Storia e proprietà della CO2

Il biossido di carbonio (a volte chiamato impropriamente " gas carbonico") è un composto chimico composto da un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno, la cui formula è: CO2
L'anidride carbonica è stata scoperta nel 1638 da un medico belga di nome Jan Baptist van Helmont, che gli diede il nome di anidride carbonica. 
Le proprietà del biossido di carbonio sono state dettagliatamente studiate già nel 1750 dal fisico e chimico britannico, Joseph Black, che chiamato questo gas “aria fissa”. L'anidride carbonica è stata successivamente isolata dal prete inglese Joseph Priestley nel 1772 che mise a punto il metodo per farla assorbire nell’acqua inventando l’ ”acqua gasata”. Il processo fu ripreso da Johann Jacob Schweppe che fonda, nel 1790, a Londra una fabbrica di produzione di acqua e soda commercializzata con il nome di Schweppes. Nel 1781 il chimico francese Antoine-Laurenrt Lavoisier dimostrato che questo gas è il prodotto della combustione del carbonio con l’ossigeno. 
A temperatura e pressione normali, l'anidride carbonica è un gas incolore, inodore, e di sapore pungente comunemente chiamato "gas carbonica" o "anidride carbonica".
É un gas che provoca l’effetto serra. È presente in atmosfera con una percentuale pari a circa 0,0375% in volume, o 375 ppmv (parti per milione in volume), che aumenta rapidamente, di circa 2 ppmv all'anno, dovuto alle attività umane (consumi di combustibili fossili: carbone, petrolio, gas).
L’anidride carbonica è prodotta durante la fermentazione aerobica o la combustione di composti organici, e durante la respirazione degli esseri viventi e delle piante. La fotosintesi produce più CO2 di quella prodotta dalla respirazione.

Caratteristiche Fisiche
Formula chimica CO2
Massa molecolare 44,01 g/mol
Temperatura critica 31,1 °C
Pressione critica 7,4 MPa
Punto triplo - 56,6 °C a 519 KPa
Calore latente di vaporizzazione (0 °C) 234,5 kJ/kg
Calore latente di fusione (-56,6 °C) 199 kJ/kg

La CO2 è un gas incolore, di odore pungente e di sapore acidulo, il quale in soluzione acquosa presenta reazione debolmente acida, per il formarsi di acido carbonico secondo la seguente reazione:

acido d'altronde estremamente instabile, che tende rapidamente a scindersi, spostando nuovamente la reazione verso sinistra. Per altro, l'acido carbonico presente in un liquido si può ritenere trovarsi nella sua quasi totalità allo stato molecolare (H2CO3) e di conseguenza solo in piccolissima parte allo stato dissociato (H+ + HCO-3), come appunto denota la sua debole reazione acida. Difatti l'acido carbonico ha una costante di dissociazione bassissima (3x10-7) e una soluzione decinormale di questo acido presenta una percentuale di dissociazione dello 0,17%. Si pensa comunque che la CO2 presente in un vino si trovi più che altro come tale, ossia allo stato di anidride, e solo in piccola parte come acido carbonico.
L'anidride carbonica in soluzione nel vino causa un aumento di volume dello stesso, per cui in una bottiglia di spumante della capacità di 750 ml, il vino subisce un aumento di volume di circa 4,5 ml per pressioni da 4 a 5 atm di gas carbonico.
Questo gas ha una densità elevata, che rispetto all'aria è di 1,529 g/l: per questa sua densità esso è travasabile da un recipiente all'altro similmente a quanto avviene per un liquido. A 0°C un litro di CO2 pesa g 1,976.
L'anidride carbonica liquefa a +20°C con una pressione di 50 atm. L'anidride carbonica liquida a +22°C ha un peso specifico di 0,726 g/l.
Quando la CO2 liquida viene portata rapidamente a pressione ordinaria, per il forte raffreddamento dovuto al passaggio repentino di stato (da liquido a gassoso) di una frazione della CO2 liquida che in tal modo è portata ad entrare in subitanea evaporazione, la restante frazione liquida solidifica, dando luogo al noto "ghiaccio secco", che ha trovato varie applicazioni nell'industria.
Un volume di acqua a + 15°C scioglie un volume di CO2 a pressione ordinaria, a 2 atm 2 volumi, a 3 atm 3 volumi, secondo  la legge di HENRY. Ovviamente, con l'aumentare della temperatura diminuisce la solubilità del gas (grammi 1,8 per litro d'acqua a 0°C; grammi 0,8 a 40°C), mentre l'inverso accade per l'aumentare della pressione.

