二氧化碳 (IUPAC 名:carbon dioxide ,分子式 :CO 2 )是空氣 中常見的化合物 ,由两个氧原子 与一个碳原子通过极性共价键 连接而成。空氣中有微量的二氧化碳,約佔0.04%。二氧化碳略溶於水 中,可以与水 反应形成碳酸 ,碳酸是一種弱酸 。
在二氧化碳分子中,碳原子的成键方式是sp混成軌域 与氧原子成键 。碳原子的两个sp混成軌域分别与两个氧原子生成两个σ键。碳原子上两个没有参加杂化(混成)的p轨道与成键的sp混成軌域成90°的直角 ,并同氧原子的p轨道 分别发生重叠,故缩短了碳氧键的间距。
二氧化碳平均约占大气体积的400ppm,不過每年因為人為的排放增加,比率還在逐步上升。2019年5月大氣二氧化碳月均濃度超過415ppm,為過去80萬年來最高[ 1] [ 2] 。大气中的二氧化碳含量随季节变化,这主要是由于植物生长的季节性变化而导致的。当春夏季来临时,植物由于更多的光合作用 消耗二氧化碳,其含量便随之减少;反之,當秋冬季來臨時,植物不但光合作用效率降低,反而更多地制造二氧化碳,其含量便隨之上升。
二氧化碳在常溫常壓下為無色、無味、不助燃[ 註 1] 、不可燃的氣體。二氧化碳是溫室氣體 的一種。
物理與化學性質
二氧化碳略溶於水,少部份二氧化碳會和水反應,產生碳酸 ,溶解比例大约为1:1(体积比)。
C
O
2
+
H
2
O
→ → -->
H
2
C
O
3
{\displaystyle {\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightarrow H_{2}CO_{3}}}}
二氧化碳略微溶於醇 。
二氧化碳的相图
二氧化碳是無色的。在低濃度時,二氧化碳氣體是無味的,但在較高濃度時會有酸性氣味,它可造成窒息和刺激。當吸入濃度比大氣層平常濃度高很多的二氧化碳時,它可以產生一種酸的味道讓鼻子和喉嚨產生刺痛感,氣體溶解在黏膜和唾液中,產生了碳酸。這種感覺像喝下碳酸飲料。在標準的溫度 和壓力 下,二氧化碳的密度 大約是1.98 kg/m3 ,是空氣的1.5倍。二氧化碳用兩個氧原子與一個碳原子以雙鍵 組成。-78.51 °C或-109.3 °F時,二氧化碳會凝華,固態二氧化碳俗稱“乾冰 ”,是十分普遍的,一般用作冷凍,於1825年由法國化學家阿德里安-让-皮埃尔·蒂洛勒尔 首次發現。另一種形式的固態二氧化碳是非晶玻璃般的形式,稱為卡博尼亞(carboni),二氧化碳可以存在於一個玻璃態,類似於矽(石英玻璃)和鍺。但是卡博尼亞玻璃不穩定,如果恢復正常壓力就會變回原狀。
二氧化碳通常是由燃燒有機化合物 、細胞 的呼吸作用 、微生物 的發酵作用等所產生,植物在有陽光的情況下吸取二氧化碳,在其葉綠体 內進行光合作用 ,產生碳水化合物 和氧氣,氧氣可供其他生物進行呼吸作用,這種循環稱為碳循環 (carbon cycle)。二氧化碳是溫室氣體 之一,它允许可见光自由通过,但会吸收红外线与紫外线,这可以把來自太陽的熱能鎖起來,不讓其流失,如果大氣中的二氧化碳含量過多,熱量更難流失,地球的平均氣溫也會隨之上升,這種情況稱為溫室效應 。二氧化碳的固體 狀態是乾冰 。乾冰在室溫下會直接昇華 為氣體。二氧化碳需加壓到5.1倍大氣壓力 才會以液態存在。
CO2 的有关超临界物性参数:
临界温度:Tc = 304.2K
临界压力:Pc = 7.38MP
临界体积:Vc = 94cm3 /mol
临界密度:ρc = 0.468g/cm3
压缩因子:Z = 0.274
化學反應
二氧化碳是一種酸性氣體,因此可以跟鹼 反應。例如二氧化碳跟氫氧化鈉 反應:
2
N
a
O
H
+
C
O
2
→ → -->
N
a
2
C
O
3
+
H
2
O
{\displaystyle {\rm {2NaOH+CO_{2}\rightarrow Na_{2}CO_{3}+H_{2}O}}}
當二氧化碳過量,則會轉化為碳酸氫鈉 :
N
a
2
C
O
3
+
C
O
2
+
H
2
O
→ → -->
2
N
a
H
C
O
3
{\displaystyle {\rm {Na_{2}CO_{3}+CO_{2}+H_{2}O\rightarrow 2NaHCO_{3}}}}
亦會跟氫氧化鈣 (石灰水 )反應,生成碳酸鈣 沉澱:
Ca
(
OH
)
2
+
CO
2
⟶ ⟶ -->
CaCO
