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二氧化碳是一種在常溫下無色無味無臭的氣體。一種碳氧化合物,化學式為CO₂,式量44.01,氧化物之一,俗名碳酸氣,也稱碳酸酐或碳酐。密度比空氣略大,溶於水(1體積H₂O可溶解1體積CO₂),並生成碳酸,碳酸是一種弱酸。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(乾冰升華吸熱,液化空氣中的水蒸氣)[1]。空氣中有微量的二氧化碳,約占0.039%。

中文名二氧化碳 英文名carbon dioxide 別 稱碳酸氣、碳酸酐、乾冰(固態)等 化學式CO₂ 分子量44.0095 CAS登錄號124-38-9 EINECS登錄號204-696-9 熔 點-56.6(527kPa) 沸 點-78.5(升華) 水溶性小於0.05%(22.9℃) 外 觀常溫常壓下是一種無色無味或無色無嗅而略有酸味的氣體 閃 點無 應 用冷藏易腐敗的食品、做製冷劑、製造碳化軟飲料等 氣態密度1.997g/L(0℃,101.325kPa) 液態密度0.9295kg/L(0℃,101.3485kPa) 固態密度1.56kg/L(-79℃) 三相點-56.6℃(517.97kPa) 製備方法石灰石和稀鹽酸反應製取等 分子直徑0.35~0.51nm

研究簡史

原始社會時期,原始人在生活實踐中就感知到了二氧化碳的存在,但由於歷史條件的限制,他們把看不見、摸不着的二氧化碳看成是一種殺生而不留痕跡的凶神妖怪而非一種物質。

3世紀時,中國西晉時期的張華(232年-300年)在所著的《博物志》一書記載了一種在燒白石(CaCO3)作白灰(CaO)過程中產生的氣體,這種氣體便是如今工業上用作生產二氧化碳的石灰窯氣。

17世紀初,比利時醫生海爾蒙特(即揚·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特,Jan Baptista van Helmont,1580年-1644年)發現木炭燃燒之後除了產生灰燼外還產生一些看不見、摸不着的物質,並通過實驗證實了這種被他稱為「森林之精」的二氧化碳是一種不助燃的氣體,確認了二氧化碳是一種氣體;還發現燭火在該氣體中會自然熄滅,這是二氧化碳惰性性質的第一次發現。不久後,德國化學家霍夫曼(即弗里德里希·霍夫曼,Friedrich Hoffmann,1660年-1742年)對被他稱為「礦精(spiritus mineralis)」的二氧化碳氣體進行研究,首次推斷出二氧化碳水溶液具有弱酸性。

1756年,英國化學家布萊克(即約瑟夫·布萊克,Joseph Black,1728年-1799年)第一個用定量方法研究了被他稱為「固定空氣」的二氧化碳氣體,二氧化碳在此後一段時間內都被稱作「固定空氣」。

1766年,英國科學家卡文迪許(即亨利·卡文迪許,Henry Cavendish,1731年-1810年)成功地用汞槽法收集到了「固定空氣」,並用物理方法測定了其比重及溶解度,還證明了它和動物呼出的和木炭燃燒後產生的氣體相同。

1772年,法國科學家拉瓦錫(即安托萬-洛朗·拉瓦錫,Antoine-Laurent de Lavoisier,1743年-1794年)等用大火鏡聚光加熱放在汞槽上玻罩中的鑽石,發現它會燃燒,而其產物即「固定空氣」。同年,科學家普里斯特利(即約瑟夫·普里斯特利,Joseph Priestley,1733年-1804年)研究發酵氣體時發現:壓力有利於「固定空氣」在水中的溶解,溫度增高則不利於其溶解。這一發現使得二氧化碳能被應用於人工製造碳酸水(汽水)。

1774年,瑞典化學家貝格曼(即托貝恩·奧洛夫·貝格曼,Torbern Olof Bergman,1735年-1784年)在其論文《研究固定空氣》中敘述了他對「固定空氣」的密度、在水中的溶解性、對石蕊的作用、被鹼吸收的狀況、在空氣中的存在、水溶液對金屬鋅、鐵的溶解作用等的研究成果。