L'anidride carbonica industriale
Nel ciclo di produzione degli spumanti gassificati artificialmente, l'anidride carbonica preparata dall'industria (o come sottoprodotto dell'industria birraria o distillerie, o come prodotto dai carbonati, o estratta dal sottosuolo) può trovare diverse utilizzazioni, e cioè come materia prima fondamentale per la gassatura di tali spumanti, o come gas di compensazione nelle varie fasi di un tale ciclo (secondo le vigenti disposizioni non ne è ammesso in Italia l'impiego neppure come gas di compensazione nei travasi, filtrazioni, ecc., negli stabilimenti produttori di spumanti naturali i quali non sono neppure autorizzati alla semplice detenzione delle bombole di CO2; ovviamente tale gas è qui sostituibile dall'azoto compresso ).
La CO2 viene di norma compressa in bombole di acciaio di varia capacità (colore grigio della bombola). Qui ci riferiremo ad una capacità molto usata, quella cioè di bombole da 40 litri, contenenti 30 Kg di gas. Tali bombole hanno un'altezza di circa 170 cm, un diametro di circa 20 cm, una tara sui 55 Kg, compreso cappellotto di protezione e valvola. Esse possono essere messe in opera o singolarmente oppure riunite in pacchi di più bombole disposte orizzontalmente. E frequente, in tale ultimo caso, la riunione ad esempio di 27 bombole in 6 ordini sovrapposti di 4 e 5 bombole ciascuno, da cui un ingombro del pacco pari a circa m 1,70 in lunghezza, 1,20 in larghezza, 1,35 in altezza, con un peso complessivo di 1800 Kg.
Ovviamente in tali pacchi le bombole sono collegate fra loro in modo da funzionare, volendolo, tutte assieme. In loro sostituzione, sempre nel caso di elevate richieste di gas, esistono degli impianti formati da un grande serbatoio di CO2 liquida (ad esempio sui 50 q.li di capienza) montato su bascula per il controllo continuo della quantità di gas disponibile. 

La pressione in tali serbatoi è sulle 20 atm, con una temperatura (prodotta da apposito impianto frigorifero collegato) sui -20°C. A tale scopo i serbatoi sono coibentati con poliuretano espanso. Per portare la CO2 allo stato gassoso, vi è collegato uno scambiatore termico, a vapore o ad acqua calda o elettrico, che riscalda la CO2 liquida portandola a gassosa. Tale serbatoio è rifornito saltuariamente a mezzo di speciale autocisterna refrigerata.
In tutti questi contenitori, comunque, il gas, essendovi compresso ad una pressione dell'ordine di 50 atm nelle bombole conservate a temperatura ambiente, o di 20 atm nei suddetti serbatoi refrigerati, si presenta liquefatto, come difatti è facile constatare aprendo il rubinetto della bombola messa in posizione capovolta. Il liquido, che così fuoriesce, per istantanea evaporazione si raffredda e solidifica.
Aprendo invece il rubinetto con la bombola in posizione diritta si avrà fuoruscita del gas che occupa la camera sovrastante la frazione liquida del gas stesso. L'apertura moderata del rubinetto, causando una lenta depressione, produce il continuo passaggio del gas dalla fase liquida alla gassosa, con moderato abbassamento della temperatura e quindi senza solidificazione, mantenendo così un flusso costante fino ad esaurimento della bombola stessa.
Esprimendo il contenuto in litri di CO2, i 30 Kg di gas liquefatto della bombola più sopra esemplificata, equivalgono a litri 15.180 a 0°C, dato che 1 litro di CO2 a 0°C pesa g 1,976. Alla temperatura di + 10°C i litri saranno invece 19.885 in quanto 1 litro di CO2 a 0°C se portato alla temperatura di + 10°C si dilata fino ad un volume di litri 1,31 sempre alla pressione di 760 mm.
Va osservato che le pressioni di esercizio adottate per il loro riempimento sono naturalmente, per ovvie ragioni di sicurezza, di molto inferiori a quelle di collaudo, le quali raggiungono le 250 atmosfere.
Le pressioni di rottura sono poi dell'ordine di 500 atm. Per quanto sopra, pur non essendo norma prudenziale il farlo, una bombola può con un largo margine sopportare notevoli aumenti di temperatura, come può in pratica verificarsi se lasciata esposta al sole nelle ore meridiane estive. Un'altra norma prudenziale consiglia di evitare gli urti troppo violenti, in modo particolare se diretti al rubinetto, il quale potrebbe tranciarsi all'urto lasciando così di colpo il gas libero di espandersi, con conseguenze facilmente prevedibili.
Le revisioni periodiche alle bombole vengono ripetute ogni 5 anni, a norma di legge.
Ogni bombola è corredata, oltre che dal rubinetto (con relativo tappo cieco a vite, onde evitare perdite di gas nei periodi di inutilizzazione), anche da un cappellotto di protezione del rubinetto stesso, del quale va tenuto conto nella valutazione della tara.

