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| 名前 | |||
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| IUPAC名
二酸化炭素
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| その他の名前 | |||
| 識別子 | |||
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3Dモデル（JSmol）
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| 3DMet |
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| 1900390 | |||
| チェビ |
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| チェムBL |
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.004.271 | ||
| EC番号 |
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| E番号 | E290 （防腐剤） | ||
| 989 | |||
| ケッグ |
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| メッシュ | 二酸化炭素 | ||
パブケム CID
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| RTECS番号 |
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| ユニ |
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| 国連番号 | 1013（ガス）、1845（固体） | ||
CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |||
| 二酸化炭素 | |||
| モル質量 | 44.009 グラムモル−1 | ||
| 外観 | 無色のガス | ||
| 臭い |
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| 密度 |
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| 臨界点( T , P ) | 304.128(15) K [2] (30.978(15) °C), 7.3773(30) MPa [2] (72.808(30) atm) | ||
| 1気圧（0.101325MPa）で194.6855（30）K（−78.4645（30）°C） | |||
| 25 °C (77 °F)、100 kPa (0.99 atm) で1.45 g/L | |||
| 蒸気圧 | 5.7292(30) MPa、56.54(30) atm (20 °C (293.15 K)) | ||
| 酸性度（p Ka） | 炭酸： p K a1 = 3.6 p K a1（見かけ） = 6.35 p K a2 = 10.33 | ||
磁化率（χ）
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−20.5·10 −6 cm 3 /モル | ||
| 熱伝導率 | 0.01662 W·m −1 ·K −1（300 K（27 °C; 80 °F））[3] | ||
屈折率( n D )
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1.00045 | ||
| 粘度 |
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| 0 日 | |||
| 構造 | |||
| 三角 | |||
| リニア | |||
| 熱化学 | |||
熱容量 ( C )
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37.135 J/(K·モル) | ||
標準モル
エントロピー ( S ⦵ 298 ) |
214 J·モル−1 ·K −1 | ||
標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 ) |
−393.5 kJ·モル−1 | ||
| 薬理学 | |||
| V03AN02 ( WHO ) | |||
| 危険 | |||
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |||
| 致死量または濃度（LD、LC）： | |||
LC Lo (公表最低額)
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90,000 ppm（162,000 mg/m 3）（ヒト、5 分）[6] | ||
| NIOSH（米国健康暴露限界）： | |||
PEL (許可)
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TWA 5000 ppm（9000 mg/m 3）[5] | ||
REL (推奨)
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TWA 5000 ppm（9000 mg/m 3）、ST 30,000 ppm（54,000 mg/m 3）[5] | ||
IDLH（差し迫った危険）
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40,000 ppm（72,000 mg/m3 ） [ 5] | ||
| 安全データシート（SDS） | シグマアルドリッチ | ||
| 関連化合物 | |||
その他の陰イオン
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その他の陽イオン
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| オキソカーボンを参照 | |||
関連化合物
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| 補足データページ | |||
| 二酸化炭素（データページ） | |||
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
 確認する （何ですか ？）
 インフォボックス参照
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二酸化炭素は、化学式CO 2の化合物です。二酸化炭素は、1 つの炭素原子が2 つの酸素原子と共有結合した分子で構成されています。二酸化炭素は室温で気体状態で存在し、炭素循環で利用可能な炭素源として、大気中の CO 2は地球上の生命にとって主要な炭素源です。空気中の二酸化炭素は可視光に対しては透明ですが、赤外線を吸収し、温室効果ガスとして機能します。二酸化炭素は水に溶けやすく、地下水、湖、氷床、海水に含まれています。二酸化炭素が水に溶けると、炭酸塩、主に重炭酸塩( HCO −3）、大気中のCO2濃度の上昇により海洋酸性化を引き起こす。[9]
