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二酸化炭素は化学式CO₂で表される化合物です。二酸化炭素は、炭素原子1 個が酸素原子2 個と共有結合した二重結合を持つ分子から構成されています。室温では気体状態であり、通常の濃度では無臭です。炭素循環における炭素源として、大気中のCO₂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線に対しては透明ですが、赤外線を吸収するため、温室効果ガスとして作用します。二酸化炭素は水に溶けやすく、地下水、湖、氷冠、海水などに存在します。
二酸化炭素は地球の大気中に微量ガス として存在し、濃度は百万分率( ppm)で約0.043 % (2025 年 7 月現在) であり、産業革命以前の濃度である 280 ppm (約 0.028%) から上昇しています。[ 10 ] [ 11 ]化石燃料の燃焼が、これらの二酸化炭素濃度の上昇の主な原因であり、気候変動の主な原因となっています。[ 12 ]
先カンブリア時代後期以降、地球の産業革命以前の大気中の二酸化炭素濃度は、生物と地質学的特徴によって調節されていました。植物、藻類、シアノバクテリアは、光合成と呼ばれるプロセスで、太陽光からのエネルギーを使用して二酸化炭素と水から炭水化物を合成し、老廃物として酸素を生成します。[ 13 ]逆に、すべての好気性生物は、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際に、酸素を消費し、老廃物としてCO2を放出します。[ 14 ] CO2は、森林火災のように、有機物が腐敗または燃焼するときに放出されます。二酸化炭素が水に溶けると、炭酸塩、主に重炭酸塩(HCO3- )を形成し、大気中のCO2濃度が上昇すると海洋酸性化を引き起こします。[ 15 ]
二酸化炭素は乾燥空気より53%密度が高いが、寿命が長く、大気中に広く混ざり合う。大気への過剰なCO2排出量の約半分は、陸地や海洋の炭素吸収源に吸収される。[ 16 ]これらの吸収源は飽和状態になり、腐敗や山火事によってCO2が大気中に放出されるため、不安定になることがある。 [ 17 ] CO2 、またはCO2に含まれる炭素は、最終的には岩石や石炭、石油、天然ガスなどの有機堆積物に隔離（長期保存）される。
人間が排出する二酸化炭素の ほぼ全ては大気中に放出される。年間生産される二酸化炭素のうち、商業利用されるのは1%未満で、主に肥料産業と石油・ガス産業における原油増進回収に利用されている。その他の商業用途としては、食品・飲料製造、金属加工、冷却、消火、温室での植物成長促進などが挙げられる。[ 18 ]： 3
二酸化炭素分子の対称性は、平衡構造において直線対称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結合の長さである約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、この分子は電気双極子モーメントを持たない。
直線状の三原子分子であるCO₂は、図に示すように4つの振動モードを持ちます。対称伸縮モードと非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、これらは縮退しています。つまり、分子の対称性により、周波数とエネルギーが同じです。分子が表面に接触したり、別の分子に接触したりすると、2つのモードの相互作用が異なるため、2つの曲げモードの周波数が異なる場合があります。赤外線（IR）スペクトルでは、いくつかの振動モードが観測されます。波数2349 cm⁻¹ （波長4.25 μm）の非対称伸縮モードと、667 cm⁻¹ （波長15.0 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7.20 μm)で検出され、1285 cm −1にフェルミ共鳴二重線があります。[ 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イメージを推測することができます。二酸化炭素に対してこのような実験[ 21 ]が行われました。この実験の結果と、分子のab initio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完全に直線状ではないということです。この直感に反する結果は、直線形状の場合、核運動体積要素がゼロになるという事実に自明に起因します。 [ 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。
二酸化炭素は水に溶けやすく、水中では可逆的にH₂CO₃（炭酸）を生成する。炭酸は弱酸である。これは、水中での二酸化炭素の電離が不完全であるためである。
炭酸の水和平衡定数は、25 ℃において次のとおりである。
したがって、二酸化炭素の大部分は炭酸に変換されず、CO₂分子のまま残るため、pHには影響を与えない。
CO 2、H 2 CO 3、および脱プロトン化された形態 HCO 3 – (重炭酸イオン) と CO 3 2– (炭酸イオン)の相対濃度はpHに依存します。ビェルム図に示すように、中性または弱アルカリ性の水 (pH > 6.5) では重炭酸イオンが優勢 (>50%) で、海水の pH では最も優勢 (>95%) になります。非常にアルカリ性の水 (pH > 10.4) では、炭酸イオンが優勢 (>50%) になります。海洋は弱アルカリ性で、典型的な pH = 8.2～8.5 であり、1 リットルあたり約 120 mg の重炭酸イオンを含んでいます。
炭酸は二塩基酸であるため、2つの酸解離定数を持ち、1つ目は重炭酸イオン（炭酸水素イオンとも呼ばれる）（HCO 3 –）への解離に関するものです。
