一氧化碳（英文名稱：Carbon Monoxide），無機(jī)化合物，由碳元素和氧元素組成。化學(xué)式為CO，摩爾質(zhì)量為28.010g/mol，密度為1.25g/cm3。一氧化碳是一種無色無味的氣體，呈弱酸性，微溶于水，溶于苯、乙醇、醋酸和氯化亞銅。一氧化碳具有很強(qiáng)的還原性，可以將許多金屬氧化物或金屬離子還原。一氧化碳可以在空氣中燃燒，生成二氧化碳。一氧化碳可以與人體內(nèi)的血紅蛋白結(jié)合使人中毒。實(shí)驗(yàn)室中一氧化碳可由甲酸滴入熱的濃硫酸溶液中進(jìn)行脫水生成；工業(yè)上一氧化碳主要來源為水煤氣、發(fā)生煤爐氣和煤氣。
一氧化碳可以用作民用生活燃?xì)狻⒐I(yè)燃?xì)夂腿剂想姵刂械娜細(xì)猓诨ゎI(lǐng)域中是重要的碳基合成有機(jī)化工產(chǎn)品原料，在冶金工業(yè)中是一種重要的還原劑，還可以用于食品包裝。
歷史
古希臘時代，哲學(xué)家亞里士多德（Aristotle）曾記錄了燃燒的煤炭會散發(fā)有毒煙氣的現(xiàn)象。當(dāng)時有一種執(zhí)行死刑的方法，將罪犯關(guān)在一間浴室，并在浴室內(nèi)放置文火燃燒的煤炭。古希臘醫(yī)生蓋倫（Galen）推測，可能是浴室內(nèi)空氣的組成發(fā)生了變化，因此呼入后能引起傷害。
1630年，比利時化學(xué)家揚(yáng)·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特（ Johann Baptist van Helmont）在實(shí)驗(yàn)中研究了許多氣體，其中碳?xì)馐侵溉紵咎亢推渌?a href="/hebeideji/8699777390019493025.html">可燃物生成的氣體，通常是二氧化碳，但有時也是一氧化碳，因?yàn)閾P(yáng)·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特說在他65歲時差點(diǎn)被燃燒的木炭的煙熏死，而他記述的是一氧化碳中毒的癥狀。揚(yáng)·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特發(fā)現(xiàn)由文火燃燒的木炭產(chǎn)生的一種有毒氣體，這種氣體能危及自己的生命。另外，他發(fā)現(xiàn)有機(jī)化合物腐爛或在缺氧狀態(tài)下加熱產(chǎn)生的氣體，相當(dāng)輕而且可以燃燒。
1776年，法國化學(xué)家拉松（DeLassone）通過讓焦炭加熱氧化鋅以及加熱槍管中的普魯士藍(lán)得到一氧化碳。他在《皇家科學(xué)院備忘錄》中把這種氣體描述為“一種性質(zhì)極怪異的可燃空氣”。1785年，英國科學(xué)家普里斯特利（J.Priestley）用木炭加熱鑄皮，制備了一氧化碳；但他誤以為它是“可燃空氣”。
早期的研究者認(rèn)為，一氧化碳是一種碳和氫的化合物。1800年W．Cruikshank在一氧化碳的燃燒產(chǎn)物中沒有檢測出水，證明一氧化碳中不含氫。1801年~1802年，N．Clement和C．B．Desormes合作，精確地測定了一氧化碳的化學(xué)組成。1877年Cailletet制得液體CO。1885年Von Wroblewsky首次使CO固化。在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國把CO用作合成烴類燃料的主要原料。
