二氧化碳(空气中常见的化合物)

二氧化碳（英文名称：Carbon dioxide），是一种无机物，化学式为二氧化碳式气枪，在常温常压下是一种无色、无味的不可燃气体，易溶于水形成碳酸，在自然空气中的体积分数约为0.04%，是空气中的主要组成部分之一。固态的二氧化碳也叫干冰（英文名称：Dry Ice）是一种形状像冰雪的白色固体，-78.5 ℃受热时直接汽化。在长时间暴露于热或火下，CO2容器可能会剧烈破裂并爆炸。长期处在高浓度的二氧化碳氛围下会导致窒息。过量排放到大气的二氧化碳是导致全球变暖的主要原因之一。二氧化碳在人工降雨、消防、食品、医疗、表面清洁、化工生产中均有应用，是促进温室中植物的生长的重要因素。

发现历史

最初的发现

在17世纪初，比利时化学家扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特 (Jan Baptista van Helmont)进行了一项关于植物生长和物质转化的研究。他将一定重量的土壤放入一个容器中，并将一棵小柳树种植在土壤中，过程中只给柳树提供了水，发现柳树在生长过程中增加了明显的质量，而土壤的质量几乎没有改变。因此，他得出了一个错误的结论，认为植物的质量增长完全是由于水的吸收。

“固定空气”的发现

在18世纪中叶，英国化学家和物理学家约瑟夫·布莱克（Joseph Black）进行了对碳酸钙和石灰的研究，并发现了一种特殊的气体。在他的研究中，他注意到在石灰石受热时会释放出一种气体，这种气体不支持燃烧，也不支持生物呼吸。他将这种气体称为"固定空气"（fixed air），这个名字是因为他认为这种气体是被固定在石灰石中的。通过一系列的实验证明了这种气体与酸性溶液的反应，以及它的溶解性和重量变化。观察到当固定空气溶解在水中时，会产生一种酸性溶液。他还发现了固定空气可以与碱发生反应，生成沉淀。

成分的确定

在18世纪末，法国化学家安东尼·拉瓦锡埃（Antoine Lavoisier）进行了一系列关于氧气和燃烧的研究。在这些研究中，他注意到燃烧过程中产生了一种气体，它不能支持燃烧，也不支持生物呼吸。拉瓦锡埃对这种气体进行了详细的实验研究，并最终确认了这种气体就是现在所知的二氧化碳。

理化性质

物理性质

在常温常压下，二氧化碳是一种无色、无味的气体。固体二氧化碳呈现白色、雪花状的薄片或立方体，液态呈无色。它具有体积小、分子量小、黏度低和抗磁性的特点。在100 kPa的压力下，二氧化碳的熔点为-56.6 ℃ ℃，沸点为-78.5 °C。二氧化碳在 101.325 kPa 和 0 °C时的密度为1.98 g/L，在21 ℃时的水中溶解度为1.45 g/L。

化学性质

生成弱酸

二氧化碳可溶于水，在水中可逆地形成碳酸，这是一种弱酸，在水中不完全电离：

碳酸会在水中不完全电离：

pKa1 = 3.6 (25 °C)

pKa2 =10.3 (25 °C)

与格式试剂反应

二氧化碳是一种有效的亲电试剂，可以跟格氏试剂反应生成羧酸盐，经过酸处理后可得到羧酸：

RCO

其中M=Li2Br或MgBr，R=烷基或芳基。

与过氧化物反应

二氧化碳能与过氧化钠（Na2O2）反应生成碳酸钠（Na2CO3）和氧气（O2）：

与碱反应

同时，二氧化碳也能与氢氧化钠反应，生成碳酸钠：

当二氧化碳过量时，则会生成碳酸氢钠：

电化学还原

使用电化学手段将二氧化碳还原的反应，是碳捕获与利用的最有前途手段之一：

与环氧化物反应

二氧化碳能与环氧化物聚合成聚碳酸酯：

化学结构

二氧化碳的分子具有线性和中心对称的平衡几何结构。由于二氧化碳是中心对称的，该分子没有电偶极矩。

作为一个线性三原子分子，二氧化碳具有四种振动模式，其中CO2分子中碳氧键键长为117.9 pm，键角为180°。如图所示，其中，对称和反对称拉伸模式使原子沿着分子轴移动。另外还有两种弯曲模式，它们是简并的，这意味着它们具有相同的频率和能量。当分子与表面或其他分子接触时，两种弯曲模式的频率可能会有所不同，因为它们之间的相互作用不同。

