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二氧化碳（英文名稱：Carbon dioxide），是一種無機物，化學式為二氧化碳式氣槍，在常溫常壓下是一種無色、無味的不可燃氣體，易溶于水形成碳酸，在自然空氣中的體積分數約為0.04%，是空氣中的主要組成部分之一。固態的二氧化碳也叫干冰（英文名稱：Dry Ice）是一種形狀像冰雪的白色固體，-78.5 ℃受熱時直接汽化。在長時間暴露于熱或火下，CO2容器可能會劇烈破裂并爆炸。長期處在高濃度的二氧化碳氛圍下會導致窒息。過量排放到大氣的二氧化碳是導致全球變暖的主要原因之一。二氧化碳在人工降雨、消防、食品、醫療、表面清潔、化工生產中均有應用，是促進溫室中植物的生長的重要因素。

發現歷史

最初的發現

在17世紀初，比利時化學家揚·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特 (Jan Baptista van Helmont)進行了一項關于植物生長和物質轉化的研究。他將一定重量的土壤放入一個容器中，并將一棵小柳樹種植在土壤中，過程中只給柳樹提供了水，發現柳樹在生長過程中增加了明顯的質量，而土壤的質量幾乎沒有改變。因此，他得出了一個錯誤的結論，認為植物的質量增長完全是由于水的吸收。

“固定空氣”的發現

在18世紀中葉，英國化學家和物理學家約瑟夫·布萊克（Joseph Black）進行了對碳酸鈣和石灰的研究，并發現了一種特殊的氣體。在他的研究中，他注意到在石灰石受熱時會釋放出一種氣體，這種氣體不支持燃燒，也不支持生物呼吸。他將這種氣體稱為"固定空氣"（fixed air），這個名字是因為他認為這種氣體是被固定在石灰石中的。通過一系列的實驗證明了這種氣體與酸性溶液的反應，以及它的溶解性和重量變化。觀察到當固定空氣溶解在水中時，會產生一種酸性溶液。他還發現了固定空氣可以與堿發生反應，生成沉淀。

成分的確定

在18世紀末，法國化學家安東尼·拉瓦錫埃（Antoine Lavoisier）進行了一系列關于氧氣和燃燒的研究。在這些研究中，他注意到燃燒過程中產生了一種氣體，它不能支持燃燒，也不支持生物呼吸。拉瓦錫埃對這種氣體進行了詳細的實驗研究，并最終確認了這種氣體就是現在所知的二氧化碳。

理化性質

物理性質

在常溫常壓下，二氧化碳是一種無色、無味的氣體。固體二氧化碳呈現白色、雪花狀的薄片或立方體，液態呈無色。它具有體積小、分子量小、黏度低和抗磁性的特點。在100 kPa的壓力下，二氧化碳的熔點為-56.6 ℃ ℃，沸點為-78.5 °C。二氧化碳在 101.325 kPa 和 0 °C時的密度為1.98 g/L，在21 ℃時的水中溶解度為1.45 g/L。

化學性質

生成弱酸

二氧化碳可溶于水，在水中可逆地形成碳酸，這是一種弱酸，在水中不完全電離：

碳酸會在水中不完全電離：

pKa1 = 3.6 (25 °C)

pKa2 =10.3 (25 °C)

與格式試劑反應

二氧化碳是一種有效的親電試劑，可以跟格氏試劑反應生成羧酸鹽，經過酸處理后可得到羧酸：

RCO

其中M=Li2Br或MgBr，R=烷基或芳基。

與過氧化物反應

二氧化碳能與過氧化鈉（Na2O2）反應生成碳酸鈉（Na2CO3）和氧氣（O2）：

與堿反應

同時，二氧化碳也能與氫氧化鈉反應，生成碳酸鈉：

當二氧化碳過量時，則會生成碳酸氫鈉：

電化學還原

使用電化學手段將二氧化碳還原的反應，是碳捕獲與利用的最有前途手段之一：

與環氧化物反應

二氧化碳能與環氧化物聚合成聚碳酸酯：

化學結構

二氧化碳的分子具有線性和中心對稱的平衡幾何結構。由于二氧化碳是中心對稱的，該分子沒有電偶極矩。

作為一個線性三原子分子，二氧化碳具有四種振動模式，其中CO2分子中碳氧鍵鍵長為117.9 pm，鍵角為180°。如圖所示，其中，對稱和反對稱拉伸模式使原子沿著分子軸移動。另外還有兩種彎曲模式，它們是簡并的，這意味著它們具有相同的頻率和能量。當分子與表面或其他分子接觸時，兩種彎曲模式的頻率可能會有所不同，因為它們之間的相互作用不同。