來源
自然與人為
所有含碳燃料的不完全燃燒都會產(chǎn)生一氧化碳。在自然條件下，植物代謝或海洋和野火產(chǎn)生的一氧化碳釋放進(jìn)入大氣。在自然條件下或人為情況下，甲烷和非甲碳?xì)浠衔锱c輕自由基和臭氧產(chǎn)生氧化反應(yīng)，也是大氣中一氧化碳的一種來源。人類活動產(chǎn)生一氧化碳的主要來源于內(nèi)燃機(jī)、天然氣、石油、木材和固體廢棄物。吸煙和排氣爐不完全燃燒也可導(dǎo)致密閉空間內(nèi)一氧化碳的聚積。
人體產(chǎn)生
人體內(nèi)存在著多個合成并釋放CO的生理代謝途徑，其中依賴于還原型輔酶Ⅱ（NADPH）的血紅素加氧酶所催化的亞鐵血紅素分解生成CO是最主要的途徑。血紅素加氧酶存在三種同工酶：血紅素加氧酶-1（HO-1）屬于誘導(dǎo)型，可被內(nèi)毒素、低氧和氧化劑等誘導(dǎo)。HO-1廣泛分布于脾臟、肝臟和骨髓等代謝活躍的器官，對誘導(dǎo)刺激都十分敏感。血紅素加氧酶-2(HO-2)和血紅素加氧酶-3（HO-3）為結(jié)構(gòu)型，是細(xì)胞生理狀態(tài)下的主要存在形式。HO-2主要分布于腦內(nèi)，在血管平滑肌和內(nèi)皮細(xì)胞中也有表達(dá)，腎上腺糖皮質(zhì)激素可上調(diào)HO-2的表達(dá)。HO-3主要分布于脾臟和肝臟等，其作用可能是調(diào)節(jié)依賴血紅素的基因表達(dá)，但活性較低。生理?xiàng)l件下，人體每小時生成的CO接近20mmol，體內(nèi)生成的CO大部分通過呼吸作用排出體外。
毒性
中毒機(jī)理
血色素（Hb）中的亞鐵離子的空軌道可以接受氧氣分子提供的電子對形成氧合血紅蛋白（HbO2），從而通過血液的流動運(yùn)輸氧氣分子。一氧化碳可以作為配體與血紅蛋白形成一氧化碳血紅蛋白（HbCO）。一氧化碳血紅蛋白比氧合血紅蛋白穩(wěn)定，因此，一氧化碳能把氧氣從氧合血紅蛋白中置換出來。
體溫在37℃以下時，K=200。在肺部，即使一氧化碳濃度很低，血紅蛋白仍能優(yōu)先與一氧化碳結(jié)合，從而使血液輸氧中斷，進(jìn)而使人體組織缺氧，產(chǎn)生細(xì)胞能量代謝障礙，導(dǎo)致肌肉麻痹、昏迷，甚至死亡，這就是一氧化碳中毒。同時，由于一氧化碳血紅蛋白解離比氧合血紅蛋白慢得多，增加了一氧化碳中毒的危險(xiǎn)性。經(jīng)測定，當(dāng)空氣中一氧化碳濃度達(dá)0.08%時，人在兩小時內(nèi)就會昏迷致死。
中毒表現(xiàn)
輕度中毒：表現(xiàn)為頭暈、眼花、劇烈頭痛、耳鳴、頸部壓迫感和搏動感，會有惡心、嘔吐、心悸病、四肢無力等癥狀，但無昏迷，此時需立刻脫離中毒現(xiàn)場，吸入鮮空氣或進(jìn)行適當(dāng)治療之后，癥狀會很快消失。
中度中毒：除上述癥狀外，表現(xiàn)為初期多汗、煩躁、步態(tài)不穩(wěn)和皮膚黏膜蒼白，并隨著中毒加重而身體出現(xiàn)櫻桃紅色，以面頰、前胸及大腿內(nèi)側(cè)為明顯，意識朦朧，甚至昏迷。如能及時搶救，可很快蘇醒，一般無明顯并發(fā)癥和繼發(fā)癥。
