二氧化碳

二氧化碳（IUPAC名：carbon dioxide，分子式：CO2）是空气中常见的化合物，由两个氧原子与一个碳原子通过极性共价键连接而成。空气中有微量的二氧化碳，约占0.04％。二氧化碳略溶于水中，可以与水反应形成碳酸，碳酸是一种弱酸。

在二氧化碳分子中，碳原子的成键方式是sp混成轨域与氧原子成键。碳原子的两个sp混成轨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混成轨域成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，不过每年因为人为的排放增加，比率还在逐步上升。2019年5月大气二氧化碳月均浓度超过415ppm，为过去80万年来最高。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，当秋冬季来临时，植物不但光合作用效率降低，反而更多地制造二氧化碳，其含量便随之上升。

二氧化碳在常温常压下为无色、无味、不助燃、不可燃的气体。二氧化碳是温室气体的一种。

## 物理与化学性质

二氧化碳略溶于水，少部分二氧化碳会和水反应，产生碳酸，溶解比例大约为1：1（体积比）。

$$CO2 + H2O -> H2CO3$$

二氧化碳略微溶于醇。

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二氧化碳是无色的。在低浓度时，二氧化碳气体是无味的，但在较高浓度时会有酸性气味，它可造成窒息和刺激。当吸入浓度比大气层平常浓度高很多的二氧化碳时，它可以产生一种酸的味道让鼻子和喉咙产生刺痛感，气体溶解在黏膜和唾液中，产生了碳酸。这种感觉像喝下碳酸饮料。在标准的温度和压力下，二氧化碳的密度大约是1.98 kg/m3，是空气的1.5倍。二氧化碳用两个氧原子与一个碳原子以双键组成。-78.51 °C或-109.3 °F时，二氧化碳会凝华，固态二氧化碳俗称“干冰”，是十分普遍的，一般用作冷冻，于1825年由法国化学家阿德里安-让-皮埃尔·蒂洛勒尔首次发现。另一种形式的固态二氧化碳是非晶玻璃般的形式，称为卡博尼亚（carboni），二氧化碳可以存在于一个玻璃态，类似于硅（石英玻璃）和锗。但是卡博尼亚玻璃不稳定，如果恢复正常压力就会变回原状。

二氧化碳通常是由燃烧有机化合物、细胞的呼吸作用、微生物的发酵作用等所产生，植物在有阳光的情况下吸取二氧化碳，在其叶绿体内进行光合作用，产生碳水化合物和氧气，氧气可供其他生物进行呼吸作用，这种循环称为碳循环（carbon cycle）。二氧化碳是温室气体之一，它允许可见光自由通过，但会吸收红外线与紫外线，这可以把来自太阳的热能锁起来，不让其流失，如果大气中的二氧化碳含量过多，热量更难流失，地球的平均气温也会随之上升，这种情况称为温室效应。二氧化碳的固体状态是干冰。干冰在室温下会直接升华为气体。二氧化碳需加压到5.1倍大气压力才会以液态存在。

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

## 化学反应

二氧化碳是一种酸性气体，因此可以跟碱反应。例如二氧化碳跟氢氧化钠反应：

$$\rm 2NaOH + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$$

当二氧化碳过量，则会转化为碳酸氢钠：

$$\rm Na_2CO_3 + CO_2 +H_2O \rightarrow 2NaHCO_3$$

亦会跟氢氧化钙（石灰水）反应，生成碳酸钙沉淀：

$$Ca(OH)2 + CO2 ->CaCO3 v + H2O$$

如果通入过量二氧化碳，沉淀会重新溶解，因为碳酸钙会转化为可溶的碳酸氢钙。

### 有机反应

二氧化碳可以跟格氏试剂反应，生成比原本试剂多一个碳的羧酸盐。该羧酸盐经过酸处理后可得到羧酸，是一个很重要的有机反应。

## 历史

在17世纪，法兰德斯化学家海尔蒙特发现在密封容器内燃烧木炭，剩下的气体的密度比原来的气体更高。

1750年代，苏格兰物理学家约瑟夫·布莱克又对二氧化碳有更进一步的研究：石灰石加热或加入酸后会产生一种它称为“固定空气”的气体。

液化二氧化碳首次（在高温压力）在1823年制成。最早描述固体二氧化碳是由蒂洛勒尔（Thilorier）在1834年开设了压力容器的液体二氧化碳，才发现，冷却所产生的快速蒸发的液体产生了“雪”，即固体二氧化碳。