3
↓ ↓ -->
+
H
2
O
{\displaystyle {\ce {Ca(OH)2 + CO2 ->CaCO3 v + H2O}}}
如果通入過量二氧化碳,沉澱會重新溶解,因爲碳酸鈣會轉化為可溶的碳酸氫鈣 。
有機反應
二氧化碳可以跟格氏試劑 反應,生成比原本試劑多一個碳的羧酸鹽 。該羧酸鹽經過酸 處理後可得到羧酸 ,是一個很重要的有機反應。
歷史
在17世紀,法蘭德斯 化學家海尔蒙特 發現在密封容器內燃燒木炭,剩下的氣體的密度比原來的氣體更高。
1750年代,蘇格蘭物理學家约瑟夫·布莱克 又對二氧化碳有更進一步的研究:石灰石 加熱或加入酸後會產生一種它稱為「固定空氣」的氣體。
液化二氧化碳首次(在高溫壓力)在1823年製成。最早描述固體二氧化碳是由蒂洛勒尔(Thilorier)在1834年開設了壓力容器的液體二氧化碳,才發現,冷卻所產生的快速蒸發的液體產生了“雪”,即固體二氧化碳。
製備與檢驗
製備
在實驗室中通常以碳酸鹽加酸製備二氧化碳,例如以碳酸鈣(一般使用大理石或石灰石,因為純碳酸鈣與鹽酸反應太過劇烈,不便於收集)與稀鹽酸(避免鹽酸中的HCl揮發出來影響CO2 的純度)反應,並以向上排空氣法(或排饱和碳酸氢钠溶液等)收集:
C
a
C
O
3
+
2
H
C
l
→ → -->
C
a
C
l
2
+
C
O
2
↑ ↑ -->
+
H
2
O
{\displaystyle {\rm {CaCO_{3}+2HCl\rightarrow CaCl_{2}+CO_{2}\uparrow +H_{2}O}}}
在工業上是以高溫加熱灰石(主要成分為碳酸鈣)分解產生二氧化碳:(1atm,攝氏700度以上)
C
a
C
O
3
→ → -->
C
a
O
+
C
O
2
↑ ↑ -->
{\displaystyle {\rm {CaCO_{3}\rightarrow CaO+CO_{2}\uparrow }}}
也可以用酸(例如醋酸)和碳酸氫鈉(小蘇打)反應產生二氧化碳:
C
H
3
C
O
O
H
+
N
a
H
C
O
3
→ → -->
C
H
3
C
O
O
N
a
+
H
2
O
+
C
O
2
↑ ↑ -->
{\displaystyle {\rm {CH_{3}COOH+NaHCO_{3}\rightarrow CH_{3}COONa+H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}}
檢驗
將二氧化碳通入澄清的石灰水 ,會產生白色的碳酸鈣 沉澱,使石灰水變浑浊:
C
a
(
O
H
)
2
+
C
O
2
→ → -->
C
a
C
O
3
↓ ↓ -->
+
H
2
O
{\displaystyle {\rm {Ca(OH)_{2}+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}\downarrow +H_{2}O}}}
如先加热水并收集产生的气体,然后用澄清的石灰水检验,这样效果更好。其他气体(如二氧化硫 )也会使澄清石灰水变浑浊,从而干扰检测。但二氧化硫气体有刺激性气味,而二氧化碳气体则不具有气味,籍此可通过物理方法鉴别二氧化硫与二氧化碳气体。二氧化碳水溶液呈弱酸性,能够讓紅色的酚酞试液變成無色。
用途
二氧化碳可注入飲料中,增加壓力,使飲料中帶有氣泡,增加飲用時的口感,像汽水 、啤酒 均為此類的例子。
固態的二氧化碳(或乾冰 )在常溫下會昇華,吸收大量的熱,因此可用在急速的食品冷凍。
二氧化碳的重量比空氣重,不助燃,因此許多滅火器 都透過產生二氧化碳,利用其特性滅火。而二氧化碳滅火器是直接用液化的二氧化碳滅火,除上述特性外,更有滅火後不會留下固體殘留物的優點。
二氧化碳也可用作焊接 用的保護氣體,其保護效果不如其他惰性氣體 (如氬 ),但價格相對便宜許多。
二氧化碳雷射 是一種重要的工業雷射來源。
二氧化碳是植物光合作用 的主要碳源,可以用作植物溫室的氣體肥料和水草缸水族箱的肥料。
二氧化碳可用于人工合成淀粉 。[ 3]
二氧化碳可用來釀酒,二氧化碳氣體創造一個缺氧的環境,有助於防止細菌在葡萄生長。
二氧化碳可控制pH值 ,游泳池加入二氧化碳以控制pH值,加入二氧化碳從而保持pH值不上升。
二氧化碳可用於製鹼工業和製糖工業。
二氧化碳可用於塑料行業的發泡劑。