重度中毒：除具有一部分或全部中度中毒的癥狀外，患者會很快進(jìn)入不同程度的昏迷狀態(tài)，時間可持續(xù)數(shù)小時至幾晝夜，往往出現(xiàn)牙關(guān)緊閉、強(qiáng)直性全身肌肉痙攣、大小便失禁和病理反射。常伴有中毒性腦病、心肌炎、吸入性肺炎、肺水腫及電解質(zhì)紊亂等。
環(huán)境危害
一氧化碳暴露除對人體和動物造成損傷外，大氣中的一氧化碳會抑制綠色植物的光合作用，阻礙二氧化碳等氣體的吸收和循環(huán)，造成大氣污染，加速溫室效應(yīng)，直接或間接地影響著人類的生產(chǎn)、生活和健康。
生理作用
人體
一氧化碳過去一直被認(rèn)為是對生物體有毒性的氣體，但20世紀(jì)80年代以來的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)的血紅素在血紅素氧合酶的作用下，能被氧化分解出極微量的一氧化碳。這種內(nèi)源性的一氧化碳具有神經(jīng)信息傳遞功能，能介導(dǎo)某些生理和病理活動。并在發(fā)揮生物效應(yīng)后經(jīng)血紅蛋白運(yùn)輸，由肺部排出體外。它與血壓調(diào)控、肌肉松弛、激素的釋放、痛覺與嗅覺的發(fā)生等有關(guān)，且在維持血管能力和心肌保護(hù)中也起作用。
微生物
在空氣傳播的細(xì)菌在高濃度的一氧化碳下可以存活，細(xì)菌培養(yǎng)物可以用一氧化碳鼓泡，毒性很小。還有相關(guān)研究稱一氧化碳由宿主巨噬細(xì)胞“迫使細(xì)菌產(chǎn)生三磷酸腺苷”，這是一種危險(xiǎn)相關(guān)的分子模式對于巨噬細(xì)胞。細(xì)菌衍生的ATP與巨噬細(xì)胞上的嘌呤能受體結(jié)合，導(dǎo)致激活炎癥體以驅(qū)動病原體清除。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
一氧化碳是一種無色無味的氣體，不容易被液化和固化。一氧化碳微溶于水，20℃時為2.3ml/100ml，溶于苯、乙醇、醋酸和氯化亞銅。其摩爾質(zhì)量為28.010g/摩爾，密度為1.25g/cm3，熔點(diǎn)為-205℃，沸點(diǎn)為-191℃，25℃時蒸汽壓為1.55×108毫米汞柱，自燃溫度為605℃。
化學(xué)性質(zhì)
還原性
在高溫條件下，一氧化碳可從多種金屬氧化物中奪取氧元素，將金屬氧化物還原為金屬單質(zhì)。這一化學(xué)性質(zhì)在工業(yè)金屬冶煉領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
在常溫下，一氧化碳還可以使一些化合物中的金屬離子還原。例如：一氧化碳能使二氯化鈀溶液、銀氨溶液變黑，反應(yīng)非常靈敏，因此可以用于檢測微量一氧化碳的存在。
在高溫下，一氧化碳可以與氧氣發(fā)生劇烈反應(yīng)，生成二氧化碳。
配位反應(yīng)
一氧化碳能與許多過渡金屬加合生成金屬羰基化合物，例如Fe(CO)5、Ni(CO)4、Cr(CO)6。
與單質(zhì)反應(yīng)
一氧化碳在空氣中燃燒，生成二氧化碳。
一氧化碳與氫氣反應(yīng)，生成甲醇或某些有機(jī)化合物。
一氧化碳與硫反應(yīng)，生成硫化碳酰。
一氧化碳可以與鹵素、氯、溴反應(yīng)，生成鹵化碳，鹵化碳酰很容易被水解，并與氨作用生成尿素。
酸性