二酸化炭素は地球の大気中に421ppm （パーツパーミリオン）[a] 、つまり約0.04％（2022年5月現在）の微量ガス として存在し、産業革命前の280ppm（約0.025％）から増加しています。[11] [12]化石燃料の燃焼は、これらのCO2濃度の上昇の主な原因であり、気候変動の主な原因でもあります。[13]
先カンブリア時代後期以降、産業革命以前の地球の大気中のCO2濃度は、生物と地質学的現象によって制御されていました。植物、藻類、シアノバクテリアは、太陽光エネルギーを使用して、光合成と呼ばれるプロセスで二酸化炭素と水から炭水化物を合成し、廃棄物として酸素を生成します。[14]次に、すべての好気性生物が呼吸によってエネルギーを生成するために有機化合物を代謝するときに、酸素が消費され、 CO2が廃棄物として放出されます。[15] CO2は、森林火災などで 有機物が腐敗または燃焼するときに放出されます。
二酸化炭素は乾燥空気より53%も密度が高いが、長寿命で大気中で完全に混ざり合う。大気中への過剰なCO 2排出量の約半分は、陸地と海洋の炭素吸収源によって吸収される。[16]これらの吸収源は飽和状態になりやすく、腐敗や山火事によってCO 2が大気中に放出されるため、揮発性がある。[17] CO 2は最終的に岩や石炭、石油、天然ガスなどの有機堆積物に隔離（長期貯蔵）される。隔離されたCO 2は、化石燃料の燃焼によって、または火山、温泉、間欠泉によって自然に、また炭酸塩岩が水に溶けたり酸と反応したりすることによって大気中に放出される。
CO2は多目的工業材料で、例えば溶接や消火器の不活性ガス、エアガンや石油回収の加圧ガス、カフェイン除去や超臨界乾燥の超臨界流体溶媒として使用されています。[18]パン、ビール、ワインの製造における糖の発酵の副産物であり、炭酸飲料（セルツァーやビールなど）に発泡性を与えるために添加されます。鋭く酸味のある臭いがあり、口の中でソーダ水のような味がしますが、通常の濃度では無臭です。[1]
化学的および物理的性質
二酸化炭素は大気圧では液化できません。低温二酸化炭素は固体の状態で商業的に使用されており、一般に「ドライアイス」と呼ばれています。固体から気体への相転移は194.7 ケルビンで起こり、昇華と呼ばれます。
構造、結合、分子振動
二酸化炭素分子の対称性は、平衡形状において直線的かつ中心対称である。二酸化炭素中の炭素 -酸素結合の長さは116.3 pmであり、典型的な単一のC-O結合の長さ約140 pmよりも著しく短く、カルボニルなどの他のほとんどのC-O多重結合官能基よりも短い。[19]中心対称であるため、分子には電気双極子モーメントがない。
直線状の三原子分子である CO 2には、図に示すように4 つの振動モードがあります。対称伸縮モードと反対称伸縮モードでは、原子は分子の軸に沿って動きます。2 つの曲げモードがあり、これらは縮退しており、分子の対称性により同じ周波数と同じエネルギーを持っています。分子が表面に触れたり、別の分子に触れたりすると、2 つの曲げモードの周波数が異なる場合があります。これは、2 つのモードの相互作用が異なるためです。振動モードの一部は、赤外線 (IR) スペクトルで観測されます。波数2349 cm −1 (波長 4.25 μm) の反対称伸縮モードと、667 cm −1 (波長 15 μm)の縮退した曲げモードのペアです。対称伸縮モードは電気双極子を生成しないため、IR 分光法では観測されませんが、ラマン分光法では 1388 cm −1 (波長 7.2 μm)で検出されます。[20]
気相では、二酸化炭素分子は大きな振動運動を起こし、固定された構造を維持しません。しかし、クーロン爆発イメージング実験では、分子構造の瞬間的な画像を推測することができます。そのような実験[21]は二酸化炭素に対して行われました。この実験の結果、および分子の第一原理ポテンシャルエネルギー面に基づく理論計算[22]の結論は、気相中の分子はどれも正確に直線ではないということです。この直感に反する結果は、核運動体積要素が線形形状では消えるという事実に起因しています。[22]これは、二原子分子を除くすべての分子に当てはまります。
水溶液中
二酸化炭素は水に溶け、水中では不完全な電離のため、弱酸であるH 2 CO 3（炭酸）を可逆的に形成します。
- CO 2 + H 2 O ⇌ H 2 CO 3
炭酸の水和平衡定数は、25℃で次のようになります。
![{\displaystyle K_{\mathrm {h} }={\frac {{\ce {[H2CO3]}}}{{\ce {[CO2_{(aq)}]}}}}=1.70\times 10^{-3}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7b01be634ec0c3d83cbf3aa2c71bbd51b9ce0e26)
したがって、二酸化炭素の大部分は炭酸に変換されず、CO 2分子のまま残り、pH に影響を与えません。
CO 2、H 2 CO 3、および脱プロトン化されたHCOの相対濃度−3（重炭酸塩）とCO2−3(炭酸塩)の含有量はpHに依存します。ビェルム プロットに示されているように、中性または弱アルカリ性の水 (pH > 6.5) では、炭酸水素塩の形態が優勢 (> 50%) となり、海水の pH で最多 (> 95%) になります。非常にアルカリ性の水 (pH > 10.4) では、炭酸塩が優勢 (> 50%) となります。海洋は弱アルカリ性で、通常 pH = 8.2～8.5 であり、1 リットルあたり約 120 mg の炭酸水素塩が含まれています。
炭酸は二価イオンであるため、2つの酸解離定数を持ち、最初の定数は重炭酸イオン（炭酸水素イオンとも呼ばれる）（HCO−3):
- H 2 CO 3 ⇌ HCO−3+ ほ+
- K a1 = 2.5 × 10 -4 mol/L; 25 °C でp Ka1 = 3.6。[19]
これは真の第一酸解離定数であり、次のように定義されます。
![{\displaystyle K_{\mathrm {a1} }={\frac {{\ce {[HCO3- ][H+]}}}{{\ce {[H2CO3]}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f6013fac05dba06751345e4d824c525ed2c43b12)
ここで、分母には共有結合したH 2 CO 3のみが含まれ、水和したCO 2 (aq)は含まれません。4.16 × 10 −7（またはpK a1 = 6.38）付近のはるかに小さい値は、溶解したCO 2がすべて炭酸として存在するという（誤った）仮定に基づいて計算された見かけの値であるため、
![{\displaystyle K_{\mathrm {a1} }{\rm {(見かけの)}}={\frac {{\ce {[HCO3- ][H+]}}}{{\ce {[H2CO3] + [CO2_{(aq)}]}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3ae2fa07440c037d6054ce4e7ef95c15c59264e7)
溶解したCO2のほとんどはCO2分子として残るため、 K a1 （見かけ）は真のK a1よりも分母がはるかに大きく、値がはるかに小さくなります。[23]
