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二氧化碳是一種在常溫下無色無味無臭的氣體。化學式為CO2,式量44.01,碳氧化物之一,俗名碳酸氣,也稱碳酸酐或碳酐。常溫下是一種無色無味氣體,密度比空氣略大,微溶於水,並生成碳酸。固態二氧化碳俗稱乾冰,升華時可吸收大量熱,因而用作製冷劑,如人工降雨,也常在舞美中用於製造煙霧。

1 二氧化碳 -分子結構

二氧化碳二氧化碳分子模型

二氧化碳,由一個碳原子和兩個氧原子結合而成。

C原子以sp雜化軌道形成σ鍵。分子形狀為直線形。非極性分子。
  
在CO2分子中,碳原子採用sp雜化軌道與氧原子成鍵。 C原子的兩個sp雜化軌道分別與一個O原子生成兩個σ鍵。C原子上兩個未參加雜化的p軌道與sp雜化軌道成直角,並且從側面同氧原子的p軌道分別肩並肩地發生重疊,生成兩個∏三中心四電子的離域鍵。因此,縮短了碳—氧原子間地距離,使CO2中碳氧鍵具有一定程度的叄鍵特徵。決定分子形狀的是sp雜化軌道,CO2為直線型分子。

2 二氧化碳 -研究歷史

二氧化碳二氧化碳

在17世紀,法蘭德斯化學家海爾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,蘇格蘭物理學家約瑟夫·布萊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查爾斯在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。

3 二氧化碳 -物理性質

二氧化碳工業用氧
二氧化碳,化學式為CO₂,碳氧化物之一,是一種無機物,常溫下是一種無色無味氣體,密度比空氣略大,能溶於水,並生成碳酸。二氧化碳無毒,但不能供給動物呼吸,是一種窒息性氣體。在空氣中通常含量為0.03%(體積),若含量達到10%時,就會使人呼吸逐漸停止,最後窒息死亡。

表面張力:約3.0dyn/cm
二氧化碳分子結構很穩定,化學性質不活潑,不會與織物發生化學反應。
沒有閃點,不燃;無色無味,無毒性。
液體二氧化碳通過減壓變成氣體很容易和織物分離,完全省去了用傳統溶劑帶來的複雜后處理過程。

液體CO₂和超臨界CO₂均可作為溶劑,儘管超臨界CO₂具有比液體CO₂更高的溶解性(具有與液體相近的密度和高溶解性,併兼備氣體的低粘度和高滲透力)。但它對設備的要求比液體CO₂高。綜合考慮機器成本與作CO₂為溶劑,溫度控制在15℃左右,壓力在5MPa左右。

4 二氧化碳 -化學性質

二氧化碳本身不燃燒,不支持燃燒,不供呼吸;

CO2能溶於水並與水反應生成碳酸,使紫色石蕊試液變成紅色:CO2十H2O = H2CO3

CO2為酸性氧化物,易與鹼性氧化物反應生成相應的碳酸鹽:CO2+Na2O = Na2CO3

CO2與鹼反應生成相應的碳酸鹽和水:CO2+Ba(OH)2 = BaCO3↓+H2O 。

CO2可使澄清的石灰水變渾濁,此反應常用於檢驗CO2的存在: CO2+Ca(OH)2 = CaCO3↓+H2O 。

CO2與鹼作用還可能生成酸式碳酸鹽:2CO2+Ca(OH)2 = Ca(HCO3)2;CO2+NH3+H2O = NH4HCO3

CO2中碳為+4價,可被某些強還原劑還原,如與赤熱的碳作用還原成CO,CO2與活潑金屬作用被還原成碳: CO2+C=2CO;CO2+2Mg=2MgO+C 。

CO2能參與綠色植物的光合作用,把CO2和H2O合成碳水化合物。二氧化碳可與金屬鎂發生反應,生成氧化鎂和碳,由此可證明二氧化碳也可以幫助金屬鎂燃燒,這屬於特例。

5 二氧化碳 -主要用途

滅火

二氧化碳二氧化碳滅火器
因為二氧化碳不燃燒,又不支持一般燃燒物的燃燒,同時二氧化碳的密度又比空氣的密度大, 所以常用二氧化碳來滅火。用二氧化碳來隔絕空氣,以達到滅火的目的。 致冷劑