これは真の第一酸解離定数であり、次のように定義される。
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で、よく引用される値は、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上の値です。
溶解したCO 2のほとんどはCO 2分子として残るため、見かけのK a1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物質であり、溶液のpHに応じて酸としても塩基としても作用します。高pHでは、炭酸イオン（CO 3 2–）に大きく解離します。
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る。
二酸化炭素が水に存在すると、酸性度が変化するだけでなく、電気的性質にも影響を与える。
二酸化炭素が脱塩水に溶解すると、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発される伝導率を徐々に失い始めます。特に気温が30 ℃を超えると顕著になる。
CO₂飽和のない完全脱イオン水の電気伝導率の温度依存性は、これらのデータと比較して低い。
CO 2は、ベンズアルデヒドや強い求電子性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不利であり、しばしば非常に可逆的であることがわかっています。[ 24 ]二酸化炭素とアミンの可逆反応によるカルバメートの生成は、 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および貯蔵の可能性のある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提供されるカルバニオンのような非常に強い求核剤のみがCO 2と反応してカルボン酸塩を生成します。
金属二酸化炭素錯体では、CO 2は配位子として機能し、CO 2を他の化学物質に変換することを促進することができます。[ 25 ]
CO₂からCOへの還元は、通常、困難で時間のかかる反応である。
pH 7付近でのこの反応の酸化還元電位は、標準水素電極に対して約-0.53 V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プロセスを触媒する。[ 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二酸化炭素から単純な糖を光合成する。
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、刺激的な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 ) 未満の圧力では液体状態を持たない。1 atm (0.101325 MPa) の圧力では、194.6855(30) K [ 2 ] (−78.4645(30) °C)未満の温度で ガスが直接固体に析出し、この温度を超えると固体が直接ガスに昇華する。固体状態の二酸化炭素は、一般にドライアイスと呼ばれる。
液体二酸化炭素は、0.51795(10) MPa [ 2 ] (5.11177(99) atm)以上の圧力でのみ生成されます。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 (相図を参照)。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。高圧下で観察される固体二酸化炭素の別の形態は、非晶質のガラス状固体です。[ 28 ]カルボニアと呼ばれるこのガラスは、ダイヤモンドアンビル内で加熱されたCO 2を極度の圧力 (40～48 GPa、約 400,000 気圧)で過冷却することによって生成されます。この発見は、二酸化炭素が二酸化ケイ素(シリカガラス) や二酸化ゲルマニウムなどの同族元素と同様にガラス状態で存在できるという理論を裏付けました。しかし、シリカガラスやゲルマニアガラスとは異なり、カル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気体に戻ります。
臨界点を超える温度と圧力では、二酸化炭素は超臨界流体として振る舞い、超臨界二酸化炭素として知られています。
二酸化炭素は、代謝の一環として糖、脂肪、アミノ酸を酸素で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、好気性真菌、細菌が含まれます。脊椎動物では、二酸化炭素は血液によって体組織から皮膚（両生類など）または鰓（魚類など）に運ばれ、そこで水に溶けるか、肺に運ばれて呼気として排出されます。活発な光合成の間、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。
炭素固定とは、植物、藻類、シアノバクテリアが大気中の二酸化炭素をグルコースなどのエネルギー豊富な有機分子に取り込み、光合成によって自らの栄養を作り出す生化学的プロセスである。光合成は二酸化炭素と水を用いて糖を生成し、そこから他の有機化合物が構築される。酸素は副産物として生成される。
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（一般的に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2分子の3-ホスホグリセリン酸を生成する炭素固定の最初の主要なステップに関与する酵素である。
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る。[ 31 ]