重炭酸イオンは両性イオンであり、溶液のpHに応じて酸または塩基として作用します。高pHでは、炭酸イオン（CO2−3):
- HCO−3⇌CO2−3+ ほ+
- K a2 = 4.69 × 10 -11 mol/L; p K a2 = 10.329
生物体内では、炭酸の生成は炭酸脱水酵素と呼ばれる酵素によって触媒されます。
水中の二酸化炭素の存在は、酸性度の変化に加え、水の電気的特性にも影響を与えます。
二酸化炭素が淡水に溶解すると、電気伝導率は 1 μS/cm 未満から 30 μS/cm 近くまで大幅に増加します。加熱すると、水は二酸化炭素の存在によって誘導される伝導率を徐々に失い始め、特に温度が 30 °C を超えると顕著になります。
飽和していない完全に脱イオン化された水の電気伝導率の温度依存性は、これらのデータに比べて比較的低いです。
化学反応
CO 2は、ベンズアルデヒドや強い求電子性のα,β-不飽和カルボニル化合物に匹敵する求電子反応性を持つ強力な求電子剤です。しかし、同様の反応性を持つ求電子剤とは異なり、求核剤と CO 2の反応は熱力学的にあまり有利ではなく、多くの場合、非常に可逆的です。[24]二酸化炭素とアミンの可逆反応でカルバメートを作ることは、CO 2スクラバーで使用されており、アミンガス処理による炭素回収・貯蔵の出発点として提案されています。グリニャール試薬や有機リチウム化合物によって生成されるカルバニオンのような非常に強い求核剤だけがCO 2と反応してカルボキシレートを与えます。
金属二酸化炭素錯体では、CO2は配位子として機能し、 CO2から他の化学物質への変換を促進することができる。[25]
CO 2からCOへの還元は通常、困難で遅い反応です。
- CO 2 + 2 e − + 2 H + → CO + H 2 O
この反応のpH7付近での酸化還元電位は標準水素電極に対して約-0.53Vである。ニッケル含有酵素である一酸化炭素脱水素酵素がこの過程を触媒する。[26]
光合成独立栄養生物（植物やシアノバクテリアなど）は、太陽光に含まれるエネルギーを利用して、空気や水から吸収した CO2から単糖を光合成します。
- n CO 2 + n H 2 O → (CH 2 O) n + n O 2
物理的特性
二酸化炭素は無色です。低濃度では無臭ですが、十分に高濃度になると、鋭い酸っぱい臭いがします。[1]標準温度と圧力では、二酸化炭素の密度は約1.98 kg/m 3で、空気の約1.53倍です。[27]
二酸化炭素は、0.51795(10) MPa [2] (5.11177(99) atm )以下の圧力では液体ではありません。1 atm (0.101325 MPa)の圧力では、ガスは194.6855(30) K [2] (-78.4645(30) °C)以下の温度で直接固体に沈殿し、この温度以上では固体が直接昇華してガスになります。固体状態の二酸化炭素は一般にドライアイスと呼ばれます。
液体二酸化炭素は0.51795(10) MPa [2] (5.11177(99) atm)以上の圧力でのみ形成されます。二酸化炭素の三重点は0.51795(10) MPa [2] (5.11177(99) atm)で216.592(3) K [2] ( -56.558(3) °C)です(状態図を参照)。臨界点は7.3773(30) MPa [2] ( 72.808(30) atm)で304.128(15) K [2] (30.978(15) °C)です。高圧下で観測される固体二酸化炭素のもう一つの形態は、非晶質ガラスのような固体です。[28]この形態のガラスはカーボニアと呼ばれ、ダイヤモンドアンビル内で極度の圧力（40～ 48GPa、約40万気圧）で加熱したCO2を過冷却することで生成されます。この発見により、二酸化炭素は二酸化ケイ素（シリカガラス）や二酸化ゲルマニウムなどの他の元素と同様にガラス状態で存在できるという理論が確認されました。しかし、シリカガラスやゲルマニアガラスとは異なり、カーボニアガラスは常圧では安定しておらず、圧力が解放されるとガスに戻ります。
臨界点を超える温度と圧力では、二酸化炭素は超臨界二酸化炭素と呼ばれる超臨界流体として機能します。
飽和液体二酸化炭素の熱的および物理的性質の表：[29] [30]
大気圧における二酸化炭素（CO2）の熱的および物理的性質の表：[29] [30]
生物学的役割
二酸化炭素は、代謝の一環として酸素を使って糖、脂肪、アミノ酸を分解してエネルギーを得る生物の細胞呼吸の最終産物です。これには、すべての植物、藻類、動物、好気性菌類、細菌が含まれます。脊椎動物では、二酸化炭素は血液に乗って体の組織から皮膚（両生類など）またはえら（魚類など）に移動し、そこから水に溶解するか、肺に移動して呼気として排出されます。活発な光合成中、植物は呼吸で放出するよりも多くの二酸化炭素を大気から吸収することができます。
光合成と炭素固定
炭素固定は、大気中の二酸化炭素が植物、藻類、シアノバクテリアによってグルコースなどのエネルギーに富んだ有機分子に取り込まれ、光合成によって独自の食物が作られる生化学的プロセスです。光合成では、二酸化炭素と水を使用して他の有機化合物を構築できる糖が生成され、副産物として 酸素が生成されます。
リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼオキシゲナーゼ（一般に RuBisCO と略される）は、左の図に示すように、 CO2とリブロースビスリン酸から3-ホスホグリセリン酸2 分子を生成する、炭素固定の最初の主要ステップに関与する酵素です。
RuBisCOは地球上で最も豊富なタンパク質であると考えられています。[31]
光合成生物は、光合成の産物を体内の食料源として、また多糖類、核酸、タンパク質などのより複雑な有機分子の生合成原料として利用する。これらは自身の成長に利用されるほか、人間などの動物を含む他の生物を養う食物連鎖や食物網の基礎としても利用される。重要な光合成生物である円石藻は、硬い炭酸カルシウムの鱗を合成する。[32]世界的に重要な円石藻の種にエミリアニア・ハクスレイがある。その方解石の鱗は、石灰岩などの多くの堆積岩の基礎を形成しており、かつては大気中の炭素であったものが地質学的時間スケールで固定されたままである可能性がある。
植物は、1,000 ppmのCO2濃度では周囲の条件と比較して最大50％速く成長することができますが、これは気候の変化や他の栄養素の制限がないことを前提としています。 [33 ] CO2レベルの上昇は作物の収穫量に反映される成長の増加を引き起こし、FACE実験では小麦、米、大豆はすべて高CO2下で収穫量が12～14％増加しました。 [ 34] [35]
大気中のCO2濃度が増加すると、植物の気孔の発達が減少します[36]。その結果、水の使用量が減り、水利用効率が向上します。[37] FACEを使用した研究では、CO2濃度の増加により作物の微量栄養素の濃度が低下することが示されています。 [38]これは、草食動物が同じ量のタンパク質を得るためにより多くの食物を食べる必要があるため、生態系の他の部分に連鎖反応を起こす可能性があります。[39]
高濃度のCO2にさらされた植物では、フェニルプロパノイドやフラボノイドなどの二次代謝産物の濃度も変化する可能性がある。[40] [41]