在紅外光譜中，可以觀察到一些振動模式的特征峰。例如，反對稱拉伸模式的波數約為2349 cm-1。由于對稱拉伸模式不會產生電偶極矩，所以在紅外光譜中無法觀察到它，在拉曼光譜中可在波數約為1388 cm-1處檢測到。

制備與檢測

實驗室制備

在實驗室中通常以碳酸根加酸制備二氧化碳，例如以碳酸鈣與稀鹽酸反應：

生物發酵

啤酒、威士忌和其他酒精飲料的釀造以及生物乙醇生產過程中糖發酵時會產生二氧化碳。酵母代謝糖產生二氧化碳和乙醇，也稱為酒精：

工業制備

燃燒

在工業上燃燒化石燃料是最常見的工業制備二氧化碳的方法之一。化石燃料（如煤、石油和天然氣）中含有碳，當它們被完全燃燒時，會產生二氧化碳氣體，燃燒過程可以通過控制燃料供應和燃燒條件來實現二氧化碳的產生：

燃煤電廠、天然氣發電廠和工業鍋爐等設施都會產生大量的二氧化碳，如煉鐵過程：

加熱石灰石

高溫加熱灰石（主要成分為碳酸鈣）分解產生二氧化碳是另一種重要是生產二氧化碳的方式：

CaO

化學反應的副產物

一些重要的化工過程，如水煤氣變換反應（英文：H?OGas Shift Reaction）也會產生大量的二氧化碳，該反應主要發生在以煤、石油和天然氣為原料的制氫工業和合成氨工業中：

檢測

把二氧化碳通入氫氧化鈣溶液中后會變渾濁：

環境與生理作用

環境作用

地球表面的太陽能輻射照射到地球上，部分熱量被大氣層吸收，一部分經過大氣層直接輻射回太空。然而，溫室氣體會吸收并重新輻射部分地球表面釋放的熱量，使其無法立即逃逸，而是繼續留在地球的大氣層中。這相當于在地球周圍形成了一個類似溫室的屏障，使得地球溫度上升。

二氧化碳是最為常見的溫室氣體，約占溫室氣體總量的76%。其次是甲烷，而工業過程中釋放的一氧化二氮和化氣體也屬于重要的溫室氣體。大多數二氧化碳的來源（約90%）是來自化石燃料的燃燒，如煤炭、石油和天然氣。

生物學作用

人體生理作用

人體每天會通過呼吸作用產生大約1.0 kg的二氧化碳，二氧化碳通過靜脈系統的血液輸送并通過肺部呼出。吸氣時，空氣進入肺泡，肺泡是肺部氣體交換的主要場所。在肺泡-毛細血管界面，氧氣自由擴散到血液中，二氧化碳從血液擴散到肺泡腔中。組織的氣體交換導致呼吸產生的二氧化碳從組織擴散到血液中，而氧氣從紅細胞中的血色素中排出。

血紅蛋白是紅細胞中主要的攜氧分子，大部分的二氧化碳會通過紅細胞中的碳酸酐酶轉化為HCO3-進行運輸。其中，碳酸氫根離子對于調節血液 pH 值至關重要。一個人的呼吸頻率會影響血液中二氧化碳的水平。呼吸太慢或太淺會導致呼吸性酸中毒，而呼吸太快會導致換氣過度，從而導致呼吸性堿中毒。盡管身體需要氧氣來進行新陳代謝，但低氧水平通常不會刺激呼吸。相反，較高的二氧化碳濃度會刺激呼吸。因此，呼吸低壓空氣或完全不含氧氣的氣體混合物可能會導致意識喪失。同時，二氧化碳能夠自動調節局部血液供應，當二氧化碳濃度過高時，毛細血管就會擴張，從而允許更多的血液流向該組織。

光合作用

光合作用（英語：photosynthesis）是發生在植物、藻類和一些細菌中的關鍵過程，它利用光能將二氧化碳和水轉化為有機物質（如葡萄糖）和氧氣。

二氧化碳是光合作用中的一個重要底物，為植物提供了碳源，支持其生長和發育。同時，光合作用還產生了氧氣，為地球上的動物和其他生物提供了呼吸所需的氧氣。因此，光合作用通過二氧化碳的利用，在維持地球生態系統的平衡和氧氣循環方面起著至關重要的作用。

