一氧化碳
定义
一氧化碳是一种只含碳、氧两种元素的化合物，分子式写作 CO，分子量约为 28.01，与空气的平均分子量接近，因此能与空气均匀混合[1]。在碳氧化合物家族中，它和二氧化碳是最简单、最常见的两个成员，其中一氧化碳是分子组成最简单的一个[3]。
常温常压下，一氧化碳为无色、无臭、无味、可燃的气体，密度约为空气的 0.97 倍，难溶于水，也不易液化[2]。它与氮气、氰离子具有相同的价电子数，属于等电子体，这一特点使它在配位化学中容易与金属中心结合[4]。
原理
一氧化碳分子由 1 个碳原子和 1 个氧原子构成。两者共提供 10 个价电子，要同时满足八隅体规则，只能共享三对电子，形成键级为 3 的三键，碳、氧各自保留一对孤对电子[5]。这个三键由一个 σ 键和两个 π 键组成，键长在气态下约为 112.8 皮米，是最强的双原子化学键之一，因而常温下一氧化碳性质相对稳定[6]。
从电荷分布看，按形式电荷计算碳端带负电、氧端带正电，分子整体偶极矩很小且方向与电负性直觉相反，负端落在碳上[7]。最高占据分子轨道集中在碳原子一侧，因此一氧化碳与过渡金属结合时通过碳原子成键，在配合物中作为配体时被称为羰基[1]。金属的 d 轨道电子可以反馈进入一氧化碳的 π 反键轨道，形成 σ 给电子与 π 反馈键的协同作用，反馈越多，C—O 键级越低，红外伸缩振动频率也越低[8]。
一氧化碳可被氧气氧化成二氧化碳并放出热量，也可在高温下发生歧化反应生成二氧化碳和碳，即布杜阿尔反应：$2CO \rightleftharpoons CO_2 + C$[9]。它既能表现还原性，也能在特定条件下表现氧化性，是工业上常用的还原剂[10]。
发展历程
人类很早就把一氧化碳用于炼铁，利用它的还原性从铁矿石中夺取氧，从而得到金属铁；中世纪以后，西方炼金术士和化学家开始系统研究这种气体，其元素组成在 1800 年由威廉·克鲁克香克确定[3]。1890 年和 1891 年，A. 蒙德先后制得一氧化碳与镍、铁的羰基配合物，即四羰基镍和五羰基铁，这一发现后来被发展成提纯镍的工业方法[11]。
20 世纪 20 年代，德国开始研究由合成气制取烃类，费托合成在第二次世界大战期间被用于生产液体燃料；战后南非的萨索尔企业继续以该工艺大规模生产燃料和化学品，使合成气路线形成完整的工业体系[12]。同一时期，以甲醇与一氧化碳羰基化制取醋酸的低压工艺由孟山都公司实现工业化，1996 年前后英国石油公司又开发出以铱为催化剂的改进工艺[9]。1970 年代中期，日本提出碳一化学的概念，美国同期实现甲醇转化制汽油等工艺的工业化，以一氧化碳为原料的碳一化工由此成为独立的学科方向[12]。
应用
在冶金工业中，一氧化碳作为还原剂用于高炉炼铁，也可借助羰基配合物的热分解从原矿中提取高纯度镍、制取高纯粉末金属和某些金属膜[10]。在化学工业中，它是碳一化学的基础原料，作为合成气和各类煤气的主要组分，可以沿合成气路线制取甲烷、甲醇、乙醇、乙二醇、多碳醇和液体燃料，也可直接进行羰基化反应得到酸、酯、酐、醛、胺等产品[12]。
一氧化碳与氢气的混合气称为合成气，其中氢甲酰化反应把氢原子和甲酰基加到烯烃双键上生成醛，再进一步还原为醇，是生产增塑剂醇和洗涤剂醇的重要途径[11]。此外，一氧化碳可用作燃料，高纯一氧化碳则用于标准气体、一氧化碳激光器、环境监测和科学研究，也可在聚乙烯聚合反应中作终止剂[10]。
在生物体内，血红素在血红素加氧酶催化下降解会释放一氧化碳，这些内源性的一氧化碳能调节血管张力、神经传递和细胞凋亡，被认为是继一氧化氮之后的又一种气体信号分子[2]。基于这一认识，低剂量一氧化碳在动物实验中显示出抗炎等作用，相关给药系统也被用于疾病诊断和治疗研究[2]。
局限
一氧化碳与血红蛋白的结合能力约为氧气的 200 至 300 倍，一旦结合便不易解离，会占据氧气的结合位点并妨碍氧合血红蛋白释放氧，造成组织缺氧，因此它不能在有人员活动的密闭空间中被随意使用或排放[2]。它还会与其他含血红素的蛋白如肌红蛋白、细胞色素氧化酶结合，抑制线粒体的呼吸链，毒性机制并不只是简单的携氧能力下降[2]。
一氧化碳本身的化学惰性也带来限制。它三键很强，常温下不易活化，许多羰基化反应需要铑、铱等贵金属催化剂和较高的压力，成本与催化剂资源成为制约因素；同时它无色无味，泄漏时难以凭感官察觉，检测依赖仪器[2]。在生物医学领域，一氧化碳的治疗窗口很窄，剂量稍高即由信号分子转为毒物，关于高压氧治疗中毒的疗效，对照研究结论仍不一致[2]。
参见
参考资料
- carbon monoxide (CHEBI:17245) [引用日期2026-10-14]
- Carbon Monoxide [引用日期2026-10-14]
- 碳氧化合物 [引用日期2026-10-14]
- Holger Dobbek 3 \(\mathbf{CO}_2\) Reduction [引用日期2026-10-14]
- chemicalbook.cn 上的网页 [引用日期2026-10-14]
- nie.lk 上的 PDF 文件 [引用日期2026-10-14]
- jcc [引用日期2026-10-14]
- Created by George Lisensky, Beloit College (lisensky@beloit [引用日期2026-10-14]
- carbonilazione [引用日期2026-10-14]
- 一氧化碳价格 厂家：山东言赫化工有限公司 [引用日期2026-10-14]
- Carbon Monoxide [引用日期2026-10-14]
- 碳一化学 [引用日期2026-10-14]