植物も呼吸中にCO 2 を排出するため、C3光合成を行う植物や藻類の大部分は、日中は純吸収者となるだけです。成長中の森林は毎年何トンものCO 2 を吸収しますが、成熟した森林は呼吸や枯死体（落ちた枝など）の分解によって、成長中の植物の光合成で使用されるのと同量のCO 2 を生成します。 [42]成熟した森林はカーボンニュートラルであるという長年の見解に反して、炭素を蓄積し続け[43]、貴重な炭素吸収源であり続け、地球の大気の炭素収支の維持に貢献しています。さらに、地球上の生命にとって非常に重要なことですが、植物プランクトンによる光合成は海洋上層の溶存CO 2 を消費し、それによって大気からのCO 2の吸収を促進します。 [44]
毒性
新鮮な空気中の二酸化炭素含有量（海面から10kPaレベル、つまり高度約30km（19マイル）の間の平均）は、場所によって0.036％（360ppm）から0.041％（412ppm）の間で変化します。[46]
CO2は窒息性ガスであり、 OECD化学物質試験ガイドラインを用いた国連欧州経済委員会の化学物質の分類および表示に関する世界調和システム基準によれば、有毒または有害として分類されていません。濃度が1％（10,000 ppm）までになると、眠気を感じたり、肺が詰まったように感じたりする人もいます。[45]濃度が7％～10％（70,000～100,000 ppm）になると、十分な酸素があっても窒息を引き起こす可能性があり、数分から1時間以内にめまい、頭痛、視覚および聴覚障害、意識喪失などの症状が現れます。[47]急性二酸化炭素暴露の生理学的影響は、窒息の一種である高炭酸症という用語でまとめられています。
二酸化炭素は空気より重いため、地中火山活動や地熱活動により比較的高濃度で地中からガスが漏れ出る場所では、風による拡散効果がないため、地表より低い保護された場所に集まり、そこにいる動物が窒息する。死骸に引き寄せられた死肉食動物も死ぬ。ゴマ市近郊でも、近くの火山であるニイラゴンゴ山から排出される二酸化炭素によって同じように子供たちが死亡した。[48]この現象はスワヒリ語で「マズク」と呼ばれる。
人間は二酸化炭素濃度の上昇に適応し、血液の酸性化（アシドーシス）の影響を相殺するために、呼吸や腎臓の重炭酸塩生成を変化させます。いくつかの研究では、5日間このレベルの曝露ではパフォーマンスや通常の身体活動の低下は起こらないため、適応は生理的かつ可逆的であるため、 2.0%の吸入濃度は密閉された空気空間（潜水艦など）で使用できると示唆しています。 [49] [50]しかし、他の研究では、はるかに低いレベルでも認知機能が低下することが示されています。[51] [52]また、呼吸性アシドーシスが進行すると、適応や代償メカニズムでは状態を逆転させることができません。
1%未満
1%未満のレベルでの長期にわたる継続的なCO2曝露が人間や動物に及ぼす健康影響に関する研究はほとんどありません。米国では、職業上のCO2曝露限度が8時間で0.5% (5000 ppm) に設定されています。[ 53]このCO2濃度では、国際宇宙ステーションの乗組員は頭痛、無気力、思考の鈍化、感情のいらだち、睡眠障害を経験しました。[54] 0.5% CO2での動物の研究では、8週間の曝露後に腎臓の石灰化と骨の損失が実証されています。[55] 2.5時間のセッションで曝露された人間の研究では、0.1% (1000 ppm) の低濃度でも認知能力に有意な悪影響が実証されました。これは、CO2が脳血流の増加を誘発したためと考えられます。 [51]別の研究では、500 ppmと比較して、1000 ppmで基本的な活動レベルと情報使用量の低下が観察されました。[52]
しかし、文献をレビューしたところ、二酸化炭素が認知障害を引き起こすという現象に関する信頼できる研究のサブセットでは、高レベルの意思決定にわずかな影響しか示していないことがわかった（濃度が5000 ppm未満の場合）。研究のほとんどは、不適切な研究デザイン、環境の快適さ、曝露量の不確実性、使用された認知評価の相違によって混乱していた。[56]同様に、オートバイのヘルメット内のCO2濃度の影響に関する研究は、オートバイのライダーの自己申告に留意せず、マネキンを使用して測定を行うという疑わしい方法論であると批判されている。さらに、通常のオートバイの状態（高速道路や市街地の速度など）に達するか、バイザーを上げると、CO2濃度は安全レベル（0.2％）まで低下した。[57] [58]
換気
換気不良は、密閉空間での過剰な CO2 濃度の主な原因の 1 つであり、室内の空気の質の低下につながります。定常状態(占有および換気システムの稼働時間が十分長く、 CO2濃度が安定している状態) での屋外濃度との二酸化炭素濃度差は、1 人あたりの換気率を推定するのに使用されることがあります。[60] CO2濃度の上昇は、占有者の健康、快適性、およびパフォーマンスの低下と関連しています。[61] [62] ASHRAE規格 62.1–2007 の換気率により、屋内濃度は屋外の周囲条件より最大 2,100 ppm 高くなる可能性があります。したがって、屋外の濃度が 400 ppm の場合、この業界のコンセンサス基準を満たす換気率では、屋内濃度は 2,500 ppm に達する可能性があります。換気の悪い空間では、濃度がこれよりもさらに高くなることがあります (3,000 または 4,000 ppm の範囲)。
換気が不十分なためガスにさらされると特に弱い鉱夫たちは、二酸化炭素と窒素の混合物を「ブラックダンプ」、「チョークダンプ」または「スティス」と呼んでいた。より効果的な技術が開発される前は、鉱夫たちは作業中に籠に入れたカナリアを連れて行き、炭坑内のブラックダンプやその他のガスが危険なレベルに達していないか頻繁に監視していた。カナリアは人間よりも窒息性ガスに敏感で、意識を失うと鳴くのをやめて止まり木から落ちてしまう。デービーランプは、高レベルのブラックダンプ（沈んで床近くに溜まる）を低輝度で燃焼させることで検出することもできたが、メタン（窒息性ガスで爆発の危険性もある）の場合は、ランプの燃焼をより高輝度で燃焼させた。
2020年2月、モスクワのパーティーで、プールを冷やすためにドライアイス（凍った二酸化炭素）が投入され、3人が窒息死した。[ 63]同様の事故は2018年に発生し、女性が車で運んでいた大量のドライアイスから発生した二酸化炭素ガスで死亡した。[ 64]
室内空気
人間は、密閉された空気の中で過ごす時間がますます長くなっています（建物や乗り物の中で過ごす時間の約80～90％）。フランス食品・環境・労働衛生安全庁（ANSES）とフランスのさまざまな関係者によると、建物の屋内空気中の二酸化炭素濃度（人間や動物の居住状況や燃焼施設の存在に関連）は、空気の入れ替えによって加重され、「通常、約350～2,500 ppm」です。[65]
家庭、学校、保育園、オフィスでは、 CO2と他の汚染物質のレベルの間に系統的な関係はなく、屋内のCO2は統計的に屋外の道路（または空気など）交通に関連する汚染物質の良い予測因子ではありません。[66] CO2は最も速く変化するパラメータです（人間や動物が密閉された部屋や換気の悪い部屋に集まったときの湿度と酸素レベルとともに）。貧しい国では、多くのオープン炉が生活環境に直接排出されるCO2とCOの発生源となっています。[ 67]
濃度が高い屋外エリア
二酸化炭素の局所的な濃度は、強い発生源の近く、特に周囲の地形によって隔絶されている場所では高い値に達することがある。イタリアのトスカーナ州ラポラーノ・テルメ近くのボッソレート温泉は、直径約100メートル（330フィート）のボウル状の窪みに位置しており、一夜にして二酸化炭素濃度が75％以上に上昇し、昆虫や小動物を死滅させるのに十分である。日の出後、ガスは対流によって拡散する。[68]二酸化炭素で飽和した深層湖水の撹乱によって生成された高濃度の二酸化炭素は、 1984年にカメルーンのマヌーン湖で37人が死亡し、 1986年にカメルーンのニオス湖で1700人が負傷した原因と考えられている。 [69]