## 制备与检验

### 制备

在实验室中通常以碳酸盐加酸制备二氧化碳，例如以碳酸钙（一般使用大理石或石灰石，因为纯碳酸钙与盐酸反应太过剧烈，不便于收集）与稀盐酸（避免盐酸中的HCl挥发出来影响CO2的纯度）反应，并以向上排空气法（或排饱和碳酸氢钠溶液等）收集：

$$CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 + CO2 ^ + H2O$$

在工业上是以高温加热灰石（主要成分为碳酸钙）分解产生二氧化碳：（1atm，摄氏700度以上）

$$CaCO3 -> CaO + CO2 ^$$

也可以用酸（例如醋酸）和碳酸氢钠（小苏打）反应产生二氧化碳：

$$CH3COOH + NaHCO3 -> CH3COONa + H2O + CO2 ^$$

### 检验

将二氧化碳通入澄清的石灰水，会产生白色的碳酸钙沉淀，使石灰水变浑浊：

$$\rm Ca(OH)_2+CO_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow +H_2O$$

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，能够让红色的酚酞试液变成无色。

## 用途

- 二氧化碳可注入饮料中，增加压力，使饮料中带有气泡，增加饮用时的口感，像汽水、啤酒均为此类的例子。
- 固态的二氧化碳（或干冰）在常温下会升华，吸收大量的热，因此可用在急速的食品冷冻。
- 二氧化碳的重量比空气重，不助燃，因此许多灭火器都透过产生二氧化碳，利用其特性灭火。而二氧化碳灭火器是直接用液化的二氧化碳灭火，除上述特性外，更有灭火后不会留下固体残留物的优点。
- 二氧化碳也可用作焊接用的保护气体，其保护效果不如其他惰性气体（如氩），但价格相对便宜许多。
- 二氧化碳激光是一种重要的工业激光来源。
- 二氧化碳是植物光合作用的主要碳源，可以用作植物温室的气体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。
- 二氧化碳可用来酿酒，二氧化碳气体创造一个缺氧的环境，有助于防止细菌在葡萄生长。
- 二氧化碳可控制pH值，游泳池加入二氧化碳以控制pH值，加入二氧化碳从而保持pH值不上升。
- 二氧化碳可用于制碱工业和制糖工业。
- 二氧化碳可用于塑料行业的发泡剂。
- 二氧化碳可用于杀菌、灭菌，填充于密封罐用以保存食物。
- 二氧化碳可用于动力能源：轮胎（汽车重机车自行车）充气;BB弹空气枪抛绳枪;穿线器（管子乐）。
- 超临界二氧化碳可用于咖啡因等物质的萃取。
- 干冰可以用于人造雨、舞台的烟雾效果、食品行业、美食的特殊效果等。
- 干冰可以用于清理核工业设备及印刷工业的版辊等。
- 干冰可以用于汽车、轮船、航空、太空与电子工业。

## 大气层

截至2019年5月，地球大气层中的二氧化碳浓度曾一度超过415 ppm（百万分之415或0.0415%）。2000至2009年间的浓度增长率为每年2.0 ppm，且逐年加速。目前的浓度比工业化之前的280 ppm浓度高得多，而人为因素是导致二氧化碳浓度急剧上升的主要原因。释放出的二氧化碳中，57%进入大气层，其余的则进入海洋，造成海洋酸化。