一氧化碳的酸性非常微弱，在一定壓力和受熱條件下與堿反應(yīng)，生成甲酸鹽。
在較高的壓力下，一氧化碳與水反應(yīng)生成甲酸，由此可認(rèn)為一氧化碳是甲酸的酸酐。
與有機(jī)物反應(yīng)
與醇反應(yīng)
一氧化碳與醇反應(yīng)可用來制取羧酸。在工業(yè)上一氧化碳與甲醇反應(yīng)制取羧酸是一氧化碳化工應(yīng)用中重要的反應(yīng)之一。
與不飽和烴反應(yīng)
合成氣與不飽和烴及其衍生物的氫甲酰化反應(yīng)是一氧化碳另一類重要的羰基化合成反應(yīng)。
例如：
一氧化碳、水（或醇）與不飽和烴的反應(yīng)成為雷佩反應(yīng)，或稱氫羧基化反應(yīng)，以醇代水的反應(yīng)則稱之為氫基化反應(yīng)。
一氧化碳、氧氣與不飽和烴反應(yīng)生成羧酸或酯。
應(yīng)用領(lǐng)域
燃?xì)?/h3>
一氧化碳可以在空氣或氧氣中燃燒，釋放出大量熱，與燃煤相比，一氧化碳具有熱值高、清潔衛(wèi)生、污染少和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。所以一氧化碳是很好的工業(yè)燃?xì)夂兔裼蒙钊細(xì)狻?/p>
燃料電池不但能用氫氣作燃料，還可利用一氧化碳等作燃料。如在工作溫度為650℃的熔融碳酸根燃料電池（MCFS），是用煤氣作負(fù)極燃?xì)猓諝馀c二氧化碳的混合氣為正極助燃?xì)猓靡欢ū壤奶妓徜嚭?a href="/hebeideji/7153983049977741352.html">碳酸鈉，低熔點(diǎn)混合物作電解質(zhì)，以金屬鎳（燃料極）為催化劑制成的。有關(guān)電極和電池反應(yīng)式為：
負(fù)極（燃料極）：
正極（空氣極）：
總反應(yīng)式：
化工
一氧化碳是重要的碳基合成有機(jī)化工產(chǎn)品原料，如從一氧化碳出發(fā)可合成出甲醇、甲酸、醋酸、醋酸酐、二甲基甲酰胺、碳酸二甲酯、聚碳酸酯、光氣、聚氨酯、草酸酯和金屬羰基化合物等多種高附加值產(chǎn)品。
冶金
一氧化碳在冶金工業(yè)精煉中是一種重要的還原劑。例如鋼鐵生產(chǎn)中，常用焦炭作還原劑，焦炭在高爐中主要發(fā)生下列反應(yīng)：
故實(shí)際最后起還原鐵礦石作用的主要是一氧化碳而不是焦炭。同時冶金工業(yè)上為了減少燃煤時產(chǎn)生的硫的氧化物對空氣和水質(zhì)的污染，常用氨水、熟石灰的乳濁液或生石灰等吸收二氧化硫。有時也利用一氧化碳來還原煙道氣中的二氧化硫，并回收得到硫。
醫(yī)藥
據(jù)英國廣播公司2007年10月份報(bào)道，英國謝菲爾德大學(xué)的研究人員發(fā)明了使用一氧化碳幫助器官移植的新方法。該方法提高移植器官的成活率，克服了傳統(tǒng)的一氧化碳吸入法有導(dǎo)致患者和醫(yī)務(wù)人員意外吸入高劑量一氧化碳而中毒的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)顯示這種方法前景良好。
食品包裝
