| 词条 | 二氧化碳 |
| 释义 | § 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。 § 研究历史 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。 § 物理性质 工业用氧二氧化碳，化学式为CO₂，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CO₂和超临界CO₂均可作为溶剂，尽管超临界CO₂具有比液体CO₂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CO₂高。综合考虑机器成本与作CO₂为溶剂，温度控制在15℃左右，压力在5MPa左右。 § 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！ 检验与除杂：将二氧化碳通入澄清的石灰水，石灰水变浑浊，则证明有二氧化碳！但由于氢氧化钙在水中的溶解度比较低，所以用氢氧化钠溶液来吸收二氧化碳。 § 温室效应 温室效应主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。 二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能。它在大气中增多的结果是加强了对地表和低层大气放射的长波紅外辐射的吸收， 使离开大气顶的辐射能减少，其结果是地球表面变热起来。因此，二氧化碳也被称为温室气体。 CO2有效地吸收地球表面和低层大气所放发射出的红外辐射。CO2的这种功能被称为“自然温室效应”。研究结果指出，CO2增加不仅使全球变暖，还将造成全球大气环流调整和气候带向极地扩展。包括我国北方在内的中纬度地区降水将减少，加上升温使蒸发加大，因此气候将趋干旱化。大气环流的调整，除了中纬度干旱化之外，还可能造成世界其他地区气候异常和灾害。例如，低纬度台风强度将增强，台风源地将向北扩展等。气温升高还会引起和加剧传染病流行等。以疟疾为例，过去5年中世界疟疾发病率已翻了两番，现在全世界每年约有5亿人得疟疾，其中200多万人死亡。 温室效应的正面作用 但是，温室效应也并非全是坏事。因为最寒冷的高纬度地区增温最大，因而农业区将向极地大幅度推进。CO2增加也有利于植物光合作用而直接提高有机物产量。还有论文指出，在我国和世界历史时期中温暖期多是降水较多、干旱区退缩的繁荣时期，等等。 当然，在大气温室效应这个问题上，也有不同意见。例如，过去有些科学家认为目前数值模式还不成熟，计算结果过于夸大；百年升高0.3℃-0.6℃属于正常气候变化，不能证明是大气温室效应所造成，等等。当然这是少数人的意见。 尽管如此，但对于目前大气中CO2浓度和全球温度正迅速增加，以及温室气体增加会造成全球变暖的原理，都是没有争论的事实。我们如果等到问题发展到了人类可以明显感知的水平，这时候往往已经难以逆转，那么就为时已晚。因此现在就必须引起高度重视，以便采取对策，保护好人类赖以生存的大气环境。 § 主要用途 灭火 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。 二氧化碳灭火器 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。 8年前，ABB签署了《ICC可持续发展商业公章》。在国际能源组织(IEA)的温室气体研究及发 展项目中，ABB代表瑞士作为该机构的成员积极参与其中的工作。在世界能源理事会(WEC)的上届国际会议上，ABB总裁兼首席执行官林道先生介导了一个全球性的项目，旨在世界每年减少10亿吨的温室废气排放。而此次与中国科学家的合作是推进该项目的一个重要步骤。 ABB集团执行副总裁兼执行委员马库斯·白业功先生说：“ABB非常关注全球气体变暖这一世 界性的问题，并清楚地意识到，未来全人类在减少温室气体排放方面将面临着巨大的挑战。” ABB将在未来的10年中，将大力发中国市场，并使之成为全球的三大市场之一。在研发方面，1999年，ABB公司投入了20亿美元，大约占营业额的8%。ABB的经费投入重点不仅满足今天的技术上的需要，通讯、电力系统、制造技术都是重点投入领域，现逐渐转型向高新技术、微电子、纳米、无线电技术等，传统的ABB中心，7个在欧洲，3个在美国，而现在在明显东移。 