二氧化碳

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January 18, 2022

化合物 二氧化碳或碳 (IV) 氧化物是一种大气天然气,由一个碳原子和两个氧原子通过共价键连接而成。这种气体的化学式是 CO2。在标准温度和压力条件下,它处于气态。它在地球大气中的含量约为 0.041%(按体积计) 它是碳循环的一部分,植物、藻类和蓝藻在光合作用过程中(在水存在的情况下通过阳光)利用它来生产碳水化合物,释放氧气作为副产品。然而,由于光合作用不能在黑暗中进行,有些植物在夜间呼吸时会产生二氧化碳。自然界中的二氧化碳是通过燃烧煤或碳氢化合物、在酒精饮料中发酵糖分以及呼吸所有生物而形成的。人类和陆生动物将其从呼吸器官排出。它由火山、间歇泉和温泉等地壳薄的地方排放。它也通过溶解从碳酸盐岩中释放出来。二氧化碳可以在海平面以下深处的湖泊中发现,并与石油和天然气混合。二氧化碳对环境的影响具有重要意义。二氧化碳是一种重要的温室气体,它通过减少和防止向太空的热辐射来加热地球表面。大气中的二氧化碳是地球上生命的基本碳来源,工业革命前地球大气中的二氧化碳浓度自前寒武纪晚期以来一直受到光合生物的调节。然而,自工业革命至今,由于碳(化石)燃料、煤、石油和天然气)。大气中二氧化碳浓度增加的后果是全球变暖和人为气候变化。二氧化碳是海洋酸化的最大来源,因为它溶于水时会产生碳酸,碳酸是一种弱酸,在水中电离不完全(CO2+H2O⇔H2CO3)。

特征

在正常情况下,二氧化碳处于气态。它无味、窒息、不可燃,比空气重。随着绝热膨胀(从高压膨胀到大气压),它部分变成固态(干冰)。

身体的

它是一种无色气体。在较小的浓度下,它是无臭无味的。在较高浓度下,该气体具有强烈的酸味。在标准温度和压力条件下,其密度约为1.98 kg/m3,比空气高1.5倍左右,常位于室内的房间底部。二氧化碳在低于 5.1 个大气压的压力下不能处于液态。在 1 个大气压的压力下(大约是海平面的“正常”压力),气体在低于 -78.5°C 和高于该温度的温度下直接转化为固态,固态的 CO2 直接升华到气体中。在固态下,二氧化碳通常被称为干冰。液态二氧化碳仅在高于 5.1 个大气压的压力下形成。二氧化碳的三相点约为 518 kPa 和 -56.6°C。临界点在 7.38 MPa 和 31.1°C。还研究了在高压下呈无定形玻璃状形式的不同形式的固体二氧化碳。这种称为碳的玻璃是在金刚石室中以极高的压力(40-48 GPa 或 400,000 个大气压)由过冷 CO2 制成的。这一发现证实了二氧化碳可以以类似玻璃的形式存在的理论,就像硅、硅酸盐玻璃和二氧化锗等相同基本化合物家族的其他成员一样。与二氧化硅和锗玻璃不同,碳玻璃在常压下不稳定,当压力降低时会恢复为气态。这一发现证实了二氧化碳可以以类似玻璃的形式存在的理论,就像硅、硅酸盐玻璃和二氧化锗等相同基本化合物家族的其他成员一样。与二氧化硅和锗玻璃不同,碳玻璃在常压下不稳定,当压力降低时会恢复为气态。这一发现证实了二氧化碳可以以类似玻璃的形式存在的理论,就像硅、硅酸盐玻璃和二氧化锗等相同基本化合物家族的其他成员一样。与二氧化硅和锗玻璃不同,碳玻璃在常压下不稳定,当压力降低时会恢复为气态。

化工

结构和连接

二氧化碳分子呈直线状且中心对称。两个 CO 键相等且短(116.3 pm),由双键组成。因为它是中心对称的,所以分子没有电偶极子。根据这一事实,在 IR 光谱中只能观察到两条振动线:反对称扩展到 2349 cm - 1 并在 666 cm - 1 附近弯曲。也有对称扩展到 1388 cm - 1,这只能通过拉曼光谱观察到。