光合成生物は、光合成の産物を体内の栄養源として、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の原料として利用します。これらは自身の成長に利用されるだけでなく、私たち人間のような動物を含む他の生物を養う食物連鎖や食物網の基盤としても利用されます。重要な光合成生物である円石藻類は、硬い炭酸カルシウムの鱗片を合成します。[ 32 ]円石藻類の世界的に重要な種は、エミリアニア・ハクスレイイで、その方解石の鱗片は、石灰岩などの多くの堆積岩の基盤を形成しており、そこでは、以前は大気中にあった炭素が地質学的時間スケールで固定されたままになります。
植物は、周囲の環境と比較して、 1,000 ppm CO 2の濃度では最大 50% 速く成長することができますが、これは気候の変化がなく、他の栄養素に制限がないことを前提としています。 [ 33 ] CO 2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、小麦、米、大豆はすべて、FACE 実験でCO 2レベルの上昇により 12～14% の収量増加を示しました。[ 34 ] [ 35 ]
大気中のCO 2濃度の上昇は、植物の気孔の発達を減少させ[ 36 ]、その結果、水の使用量が減少し、水利用効率が向上します。[ 37 ] FACEを用いた研究では、 CO 2 の増加が作物の微量栄養素の濃度低下につなが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的な影響を与える可能性があります。 [ 39 ]
CO2の高濃度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 ]
植物も呼吸時にCO 2を放出するため、 C3 光合成を行う植物や藻類の大部分は、日中のみ正味の吸収者となります。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、成長中の植物の光合成で使用されるのと同量のCO 2を呼吸や枯死した個体 (例えば、落ちた枝) の分解によって生成します。 [ 42 ]成熟した森林は炭素中立であるという長年の見解に反して、炭素を蓄積し続けることができ[ 43 ] 、地球の大気の炭素バランスを維持するのに役立つ貴重な炭素吸収源であり続けます。さらに、地球上の生命にとって重要なことに、植物プランクトンによる光合成は、海洋上層部の溶存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 ]
新鮮な空気中の二酸化炭素濃度（海面から10 kPaレベル、つまり高度 約30 km（19 mi）の平均）は、場所によって0.036%（360 ppm）から0.041%（412 ppm）の間で変動する。 [ 46 ]
ヒトでは、5%を超える濃度のCO2に曝露すると、高炭酸ガス血症と呼吸性アシドーシスが発症する。[ 47 ] 7%から10%（70,000～100,000 ppm）の濃度では、十分な酸素が存在する場合で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、視覚および聴覚機能障害、意識喪失として現れる。[ 48 ] 10%を超える濃度では、痙攣、昏睡、および死亡を引き起こす可能性がある。30 %を超えるCO2濃度は急速に作用し、数秒で意識喪失につながる。[ 47 ]
二酸化炭素は空気より重いため、地下の火山活動や地熱活動によって比較的高い濃度で地中からガスが漏れ出す場所では、風による拡散効果がなく、平均地表より下の隠れた場所や窪地に溜まり、そこにいる動物が窒息死することがあります。死骸に引き寄せられた腐肉食動物も死んでしまいます。ゴマ市の近くでは、近くのニイラゴンゴ山の火山からの二酸化炭素の放出によって、子供たちが同じように死んでいます。[ 49 ]この現象のスワヒリ語はマズクです。
二酸化炭素濃度の上昇に対する適応は、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産生の修正など、人間で起こる。いくつかの研究では、2.0%の吸入濃度は、適応が生理的で可逆的であるため、密閉された空気空間（潜水艦など）に使用できると示唆されている。このレベルの曝露では、5日間でパフォーマンスや通常の身体活動の低下は起こらない。 [ 50 ] [ 51 ]しかし、他の研究では、はるかに低いレベルでも認知機能の低下が見られることが示されている。[ 52 ] [ 53 ]また、呼吸性アシドーシスが継続すると、適応や代償機構によって状態を逆転させることはできない。
1%未満の濃度での長期にわたる連続的な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、8時間で0.5%（5000 ppm）に職業上のCO2曝露限度が設定されています。[ 54 ]このCO2濃度では、国際宇宙ステーションの乗組員は頭痛、倦怠感、精神の鈍化、感情的な苛立ち、睡眠障害を経験しました。[ 55 ] 0.5%のCO2に曝露した動物の研究では、8週間の曝露後に腎臓の石灰化と骨量の減少が示されました。[ 56 ] 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）という低い濃度のCO2でも認知能力に重大な悪影響があることが示されました。これはおそらく、 CO2によって誘発される脳血流量の増加によるものです。[ 52 ]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の使用が低下することが観察されました。[ 53 ]