因为植物的光和作用需要大量的二氧化碳，水和阳光作为能源，来合成植物体内的葡萄糖。其中阳光的因素人为不可控制，水又不是什么稀有的东西，来源丰富，所以人们用二氧化碳作为气体肥料。 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 目前最普遍的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，目前推出的有绿色大地(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 目前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％。 气肥发展前途很大，但目前科学家还难以确定每种作物究竟吸收多少二氧化碳后效果最好。除了二氧化碳外 ，是否还有其他气体可作气体肥料？ 最近，德国地质学家埃伦斯特发现，凡是在有地下天然气冒出来的地方，植物都生长得特别茂盛。于是他将液化天然气通过专门管道送入土壤，结果在两年之中这种特殊的气体肥料都一直有效。原来是天然气中的主要成分甲烷起的作用，甲烷用于帮助土壤微生物的繁殖，而这些微生物可以改善土壤结构，帮助植物充分地吸收营养物质。 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。 可开发出以下用途的产品： 1.从脂肪族聚碳酸酯与多异氰酸酯制备聚氨酯材料，优于普通聚酯聚氨酯的耐水解性能。 2.用顺丁烯二酸酐作为第三单体进行三元共聚；产物是一种含碳酸酯基和酯基的不饱和树脂，可交联固化，亦能与纤维之类固体复合，是类似于普通不饱和聚酯使用的一种新材料。 3.脂肪族聚碳酸酯可以与各种聚合物共混而获得各种不同的性能。可以用作环氧树脂、PVC塑料等的增韧剂、增塑剂或加工助剂。 4.二氧化碳、环氧乙烷等的共聚物，二氧化碳、环氧丙烷和琥珀酸酐的三元共聚物能被微生物彻底分解，不留残渣，是一类有希望的生物降解材料。 5.二氧化碳共聚物有优异的生物体相容性。特别设计的共聚物可望用作抗凝血材料或用作药物缓释剂。 6.某些二氧化碳共聚物可用作固体颜料或填料的表面处理剂，隔氧材料，表面活性剂，陶瓷胶粘剂，热熔胶等。 7.聚碳酸亚丙酯与丁腈橡胶共混物有良好的耐油耐热氧老化性能，有比普通丁腈胶更好的机械性能，是一种优异的新型耐油橡胶。该项目每吨二氧化碳树脂成本约为环氧丙烷原料的价格，相当于国外工艺的3-30%，很有机会在国外立足发展。.PPC/NBR型耐油橡胶的成本可比用纯丁腈降低10%左右，每吨产品的成本可降低 1000元以上。 § 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。 § 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↑ § 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%。 § 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。 § 研究动态 二氧化碳储存形式研究发现 一个国际科学家小组最近发现，二氧化碳已经在油气田地下水中安全且自然地储存数百万年时间，这将对未来减缓气候变化方法产生巨大影响。 减少大气中二氧化碳含量对于推进减少温室气体——能够在全球范围内改变平均气温，并可以引起非季节性通常具有危险性的天气至关重要。在开发出清洁能源之前，碳捕获和存储（CCS）被认为是减少二氧化碳气体的方法之一。 这项名为安全存储的研究由英国曼彻斯特大学、爱丁堡大学以及加拿大多伦多大学的科学家共同参与完成。该项目负责人、曼彻斯特大学地球、大气与环境科学学院教授Chris Ballentine说：“我们不能让社会在一夜之间转向低碳经济。但是我们正处在这个转变的过程之中，我们正在埋存过量排放的二氧化碳。关于自然系统如何工作，我们要有一种清晰的理解，这就意味着当我们在类似系统中注入二氧化碳时，我们要准确地知道把它埋存在何处。这种验证能够为公众提供该处理技术安全性方面的证据。 两种埋藏方式 自然产生的二氧化碳有两种埋藏方式，它能够以类似瓶装苏打水的方式在地下水中溶解，或者能够和岩石中的矿物质发生反应而产生新的碳酸盐矿物，从而基本上把二氧化碳锁定在地下。 