Το διοξείδιο του άνθρακα (χημικός τύπος : CO2) είναι χημική ένωση που αποτελείται από δύο άτομα οξυγόνου ενωμένα με ομοιοπολικό δεσμό με ένα άτομο άνθρακα. Είναι γραμμικό μόριο χωρίς διπολική ροπή. Περιέχει 27,3 % w/w άνθρακα και 72,7 % w/w οξυγόνο. Μπορεί να αποδοθεί με το συντακτικό τύπο : O=C=O.
Είναι αέριο συστατικό της γήινης ατμόσφαιρας, άχρωμο, άοσμο και άγευστο σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας και επίσης είναι ένα από τα αέρια του θερμοκηπίου.
Αποτελεί υποπροϊόν όλων των καύσεων ορυκτών καυσίμων (κάρβουνου, πετρελαίου, βενζίνης, φυσικού αερίου κλπ.), αλλά και του ξύλου, πλαστικών κ.ά. οργανικών ενώσεων. Παράγεται ακόμα από την αποσύνθεση οργανικών ουσιών. Μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα εκπέμπονται επίσης από τα ηφαίστεια* και από τις θερμές πηγές αλλά και από τη διάλυση των ανθρακικών πετρωμάτων. Ενωμένο, με τη μορφή ανθρακικών αλάτων, βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στο στερεό φλοιό της γης. Τα κυριότερα ανθρακικά ορυκτά είναι οι διάφορες ποικιλίες του CaCO3 (ασβεστόλιθοι, ασβεστίτης, μάρμαρο κ.ά.), ο μαγνησίτης MgCO3, ο σιδηρίτης FeCO3, ο δολομίτης CaCO3.MgCO3 κ.ά.
Παράγεται επίσης κατά την αναπνοή όλων των φυτών και των ζώων και από τους μύκητες και μικροοργανισμούς που εξαρτώνται άμεσα ή έμμεσα από τα φυτά για την τροφή τους.
Είναι αέριο άχρωμο και σε μικρές συγκεντρώσεις είναι και άοσμο. Σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας η πυκνότητα του είναι 1,98 kg/m3, είναι δηλ. 1,5 φορά πυκνότερο του αέρα. Σε 1 Atm (δηλ. σε πίεση στο επίπεδο της θάλασσας), μετατρέπεται απευθείας σε στερεό, σε θερμοκρασίες κάτω από -78,51 °C και, αν είναι σε στερεή μορφή, εξαχνώνεται πάνω από τους -78,51 °C. Στη στερεή του κατάσταση, το διοξείδιο του άνθρακα, είναι γνωστό ως "ξηρός πάγος".
Η κρίσιμη θερμοκρασία του είναι 31,1 °C και επομένως υγροποιείται εύκολα στη συνηθισμένη θερμοκρασία αλλά μόνο με συμπίεση (7,38 MPa). Είναι λίγο διαλυτό στο νερό, η διαλυτότητά του όμως αυξάνεται, όπως όλων των αερίων, με την πίεση. Νερό κορεσμένο από CO2 με πίεση λέγεται "νερό του Seltz".
Το τριπλό σημείο του διοξειδίου του άνθρακα είναι περίπου 518 kPa στους -56.6 °C.
Υπάρχει και μια εναλλακτική μορφή άμορφου κρυσταλλικού στερεού διοξειδίου του άνθρακα, όχι όμως σε ατμοσφαιρική πίεση. Αυτή η μορφή γυαλιού, που ονομάζεται "καρμπόνια" παράχθηκε με υπέρψυξη θερμαινόμενου CO2 σε ακραίες συνθήκες πίεσης (περίπου 400000 Atm). Η ανακάλυψη αυτή επιβεβαίωσε τη θεωρία ότι το διοξείδιο του άνθρακα θα μπορούσε να υπάρχει σε μια κατάσταση παρόμοια με τις κρυσταλλικές μορφές των άλλων στοιχείων της ομάδας του άνθρακα στον περιοδικό πίνακα όπως το πυρίτιο και το γερμάνιο. Σε αντίθεση όμως με τα διοξείδια του πυριτίου και του γερμανίου, η "καρμπόνια" δεν είναι σταθερή σε κανονική πίεση.
Η διαλυτότητα του CO2 στο νερό εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως η πίεση του CO2 σε ισορροπία με το διάλυμα (η διαλυτότητα αυξάνεται με αύξηση της πίεσης), η θερμοκρασία (η διαλυτότητα ελαττώνεται με αύξηση της θερμοκρασίας), το pH (η διαλυτότητα του CO2 αυξάνεται με την αύξηση του pH), η παρουσία άλλων ουσιών (η διαλυτότητα μειώνεται με την παρουσία ενώσεων όπως το χλωριούχο νάτριο, αλλά μπορεί και να αυξηθεί ή να μειωθεί με την αύξηση της συγκέντρωσης των οργανικών ενώσεων).