1787年,拉瓦錫在發表的論述中講述將木炭放進氧氣中燃燒後產生的「固定空氣」,肯定了「固定空氣」是由碳和氧組成的,由於它是氣體而改稱為「碳酸氣」。同時,拉瓦錫還測定了它含碳和氧的質量比(碳占23.4503%,氧占76.5497%),首次揭示了二氧化碳的組成。

1797年,英國化學家坦南特(即史密森·坦南特,Smitbson Tennant,1761年-1815年, 又譯「台耐特」 等)用分析的方法測得「固定空氣」含碳27.65%、含氧72.35%[2]

1823年,英國科學家法拉第(即邁克爾·法拉第,Michael Faraday,1791年-1867年)發現加壓可以使「碳酸氣」液化。同年,法拉第和戴維(即漢弗里·戴維,Humphry Davy,1778年-1829年,又譯「笛彼」)首次液化了「碳酸氣」。

1834年或1835年,德國人蒂羅里爾(即阿德里安·讓·皮埃爾·蒂羅里爾,Adrien-Jean-Pierre Thilorier,1790年-1844年,又譯「蒂洛勒爾」、「狄勞里雅利」 、「奇洛列」 等)成功地製得乾冰(固態二氧化碳)。

1840年,法國化學家杜馬(即讓-巴蒂斯特·安德烈·杜馬,Jean-Baptiste André Dumas,1800年-1884年)把經過精確稱量的含純粹碳的石墨放進充足的氧氣中燃燒,並且用氫氧化鉀溶液吸收生成的「固定空氣」,計算出「固定空氣」中氧和碳的質量分數比為72.734:27.266。此前,阿伏伽德羅(即阿莫迪歐·阿伏伽德羅,Amedeo Avogadro,1776年8月9日—1856年7月9日)於1811年提出了假說——「在同一溫度和壓強下,相同體積的任何氣體都含有相同數目的分子。」化學家們結合氧和碳的原子量得出「固定空氣」中氧和碳的原子個數簡單的整數比是2:1,又以阿伏伽德羅於1811年提出的假說為依據,通過實驗測出「固定空氣」的分子量為44,從而得出「固定空氣」的化學式為CO2,與此化學式相應的名稱便是「二氧化碳」。

1850年,愛爾蘭物理化學家安德魯斯(即托馬斯·安德魯斯,Thomas Andrews,1813年-1885年)開始對二氧化碳的超臨界現象進行研究,並於1869年測定了二氧化碳的兩個臨界參數:超臨界壓強為7.2MPa,超臨界溫度為304.065K(二者在2013年的公認值分別為7.375MPa和303.05K)。

1896年,瑞典化學家阿累尼烏斯(即斯萬特·奧古斯特·阿累尼烏斯,Svante August Arrhenius,1859年-1927年)通過計算指出,大氣中二氧化碳濃度增加一倍,可使地表溫度上升5~6℃。  

1950年-1952年間,蘇聯的柳巴夫斯基(K. B. Любавский)、諾沃日洛夫(H. M. Новожилов)與日本的關口春次郎分別研究了一種在二氧化碳保護氣體中使用的焊絲,並提出了焊接鋼材的新的冶金方案。 隨之,1953年,柳巴夫斯基等人發明了二氧化碳氣體保護焊。

基本簡介

二氧化碳(英文名稱:Carbon dioxide)是空氣中常見的化合物,其分子式為CO₂,由兩個氧原子與一個碳原子通過共價鍵連接而成。空氣中有微量的二氧化碳,約占空氣總體積的0.03%。二氧化碳能溶於水中,形成碳酸,碳酸是一種弱酸。由於空氣中含有二氧化碳,所以通常情況下雨水的PH值大於等於5.6(CO₂本身沒有毒性,但當空氣中的CO₂超過正常含量時,會對人體產生有害的影響。)