之前的研究利用计算机模型来模拟将二氧化碳注入油气田或油田的地下，旨在发现哪些地方可能适合存储二氧化碳。一些模型预测，二氧化碳可能会在掩饰中的矿物质发生反应从而产生新的碳酸盐物质，而其他的模型则显示二氧化碳可以溶解于水中。但是为了了解二氧化碳怎样在天然油气田中存储，这个国际研究小组检测位于北美、中国和欧洲的9个油气田。 更准确地模拟地下碳捕获和存储 研究人员测量很久以前油气田中自然填埋的二氧化碳同位素、氦以及氖等惰性气体比例，发现地下水是最主要的二氧化碳接收端。 来自爱丁堡大学的Stuart Gilfillan博士说：“我们改变利用计算机模型的旧技术，并观测一个埋存二氧化碳很久的天然气二氧化碳油气田。”他说：“通过这两项技术融合，我们首次能够准确测定二氧化碳存储的地点。我们已经了解到油和气能够安全地在油气田中储存数百万年时间。我们的研究清楚地表明，二氧化碳已经自然且安全地储存于这些地域的地下水中。” Ballentine说：“通过将专业知识融合，我们已经发明观测二氧化碳油气田的新方法。这种新方法对于监测和追踪被我们捕获的煤燃发电站排放的二氧化碳在注入地下后的去向也很重要，并且对于未来的安全验证很关键。”科学家希望，未来能够将新的数据植入计算机模型，从而更准确地模拟地下碳捕获和存储。 去向不明之谜 二氧化碳排放历经近10年的研究，中国科学家日前发现，近20年来，中国森林吸收温室气体二氧化碳的能力明显增强，每年工业排放出的二氧化碳平均有5％至8％，也就是2600万吨被吸收，从而为缓解全球温室效应作出了积极贡献。 人类活动每年释放大量二氧化碳，其中近一半增加了大气二氧化碳浓度，一部分被海洋吸收，而约有不到1／3的二氧化碳却“去向不明”。作为全球变化的前沿课题，近年来，这一著名的“二氧化碳去向不明”之谜强烈地吸引着各国科学家进行研究。 森林可通过光合作用“存储”碳，而森林砍伐则释放碳。北京大学城市与环境系方精云教授等人利用大量的野外实测资料和中华人民共和国成立以来的森林资料，研究了我国森林植被50年来碳存储量的动态变化。 研究发现，20世纪70年代中期以前，由于毁林开荒等因素，中国森林向大气净排放了大量的二氧化碳。但在最近20年里情况发生逆转，森林净吸收二氧化碳的功能明显增强：近20年共净吸收约4．5亿吨碳，相当于90年代中期中国工业二氧化碳年均排放量的一半。在被“固定”的碳中，人工林占了80％。 “我国70年代末期以来倡导的植树造林工程，初衷本是防止水土流失和干旱，却出人意料地延缓了大气二氧化碳浓度的上升速度。”方精云说。据悉，中国人工林累计面积目前已居世界第一位，森林覆盖率也上升到16．55％。 国际同行高度评价中国科学家的研究结果。“它作为一个重要的里程碑，将会被长期引用。”权威杂志《科学》编委会首席指导萨格登说。“森林并不能奇迹般地阻止大气二氧化碳浓度的升高，但可在未来的几十年显著地缓和上升的速度。”哈佛大学史蒂文教授说，“中国是一个最好的例子。” 含量多少对人体的影响 二氧化碳在室外是全球暖化的元凶之一，在室内对人体健康影响及行车安全顾虑更是不容忽视的主因之一。生活当中二氧化碳是人类无时无刻 在制造却经常被忽略的气体，最近二～三十年大众生活型态的改变，尤其现代人害怕噪音再加上户外空气质量不佳，人们为求隔绝噪音并享受居住空间或办公室空间 空调系统带来的舒适便利，长时间将室内窗户密闭以致于室内二氧化碳浓度含量远高于室外平均值，更有医学报导在冷气房内睡觉连续八小时，由于空气有适足对流 有助尘螨滋生，早上会出现鼻塞、皮肤红痒等「病态建筑物症候群」(Sick Building Syndrome)的症状。 二氧化碳浓度含量会影响人类的生活作息，整理出二氧化碳浓度含量与人体生理反应如下： ·350～450ppm：同一般室外环境 ·350～1000ppm：空气清新，呼吸顺畅 ·1000～2000ppm：感觉空气浑浊，并开始觉得昏昏欲睡 ·2000～5000ppm：感觉头痛、嗜睡、呆滞、注意力无法集中、心跳加速、轻度恶心 ·大于5000ppm：可能导致严重缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。 |
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