在水溶液中

二氧化碳极易溶于水。水溶液呈酸性反应(pH 约 4),由于形成碳酸:CO2 + H2O ⇔ H2CO3 这种平衡强烈向左移动,因为 99% 以上的 CO2 作为分子溶解,只有一小部分与水反应,生成酸。碳酸的亨利常数是K h [H 2 CO 3] [CO 2 (a q)] 1,70 × 10 - 3 {\ displaystyle K _ {\ mathrm {h}} {\ frac {\ rm {[H_ {2} CO_ {3}]}} {\ rm {[CO_ {2} (aq)]} }} } 1.70 \ 乘以 10 ^ {- 3}}(在 25 °C 时)。因此,大部分二氧化碳没有转化为碳酸,而是以 CO2 分子的形式存在,而不会影响 pH 值。 CO2 和 H2CO3 的相对浓度以及 HCO3-(碳酸氢盐)和 CO32-(碳酸盐)的去质子化形式取决于 pH 值。在中性和微碱性水域 (pH> 6.5) 中,碳酸氢盐形式占主导地位 (> 50%) 并且在海水的 pH 值下占主导地位 (> 95%)。在非常碱性的水中 (pH> 10.4),碳酸盐形式占主导地位 (> 50%)。海洋呈微碱性,典型的 pH 值为 8.2 至 8.5,每升含有约 120 毫克的碳酸氢盐。由于碳酸是二质子,有两个酸解离常数,第一个是解离成碳酸氢根离子(碳酸氢根)(HCO3−):H2CO3 ⇔ HCO3− + H + Ka1 2.5x10-4 mol / l; 25°C 时 pKa1 3.6。这是酸解离的真实第一常数,定义为 K a 1 [H C O 3 -] [H +] [H 2 C O 3] {\ displaystyleK_ {a1} {\ frac {\ rm {[HCO_ {3} ^ {-}] [H ^ {+}]}} {\ rm {[H_ {2} CO_ {3}]}}}}},其中分母仅包括共价键 H2CO3,不包括水合 CO2 (aq)。大约 4.16x10−7 的更小且更频繁提及的值是基于(错误的)假设计算的可见值,即所有溶解的 CO2 都以碳酸形式存在,所以 K a 1 (v i d l j i) [H C O 3 -] [H +] [H 2 CO 3] + [CO 2 (aq)] {\ displaystyle K _ {\ mathrm {a1}} {\ rm {(see)}} {\ frac {\ rm {[HCO_ {3} ^ {-}] [ H ^ {+}]}} {\ rm {[H_ {2} CO_ {3}] + [CO_ {2} (aq)]}}}}。由于大部分溶解的二氧化碳仍以分子形式存在,因此 Ka1(可见的)具有比实际 Ka1 高得多的分母和低得多的值。碳酸氢根离子是一种两性物质,可以作为酸和碱进行反应,具体取决于溶液的 pH 值。在较高的 pH 值下,它主要分解为碳酸根离子 (CO32−):HCO3− ⇔ CO32− + H + Ka2 4.69x10-11 mol / l; pKa2 10,329 在生物体中,碳酸的产生是由碳酸酐酶催化的。

反应

CO2 是一种差的亲电子试剂。它与水的反应说明了这种性质,其中氢氧化物是亲核试剂。其他亲核试剂也与它反应。例如,从格氏试剂和有机锂化合物中得到的碳离子与二氧化碳反应生成羧酸盐:MR + CO2 → RCO2M(其中 M 是 Li 或 MgBr,R 是烷基或芳基)。在金属-二氧化碳复合物中,CO2 用作配体,可用于将 CO2 转化为其他化学品,将 CO2 还原为一氧化碳通常是一个“困难”且缓慢的反应:CO2 + 2 e− + 2H + → CO + H2 OR 氧化还原电位在 pH 值约为7相对于标准氢电极大约是-0.53V。含镍的一氧化碳脱氢酶是该过程的催化剂。

应用

在饮料和碳酸饮料的生产中,保护和倾倒;在化学工业中用于获得碳酸盐、碳酸氢盐、肥料、合成混合物、碱性溶液的中和、油漆生产等;在焊接技术、冶金、铸造、制冷和产品保护方面。

在灭火中的应用

二氧化碳是一种有效的灭火剂,通过将其与周围空气隔离,对被点燃的物质具有排他性的窒息作用,而冷却作用相对较小。它是一种合适的室内灭火方法,因为它可以将空气排出室内,而在大多数情况下,燃烧过程会停止。最适用于扑灭带电压(E级)电器和装置的火灾、少量易燃液体和气体、B、C级火灾,不推荐用于扑灭轻金属火灾。

生产和交货方式

它们是通过从天然来源或化学工业过程中提纯粗二氧化碳并液化成商品气体而获得的。在钢制容器中 - 瓶子,在 70-150 巴的压力下处于液态或在特殊运输容器中处于液态,在压力下输送到气体用户的容器中。

程序和材料

干气没有腐蚀性。对于湿气,必须使用合金钢。低温合金钢用于液体。允许使用大多数塑料材料。在压力下使用气体或液体时,应遵循规定的说明和保护措施。

干冰

干冰是温度为 -79º C 的固态二氧化碳。干冰是在特殊设计的机器中在受控条件下由液态二氧化碳制成的。在这个过程中,首先形成干雪,然后通过压缩还有干冰,然后通过挤压板挤压,从而获得不同尺寸的产品。干冰以 25 厘米 x 25 厘米 x 40 厘米的块状运输,平均重量约为 25 公斤。它用约 250 公斤的绝缘容器包装和运输。

干冰的用途包括冷却餐饮中的食品和饮料,在低温下运输血液、血浆和器官,以及清洁和脱脂表面。

应用

主要用途是运输中的冷却。

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参考

文学

外部链接

贝尔格莱德国际化学品安全数据表 0021 二氧化碳 MSDS 中的制造商,由 Amerigas 在 SDSdata.org 数据库中提供。CDC - NIOSH 化学危害袖珍指南 - 二氧化碳 CO 2 {\ displaystyle {\ ce {CO2}}} 二氧化碳特性、用途、应用 Wayback Machine 上存档的干冰信息(2004 年 4 月 3 日)大气二氧化碳趋势( NOAA)“一种拯救生命的战争气体”。大众科学,1942 年 6 月,pp. 53-57。http://googas.ov.ingv.it/ 存档在网站 Wayback Machine(2021 年 2 月 13 日)二氧化碳的反应、热化学、用途和功能 二氧化碳 - 第一部分 二氧化碳 - 第二部分