在红外光谱中，可以观察到一些振动模式的特征峰。例如，反对称拉伸模式的波数约为2349 cm-1。由于对称拉伸模式不会产生电偶极矩，所以在红外光谱中无法观察到它，在拉曼光谱中可在波数约为1388 cm-1处检测到。

制备与检测

实验室制备

在实验室中通常以碳酸根加酸制备二氧化碳，例如以碳酸钙与稀盐酸反应：

生物发酵

啤酒、威士忌和其他酒精饮料的酿造以及生物乙醇生产过程中糖发酵时会产生二氧化碳。酵母代谢糖产生二氧化碳和乙醇，也称为酒精：

工业制备

燃烧

在工业上燃烧化石燃料是最常见的工业制备二氧化碳的方法之一。化石燃料（如煤、石油和天然气）中含有碳，当它们被完全燃烧时，会产生二氧化碳气体，燃烧过程可以通过控制燃料供应和燃烧条件来实现二氧化碳的产生：

燃煤电厂、天然气发电厂和工业锅炉等设施都会产生大量的二氧化碳，如炼铁过程：

加热石灰石

高温加热灰石（主要成分为碳酸钙）分解产生二氧化碳是另一种重要是生产二氧化碳的方式：

CaO

化学反应的副产物

一些重要的化工过程，如水煤气变换反应（英文：H₂OGas Shift Reaction）也会产生大量的二氧化碳，该反应主要发生在以煤、石油和天然气为原料的制氢工业和合成氨工业中：

检测

把二氧化碳通入氢氧化钙溶液中后会变浑浊：

环境与生理作用

环境作用

地球表面的太阳能辐射照射到地球上，部分热量被大气层吸收，一部分经过大气层直接辐射回太空。然而，温室气体会吸收并重新辐射部分地球表面释放的热量，使其无法立即逃逸，而是继续留在地球的大气层中。这相当于在地球周围形成了一个类似温室的屏障，使得地球温度上升。

二氧化碳是最为常见的温室气体，约占温室气体总量的76%。其次是甲烷，而工业过程中释放的一氧化二氮和化气体也属于重要的温室气体。大多数二氧化碳的来源（约90%）是来自化石燃料的燃烧，如煤炭、石油和天然气。

生物学作用

人体生理作用

人体每天会通过呼吸作用产生大约1.0 kg的二氧化碳，二氧化碳通过静脉系统的血液输送并通过肺部呼出。吸气时，空气进入肺泡，肺泡是肺部气体交换的主要场所。在肺泡-毛细血管界面，氧气自由扩散到血液中，二氧化碳从血液扩散到肺泡腔中。组织的气体交换导致呼吸产生的二氧化碳从组织扩散到血液中，而氧气从红细胞中的血色素中排出。

血红蛋白是红细胞中主要的携氧分子，大部分的二氧化碳会通过红细胞中的碳酸酐酶转化为HCO3-进行运输。其中，碳酸氢根离子对于调节血液 pH 值至关重要。一个人的呼吸频率会影响血液中二氧化碳的水平。呼吸太慢或太浅会导致呼吸性酸中毒，而呼吸太快会导致换气过度，从而导致呼吸性碱中毒。尽管身体需要氧气来进行新陈代谢，但低氧水平通常不会刺激呼吸。相反，较高的二氧化碳浓度会刺激呼吸。因此，呼吸低压空气或完全不含氧气的气体混合物可能会导致意识丧失。同时，二氧化碳能够自动调节局部血液供应，当二氧化碳浓度过高时，毛细血管就会扩张，从而允许更多的血液流向该组织。