多达四成的地面二氧化碳排放是由于火山爆发。据估计，每年火山爆发释放约130-230万公吨（145-255万吨）二氧化碳到大气中。温泉等也产生大量二氧化碳。人类排放的二氧化碳超过火山爆发排放量130倍以上：2018年全球排放量为365.7亿公吨。

## 安全性

因为二氧化碳比空气重，所以在低漥处的浓度较高。以人工凿井或挖孔桩时，若通风不良则会造成井底的人员窒息。CO2的正常含量是0.04%，当CO2的浓度达1%会使人感到气闷、头昏、心悸，达到4%~5%时人会感到气喘、头痛、眩晕，而达到10%的时候，会使人体机能严重混乱，使人丧失知觉、神志不清、呼吸停止而死亡。应避免之物质：

- 各种金属粉尘（例如镁、锆、钛、铝、锰）：当悬浮在二氧化碳中易点燃而爆炸。
- 水：会形成碳酸。

### 二氧化碳中毒

二氧化碳中毒是人吸入高浓度的二氧化碳所出现的昏迷及脑缺氧情况，一般大气中二氧化碳含量超过1%时，人即有轻度中毒反应；当超过3%时，开始出现呼吸困难；超过6%时，就会深度中毒甚至死亡。

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）。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。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。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。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。

### 症状

中毒主要症状有：头痛、头愫晕、耳鸣、气急、胸闷、乏力、心跳加快，面颊发绀、烦躁、谵妄、呼吸困难，如情况持续，就会出现嗜睡、淡漠、昏迷、反射消失、瞳孔散大、大小便失禁、血压下降甚至死亡。

### 抢救

- 打开门窗、通风孔，抢救者才可进入。将病人救出后，在空气新鲜处进行人工呼吸，心脏按摩，吸氧（避免高压、高流量、高浓度给氧，以免呼吸中枢更为抑制），开始1～2L／分，随病人呼吸好转逐渐增大给氧量（4--5L/分），以至采用高压氧治疗。（最好是纯氧）
- 吸入兴奋剂：多种兴奋剂交替、联合使用，如洛贝林、山梗菜碱等。
- 防止脑和肺水肿：应用脱水剂、激素，限制液量和速度，吸入钠的分量亦应限制。
- 对症治疗：给予多种维生素、细胞色素C、能量合剂、高渗糖，以防感染。
- 抢救同时要留意有没有其他有毒气体存在，如一氧化碳(CO)等。

## 基本资料

- ImageFileL1：Carbon-dioxide-2D-dimensions.svg
- IUPACName：Carbon dioxide
- 其他名称：碳酸气 (carbonic acid gas)、碳酸酐 (carbonic anhydride)、carbonic oxide、氧化碳 (carbon oxide)、氧化碳(IV) carbon(IV) oxide、干冰 (dry ice，固态)
- CASNo：124-38-9
- ChemSpiderID：274
- PubChem：280
- 3D模型（JSmol）：O=C=O
- EINECS：204-696-9
- RTECS：FF6400000
- InChI：1/CO2/c2-1-3
- UNNumber：1013
- 化学式：CO2
- MolarMass：44.0095
- 外貌：无色无味气体
- 密度：1.6g/cm3（固）, 1.98g/L（气，0℃,1atm）
- 水溶性：1.45 g/L（25℃,100KPa）
- MeltingPtK：194.7
- 熔点：昇华
- BoilingPtK：216.6
- 沸点：在518.5kPa下
- pKa1：6.35（H2CO3，下同）
- pKa2：10.33
- RefractIndex：1.1120
- Viscosity：0.07 cP（−78 °C）
- Dipole：0
- MolShape：直线型
- NFPA-H：1
- NFPA-F：0
- NFPA-R：0
- DeltaHf：-393.51 kJ/mol
- 熵：213.6 J·K-1·mol-1
- 类型：氧化物
- OtherFunctn：一氧化碳、二氧化三碳、一氧化二碳、三氧化碳