しかし、文献をレビューしたところ、二酸化炭素誘発性認知障害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への影響はわずかであることが示されました（濃度が 5000 ppm 未満の場合）。ほとんどの研究は、不適切な研究デザイン、環境の快適性、曝露量の不確実性、および使用された認知評価の違いによって混乱していました。[ 57 ]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を記録しておらず、マネキンを使用して測定を行ったため、方法論が疑わしいと批判されています。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）に達した場合、またはバイザーを上げた場合、CO2 濃度は安全なレベル（0.2%）まで低下しました。[ 58 ] [ 59 ]
換気不良は、閉鎖空間における過剰なCO 2濃度の主な原因の 1 つは、室内空気質の悪化につながります。定常状態 (居住と換気システムの運転が十分に長く、 CO 2濃度が安定しているとき) における屋外濃度との二酸化炭素の差は、一人当たりの換気量を推定するために使用されることがあります。[ 61 ] CO 2濃度が高いと、居住者の健康、快適性、およびパフォーマンスの低下と関連しています。[ 62 ] [ 63 ] ASHRAE規格 62.1–2007 の換気量では、室内濃度が 屋外の環境条件より最大 2,100 ppm 高くなる可能性があります。したがって、屋外濃度が 400 ppm の場合 、 この業界コンセンサス基準を満たす換気量では、室内濃度が 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」「スタイス」などと呼んでいた。より効果的な技術が開発される以前は、鉱夫たちは作業中に檻に入れたカナリアを連れて行き、坑道内のブラックダンプやその他のガスの危険な濃度を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、意識を失うと歌うのをやめて止まり木から落ちてしまう。また、デービーランプは、ブラックダンプ（沈んで床近くに溜まる）の濃度が高い場合は明るさが弱くなることで検出でき、窒息性ガスであり爆発の危険性もあるメタンガスの場合はランプの明るさが増す。
2020年2月、モスクワで開かれたパーティーで、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。 [ 64 ] 2018年にも同様の事故が発生し、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。 [ 65 ]
人間はますます多くの時間を密閉された環境（時間の約80～90%を建物や乗り物の中で過ごす）で過ごしています。フランス食品環境労働衛生安全庁（ANSES）およびフランスの様々な関係者によると、建物の室内空気中のCO2濃度（人間や動物の居住、燃焼設備の存在に関連）は、空気の入れ替えを考慮して加重平均すると「通常約350～2,500 ppm」です。[ 66 ]
家庭、学校、保育園、オフィスでは、 CO 2のレベルと他の汚染物質との間に体系的な関係はなく、室内のCO 2 は、屋外の道路 (または大気など) 交通に関連する汚染物質の統計的に良い予測因子ではありません。[ 67 ] CO 2は、人間や動物が密閉された部屋や換気の悪い部屋に集まると、湿度や酸素レベルとともに最も速く変化するパラメータです。貧しい国では、多くの開放型炉が、生活環境に直接放出されるCO 2と CO の発生源となっています。 [ 68 ]
二酸化炭素の局所的な濃度は、特に周囲の地形によって隔離された強力な発生源の近くでは、高い値に達することがあります。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）の椀状の窪地に位置しており、 CO2濃度は夜間に75%以上に上昇し、昆虫や小動物を死に至らしめるのに十分な濃度になります。日の出後、ガスは対流によって拡散します。[ 69 ] CO2で飽和した深層湖水の攪拌によって生成された高濃度のCO2は、1984年にカメルーンのモノウン湖で37人の死亡、 1986年にカメルーンのニオス湖で1700人の死者を出したと考えられています。[ 70 ]
人体は1日あたり1人あたり約2.3ポンド（1.0kg）の二酸化炭素を生成し、これには0.63ポンド（290g）の炭素が含まれています。[ 72 ] 人間の場合、この二酸化炭素は静脈系を通って運ばれ、肺から呼吸によって排出されるため、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、分圧として表されることが多く、これは二酸化炭素だけがその体積を占めていた場合の圧力です。[ 73 ]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。
二酸化炭素は血液中で3つの異なる方法で運ばれる。動脈血と静脈血では、その正確な割合が異なる。
赤血球中の主要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二酸化炭素は、酸素と同じ部位には結合しません。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、ヘモグロビン分子のアロステリック効果により、二酸化炭素の結合は、一定の酸素分圧における結合酸素量を減少させます。これはハルデー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おいて重要です。逆に、二酸化炭素分圧の上昇またはpHの低下は、ヘモグロビンからの酸素の放出を引き起こし、これはボーア効果として知られています。