光合作用

光合作用（英语：photosynthesis）是发生在植物、藻类和一些细菌中的关键过程，它利用光能将二氧化碳和水转化为有机物质（如葡萄糖）和氧气。

二氧化碳是光合作用中的一个重要底物，为植物提供了碳源，支持其生长和发育。同时，光合作用还产生了氧气，为地球上的动物和其他生物提供了呼吸所需的氧气。因此，光合作用通过二氧化碳的利用，在维持地球生态系统的平衡和氧气循环方面起着至关重要的作用。

安全事宜

消防安全

二氧化碳是不可燃气体，但是装有二氧化碳的容器受热时可能会爆炸。因此，如果发生火灾，应该喷水冷却钢瓶。

二氧化碳灭火器不能有效扑灭自身供氧的化学品，活性金属（如钾、钠、镁、铝、钛和锆）或活泼金属氢化物的火灾，因为这些材料会与二氧化碳反应。

安全标识与建议

请放在儿童接触不到的地方。每次使用后或排空时需要关闭阀门。使用额定气缸压力的设备。在连接到准备使用的设备之前，不要打开阀门。在管道中使用防回流装置。只使用与建筑材料相容的设备。始终保持容器直立。在高压条件下，受热可能引发爆炸。可能导致窒息。可能引起呼吸和心率加快。

贮存与运输

只能在室外或通风良好的地方使用和储存。保护钢瓶免受物理损坏，不要拖、滚、滑等方式运送容器，需要使用手推车运送气瓶。需要使用额定气缸压力设备储存气体，每次使用后和排空时关闭阀门。

毒性机理

高浓度的二氧化碳会导致二氧化碳中毒，甚至可能导致死亡。其机制是当人体吸入高浓度的二氧化碳时，会导致血液的 pH 值迅速下降（呼吸性酸中毒，pH\u003c7.35），进而抑制中枢神经系统的功能，引发心律失常，最终可能导致死亡。这种情况并非由于缺氧所致，而是由于吸入的二氧化碳浓度过高所引起。

如果空气中的二氧化碳浓度过低，或者血液中的二氧化碳与空气中的氧气交换时间不足（例如在过度换气的情况下），会导致血液的 pH 值升高（呼吸性碱中毒，pH \u003e 7.45）。这是因为碳酸酐酶（或碳酸根脱水酶）催化二氧化碳与体内水反应，形成碳酸，随后碳酸离解成质子和碳酸氢盐。

慢性中毒

二氧化碳是人体的重要组成部分，一般没有毒性。但是如果长期暴露在 0.5-1% 浓度的二氧化碳气氛中，可能会改变酸碱和钙磷平衡，导致代谢性酸中毒和软组织中钙沉积增加。由于持续的呼吸刺激，长期暴露在 1-2% 浓度的二氧化碳气氛中，可能会对肾上腺皮质造成压力，并且是十分危险的。暴露高于 2% 浓度的二氧化碳气氛中，数小时后会出现头痛、呼吸困难和用力呼吸加深。长期暴露于 15–30% 浓度的二氧化碳气氛中会导致死亡。

急救措施

在发生皮肤冻伤时，请立即就医，切勿用水冲洗或擦拭受冻伤区域。为了避免进一步的组织损伤，请不要从冻伤部位脱下冻结的衣物。如果没有发生冻伤，请立即使用肥皂和水仔细清洗受伤区域。

若大量吸入二氧化碳，请迅速转移至新鲜空气中。如果呼吸停止，需要进行人工呼吸。确保受影响的人保持温暖并休息，尽快寻求医疗帮助。

应用领域

生产生活

消防安全

二氧化碳气体灭火器是一种常见的消防设备，广泛应用于电气设备、计算机机房和化学实验室等场所。当发生火灾时，二氧化碳灭火器通过释放高压二氧化碳气体来扑灭火焰。二氧化碳灭火主要是通过热物理机制，其中防止反应气体达到足够高的温度以维持维持火焰化学所必需的自由基数量。

人工降雨

干冰是固态二氧化碳，其温度极低，当干冰与云中的水蒸气接触时，会产生冷凝效应，使云中的水蒸气迅速凝结成冰晶或云滴。这些冰晶或云滴在一定的条件下可以逐渐生长并形成降水。