固體的二氧化碳(乾冰)在融化時直接變成氣體,融化的過程中吸收熱量,從而降低了周圍的溫度。所以,乾冰經常被用來做致冷劑。

人工降雨

用飛機在高空中噴撒乾冰,可以使空氣中的水蒸氣凝結,從而形成人工降雨。

工業原料

在化學工業上,二氧化碳是一種重要的原料,大量用於生產純鹼、小蘇打、尿素、碳顏料鉛白等。在輕工業上,用高壓溶入較多的二氧化碳,可用來生產碳酸飲料、啤酒、汽水等。  

貯藏食品

用二氧化碳貯藏的食品由於缺氧和二氧化碳本身的抑制作用,可有效地防止食品中細菌、黴菌、蟲子生長,避免變質和有害健康的過氧化物產生,並能保鮮和維持食品原有的風味和營養成分。如瑞典一家公司就推出了用充滿了100%的二氧化碳氣體的包裝、容器、貯藏室來貯藏肉類的新方法。全球知名的技術集團ABB宣布在北京清華大學和天津大學建造兩個溫室氣體化學實驗室,他們將轉讓約150-200萬美元的設備,及派出相關的科研人員,以幫助中國提高技術水平以減低日益嚴重的環境污染問題,尤其是在能源、工業及運輸業領域所造成的溫室廢氣排放。

液體燃料

在位於瑞士的ABB研發中心指導下,該課題初期將主要就催化等離子體轉化溫室氣體合成高 品質液體燃料等相關問題展開深入研究。二氧化碳是困擾地球的主要溫室氣體,而中國因為燃煤等因素,有可能成為排放二氧化碳最多的國家之一,因此,研究通過某些技術把二氧化碳轉化成為高品質的液體燃料,將是既消除污染又增加能源的、有利而無害的好事。

植物光合作用的原料

在自然界,二氧化碳保證了綠色植物進行光合作用和海洋中浮游植物呼吸的需要。

乾洗

乾洗技術是採用烴類(石油類)、氯代烴(如四氯乙烯)作為溶劑。但石油溶劑閃點低,易爆易燃,乾燥慢;氯代烴氣味刺鼻,毒性較高(一般在空氣中的含量限制在50ppm以下)。乾洗行業特別是歐美一些國家一直在尋找一種既清潔衛生安全高效的洗滌溶劑,推出的有綠色大地(Greenearth)、RYNEX、以及液體二氧化碳等新型清洗劑。Greenearth是一種清澈無味的液體,KB值(洗凈率)與石油溶劑接近,但低於四氯乙烯,而且價格昂貴;RYNEX的KB值與四氯乙烯差不多,但含水量較高,而且蒸發太慢,不容易再生和回收,乾洗周期長;液體二氧化碳KB值比石油溶劑高,略低於四氯乙烯,但在滲色、防污物再凝集等方面比四氯乙烯更好。

二氧化碳作為生命活動的代謝產物和工業副產品存在於自然界中,主要來源於火力發電、建材、鋼鐵、化工、汽車尾氣及天然二氧化碳氣田,它是造成「溫室效應」的主要氣體。液體二氧化碳乾洗溶劑是一種工業副產品,只是在其回歸自然之前被利用一下,並沒有增加大氣中二氧化碳的濃度。中國二氧化碳排放量為全球第二(大約30億噸),為了充分利用這一資源,中國成立了許多研究課題。

氣肥
二氧化碳用二氧化碳作氣體肥料

開發的氣體肥料主要是二氧化碳,因為二氧化碳是植物進行光合作用必不可少的原料。在一定範圍內。二氧化碳的濃度越高,植物的光合作用也越強,因此二氧化碳是最好的氣肥。美國科學家在新澤西州的一家農場里,利用二氧化碳對不同作物的不同生長期進行了大量的試驗研究,他們發現二氧化碳在農作物的生長旺盛期和成熟期使用,效果最顯著。在這兩個時期中,如果每周噴射兩次二氧化碳氣體,噴上4~5次后,蔬菜可增產90%,水稻增產70%,大豆增產60%,高粱甚至可以增產200%。