安全事宜

消防安全

二氧化碳是不可燃氣體，但是裝有二氧化碳的容器受熱時可能會爆炸。因此，如果發生火災，應該噴水冷卻鋼瓶。

二氧化碳滅火器不能有效撲滅自身供氧的化學品，活性金屬（如鉀、鈉、鎂、鋁、鈦和鋯）或活潑金屬氫化物的火災，因為這些材料會與二氧化碳反應。

安全標識與建議

請放在兒童接觸不到的地方。每次使用后或排空時需要關閉閥門。使用額定氣缸壓力的設備。在連接到準備使用的設備之前，不要打開閥門。在管道中使用防回流裝置。只使用與建筑材料相容的設備。始終保持容器直立。在高壓條件下，受熱可能引發爆炸。可能導致窒息。可能引起呼吸和心率加快。

貯存與運輸

只能在室外或通風良好的地方使用和儲存。保護鋼瓶免受物理損壞，不要拖、滾、滑等方式運送容器，需要使用手推車運送氣瓶。需要使用額定氣缸壓力設備儲存氣體，每次使用后和排空時關閉閥門。

毒性機理

高濃度的二氧化碳會導致二氧化碳中毒，甚至可能導致死亡。其機制是當人體吸入高濃度的二氧化碳時，會導致血液的 pH 值迅速下降（呼吸性酸中毒，pH<7.35），進而抑制中樞神經系統的功能，引發心律失常，最終可能導致死亡。這種情況并非由于缺氧所致，而是由于吸入的二氧化碳濃度過高所引起。

如果空氣中的二氧化碳濃度過低，或者血液中的二氧化碳與空氣中的氧氣交換時間不足（例如在過度換氣的情況下），會導致血液的 pH 值升高（呼吸性堿中毒，pH > 7.45）。這是因為碳酸酐酶（或碳酸根脫水酶）催化二氧化碳與體內水反應，形成碳酸，隨后碳酸離解成質子和碳酸氫鹽。

慢性中毒

二氧化碳是人體的重要組成部分，一般沒有毒性。但是如果長期暴露在 0.5-1% 濃度的二氧化碳氣氛中，可能會改變酸堿和鈣磷平衡，導致代謝性酸中毒和軟組織中鈣沉積增加。由于持續的呼吸刺激，長期暴露在 1-2% 濃度的二氧化碳氣氛中，可能會對腎上腺皮質造成壓力，并且是十分危險的。暴露高于 2% 濃度的二氧化碳氣氛中，數小時后會出現頭痛、呼吸困難和用力呼吸加深。長期暴露于 15–30% 濃度的二氧化碳氣氛中會導致死亡。

急救措施

在發生皮膚凍傷時，請立即就醫，切勿用水沖洗或擦拭受凍傷區域。為了避免進一步的組織損傷，請不要從凍傷部位脫下凍結的衣物。如果沒有發生凍傷，請立即使用肥皂和水仔細清洗受傷區域。

若大量吸入二氧化碳，請迅速轉移至新鮮空氣中。如果呼吸停止，需要進行人工呼吸。確保受影響的人保持溫暖并休息，盡快尋求醫療幫助。

應用領域

生產生活

消防安全

二氧化碳氣體滅火器是一種常見的消防設備，廣泛應用于電氣設備、計算機機房和化學實驗室等場所。當發生火災時，二氧化碳滅火器通過釋放高壓二氧化碳氣體來撲滅火焰。二氧化碳滅火主要是通過熱物理機制，其中防止反應氣體達到足夠高的溫度以維持維持火焰化學所必需的自由基數量。

人工降雨

干冰是固態二氧化碳，其溫度極低，當干冰與云中的水蒸氣接觸時，會產生冷凝效應，使云中的水蒸氣迅速凝結成冰晶或云滴。這些冰晶或云滴在一定的條件下可以逐漸生長并形成降水。

表面清潔

小塊或顆粒狀的干冰被投射到需要清潔的表面上，通過快速升華的過程，干冰直接從固態轉變為氣態，產生的二氧化碳氣體具有冷卻和清潔表面的效果。這種清潔方法適用于去除污垢、油脂、涂層和其它雜質，而無需使用化學溶劑或水。