Σε θερμοκρασία δωματίου (25 °C), η διαλυτότητα του CO2 είναι περίπου 90 mL ανά 100 mL νερού. Σε υδατικό διάλυμα, το διοξείδιο του άνθρακα βρίσκεται με διάφορες μορφές :
CO2(aq) + H2O ⇄ H2CO3 ⇄ HCO3- + H+ ⇄ CO32- + 2H+
Τα ανιόντα του παραπάνω σχήματος αντιδρούν με κατιόντα που πιθανόν υπάρχουν στο νερό, παράγοντας αδιάλυτα άλατα. Έτσι, αν π.χ. υπάρχουν ιόντα Ca2+ ή/και Mg2+ τότε σχηματίζονται αδιάλυτα CaCO3 και MgCO3 τα οποία, δεσμεύοντας τα CO32-, μετατοπίζουν την ισορροπία προς τα δεξιά αυξάνοντας την οξύτητα του νερού.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ακόμη ότι το καρβονικό οξύ που παράγεται κατά την διάλυση του CO2 στο νερό είναι ακόμη ένας λόγος που η αύξηση του CO2 από ανθρωπογενείς παράγοντες απειλεί την ισορροπία του οικοσυστήματος, αφού η αυξημένη οξύτητα του νερού προκαλεί προβλήματα στους θαλάσσιους οργανισμούς
Το διοξείδιο του άνθρακα επειδή είναι άφλεκτο χρησιμοποιείται υπό πίεση σε ορισμένους πυροσβεστήρες που είναι σχεδιασμένοι για κατάσβεση πυρκαγιών που οφείλονται σε ηλεκτρικά βραχυκυκλώματα. Επίσης ειδικοί πυροσβεστήρες με CO2 χρησιμοποιούνται και για την πυροπροστασία πλοίων και μηχανοστασίων.
Η διάλυση του άνθρακα στους ωκεανούς με τη μορφή CO2, H2CO3 και ιόντων HCO3- και CO32- είναι περίπου 50 φορές μεγαλύτερη από ότι στην ατμόσφαιρα. Οι ωκεανοί ενεργούν ως μία τεράστια δεξαμενή άνθρακα, και δέχονται περίπου το ένα τρίτο των εκπομπών CO2 από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Η διαλυτότητα του CO2 μειώνεται καθώς η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται.
Ένα μέρος του διαλυμένου CO2 στους ωκεανούς καταναλώνεται για τη φωτοσύνθεση από οργανισμούς στο νερό, και ένα μικρό ποσοστό συντηρεί τον κύκλο του άνθρακα. Η αύξηση του CO2 στην ατμόσφαιρα έχει οδηγήσει σε αύξηση της οξύτητας του θαλασσινού νερού και υπάρχει ανησυχία ότι αυτό μπορεί να επηρεάσει αρνητικά οργανισμούς με κελύφη που ζουν στο νερό, αφού είναι γνωστό ότι τα οξέα διαλυτοποιούν το ανθρακικό ασβέστιο από το οποίο είναι φτιαγμένο το κέλυφος.
Φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία κατά την οποία τα φυτά που περιέχουν χλωροφύλλη, με τη βοήθεια του φωτός και με αρχικά αντιδρώντα το νερό και το CO2, μετατρέπουν ανόργανες ουσίες σε τροφή. Πρόκειται για μια φυσιολογική λειτουργία με την οποία τα πράσινα φυτά προμηθεύονται τον άνθρακα και το οξυγόνο, που είναι απαραίτητα για τη θρέψη τους. Η φωτοσύνθεση είναι μια εξώθερμη διαδικασία, η συνολική χημική αντίδραση της οποίας είναι : 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 + 2817 KJ. Ο μηχανισμός της φωτοσύνθεσης σε γενικές γραμμές είναι ο ακόλουθος: το νερό διαλύει και μεταφέρει το διοξείδιο του άνθρακα μέχρι τα κύτταρα και τους χλωροπλάστες των φύλλων. Εκεί με την ενέργεια του φωτός που απορροφά η χλωροφύλλη, διασπάται το νερό στα στοιχεία του. Το οξυγόνο απελευθερώνεται, ενώ το ατομικό υδρογόνο δεσμεύεται από διάφορα ένζυμα. Έπειτα το υδρογόνο συμμετέχει στις αντιδράσεις με το διοξείδιο του άνθρακα: CΟ2 + |Η| → (CΗ2Ο)x. Στο δεύτερο στάδιο αντιδράσεων δε χρειάζεται ηλιακή ενέργεια, γι' αυτό οι αντιδράσεις αυτές ονομάζονται "σκοτεινές". Με λίγα λόγια, οι χλωροπλάστες, με την βοήθεια του φωτός και του CO2, παράγουν οξυγόνο και ενέργεια απορροφώντας CO2 κατά την φωτοπερίοδο η οποία δεν θα πρέπει να ξεπερνά τις 12 ώρες ημερησίως. Τις υπόλοιπες ώρες απορροφούν οξυγόνο και παράγουν CO2.
Έχει αποδειχθεί ότι τα φυτά μπορούν να αναπτυχθούν μέχρι και 50% ταχύτερα σε συγκεντρώσεις 1000 ppm CO2. Ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι αν αυξηθεί η συγκέντρωση CO2 στην ατμόσφαιρα, αυτό θα οδηγήσει σε ταχύτερη ανάπτυξη των φυτών και, επομένως, σε αύξηση της παραγωγής τροφίμων. Μελέτες όμως έχουν δείξει ότι η αύξηση των εκπομπών CO2 οδηγεί σε μείωση της χρήσης του νερού από τα φυτά και σε ελάττωση της συγκέντρωσης των ιχνοστοιχείων σ' αυτά. Αυτό μπορεί να έχει αλυσιδωτές συνέπειες σε άλλους οργανισμούς των οικοσυστημάτων, όπως τα φυτοφάγα ζώα τα οποία θα πρέπει να τρώνε περισσότερο για να αποκτήσουν την ίδια ποσότητα πρωτεϊνών.
Τα φυτά εκπέμπουν CO2 κατά τη διαδικασία της αναπνοής. Αν και τα δάση θα μπορούσαν να απορροφήσουν πολλούς τόνους CO2 κάθε χρόνο, μελέτες αναφέρουν ότι ένα ώριμο δάσος παράγει τόσο πολύ CO2 κατά την αναπνοή και την αποσύνθεση των νεκρών δένδρων, όσο χρησιμοποιείται στην βιοσύνθεση και στην καλλιέργεια των φυτών.