表面清洁

小块或颗粒状的干冰被投射到需要清洁的表面上，通过快速升华的过程，干冰直接从固态转变为气态，产生的二氧化碳气体具有冷却和清洁表面的效果。这种清洁方法适用于去除污垢、油脂、涂层和其它杂质，而无需使用化学溶剂或水。

食品行业

在食品行业中，二氧化碳具有多种主要应用，如制造碳酸饮料，食品冷藏与保鲜，速冻等等：

碳酸饮料

二氧化碳最常见的应用是生产碳酸饮料，并且拓展到了啤酒、气泡酒等。二氧化碳赋予软性饮料独特的刺激性味道或"咬感"，这是由于二氧化碳对嗅觉和味觉神经的显著刺激作用。碳酸化的饮料有助于防止霉菌的生长，并能抑制细菌的繁殖。在一些情况下，根据碳酸化的程度，它甚至可以消灭细菌。饮料中的酸度和二氧化碳含量的使用可以有效地延长碳酸饮料的保质期。

食品包装

当二氧化碳浓度超过一定程度时，对生物会产生致命影响。这一特性被有效地利用来保护谷物、水果和蔬菜免受昆虫侵害。高浓度的二氧化碳气氛被应用于食品包装，如水果、蔬菜和肉类，以延长它们的保鲜期，并控制谷物贮存中的昆虫。

合成淀粉

植物可以通过光合作用，利用二氧化碳合成淀粉。同时，也可以通过人工途径利用二氧化碳合成淀粉。

酿酒

在酵母发酵过程中，酵母将糖转化为酒精和二氧化碳。这些二氧化碳气泡产生了酒的起泡和气味。同时，二氧化碳作为惰性气体可以减少氧化反应和不良的化学变化，以保持酒的质量和稳定性。

动物屠宰

动物被引导或驱赶进入注入二氧化碳气体的通道中。这种过程使动物迅速失去知觉，它们会无意识地倒在传送带上，然后直接传送到屠宰区。通过这种方法，二氧化碳能够提高动物的血压，促进更多血液的回收，从而产生质量更好的肉品，比其他人道屠宰技术更具优势。

医疗气体

二氧化碳在医疗上有多种用途。它可以用于微创手术（如腹腔镜检查、内窥镜检查和关节镜检查）中作为吹入气体，扩大体腔并保持稳定，从而提高手术部位的可见度。二氧化碳可与高达50%的氧气混合，形成可吸入气体，这被称为卡波根（Carbogen）治疗法，具有多种医疗和研究用途。

化工生产

作为反应物

二氧化碳在工业上有多种用途，例如，尿素和甲醇的生产。全球每年使用的二氧化碳约为1.2亿吨（30亿吨），主要用于尿素生产，尿素又用于制造肥料和其他产品。它还可以作为水处理PH控制剂、焊接气体、植物生长刺激剂，以及在铸造过程中的硬化膜和芯子气动器件等，还可以用于杀菌剂。

以二氧化碳为原料可以合成乙醇、冰醋、4,4'4，4`-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、丙烯酸酯、长链二元酸等化学品。这些领域已经实现了工业化生产，并且规模在不断扩大。乙醇主要用作工业原料，而乙酸主要用于生产乙酸酐、乙酸酯和乙酸纤维素等产品。聚乙酸乙烯酯可用于制造薄膜和粘合剂，也是合成纤维维纶的原料，而乙酸纤维素可用于制造人造丝和电影胶片。

作为溶剂

超临界二氧化碳是二氧化碳保持在高于其临界温度和临界压力的流体状态，由于其在化学萃取中的作用以及相对较低的毒性和环境影响，在化工生产中可用作溶剂。

法律法规

巴黎协定

巴黎协定（英文名称：Paris Agreement）是联合国气候变化框架公约下的重要国际气候协议，于2015年12月12日在巴黎召开的缔约方会议第二十一届会议上通过，于2016年11月4日正式生效，是具有法律约束力的国际条约。协定的目标之一是实现温室气体排放的减少，包括二氧化碳的减排，将本世纪全球气温升幅限制在2℃以内，同时寻求将气温升幅进一步限制在1.5℃以内的措施。