно такие случаи приводят зачастую к непоправимым трагедиям, — люди «угорают», чаще всего в домах с печным отоплением, когда в целях сохранения тепла на ночь закрывается заслонка, препятствующая выходу продуктов горения в вытяжную трубу, но при этом дрова или уголь еще полностью не перегорели. В результате чего, образующийся угарный газ накапливается в помещении, и люди, вдыхая его во сне, умирают.

Второй, самый распространенный случай гибели людей от угарного газа — вдыхание выхлопных газов автомобиля с двигателем внутреннего сгорания в закрытом, плохо проветриваемом помещении. Сколько таких случаев было, когда водители грелись и погибали в закрытых гаражах.

Почему умирают от вдыхания угарного газа

Все дело в гемоглобине, который содержится в красных кровяных тельцах — эритроцитах. Гемоглобин — это белок, который транспортирует кислород от легких к тканям человека. Коварность угарного газа заключается в том, что CO легко преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, после чего растворяется в плазме крови, и начинает «цепляться» к эритроцитам, вытесняя из гемоглобина кислород с образованием карбоксигемоглобина — в молекуле гемоглобина молекулы угарного газа соединяются с атомами железа, после чего кислород остается «не при делах». Данная реакция происходит по причине того, что монооксид углерода в 250(!) раз более активно вступает в реакцию с гемоглобином, нежели кислород. Таким образом, поступление кислорода к тканям организма нарушается, и в течение короткого времени наступает смерть человека, который задыхается «изнутри».

Концентрация угарного газа 1,2% в воздухе является смертельной — достаточно всего нескольких вдохов, чтобы человек потерял сознание, смерть наступает в течение 2-3 минут.

Оксид углерода CO2(IV) — углекислый газ

Молекула углекислого газа имеет линейное строение (углерод имеет валентность 4, и степень окисления +4):

O=C=O

Атомы углерода и кислорода связаны ковалентными полярными связями, но сама молекула неполярна.

Углекислый газ (диоксид углерода) также, как и угарный газ, не имеет цвета, запаха, плохо растворим в воде, но, растворяется лучше, чем CO. При низких температурах углекислота переходит в жидкое, а затем в твердое состояние (сухой лед).

Углекислый газ реагирует со следующими веществами:

  • при растворении в воде образует угольную кислоту:
    CO2+H2O = H2CO3
  • с основными оксидами и основаниями CO2 взаимодействует, как кислотный оксид, образуя соли, которые называются карбонатами:
    Na2O+CO2 = Na2CO3
  • при высоких температурах углекислый газ проявляется свойства окислителя — активные металлы могут гореть в среде углекислого газа, отнимая у него кислород:
    CO2+C = 2CO
    CO2+2Mg = 2MgO+C

Получение и применение углекислого газа

  • в промышленности — обжигом известняка:
    CaCO3 = CaO+CO2
  • в лаборатории — действием кислоты на соли угольной кислоты:
    Na2CO3+2HCl = 2NaCl+H2O+CO2
  • в природе углекислый газ выделяется при гниении и горении органических веществ:
    C+O2 = CO2

Углекислый газ нашел широкое применение в пищевой промышленности, в качестве основного компонента газированных напитков. Сухой лед применяется в качестве охладителя. Углекислотные огнетушители применяются при тушении похара, если температура горения не превышает 1000°C.