人間の生理学
コンテンツ
人間の体は1人あたり1日あたり約2.3ポンド（1.0kg）の二酸化炭素を生成し、[71]これには0.63ポンド（290g）の炭素が含まれています。人間の場合、この二酸化炭素は静脈系を通って肺から吐き出されるため、動脈内の濃度は低くなります。血液中の二酸化炭素含有量は、二酸化炭素が単独で体積を占めた場合の圧力である分圧で示されることが多いです。 [72]人間の血液中の二酸化炭素含有量は、隣の表に示されています。
血液中の輸送
CO2は3 つの異なる方法で血液中に運ばれます。正確な割合は動脈血と静脈血によって異なります。
- CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → H + + HCO−3
- 5～10%が血漿中に溶解している[73]
- 5～10%はカルバミノ化合物としてヘモグロビンに結合している[73]
赤血球の主な酸素運搬分子であるヘモグロビンは、酸素と二酸化炭素の両方を運搬します。しかし、ヘモグロビンに結合した CO 2 は、酸素と同じ部位に結合しません。代わりに、4 つのグロビン鎖の N 末端基と結合します。しかし、ヘモグロビン分子に対するアロステリック効果により、CO 2が結合すると、所定の酸素分圧に対して結合している酸素の量が減ります。これはハルデン効果として知られており、組織から肺への二酸化炭素の輸送に重要です。逆に、CO 2の分圧の上昇または pH の低下は、ヘモグロビンからの酸素のオフロードを引き起こします。これはボーア効果として知られています。
呼吸の調節
二酸化炭素は局所的な血液供給の自己調節の媒介因子の一つである。二酸化炭素濃度が高いと毛細血管が拡張し、その組織への血流が増加します。[74]
重炭酸イオンは血液のpHを調節するのに重要です。人の呼吸数は血液中のCO2濃度に影響を及ぼします。呼吸が遅すぎたり浅すぎたりすると呼吸性アシドーシスを引き起こし、呼吸が速すぎると過換気を引き起こし、呼吸性アルカローシスを引き起こす可能性があります。[75]
身体は代謝のために酸素を必要とするが、通常、低酸素レベルは呼吸を刺激しない。むしろ、呼吸は二酸化炭素レベルの上昇によって刺激される。その結果、低圧空気または酸素を全く含まない混合ガス（純窒素など）を呼吸すると、空気飢餓を経験することなく意識を失う可能性がある。これは特に高高度の戦闘機パイロットにとって危険である。客室乗務員が客室の圧力が失われた場合、他の人を助ける前にまず自分に酸素マスクを装着するように乗客に指示するのもこのためである。そうしないと、意識を失う危険がある。[73]
呼吸中枢は動脈血CO2圧を40mmHgに維持しようとする。意図的 な過換気により、動脈血のCO2含有量は10～20mmHgに低下し（血液の酸素含有量にはほとんど影響がない）、呼吸駆動力は減少する。これが、過換気を行った場合、過換気を行わない場合よりも長く息を止められる理由である。これは、呼吸の必要性が圧倒的になる前に意識を失うリスクを伴うため、フリーダイビングの前に過換気を行うことは特に危険である。[76]
環境における濃度と役割
雰囲気
地球の大気中では、二酸化炭素は温室効果、炭素循環、光合成、海洋炭素循環に不可欠な役割を果たす微量ガスです。これは地球の大気中の3つの主要な温室効果ガスの1つです。 水蒸気は2010年時点で主要な温室効果ガスであり、温室効果の50％を占め、二酸化炭素が20％で続いています。[77]大気中の二酸化炭素（CO2）の現在の世界平均濃度は、2022年5月時点で421 ppm（0.04％）です。 [ 78 ]これは、産業革命の開始以来50％の増加であり、18世紀半ばまでの1万年間の280 ppmから増加しています。[79] [78] [80] この増加は人間の活動によるものです。[81]
2024年3月現在、二酸化炭素の月間平均濃度は425.22ppmという過去最高を記録し、2023年3月より4.7ppm増加した。最新の測定では、レベルはさらに上昇して427.48ppmとなった。[82]この二酸化炭素濃度の継続的な上昇は、地球環境へのストレスが続いていることを明確に示しており、その主な原因は化石燃料の燃焼であり、これが今回の上昇の主な原因であるとともに、気候変動の大きな要因でもある。[83]二酸化炭素を排出するその他の重要な人間活動には、セメント製造、森林伐採、バイオマス燃焼 などがある。
二酸化炭素は温室効果ガスである。二酸化炭素は、2 つの赤外線活性振動周波数で赤外線を吸収および放出する。2 つの波長は、4.26 μm (2,347 cm −1 ) (非対称伸縮振動モード) と 14.99 μm (667 cm −1 ) (曲げ振動モード) である。CO 2は、温室効果を通じて地球の表面温度に影響を与える上で重要な役割を果たしている。 [84]地球の表面からの光放射は、200 ～ 2500 cm −1の赤外線領域で最も強く、[85]はるかに高温の太陽からの光放射は可視領域で最も強いのとは対照的である。大気中の CO 2の振動周波数で赤外線が吸収されると、エネルギーが表面近くに閉じ込められ、地球の表面と下層大気が暖められる。上層大気に到達するエネルギーは少なくなり、この吸収により上層大気は低温になる。[86]
大気中のCO2やメタンなどの長寿命温室効果ガスの濃度が上昇すると、大気による赤外線の吸収と放出が増加します。これにより、地球の平均気温が上昇し、海洋が酸性化します。もう 1 つの直接的な影響は、CO2の肥料効果です。大気中のCO2濃度の上昇は、環境や人間の生活条件に対する 気候変動のさまざまなさらなる影響を引き起こします。
現在の大気中の二酸化炭素濃度は、過去1400万年で最も高い。[87]大気中の二酸化炭素濃度は、約5億年前のカンブリア紀には4,000 ppmまで上昇し、過去200万年の第四紀氷河期には180 ppmまで低下した。[79]過去4億2000万年間の再構築された気温記録によると、大気中の二酸化炭素濃度は約2,000 ppmでピークに達した。このピークはデボン紀（4億年前）に起こった。もう一つのピークは三畳紀（2億2000万～2億年前）に起こった。 [88]
海洋
海洋酸性化
二酸化炭素は海水中に溶解して炭酸（H 2 CO 3）、重炭酸塩（HCO−3）、炭酸塩（CO2−3海洋には大気中に存在する二酸化炭素の約50倍が溶解している。海洋は巨大な炭素吸収源として機能し、人間の活動によって排出されるCO2の約3分の1を吸収している。[ 90]
海洋酸性化とは、地球の海洋のpH が継続的に低下していることである。1950 年から 2020 年の間に、海洋表面の平均 pH は約 8.15 から 8.05 に低下した。[91]人間の活動による二酸化炭素排出が海洋酸性化の主な原因であり、大気中の二酸化炭素 (CO 2 ) レベルは422 ppm を超えている (2024 年現在)。[92]大気中の CO 2 は海洋に吸収される。この化学反応により炭酸( H 2 CO 3 ) が生成され、これが重炭酸イオン( HCO [update]−3海水は、炭酸カルシウム（H +）と水素イオン（H +）で構成されています。遊離水素イオン（H +）の存在により、海洋のpHが低下し、酸性度が高まります（これは、海水がまだ酸性であることを意味するのではなく、 pHが8より高いアルカリ性のままです）。軟体動物やサンゴなどの海洋石灰化生物は、殻や骨格を作るのに炭酸カルシウムに依存しているため、特に脆弱です。[93]
