Com’è la geometria della CO₂?

Fonti di CO₂

Esistono fonti naturali di CO₂ come le acque termali, i vulcani, i geyser e viene rilasciata anche quando le rocce carbonatiche si diluiscono in acqua. Inoltre, essendo solubile in acqua, si trova naturalmente nei ghiacciai, nelle acque sotterranee, nei fiumi, nei mari, nei laghi e nei campi di ghiaccio, così come nel gas naturale e nei giacimenti petroliferi.

Inoltre, la CO₂ è prodotta attraverso la respirazione di tutti gli organismi aerobici.

Tutta l’aria che entra nei polmoni degli esseri umani e degli animali quando viene espulsa è CO₂; nel caso dei pesci è ciò che esce dalle branchie e raggiunge l’acqua. Qualcosa di simile accade nel processo di respirazione delle piante.

Può essere prodotta anche quando accendiamo la legna per fare fuoco e quando si produce pane, birra o vino per fermentazione degli zuccheri.

Com’è la geometria della CO₂?

A causa della presenza di 2 elettroni, la geometria della CO₂ è lineare, con un angolo di legame di 180°.

Ogni molecola di anidride carbonica è composta da una coppia di atomi di ossigeno che si uniscono a un atomo di carbonio tramite doppi legami covalenti.

Più in dettaglio, possiamo dire quanto segue:

• Nella geometria della CO₂ abbiamo un atomo di carbonio che si trova al centro di due atomi di ossigeno, formando una specie di legame sigma. Con tre di essi si completa un ottetto, unendosi a quello iniziale, quindi non esistono coppie di elettroni solitarie.
• Poiché nella geometria della CO₂ gli angoli con cui si produce il legame sono di 180 gradi e gli elettroni sono distribuiti in modo simmetrico, la geometria della CO₂ presenta una forma lineare.

In altre parole, in una molecola di CO₂ esistono due coppie di elettroni di valenza, che circondano il centro di carbonio e le coppie solitarie di ossigeno si respingono.

In questo modo, esiste una repulsione sui due lati dell’atomo centrale di carbonio, che a sua volta è doppiamente legato a ciascun atomo di ossigeno, quindi non si troverà alcuna coppia solitaria.

Per poter determinare la geometria della CO₂ delle molecole e la loro forma, si possono utilizzare l’ipotesi VSEPR, che stabilisce che sia la geometria elettronica che quella molecolare di una molecola sono lineari quando non contengono coppie solitarie, oppure la tecnica AXE.

Usi della CO₂

La CO₂, essendo un gas inerte, può essere utilizzata in diversi processi.

Come le saldature, come anestetico, solvente, per fare bevande gassate, per indurire il calcestruzzo, per carbonare la soda, come materia prima in alcuni prodotti chimici e combustibili, ma uno dei più importanti è per i sistemi di climatizzazione o refrigerazione.

Grazie al fatto che la CO₂ è un refrigerante naturale, che può passare dallo stato liquido a quello solido variando la sua temperatura o pressione, può essere utilizzata in impianti industriali o commerciali come refrigerante.

Detto questo, nei sistemi di climatizzazione la CO₂ viene utilizzata nella fase subcritica e transcrítica:

1. Fase subcritica: è quando nei sistemi di refrigerazione questo gas si trova al di sotto del suo punto critico (31 °C / 73 bar). A questo punto il suo comportamento è simile a quello di altri refrigeranti: assorbe calore evaporando, poi si comprime e successivamente si condensa (passa da gassoso a liquido perdendo calore).
2. Fase transcrítica: è quando in un sistema di refrigerazione il gas refrigerante supera il suo punto critico. In questo caso la CO₂ non si condensa (non avviene il passaggio da gas a liquido), per cui sono necessari controlli specifici a causa delle alte scariche e sono richieste tubazioni con una pressione di progetto di 120 bar.

È necessario ridurre la pressione in questo fluido che è stato compresso e refrigerato, affinché poi lo stesso venga condensato in forma liquida e possa così alimentare l’evaporatore dell’apparecchiatura di refrigerazione.

Qual è l’uso attuale della CO₂?

L’uso della CO₂ oggi è aumentato in diverse applicazioni e in grandi sistemi transcrítici di climatizzazione. Infatti, molti produttori stanno creando apparecchiature che funzionano con refrigeranti naturali.

Nei sistemi di climatizzazione, uno dei componenti base è lo scambiatore di calore, che è un modulo la cui funzione è trasferire il calore tra due liquidi, separati da una barriera compatta. Sono utilizzati generalmente per la produzione di energia, la lavorazione chimica o i sistemi di refrigerazione.

Questi nuovi scambiatori termici vengono progettati adattandosi a sistemi di refrigerazione più esigenti e di diverse dimensioni.

Tra gli usi dello scambiatore termico abbiamo:

• Aumentare la temperatura di un fluido tramite un altro più caldo.
• Raffreddare un fluido utilizzando un altro con una temperatura più bassa.
• Far sì che un fluido raggiunga il suo punto di ebollizione tramite un altro che abbia una temperatura maggiore.
• Utilizzando fluidi freddi si possono condensare alcuni gas.
• Far sì che un fluido raggiunga il suo punto di ebollizione mentre un altro gassoso più caldo si condensa.

Vantaggi del gas CO₂ come refrigerante

Utilizzando la CO₂ come refrigerante, si ottengono i seguenti benefici:

1. La CO₂ è considerata uno dei più adatti per l’ambiente nel suo uso nelle serre. Quando viene utilizzata in questi sistemi di refrigerazione si riesce ad ottenere una purezza del 99,99%, il che dimostra che è una delle migliori opzioni per l’ecologia.
2. Essendo un gas inerte, non è tossico né infiammabile, è considerato eccellente per lo scambio di temperatura nei condensatori, evaporatori e raffreddatori di gas.
3. Quando si usa la CO₂ nella refrigerazione, un altro dei principali vantaggi è che il suo costo è molto inferiore rispetto a quello di altri gas refrigeranti.
4. I compressori utilizzati con la CO₂ risultano essere più efficienti e si ottiene anche un eccellente trasferimento di calore.