性質

碳氧化物之一,是一種無機物,常溫下是一種無色無味氣體,且無毒。密度比空氣略大,能溶於水,並生成碳酸。(碳酸飲料基本原理)使紫色石蕊溶液變紅,一定量的CO₂可以使澄清的石灰水(Ca(OH)₂)變渾濁,在做關於呼吸作用的產物等產生二氧化碳的試驗都可以用到,還可以支持鎂帶燃燒。

產生途徑

其產生途徑主要有以下幾種:①有機物(包括動植物)在分解、發酵、腐爛、變質的過程中都可釋放出二氧化碳。②石油、石臘、煤炭、天然氣燃燒過程中,也要釋放出二氧化碳。③石油、煤炭在生產化工產品過程中,也會釋放出二氧化碳。④所有糞便、腐植酸在發酵,熟化的過程中也能釋放出二氧化碳。⑤所有動物在呼吸過程中,都要吸氧氣吐出二氧化碳[3]

主要應用

高純二氧化碳主要用於電子工業,醫學研究及臨床診斷、二氧化碳激光器、檢測儀器的校正氣及配製其它特種混台氣,在聚乙烯聚合反應中則用作調節劑。

固態二氧化碳廣泛用於冷藏奶製品、肉類、冷凍食品和其它轉運中易腐敗的食品,在許多工業加工中作為冷凍劑,例如粉碎熱敏材料、橡膠磨光、金屬冷處理、機械零件的收縮裝配、真空冷阱等。

氣態二氧化碳用於碳化軟飲料、水處理工藝的pH控制、化學加工、食品保存、化學和食品加工過程的惰性保護、焊接氣體、植物生長刺激劑,在鑄造中用於硬化模和芯子及用於氣動器件,還應用於殺菌氣的稀釋劑(即用氧化乙烯和二氧化碳的混台氣作為殺菌、殺蟲劑、熏蒸劑,廣泛應用於醫療器具、包裝材料、衣類、毛皮、被褥等的殺菌、骨粉消毒、倉庫、工廠、文物、書籍的熏蒸)。

液體二氧化碳用作致冷劑,飛機、導彈和電子部件的低溫試驗,提高油井採收率,橡膠磨光以及控制化學反應,也可用作滅火劑[4]。  

超臨界狀態的二氧化碳可以用作溶解非極性、非離子型和低分子量化合物的溶劑,所以在均相反應中有廣泛應用。

二氧化碳對農業的影響

實驗證明在CO2高濃度的環境下,植物會生長得更快速和高大。但是,『全球變暖』的結果可會影響大氣環流,繼 而改變全球的雨量分布與及各大洲表面土壤的含水量。由於未能清楚了解『全球變暖』對各地區性氣候的影響,以致對植物生態所 產生的轉變亦未能確定。

相關危害 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,現在這一群體的成員越來越多,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,亞馬遜雨林將會消失,兩極海洋的冰塊也將大部分融化。所有這些變化對野生動植物而言無異於滅頂之災[5]

空氣中一般含有約0.03%二氧化碳,但由於人類活動(如化石燃料燃燒)影響,近年來二氧化碳含量猛增,導致溫室效應、全球氣候變暖、冰川融化、海平面升高……旨在遏制二氧化碳過量排放的《京都議定書》已經生效,有望通過國際合作遏制溫室效應。

視頻

二氧化碳 相關視頻

二氧化碳的性質
二氧化碳的用途
二氧化碳對生活和環境的影響
如果二氧化碳能變成石油,世界將變什麼樣?科學家還真找到了方法

參考文獻

  1. 二氧化碳,安陽市網絡教研平台,2018-10-27
  2. 1--二氧化碳問題總論,豆丁網
  3. 二氧化碳化學性質是什麼,初三網,2019-12-21
  4. 國外二氧化碳的應用及市場概況,豆丁網
  5. 吸入二氧化碳對呼吸的影響是什麼?,大眾養生網,2019-02-16