pHが0.1変化すると、世界の海洋の水素イオン濃度が26%増加する（pHスケールは対数なので、pH単位の1の変化は水素イオン濃度の10倍の変化に等しい）。海面のpHと炭酸塩飽和状態は、海の深さと場所によって異なる。より冷たく、より緯度の高い海水は、より多くのCO2を吸収することができる。これにより酸性度が上昇し、これらの海域のpHと炭酸塩飽和レベルが低下する可能性がある。大気と海洋のCO2交換、ひいては局所的な海洋酸性化に影響を与える要因は他にもいくつかある。これには、海流と湧昇帯、大陸の大河川への近さ、海氷の覆い、化石燃料の燃焼や農業からの窒素と硫黄との大気交換などがある。[94] [95] [96]
海洋化学の変化は、生物とその生息地に広範囲にわたる直接的および間接的な影響を及ぼす可能性がある。海洋酸性度の上昇による最も重要な影響の1つは、炭酸カルシウム（CaCO 3）からの殻の生成に関連している。[93]このプロセスは石灰化と呼ばれ、さまざまな海洋生物の生物学と生存にとって重要である。石灰化では、溶解したイオンが固体のCaCO 3構造に沈殿する。この構造は、円石藻類、有孔虫、甲殻類、軟体動物など、多くの海洋生物の構造である。形成された後、これらのCaCO 3構造は、周囲の海水に飽和濃度の炭酸イオン（CO2−3）。
海に追加された余分な二酸化炭素のうち、溶解した二酸化炭素として残るのはごくわずかです。大部分は追加の重炭酸イオンと自由水素イオンに解離します。水素の増加は重炭酸イオンの増加よりも大きく、[97]反応の不均衡を引き起こします。
- HCO−3⇌CO2−3+ ほ+
化学平衡を保つために、すでに海中にある炭酸イオンの一部は水素イオンの一部と結合してさらに重炭酸塩を作ります。こうして海中の炭酸イオン濃度は低下し、海洋生物が殻を作ったり石灰化したりするのに不可欠な構成要素が失われます。
- カルシウムイオン2−3⇌ CaCO 3
熱水噴出孔
二酸化炭素は熱水噴出孔からも海洋に放出される。マリアナ海溝の北西永福火山にあるシャンパン熱水噴出孔は、ほぼ純粋な液体二酸化炭素を生成しており、2004年時点で世界で知られている2か所のうちの1か所であり、もう1か所は沖縄トラフにある。[98]沖縄トラフで液体二酸化炭素の海底湖が発見されたことは、2006年に報告された。[99]
生産
生物学的プロセス
二酸化炭素は、ビール、ウイスキー、その他のアルコール飲料の醸造やバイオエタノールの生産における糖の発酵の副産物です。酵母は次のように糖を代謝して CO2とエタノール（アルコールとも呼ばれます） を生成します。
- C 6 H 12 O 6 → 2 CO 2 + 2 CH 3 CH 2 OH
すべての好気性生物は、炭水化物、脂肪酸、タンパク質を酸化するときにCO 2 を生成します。関与する反応は多数あり、非常に複雑で、簡単に説明できません。細胞呼吸、嫌気呼吸、光合成を参照してください。グルコースやその他の単糖類の呼吸の式は次のとおりです。
- C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O
嫌気性生物は有機物を分解し、メタンと二酸化炭素を微量の他の化合物とともに生成する。[100]有機物の種類に関係なく、ガスの生成は明確に定義された運動パターンに従う。二酸化炭素は、埋立地での分解から発生するガス（「埋立地ガス」と呼ばれる）の約40〜45％を占める。残りの50〜55％のほとんどはメタンである。[101]
工業プロセス
二酸化炭素は空気から蒸留して得ることができるが、この方法は非効率的である。工業的には、二酸化炭素は主に回収されない廃棄物であり、様々な規模で実施されるいくつかの方法によって生成される。[102]
燃焼
メタン（天然ガス）、石油留分（ガソリン、ディーゼル、灯油、プロパン）、石炭、木材、一般的な有機物など、すべての炭素ベースの燃料を燃焼させると、二酸化炭素と、純粋な炭素の場合を除き、水が生成されます。例として、メタンと酸素の化学反応を示します。
- CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2H 2 O
鉄は高炉でコークスによって酸化物から還元され、銑鉄と二酸化炭素が生成される。[103]
- Fe 2 O 3 + 3 CO → 3 CO 2 + 2 Fe
水素製造の副産物
二酸化炭素は、水蒸気改質による工業的水素生産とアンモニア生産における水性ガス転化反応の副産物である。これらのプロセスは、水と天然ガス（主にメタン）の反応から始まる。[104]これは、ビールやソフトドリンクの炭酸化に使用される食品グレードの二酸化炭素の主な供給源であり、家禽などの動物の気絶にも使用されている。2018年の夏、いくつかのアンモニア工場がメンテナンスのために一時的に閉鎖されたため、ヨーロッパではこれらの目的のための二酸化炭素が不足した。[105]
石灰岩の熱分解
生石灰（酸化カルシウム、CaO）の製造において、約850℃（1,560℉）で加熱（焼成）することにより、石灰石（ CaCO 3）を熱分解して生成されます。この化合物は、多くの工業用途があります。
- CaCO 3 → CaO + CO 2
酸はほとんどの金属炭酸塩から CO2 を遊離させます。したがって、酸性化した水が石灰岩またはドロマイトに作用して生成される天然の二酸化炭素泉から直接 CO2 を得ることができます。塩酸と炭酸カルシウム (石灰岩または白亜)の反応を以下に示します。
- CaCO 3 + 2 HCl → CaCl 2 + H 2 CO 3
炭酸（H 2 CO 3 ）は水とCO 2に分解されます。
- H 2 CO 3 → CO 2 + H 2 O
このような反応は、ガスが放出される際に、発泡または泡立ち、あるいはその両方を伴います。廃酸流を中和するために使用できるため、産業界で広く使用されています。
商業利用
二酸化炭素は食品産業、石油産業、化学産業で使用されています。[102] この化合物は様々な商業用途がありますが、化学物質としての最大の用途の1つは炭酸飲料の製造です。炭酸飲料にはソーダ水、ビール、スパークリングワインなどの炭酸飲料の炭酸の素となる成分が含まれています。
化学物質の前駆体
化学産業では、二酸化炭素は主に尿素の製造原料として消費され、少量がメタノールやその他のさまざまな製品の製造に使用されています。[106]サリチル酸ナトリウムなどのカルボン酸誘導体は、コルベ・シュミット反応によってCO2を使用して製造されます。[107]
化学品製造にCO2を使用する従来のプロセスに加えて、電気化学的方法も研究レベルで検討されています。特に、CO2から燃料（メタノールなど）を製造するための再生可能エネルギーの使用は、従来の燃焼技術で簡単に輸送および使用できるが、純CO2排出がない燃料を生み出す可能性があるため魅力的です。[108]
農業
植物は光合成を行うために二酸化炭素を必要とする。温室の大気は、植物の成長を維持し、成長率を高めるために（大規模な場合は必須であるが）二酸化炭素で強化されることがある。[ 109] [110]二酸化炭素は非常に高い濃度（大気中の濃度の100倍以上）になると動物に有毒となるため、濃度を数時間10,000 ppm（1%）以上に上げると、温室内のコナジラミやハダニなどの害虫を駆除できる。 [111]二酸化炭素濃度の上昇に対して他の植物よりも好意的に反応する植物もあり、これが木本植物の侵入などの植生体制の変化につながる可能性がある。[112]