二氧化碳可用於殺菌、滅菌,填充於密封罐用以保存食物。
二氧化碳可用於動力能源:輪胎(汽車重機車自行車)充氣;BB彈空氣槍拋繩槍;穿線器(管子樂)。
超臨界 二氧化碳可用於咖啡因等物質的萃取。
乾冰可以用於人造雨、舞台的煙霧效果、食品行業、美食的特殊效果等。
乾冰可以用於清理核工業設備及印刷工業的版輥等。
乾冰可以用於汽車、輪船、航空、太空與電子工業。
大氣層
截至2019年5月,地球大氣層 中的二氧化碳濃度曾一度超過415 ppm(百萬分之415或0.0415%)[ 4] [ 5] 。2000至2009年間的濃度增長率為每年2.0 ppm,且逐年加速。[ 6] [ 7] 目前的濃度比工業化之前的280 ppm濃度高得多,而人為因素是導致二氧化碳濃度急劇上升的主要原因。[ 8] 釋放出的二氧化碳中,57%進入大氣層,其餘的則進入海洋,造成海洋酸化 。
多達四成的地面二氧化碳排放是由於火山 爆發。據估計,每年火山爆發釋放約130-230萬公噸 (145-255萬噸 )二氧化碳到大氣中。溫泉等也產生大量二氧化碳。人類排放的二氧化碳超過火山爆發排放量130倍以上:2018年全球排放量為365.7億公噸。
安全性
因為二氧化碳比空氣重,所以在低漥處的濃度較高。以人工鑿井或挖孔樁時,若通風不良則會造成井底的人員窒息 。CO 2 的正常含量是0.04%,當CO 2 的濃度達1%會使人感到氣悶、頭昏、心悸,達到4%~5%時人會感到氣喘、頭痛、眩暈,而達到10%的時候,會使人體機能嚴重混亂,使人喪失知覺、神志不清、呼吸停止而死亡。[ 9]
應避免之物質:
二氧化碳中毒 是人吸入高濃度的二氧化碳所出現的昏迷及腦缺氧情況,一般大氣 中二氧化碳含量超過1%時,人即有輕度中毒反應;當超過3%時,開始出現呼吸困難;超過6%時,就會深度中毒甚至死亡 。
即使是低于1% 的二氧化碳浓度也对人有影响。美国规定工作场所二氧化碳浓度的八小时平均不可以超过0.5%(5000 ppm)。[ 11] 在这个浓度下,国际空间站 的人员出现了头痛、嗜睡、迟钝,易怒、睡眠中断的症状。[ 12] 动物实验表明,连续八周暴露在这种条件下会导致骨密度下降和肾脏钙化。[ 13] 还有研究表明,即使是0.1%(1000 ppm)的浓度,暴露2.5小时即可显著降低认知能力,可能和二氧化碳增加脑血流有关。[ 14] 在办公室白领中的研究表明,和500 ppm的情况相比,二氧化碳浓度1000 ppm时白领的活动量和信息使用能力都有降低。[ 15]
徵狀
中毒主要徵狀有:頭痛 、頭愫暈、耳鳴 、氣急、胸悶、乏力、心跳 加快,面頰發紺、煩躁、譫妄、呼吸 困難,如情況持續,就會出現嗜睡、淡漠、昏迷、反射消失、瞳孔 散大、大小便失禁、血壓 下降甚至死亡。
搶救
打開門窗、通風孔,搶救者才可進入。將病人救出後,在空氣新鮮處進行人工呼吸 ,心臟按摩,吸氧(避免高壓、高流量、高濃度給氧,以免呼吸中樞更為抑制),開始1~2L/分,隨病人呼吸好轉逐漸增大給氧量(4--5L/分),以至採用高壓氧治療。(最好是純氧)
吸入興奮劑 :多種興奮劑交替、聯合使用,如洛貝林、山梗菜鹼等。
防止腦和肺水腫:應用脫水劑、激素,限制液量和速度,吸入鈉的份量亦應限制。
對症治療:給予多種維生素 、細胞色素C、能量合劑、高滲糖,以防感染。
搶救同時要留意有沒有其他有毒氣體存在,如一氧化碳 (CO)等。
参见
注释
参考文献
^ 二氧化碳 4 月浓度为 80 萬年来最高 . www.solidot.org. [2018-06-02 ] . (原始内容存档 于2020-12-12). (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ Carbon Dioxide in the Atmosphere Hits Record High Monthly Average . The Keeling Curve. 2018-05-02 [2018-06-02 ] . (原始内容存档 于2020-08-24) (美国英语) . (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
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多氧化碳 酯类 碳氧化物酸酐类 碳氧化物环状聚羰基 碳氧化物 其他碳氧化物