Al momento dell'impiego, al rubinetto della bombola viene collegato un riduttore di pressione, al fine di poter disporre di un comodo ed efficiente controllo della pressione in uscita, riducendola dalle 50 atm circa della bombola fino anche all'ordine di qualche decimo di atmosfera. Come è chiaramente visibile in figura, il riduttore di pressione è essenzialmente costituito da una membrana (a) che, venendo più o meno deformata dalla compressione esercitata dalla vite (b) azionata a mano, trasmette in maniera ermetica, rispetto cioè ad ipotetiche fughe di gas, i movimenti al pistoncino di chiusura (c). Pertanto ruotando la vite in senso orario, si causa la fuoruscita del gas per deformazione della membrana; in senso anti-orario naturalmente se ne chiude il deflusso. Al riduttore sono collegati 1 o più comunemente 2 manometri, che danno o la sola pressione di uscita, già ridotta quindi, oppure, nel caso dei 2 manometri, anche la pressione in bombola. Pertanto il primo presenta di solito una scala da 0 a 12 atm, mentre il secondo da 0 a 150 atm.

Al riduttore stesso è collegato un manicotto riscaldante (d), munito di una piccola resistenza elettrica (più raramente si adotta allo scopo una lampada a fiamma) che provvede ad evitare inceppi nel funzionamento del riduttore per formazione di ghiaccio (derivante dall'umidità spesso presente nel gas compresso), viste le basse temperature che ivi si raggiungono, causate dall'espansione della CO2 uscente dal rubinetto. E questo in particolare quando venga prelevato del gas per un tempo piuttosto lungo, o quando esso venga fatto uscire con una portata elevata. In quest'ultimo caso poi (in particolare nel caso delle compensazioni gassose delle autoclavi, ad es. in fase di filtrazione) è di vivo interesse pratico l'adottare dei riduttori di grande diametro (membrane dell'ordine dei 15-20 cm), onde consentire tali portate unitarie elevate ma nel contempo costantemente livellate al valore di pressione finale prescelto. L'operatore non è così tentato di ricorrere a pericolose sovrapressioni transitorie (nel caso appunto di riduttori di piccolo diametro), nell'intento di risparmiare tempo per giungere più rapidamente alla pressione voluta, in un'autoclave vuota ad es. Una dimenticanza difatti nel ricondurre tempestivamente, nelle ultime fasi del flusso gassoso, il riduttore alla prefissa pressione inferiore potrebbe causare situazioni allarmanti.
Sarà qui talvolta però il caso di dover immergere la base della bombola, naturalmente mantenuta in piedi, in un recipiente contenente dell'acqua di riscaldamento; ciò a scanso di congelamento all'interno della bombola, del gas liquefatto, vista la particolarmente elevata resa in gas che al liquido stesso viene richiesta in questo caso nella unità di tempo.

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