食品
二酸化炭素は食品業界で噴射剤や酸性度調整剤として使用される食品添加物です。EU [113]（E番号E290として記載）、米国、[114]、オーストラリア、ニュージーランド[115]（INS番号290として記載）で使用が承認されています。
ポップロックスと呼ばれるキャンディーは、二酸化炭素ガス[116]で約4,000 kPa（40 bar、580 psi）に加圧されています。口の中に入れると（他のハードキャンディーと同じように）溶けて、ポンという音とともにガスの泡が放出されます。
膨張剤は二酸化炭素を発生させて生地を膨らませます。[117] パン酵母は生地内の糖を発酵させることで二酸化炭素を生成しますが、ベーキングパウダーや重曹などの化学膨張剤は加熱されたり酸にさらされたりすると二酸化炭素を放出します。
飲料
二酸化炭素は、炭酸 飲料やソーダ水の製造に使用されます。伝統的に、ビールやスパークリングワインの炭酸化は自然発酵によって行われましたが、多くの製造業者は、発酵プロセスから回収された二酸化炭素を使用してこれらの飲料を炭酸化しています。瓶詰めや樽詰めのビールの場合、リサイクルされた二酸化炭素を使用した炭酸化が最も一般的な方法です。英国のリアルエールを除いて、ドラフトビールは通常、加圧二酸化炭素（窒素を混合する場合もあります）を使用して、冷蔵室または地下室の樽からバーの蛇口に移されます。
ソーダ水の味（および他の炭酸飲料の関連する味覚）は、ガスの破裂によるものではなく、溶解した二酸化炭素の影響です。炭酸脱水酵素4は二酸化炭素を炭酸に変換して酸味をもたらし、また溶解した二酸化炭素は体性感覚反応を引き起こします。[118]
ワイン造り
ドライアイスの形の二酸化炭素は、ワイン醸造の冷浸段階でよく使用され、摘み取ったブドウの房を素早く冷却して、野生酵母による自然発酵を防ぐのに役立ちます。水氷ではなくドライアイスを使用する主な利点は、ブドウの果汁の糖度、ひいては完成したワインのアルコール濃度を下げる可能性のある追加の水を加えることなくブドウを冷却できることです。二酸化炭素は、ボジョレーワインの製造に使用されるプロセスである炭酸浸軟のための低酸素環境を作り出すためにも使用されます。
二酸化炭素は、酸化を防ぐためにワインボトルや樽などの貯蔵容器に補充されることがあります。しかし、二酸化炭素はワインに溶け込んで、それまでは静止していたワインがわずかに発泡するという問題があります。このため、プロのワイン製造者は、このプロセスに窒素やアルゴンなどの他のガスを好みます。
素晴らしい動物たち
二酸化炭素は、屠殺前に動物を「気絶させる」ためによく使用されます。[119]「気絶させる」というのは誤った表現かもしれません。動物はすぐに気絶するわけではなく、苦痛を感じる可能性があるからです。[120] [121]
不活性ガス
二酸化炭素は、携帯型圧力工具の空気圧（加圧ガス）システムで最も一般的に使用される圧縮ガスの1つです。二酸化炭素は溶接の雰囲気としても使用されますが、溶接アーク内で反応してほとんどの金属を酸化します。二酸化炭素で行われた溶接は、より不活性な雰囲気で行われた溶接よりも脆いという重要な証拠があるにもかかわらず、自動車産業での使用は一般的です。[122] MIG溶接に使用される場合、CO 2 の使用は、CO 2 がこれらの高温で反応できるため、 Metal Active Gas（金属活性ガス）の略でMAG溶接と呼ばれることがあります。真に不活性な雰囲気よりも高温のパドルを生成する傾向があり、流動特性が向上します。ただし、これはパドルの場所で大気反応が発生するためである可能性があります。これは通常、溶接時に望ましい効果とは逆の効果であり、場所を脆くする傾向がありますが、極限延性が大きな懸念事項ではない一般的な軟鋼溶接では問題にならない場合があります。
二酸化炭素は安価で不燃性であり、室温で約 60 bar (870 psi ; 59 atm ) の圧力で気体から液体に相転移するため、他の方法よりもはるかに多くの二酸化炭素を特定の容器に入れることができるため、加圧ガスを必要とする多くの消費者製品に使用されています。救命胴衣には、急速に膨らませるための加圧二酸化炭素の容器が入っていることがよくあります。CO2のアルミニウムカプセルは、エアガン、ペイントボールマーカー/ガン、自転車タイヤの空気入れ、炭酸水を作るための圧縮ガス供給源としても販売されています。高濃度の二酸化炭素は害虫駆除にも使用できます。液化二酸化炭素は、一部の食品や技術材料の超臨界乾燥、走査型電子顕微鏡の標本の準備[123] 、コーヒー豆のカフェイン除去に使用されます。
消火器
二酸化炭素は、炎の周囲にガスを充満させることで消火に使用できる。二酸化炭素自体は炎を消す反応をしないが、炎を置換することで酸素を枯渇させる。一部の消火器、特に電気火災用に設計された消火器には、加圧された液体二酸化炭素が含まれている。二酸化炭素消火器は、小さな可燃性液体や電気火災には有効だが、通常の可燃性火災には効果がない。なぜなら、二酸化炭素消火器は燃焼物質を大幅に冷却せず、二酸化炭素が拡散すると、大気中の酸素にさらされて発火する可能性があるからである。これらは主にサーバールームで使用されている。[124]
二酸化炭素は、特定の危険に対する局所的消火や保護された空間の全面浸水に対する固定式防火システムの消火剤としても広く使用されている。[125] 国際海事機関の基準では、船倉や機関室の防火に二酸化炭素システムを認めている。二酸化炭素ベースの防火システムは、高濃度になると窒息を引き起こす可能性があるため、数件の死亡事故と関連している。CO2システムの調査では、1975年から報告書の日付（2000年）までの間に51件の事故が発生し、72人が死亡、145人が負傷したことが判明した。[126]
超臨界CO2溶剤として
液体二酸化炭素は多くの親油性有機化合物の優れた溶媒であり、コーヒーのカフェイン除去に使用されています。[18]二酸化炭素は、有機塩素化合物などの従来の溶媒に代わる毒性の低い溶媒として、製薬業界やその他の化学処理業界で注目を集めています。このため、一部のドライクリーニング店でも使用されています。超臨界二酸化炭素の特性を利用して、 エアロゲルの製造にも使用されています。
医療および薬理学的用途
医療においては、無呼吸後の呼吸を刺激し、血液中のO 2 /CO 2バランスを安定させるために、最大 5% の二酸化炭素 (大気濃度の 130 倍) が酸素に添加されます。
二酸化炭素は最大 50% の酸素と混合して吸入可能なガスを形成します。これはカーボゲンとして知られ、さまざまな医療および研究用途に使用されています。
もう一つの医療用途は、火山噴出後の二酸化炭素を治療目的で使用する乾燥温泉 「モフェット」です。
エネルギー
超臨界 CO2は、 Allam パワー サイクルエンジンの作動流体として使用されます。
化石燃料の回収
二酸化炭素は石油増進回収法に使用され、通常は超臨界状態で石油と混和するようになったときに、石油生産井内またはその付近に注入される。この方法では、一次抽出に加えて残留油飽和度を 7～23% 下げることで、当初の石油回収率を高めることができる。[127]二酸化炭素は加圧剤として作用し、地下の原油に溶解すると粘度が大幅に低下し、表面化学が変化して油が貯留層を通って除去井までより速く流れるようになる。[128]成熟した油田では、広範囲にわたるパイプネットワークを使用して二酸化炭素を注入地点まで運んでいる。