食品行業

在食品行業中，二氧化碳具有多種主要應用，如制造碳酸飲料，食品冷藏與保鮮，速凍等等：

碳酸飲料

二氧化碳最常見的應用是生產碳酸飲料，并且拓展到了啤酒、氣泡酒等。二氧化碳賦予軟性飲料獨特的刺激性味道或"咬感"，這是由于二氧化碳對嗅覺和味覺神經的顯著刺激作用。碳酸化的飲料有助于防止霉菌的生長，并能抑制細菌的繁殖。在一些情況下，根據碳酸化的程度，它甚至可以消滅細菌。飲料中的酸度和二氧化碳含量的使用可以有效地延長碳酸飲料的保質期。

食品包裝

當二氧化碳濃度超過一定程度時，對生物會產生致命影響。這一特性被有效地利用來保護谷物、水果和蔬菜免受昆蟲侵害。高濃度的二氧化碳氣氛被應用于食品包裝，如水果、蔬菜和肉類，以延長它們的保鮮期，并控制谷物貯存中的昆蟲。

合成淀粉

植物可以通過光合作用，利用二氧化碳合成淀粉。同時，也可以通過人工途徑利用二氧化碳合成淀粉。

釀酒

在酵母發酵過程中，酵母將糖轉化為酒精和二氧化碳。這些二氧化碳氣泡產生了酒的起泡和氣味。同時，二氧化碳作為惰性氣體可以減少氧化反應和不良的化學變化，以保持酒的質量和穩定性。

動物屠宰

動物被引導或驅趕進入注入二氧化碳氣體的通道中。這種過程使動物迅速失去知覺，它們會無意識地倒在傳送帶上，然后直接傳送到屠宰區。通過這種方法，二氧化碳能夠提高動物的血壓，促進更多血液的回收，從而產生質量更好的肉品，比其他人道屠宰技術更具優勢。

合成蔗糖

2025年7月10日，中國中央電視臺主播說三農官方微博發文表示，天津工業生物技術研究所和大連化學物理研究所研究實現了二氧化碳從頭轉化合成蔗糖的技術。總的來說分為兩步，第一步，把二氧化碳變成甲醇，這是大連化學物理研究所李燦院士團隊的成果。第二步，把甲醇變為蔗糖，是天津工業生物技術研究所團隊的成果。

醫療氣體

二氧化碳在醫療上有多種用途。它可以用于微創手術（如腹腔鏡檢查、內窺鏡檢查和關節鏡檢查）中作為吹入氣體，擴大體腔并保持穩定，從而提高手術部位的可見度。二氧化碳可與高達50%的氧氣混合，形成可吸入氣體，這被稱為卡波根（Carbogen）治療法，具有多種醫療和研究用途。

化工生產

作為反應物

二氧化碳在工業上有多種用途，例如，尿素和甲醇的生產。全球每年使用的二氧化碳約為1.2億噸（30億噸），主要用于尿素生產，尿素又用于制造肥料和其他產品。它還可以作為水處理PH控制劑、焊接氣體、植物生長刺激劑，以及在鑄造過程中的硬化膜和芯子氣動器件等，還可以用于殺菌劑。

以二氧化碳為原料可以合成乙醇、冰醋、4,酸性紅87 4，4`-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）、丙烯酸酯、長鏈二元酸等化學品。這些領域已經實現了工業化生產，并且規模在不斷擴大。乙醇主要用作工業原料，而乙酸主要用于生產乙酸酐、乙酸酯和乙酸纖維素等產品。聚乙酸乙烯酯可用于制造薄膜和粘合劑，也是合成纖維維綸的原料，而乙酸纖維素可用于制造人造絲和電影膠片。

作為溶劑

超臨界二氧化碳是二氧化碳保持在高于其臨界溫度和臨界壓力的流體狀態，由于其在化學萃取中的作用以及相對較低的毒性和環境影響，在化工生產中可用作溶劑。

法律法規

巴黎協定

巴黎協定（英文名稱：Paris Agreement）是聯合國氣候變化框架公約下的重要國際氣候協議，于2015年12月12日在巴黎召開的締約方會議第二十一屆會議上通過，于2016年11月4日正式生效，是具有法律約束力的國際條約。協定的目標之一是實現溫室氣體排放的減少，包括二氧化碳的減排，將本世紀全球氣溫升幅限制在2℃以內，同時尋求將氣溫升幅進一步限制在1.5℃以內的措施。