CO對脫氧肌紅蛋白的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于O2，故生成比氧合肌紅蛋白更加穩(wěn)定的碳氧肌紅蛋白，使肉產(chǎn)生吸引人的櫻桃色。在無氧混合氣體中充入少量CO（≤0.4%）形成的CO氣調(diào)（CO-MAP）有非常好的護(hù)色效果但是當(dāng)碳氧肌紅蛋白暴露在無CO的氣氛中，CO將會從肌紅蛋白中分解出來，成為游離狀態(tài)。CO的毒性及所生成的碳氧肌紅蛋白的穩(wěn)定性導(dǎo)致其在食品包裝的運(yùn)用過程中存在爭議。
制備方法
實(shí)驗(yàn)室制法
①甲酸滴入熱的硫酸溶液中進(jìn)行脫水，生成一氧化碳。化學(xué)方程式如下：
②草酸晶體和濃硫酸共熱，生成一氧化碳和二氧化碳的混合氣體，其中的二氧化碳可以通過固體氫氧化鈉除掉，從而得到純的一氧化碳?xì)怏w。化學(xué)反應(yīng)方程式如下：
③鋅粉和碳酸鈣在加熱的條件下生成一氧化碳。化學(xué)方程式如下：
工業(yè)制法
工業(yè)上制備一氧化碳的主要來源為水煤氣、發(fā)生煤爐氣和煤氣。
①水煤氣是氫氣和一氧化碳的混合氣體，由空氣和水蒸氣交替通過赤熱的碳層反應(yīng)得到。化學(xué)反應(yīng)方程式如下：
②發(fā)生煤爐氣是一氧化碳和氮?dú)?/a>各占二分之一的混合氣體，由有限量的空氣通過赤熱的碳層反應(yīng)得到。化學(xué)方程式如下：
分子結(jié)構(gòu)
雜化軌道理論解釋
在CO分子中，碳采用sp雜化與氧原子成鍵。碳原子兩個p軌道上的電子可以與氧原子兩個成單p軌道上的電子形成一個鍵和一個鍵，氧原子上成對的p電子還可以與碳原子上的一個空的2p軌道形成一個配位鍵。故一氧化碳的結(jié)構(gòu)式可表達(dá)為：
分子軌道理論解釋
C原子核外有4個價(jià)電子，其電子結(jié)構(gòu)式為2s22p2；氧原子核外有6個價(jià)電子，其電子結(jié)構(gòu)式為2s22p4。由于碳原子和氧原子的相應(yīng)原子軌道能量很近，因此互相重疊形成CO分子的分子軌道。一氧化碳的分子軌道式為：
由此可以得出一氧化碳分子中有兩個鍵和一個鍵，是三重鍵結(jié)合的。
安全事宜
安全標(biāo)志
GHS分類
泄露與消防
當(dāng)一氧化碳發(fā)生泄露與火災(zāi)時，人員需撤離至上風(fēng)處，并立即隔離150m。切斷火源時，應(yīng)急處理人員需戴自給正壓式呼吸器，穿消防防護(hù)服。盡可能切斷泄漏源，合理通風(fēng)，加速擴(kuò)散，噴霧狀水稀釋、溶解，構(gòu)筑圍堤或挖坑收容產(chǎn)生的大量廢水。將漏出氣用排風(fēng)機(jī)送至空曠地方或用管路導(dǎo)至爐中、凹地梵之。漏氣容器要處理，修復(fù)、檢驗(yàn)后再用。切斷氣源。若不能立即切斷氣源，則不允許熄滅正在燃燒的氣體。噴水冷卻容器，可能的話將容器從火場移至空曠處。滅火劑：霧狀水、泡沫、二氧化碳、干粉。
急救措施
將病人移到空氣新鮮的地方，松解衣服。對呼吸心跳停止者立即行人工呼吸和胸外心臟按壓，并肌內(nèi)注射呼吸興奮藥，洛貝林或二甲弗林等，同時給氧。昏迷者針刺人中、十宣、涌泉等穴。病人自主呼吸、心跳恢復(fù)后方可送醫(yī)院。
參考資料 >
Carbon Monoxide | CO - PubChem.PubChem.2023-01-18
一氧化碳.國際化學(xué)品安全卡.2023-06-25
未經(jīng)審批違規(guī)作業(yè)，4人中毒死亡！17人被問責(zé).今日頭條.2024-04-20