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二氧化碳

二氧化碳是一种在常温下无色无味无臭的气体。化学式为CO2,式量44.01,碳氧化物之一,俗名碳酸气,也称碳酸酐或碳酐。常温下是一种无色无味气体,密度比空气略大,微溶于水,并生成碳酸。固态二氧化碳俗称干冰,升华时可吸收大量热,因而用作制冷剂,如人工降雨,也常在舞美中用于制造烟雾。

二氧化碳 - 分子结构

二氧化碳分子模型

二氧化碳,由一个碳原子和两个氧原子结合而成。

C原子以sp杂化轨道形成σ键。分子形状为直线形。非极性分子。

在CO2分子中,碳原子采用sp杂化轨道与氧原子成键。 C原子的两个sp杂化轨道分别与一个O原子生成两个σ键。C原子上两个未参加杂化的p轨道与sp杂化轨道成直角,并且从侧面同氧原子的p轨道分别肩并肩地发生重叠,生成两个∏三中心四电子的离域键。因此,缩短了碳—氧原子间地距离,使CO2中碳氧键具有一定程度的叁键特征。决定分子形状的是sp杂化轨道,CO2为直线型分子。

二氧化碳 - 研究历史

二氧化碳

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查尔斯在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。

二氧化碳 - 物理性质

工业用氧
二氧化碳,化学式为CO?,碳氧化物之一,是一种无机物,常温下是一种无色无味气体,密度比空气略大,能溶于水,并生成碳酸。二氧化碳无毒,但不能供给动物呼吸,是一种窒息性气体。在空气中通常含量为0.03%(体积),若含量达到10%时,就会使人呼吸逐渐停止,最后窒息死亡。

表面张力:约3.0dyn/cm
二氧化碳分子结构很稳定,化学性质不活泼,不会与织物发生化学反应。
没有闪点,不燃;无色无味,无毒性。
液体二氧化碳通过减压变成气体很容易和织物分离,完全省去了用传统溶剂带来的复杂后处理过程。

液体CO?和超临界CO?均可作为溶剂,尽管超临界CO?具有比液体CO?更高的溶解性(具有与液体相近的密度和高溶解性,并兼备气体的低粘度和高渗透力)。但它对设备的要求比液体CO?高。综合考虑机器成本与作CO?为溶剂,温度控制在15℃左右,压力在5MPa左右。

二氧化碳 - 化学性质

二氧化碳本身不燃烧,不支持燃烧,不供呼吸;

CO2能溶于水并与水反应生成碳酸,使紫色石蕊试液变成红色:CO2十H2O = H2CO3

CO2为酸性氧化物,易与碱性氧化物反应生成相应的碳酸盐:CO2+Na2O = Na2CO3

CO2与碱反应生成相应的碳酸盐和水:CO2+Ba(OH)2 = BaCO3↓+H2O 。

CO2可使澄清的石灰水变浑浊,此反应常用于检验CO2的存在: CO2+Ca(OH)2 = CaCO3↓+H2O 。

CO2与碱作用还可能生成酸式碳酸盐:2CO2+Ca(OH)2 = Ca(HCO3)2 ;CO2+NH3+H2O = NH4HCO3

CO2中碳为+4价,可被某些强还原剂还原,如与赤热的碳作用还原成CO,CO2与活泼金属作用被还原成碳: CO2+C=2CO;CO2+2Mg=2MgO+C 。

CO2能参与绿色植物的光合作用,把CO2和H2O合成碳水化合物。 二氧化碳可与金属镁发生反应,生成氧化镁和碳,由此可证明二氧化碳也可以帮助金属镁燃烧,这属于特例。

二氧化碳 - 主要用途

灭火

二氧化碳灭火器
因为二氧化碳不燃烧,又不支持一般燃烧物的燃烧,同时二氧化碳的密度又比空气的密度大, 所以常用二氧化碳来灭火。用二氧化碳来隔绝空气,以达到灭火的目的。

致冷剂

固体的二氧化碳(干冰)在融化时直接变成气体,融化的过程中吸收热量,从而降低了周围的温度。所以,干冰经常被用来做致冷剂。

人工降雨

用飞机在高空中喷撒干冰,可以使空气中的水蒸气凝结,从而形成人工降雨。

工业原料

在化学工业上,二氧化碳是一种重要的原料,大量用于生产纯碱、小苏打、尿素、碳颜料铅白等。在轻工业上,用高压溶入较多的二氧化碳,可用来生产碳酸饮料、啤酒、汽水等。

贮藏食品

用二氧化碳贮藏的食品由于缺氧和二氧化碳本身的抑制作用,可有效地防止食品中细菌、霉菌、虫子生长,避免变质和有害健康的过氧化物产生,并能保鲜和维持食品原有的风味和营养成分。如瑞典一家公司就推出了用充满了100%的二氧化碳气体的包装、容器、贮藏室来贮藏肉类的新方法。全球知名的技术集团ABB宣布在北京清华大学和天津大学建造两个温室气体化学实验室,他们将转让约150-200万美元的设备,及派出相关的科研人员,以帮助中国提高技术水平以减低日益严重的环境污染问题,尤其是在能源、工业及运输业领域所造成的温室废气排放。

液体燃料

在位于瑞士的ABB研发中心指导下,该课题初期将主要就催化等离子体转化温室气体合成高 品质液体燃料等相关问题展开深入研究。二氧化碳是困扰地球的主要温室气体,而中国因为燃煤等因素,有可能成为排放二氧化碳最多的国家之一,因此,研究通过某些技术把二氧化碳转化成为高品质的液体燃料,将是既消除污染又增加能源的、有利而无害的好事。