強化炭層メタン回収法では、主に水を除去して（圧力を下げるために）炭層に閉じ込められたメタンを放出させる現在の方法とは対照的に、二酸化炭素を炭層に注入してメタンを置換する。[129]
バイオ燃料への変換
発電で発生した二酸化炭素を池に吹き込んで藻類の成長を促し、それをバイオディーゼル燃料に変換するという提案もある。 [130]シアノバクテリアの シネココッカス・エロンガトゥス株は、光合成を利用して二酸化炭素からイソブチルアルデヒドとイソブタノールの燃料を生成するように遺伝子操作されている。[131]
研究者たちは、細菌から分離した酵素を使用して、 CO2を燃料に変換する化学反応を促進する電気触媒技術を開発した。[132] [133] [134]
冷媒
液体二酸化炭素と固体二酸化炭素は、特に食品業界では重要な冷媒であり、アイスクリームやその他の冷凍食品の輸送や保管に使用されています。固体二酸化炭素は「ドライアイス」と呼ばれ、冷蔵設備が実用的ではない小規模な輸送に使用されます。固体二酸化炭素は、気温に関係なく、通常の大気圧では常に -78.5 °C (-109.3 °F) 未満です。
液体二酸化炭素（業界命名法ではR744またはR-744）は、ジクロロジフルオロメタン（R12、クロロフルオロカーボン（CFC）化合物）が使用される前は冷媒として使用されていました。[135] CO 2 は、CFCの主な代替品の1つである1,1,1,2-テトラフルオロエタン（R134a、ハイドロフルオロカーボン（HFC）化合物）がCO 2よりも気候変動に寄与しているため、復活する可能性があります。CO 2 の物理的特性は、高い容積冷却能力を持ち、冷却、冷凍、および加熱の目的に非常に適しています。最大130バール（1,900 psi、13,000 kPa）の圧力で動作する必要があるため、CO 2システムには、多くの分野で大量生産用にすでに開発されている機械的耐性の高いリザーバーとコンポーネントが必要です。自動車の空調では、緯度50度以上のすべての運転条件の90％以上で、CO2 （ R744）はHFC（例：R134a）を使用するシステムよりも効率的に動作します。その環境上の利点（GWP 1、オゾン層を破壊せず、無毒、不燃性）により、自動車、スーパーマーケット、ヒートポンプ式給湯器などで現在使用されているHFCに代わる将来の作動流体になる可能性があります。コカコーラはCO2ベースの飲料クーラーを配備しており、米国陸軍はCO2冷蔵および加熱技術に興味を持っています。[136] [137]
マイナーな用途
二酸化炭素は、最も古いタイプのレーザーの 1 つである 二酸化炭素レーザーのレーザー媒体です。
二酸化炭素はプールのpHを制御する手段としても使用できます。 [138]継続的にガスを水に加えることで、pHの上昇を防ぎます。この方法の利点の1つは、（より危険な）酸を扱わなくて済むことです。同様に、二酸化炭素はサンゴ礁の水槽でも使用されており、カルシウムリアクターで炭酸カルシウムを通過する水のpHを一時的に下げて、炭酸カルシウムがより自由に水に溶けるようにするために使用されます。炭酸カルシウムは、一部のサンゴが骨格を形成するために 使用します。
英国の原子力発電用 先進ガス冷却炉の主冷却材として使用されます。
二酸化炭素誘導は、実験動物の安楽死によく使用されます。二酸化炭素を投与する方法には、二酸化炭素が充填された密閉されたチャンバーに動物を直接入れる方法や、徐々に濃度が上昇する二酸化炭素にさらす方法などがあります。アメリカ獣医師会の2020年の二酸化炭素誘導ガイドラインでは、小型げっ歯類の人道的な安楽死には、1分間にチャンバーまたはケージの容積の30～70%の置換率が最適であるとされています。[139] : 5, 31 二酸化炭素の割合は、苦痛を最小限に抑えるために特定された最適な割合に基づいて、種によって異なります。[139] : 22
二酸化炭素は、関連するいくつかの洗浄および表面処理技術にも使用されます。
発見の歴史
二酸化炭素は、独立した物質として記述された最初のガスでした。1640年頃、[140]フランドルの化学者ヤン・バプティスト・ファン・ヘルモントは、密閉容器で木炭を燃やすと、灰の質量が元の木炭の質量よりもはるかに小さいことに気づきました。彼は、残りの木炭が目に見えない物質に変化し、「ガス」（ギリシャ語の「カオス」に由来）または「野生の精霊」（スピリトゥス・シルベストリス）と名付けたと解釈しました。[141]
二酸化炭素の特性は、1750年代にスコットランドの医師ジョセフ・ブラックによってさらに研究された。彼は、石灰岩（炭酸カルシウム）を加熱または酸で処理すると、彼が「固定空気」と呼ぶガスを生成できることを発見した。彼は、固定空気は空気よりも密度が高く、炎も動物の生命も支えないことを観察した。ブラックはまた、石灰水（水酸化カルシウムの飽和水溶液）に泡を通すと炭酸カルシウムが沈殿することを発見した。彼はこの現象を利用して、二酸化炭素が動物の呼吸と微生物の発酵によって生成されることを説明した。1772年、イギリスの化学者ジョセフ・プリーストリーは「固定空気を水に浸透させる」と題する論文を発表し、二酸化炭素を生成するためにチョークに硫酸（プリーストリーは硫酸油と呼んでいた）を滴下し、そのガスと接触させたボウルの水をかき混ぜてガスを溶解させるプロセスについて説明した。[142]
二酸化炭素は、1823年にハンフリー・デービーとマイケル・ファラデーによって初めて液化されました（高圧）。[143]固体二酸化炭素（ドライアイス）に関する最初の記述は、フランスの発明家アドリアン・ジャン・ピエール・ティロリエによって行われました。彼は1835年に液体二酸化炭素の加圧容器を開け、液体の急速な蒸発によって生じた冷却によって固体二酸化炭素の「雪」が生成されたことを発見しました。 [ 144] [145]
二酸化炭素は窒素と混合すると、古くからブラックダンプ、スティスダンプ、チョークダンプと呼ばれていました。[b]他の種類の湿気 とともに、採掘作業や井戸掘りの際に発生しました。石炭のゆっくりとした酸化と生物学的プロセスにより酸素が置換され、窒息するような窒素と二酸化炭素の混合物が作られました。[146]
参照
- 動脈血ガス検査 – 動脈から採取した血液中の特定の溶解ガスの量を測定する検査
- ボッシュ反応 – 金属触媒を使用してCO2と水素から元素炭素を形成する
- 二酸化炭素除去 – 人間の活動による大気中の二酸化炭素の除去（大気から）
- ギルバート・プラス– カナダの物理学者 (1920–2004) ( CO2と気候変動 に関する初期の研究)
- 温室効果ガス観測衛星 – 地球観測衛星
- 二酸化炭素排出量による国別リスト
- 最も炭素効率の悪い発電所のリスト
- 部分循環湖 – 混ざり合わない水の層が永久に成層化した湖
- NASAの軌道上炭素観測衛星2号 – NASAの気候衛星
- 土壌ガス – 土壌成分間の空気空間に含まれるガス
注記
- ^ ここでの「一部」は分子当たりを意味する[10]
- ^ 19世紀の文献では「choak-damp」と綴られることもある。
参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには二酸化炭素に関連するメディアがあります。
- 現在の二酸化炭素濃度の世界地図
- CDC – NIOSH 化学物質の危険性に関するポケットガイド – 二酸化炭素
- 大気中の二酸化炭素の傾向 (NOAA)
- CO2の再発見：歴史、シェッコとは？ -冷媒として