聚二氧化碳
二氧化碳二氧化碳

一種正在研究的新型合成材料,以二氧化碳為單體原料在雙金屬配位PBM型催化劑作用下,被活化到較高的程度時,與環氧化物發生共聚反應,生成脂肪族聚碳酸酯(PPC),經過後處理,就得到二氧化碳樹脂材料。在聚合中加入其它反應物,可以得到各種不同化學結構的二氧化碳樹脂。二氧化碳共聚物具有柔性的分子鏈,容易通過改變其化學結構來調整其性能;較易在熱、催化劑、或微生物作用下發生分解,但也可以通過一定的措施加以控制:對氧和其它氣體有很低的透過性。

6 二氧化碳 -主要來源

所有含碳元素的物質燃燒都會產生二氧化碳;動植呼吸也會產生二氧化碳;各類食質的緩慢氧化能產生二氧化碳;自然界中二氧化碳礦物的開採可獲得二氧化碳。

7 二氧化碳 -製備方法

實驗室

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,並以向上排空氣法收集:
 CaCO3 + 2HCl =CaCl2 + CO2↑ + H2

工業

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)
 CaCO3 = CaO + CO2

8 二氧化碳 -藥學作用

藥理
低濃度時為生理性吸吸興奮葯。當空氣中本品含量超過正常(0.03%)時,能使呼吸加深加快;如含量為1%時,能使正常人呼吸量增加25%;含量為3%時,使呼吸量增加2倍。但當含量為25%時,則可使呼吸中樞麻痹,並引起酸中毒, 故吸入濃度不宜超過10%。

適應症
臨床多以本品5~7%與93~95%的氧混合吸入, 用於急救溺斃、嗎啡或一氧化碳中毒者、新生兒窒息等。乙醚麻醉時,如加用含有3~5% 本品的氧氣吸入,可使麻醉效率增加,並減少呼吸道的刺激。
用法用量
遵醫囑.25%高濃度吸入可使呼吸中樞麻痹,引起酸中毒。吸入濃度不超過10%。
不良反應
25%高濃度吸入可使呼吸中樞麻痹,引起酸中毒.吸入濃度不超過10%。

9 二氧化碳 -安全性

危害

當大氣中二氧化碳含量增高到一定程度時,會阻止地球熱量的散失,使地球上的氣溫升高,即「溫室效應」。人類可以通過開發新能源、減少石化燃料的燃燒、保護植被、植樹造林等方式來防止溫室效應的產生。

現在地球上氣溫越來越高,是因為二氧化碳增多造成的。因為二氧化碳具有保溫的作用,現在二氧化碳越來越多,使溫度升高,近100年,全球氣溫升高0.6℃,照這樣下去,預計到21世紀中葉,全球氣溫將升高1.5~4.5℃。

海平面升高,也是二氧化碳增多造成的,近100年,海平面上升14厘米,到21世紀中葉,海平面將會上升25~140厘米,海平面的上升,亞馬孫雨林將會消失,兩極海洋的冰塊也將融化。所有這些變化對野生動物而言無異於滅頂之災。

中毒
二氧化碳某圖書館二氧化碳泄露導致九人中毒

在以下生產過程中容易發生二氧化碳中毒:長期不開放的各種礦井、油井、船艙底部及水道等;利用植物發酵製糖、釀酒、用玉米製造丙酮等生產過程;在不通風的地窖和密閉的倉庫中儲藏水果、穀物等產生的高濃度二氧化碳;灌裝及使用二氧化碳滅火器;亞弧焊作業等。 二氧化碳急性中毒主要表現為昏迷、反射消失、瞳孔放大或縮小、大小便失禁、嘔吐等,更嚴重者還可出現休克及呼吸停止等。如要進入含有高濃度二氧化碳的場所,應該先進行通風排氣,通風管應該放到底層;或者戴上能供給新鮮空氣或氧氣的呼吸器,才能進入。 

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