植物光合作用的原料

在自然界,二氧化碳保证了绿色植物进行光合作用和海洋中浮游植物呼吸的需要。

干洗

干洗技术是采用烃类(石油类)、氯代烃(如四氯乙烯)作为溶剂。但石油溶剂闪点低,易爆易燃,干燥慢;氯代烃气味刺鼻,毒性较高(一般在空气中的含量限制在50ppm以下)。干洗行业特别是欧美一些国家一直在寻找一种既清洁卫生安全高效的洗涤溶剂,推出的有绿色大地(Greenearth)、RYNEX、以及液体二氧化碳等新型清洗剂。Greenearth是一种清澈无味的液体,KB值(洗净率)与石油溶剂接近,但低于四氯乙烯,而且价格昂贵;RYNEX的KB值与四氯乙烯差不多,但含水量较高,而且蒸发太慢,不容易再生和回收,干洗周期长;液体二氧化碳KB值比石油溶剂高,略低于四氯乙烯,但在渗色、防污物再凝集等方面比四氯乙烯更好。

二氧化碳作为生命活动的代谢产物和工业副产品存在于自然界中,主要来源于火力发电、建材、钢铁、化工、汽车尾气及天然二氧化碳气田,它是造成“温室效应”的主要气体。液体二氧化碳干洗溶剂是一种工业副产品,只是在其回归自然之前被利用一下,并没有增加大气中二氧化碳的浓度。中国二氧化碳排放量为全球第二(大约30亿吨),为了充分利用这一资源,中国成立了许多研究课题。

气肥

用二氧化碳作气体肥料

开发的气体肥料主要是二氧化碳,因为二氧化碳是植物进行光合作用必不可少的原料。在一定范围内。二氧化碳的浓度越高,植物的光合作用也越强,因此二氧化碳是最好的气肥。美国科学家在新泽西州的一家农场里,利用二氧化碳对不同作物的不同生长期进行了大量的试验研究,他们发现二氧化碳在农作物的生长旺盛期和成熟期使用,效果最显著。在这两个时期中,如果每周喷射两次二氧化碳气体,喷上4~5次后,蔬菜可增产90%,水稻增产70%,大豆增产60%,高粱甚至可以增产200%。

聚二氧化碳

二氧化碳

一种正在研究的新型合成材料,以二氧化碳为单体原料在双金属配位PBM型催化剂作用下,被活化到较高的程度时,与环氧化物发生共聚反应,生成脂肪族聚碳酸酯(PPC),经过后处理,就得到二氧化碳树脂材料。在聚合中加入其它反应物,可以得到各种不同化学结构的二氧化碳树脂。二氧化碳共聚物具有柔性的分子链,容易通过改变其化学结构来调整其性能;较易在热、催化剂、或微生物作用下发生分解,但也可以通过一定的措施加以控制:对氧和其它气体有很低的透过性。

二氧化碳 - 主要来源

所有含碳元素的物质燃烧都会产生二氧化碳;动植呼吸也会产生二氧化碳;各类食质的缓慢氧化能产生二氧化碳;自然界中二氧化碳矿物的开采可获得二氧化碳。

二氧化碳 - 制备方法

实验室

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,并以向上排空气法收集:
CaCO3 + 2HCl =CaCl2 + CO2↑ + H2O

工业

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

二氧化碳 - 药学作用

药理
低浓度时为生理性吸吸兴奋药。当空气中本品含量超过正常(0.03%)时,能使呼吸加深加快;如含量为1%时,能使正常人呼吸量增加25%;含量为3%时,使呼吸量增加2倍。但当含量为25%时,则可使呼吸中枢麻痹,并引起酸中毒, 故吸入浓度不宜超过10%。

适应症
临床多以本品5~7%与93~95%的氧混合吸入, 用于急救溺毙、吗啡或一氧化碳中毒者、新生儿窒息等。乙醚麻醉时,如加用含有3~5% 本品的氧气吸入,可使麻醉效率增加,并减少呼吸道的刺激。
用法用量
遵医嘱.25%高浓度吸入可使呼吸中枢麻痹,引起酸中毒。吸入浓度不超过10%。
不良反应
25%高浓度吸入可使呼吸中枢麻痹,引起酸中毒.吸入浓度不超过10%。

二氧化碳 - 安全性

危害

当大气中二氧化碳含量增高到一定程度时,会阻止地球热量的散失,使地球上的气温升高,即“温室效应”。人类可以通过开发新能源、减少石化燃料的燃烧、保护植被、植树造林等方式来防止温室效应的产生。

现在地球上气温越来越高,是因为二氧化碳增多造成的。因为二氧化碳具有保温的作用,现在二氧化碳越来越多,使温度升高,近100年,全球气温升高0.6℃,照这样下去,预计到21世纪中叶,全球气温将升高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世纪中叶,海平面将会上升25~140厘米,海平面的上升,亚马孙雨林将会消失,两极海洋的冰块也将融化。所有这些变化对野生动物而言无异于灭顶之灾。

中毒

某图书馆二氧化碳泄露导致九人中毒

在以下生产过程中容易发生二氧化碳中毒:长期不开放的各种矿井、油井、船舱底部及水道等;利用植物发酵制糖、酿酒、用玉米制造丙酮等生产过程;在不通风的地窖和密闭的仓库中储藏水果、谷物等产生的高浓度二氧化碳;灌装及使用二氧化碳灭火器;亚弧焊作业等。 二氧化碳急性中毒主要表现为昏迷、反射消失、瞳孔放大或缩小、大小便失禁、呕吐等,更严重者还可出现休克及呼吸停止等。如要进入含有高浓度二氧化碳的场所,应该先进行通风排气,通风管应该放到底层;或者戴上能供给新鲜空气或氧气的呼吸器,才能进入。

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