二氧化碳

定义

二氧化碳属于碳氧化合物，分子式写作 CO₂，摩尔质量 44.009 g/mol，在化学物质登记中被赋予 CAS 号 124-38-9^[5]。分子内碳原子以共价双键连接两个氧原子，整体呈直线型，结构可写作 O=C=O^[5][2]。在常温常压下它是无色气体，低浓度时没有气味，浓度很高时才带有尖锐的酸味；标况密度约 1.98 kg/m³，比空气重约 53%^[6][7]。

以气、液、固三种形态存在是二氧化碳的重要特点。常压下它没有液态，温度低于约 194.7 K（即 −78.5 ℃）时气体直接凝华成固体，固体升温又直接升华为气体^[6][8]。液态只在压力高于约 0.518 MPa 时出现；三相点为 −56.6 ℃、0.518 MPa，临界点为 31.0 ℃、7.38 MPa^[6][1]。

原理

二氧化碳的化学性质以弱酸性和相对惰性为特征。它溶于水后部分与水结合成碳酸，电离出氢离子和碳酸氢根，使溶液显微酸性，这也是汽水带酸味的原因^[9][2]。作为酸性氧化物，它能与碱或碱性氧化物反应生成碳酸盐，与澄清石灰水反应生成白色碳酸钙沉淀，实验室常用这一现象检验二氧化碳^[10][11]。

水合与脱水是可逆的，可用下式表示，反应在生物体内由碳酸酐酶催化加速：

人体组织中生成的二氧化碳主要以碳酸氢根形式随血液运往肺部，再在肺泡毛细血管中逆向转回 CO₂ 排出。血液中二氧化碳升高会推动上式右移，氢离子增多、pH 下降，进而刺激外周与中枢化学感受器加快呼吸。

二氧化碳通常既不燃烧也不支持燃烧，这使它适合用于灭火；但镁、钛、锆、铝等活泼金属的粉尘悬浮在其中时可以被点燃甚至爆炸，因此它并非对一切火情都安全^[9][10]。在生命活动中，绿色植物以二氧化碳和水为原料进行光合作用合成有机物，它因此是碳循环中的关键物质^[5]。

发展历程

17 世纪，比利时学者扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特观察到木炭在密闭容器中燃烧后残余物变轻，把逸出的不可见物质称作“森林之精”，这被视为对二氧化碳的早期描述^[12]。18 世纪中叶，苏格兰化学家约瑟夫·布莱克通过煅烧石灰石、用酸处理大理石等定量实验研究了这种气体，发现它比空气重、不支持燃烧，并称之为“固定空气”^[12]。

1772 年，约瑟夫·普里斯特利用硫酸与石灰石反应产生的二氧化碳制出苏打水，被认为是最早的人工碳酸饮料^[12]。1787 年前后，安托万-洛朗·拉瓦锡确认这种气体由碳和氧组成并测定其质量组成，二氧化碳的组成由此被揭示。19 世纪，加压液化二氧化碳与制取固态二氧化碳相继实现，1884 年德国建成第一家生产液态二氧化碳的工厂。

20 世纪以来，对二氧化碳的关注从工业原料扩展到气候系统。世界气象组织通过全球大气监视网的监测站持续观测其大气浓度，2023 年全球平均地表浓度达到 420.0 ppm，比 2004 年记录的 377.1 ppm 高出 11.4%，当年增幅 2.3 ppm，为连续第 12 年增幅超过 2 ppm^[4][13]。人类活动排放的二氧化碳中，将近一半滞留在大气，略多于四分之一被海洋吸收，略低于 30% 被陆地生态系统吸收^[4]。

应用

食品与饮料行业是二氧化碳的大宗用途之一。加压溶入饮品可形成气泡与轻微酸味，汽水、啤酒都属此类；固态干冰在常温下直接升华并吸收大量热，可用于急速冷冻食品，也常用于人造雨、舞台烟雾和低温运输^[14][3]。在食品添加剂体系中，二氧化碳的编号为 E 290，可用作包装气体和推进剂^[15]。

消防与工业加工是另一类重要用途。二氧化碳比空气重且不助燃，灭火器喷出后能排开空气、覆盖火源，灭火后不留固体残留物，适合扑救电气与精密设备火灾^[14][9]。焊接时它可作保护气体，效果不及氩等惰性气体但成本较低；二氧化碳激光则是重要的工业激光来源^[14]。

在化学工业中，二氧化碳既是原料也是加工介质。它可用于制取碳酸氢铵、小苏打、纯碱、尿素和甲醇，也可作为塑料发泡剂，并与其他单体共聚制备脂肪族聚碳酸酯类材料^[10][7]。温度高于 31 ℃、压力高于临界压力时它进入超临界状态，密度接近液体而黏度接近气体，溶解能力强，可用于化工、医药、食品领域的萃取分离^[14]。

农业与医疗也是其应用方向。在温室中提高二氧化碳浓度可增强光合作用，常被用作气肥；在医学上，药用二氧化碳可用于腔镜手术中充盈体腔，固态干冰则用于冷冻去除组织病变^[14][5]。

局限

二氧化碳的用途受其物理性质限制。常压下它不存在液态，储运必须加压或低温，液态和固态二氧化碳接触皮肤或眼睛会造成类似冻伤的低温和冷冻损伤，钢瓶受热或长时间受火烤时可能剧烈破裂^[9][5]。它比空气重，在密闭或低洼空间泄漏时容易积聚并置换空气，浓度升高会造成缺氧性窒息风险^[9]。

作为灭火剂它并不适用于所有火情。镁、锂、钠、钾、锆、钛等金属粉尘悬浮在二氧化碳中可被点燃并发生爆炸，加热的铝、铬、镁也有类似危险，这类火灾不能指望二氧化碳灭火^[9][10]。此外，人体吸入浓度远高于常量的二氧化碳会引起呼吸加快、头痛等反应，更高浓度可致意识丧失，因此它并非生理上完全无害的气体^[9]。

在化学利用方面，二氧化碳热力学上相当稳定，生成焓为 −393.5 kJ/mol，要把它转化为甲醇、碳酸酯等有用产品往往需要能量或高效催化剂，这限制了以二氧化碳为原料的规模化合成^[7]。在气候层面，它在大气中停留时间极长，即使排放迅速降至净零，已观测到的升温仍会持续数十年；而目前以技术手段实现的二氧化碳清除量远小于化石燃料排放量^[4][16]。

参见

• 干冰 —— 固态二氧化碳的俗称，升华时吸热，用于冷冻与制冷。

• 碳酸 —— 二氧化碳溶于水后生成的弱酸，是汽水酸味的来源。

• 光合作用 —— 绿色植物以二氧化碳和水合成有机物的过程。

• 温室气体 —— 能吸收并发射红外辐射、影响地表热量平衡的气体类别。

• 碳捕集与封存 —— 针对排放源或大气中二氧化碳进行捕集并封存的技术路线。

• 碳酸酐酶 —— 催化二氧化碳与水相互转化的酶，参与血液中二氧化碳的运输。