二酸化炭素は、局所的な血液供給の自己調節の媒介物質の一つです。二酸化炭素の濃度が高いと、毛細血管が拡張して、その組織への血流が増加します。[ 75 ]
重炭酸イオンは血液のpHを調節する上で非常に重要です。人の呼吸速度は血液中のCO2濃度に影響を与えます。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。[ 76 ]
体は代謝のために酸素を必要とするが、低酸素レベルは通常呼吸を刺激しない。むしろ、呼吸は高二酸化炭素レベルによって刺激される。そのため、低圧の空気や酸素が全く含まれていない混合ガス（純窒素など）を呼吸すると、酸素不足を感じることなく意識を失う可能性がある。これは特に高高度戦闘機のパイロットにとって危険である。客室乗務員が乗客に、客室の気圧が低下した場合、他の人を助ける前にまず自分自身に酸素マスクを装着するように指示するのもそのためである。そうしないと、意識を失う危険がある。[ 74 ]
呼吸中枢は動脈血中のCO2分圧を40mmHgに維持しようとします。意図的に過換気を行うと、動脈血中のCO2分圧は10～20mmHgまで低下し（血液中の酸素分圧はほとんど影響を受けません）、呼吸中枢の働きが弱まります。そのため、過換気を行った後は、過換気を行わない場合よりも長く息を止めることができます。しかし、呼吸の必要性が耐え難くなる前に意識を失うリスクがあるため、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す。[ 77 ]
地球の大気中では、二酸化炭素（CO 2）は、温室効果、炭素循環、光合成、海洋炭素循環において重要な役割を果たす微量ガスです。地球の大気中に存在する3つの主要な温室効果ガスの1つです。2026年には、大気中の二酸化炭素濃度は432 ppm、すなわち0.0432%（モル基準）に達し、質量は3380ギガトンに相当します。[ 78 ]これは、18世紀半ばまでの1万年間の280 ppmから、産業革命開始以来54%増加しています。 [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]この増加は人間の活動によるものです。[ 82 ]
現在のCO2濃度の上昇は、主に化石燃料の燃焼によって引き起こされています。[ 83 ] CO2を排出するその他の重要な人間の活動には、セメント製造、森林伐採、バイオマス燃焼などがあります。大気中のCO2およびメタンなどの他の長寿命温室効果ガスの濃度の上昇は、大気による赤外線の吸収と放出を増加させます。これにより、地球の平均気温の上昇と海洋酸性化が引き起こされています。もう1つの直接的な影響は、CO2施肥効果です。大気中のCO2濃度の上昇は、環境と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。
二酸化炭素は温室効果ガスです。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します。その 2 つの波長は、4.26 μm (2,347 cm −1 ) (反対称伸縮振動モード) と 14.99 μm (667 cm −1 ) (曲げ振動モード) です。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ます。 [ 84 ]地球表面からの光放出は、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出は可視光領域で最も強いのとは対照的です。大気中の CO 2の振動周波数での赤外線の吸収は、地表付近でエネルギーを閉じ込め、地球の表面と下層大気を暖めます。そのため、上層大気に到達するエネルギーが少なくなり、上層大気はより冷たくなります。[ 86 ]
現在の大気中の CO 2濃度は1400 万年で最高です。[ 87 ]大気中の CO 2濃度は、約 5 億年前のカンブリア紀には 4,000 ppm にも達し、過去 200 万年の第四紀氷河期には 180 ppm まで低下しました。 [ 79 ]過去 4 億 2000 万年の再構築された温度記録によると、大気中の CO 2濃度は約 2,000 ppm でピークに達しました。このピークはデボン紀 (4 億年前) に発生しました。別のピークは三畳紀 (2 億 2000 万～2 億年前)に発生しました。 [ 88 ]
二酸化炭素は海洋に溶け込み、炭酸（H₂CO₃）、重炭酸イオン（HCO₃⁻）、炭酸イオン（CO₃²⁻）を形成します。海洋には大気中の二酸化炭素の約50倍の二酸化炭素が溶け込んでいます。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たCO₂の約3分の1を吸収してきました。[ 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現象です。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に低下しました。[ 91 ]人間の活動による二酸化炭素の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（CO2 ）濃度は422 ppmを超えています（2024年時点）。[ 92 ]大気中のCO2は海洋に吸収されます。この化学反応により炭酸（H2CO3 ）が生成され、炭酸水素イオン（ HCO3− ）と水素イオン（H + ）に解離します。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ものではなく、pHが8より高いアルカリ性です）。軟体動物やサンゴなどの海洋石灰化生物は、殻や骨格を作るために炭酸カルシウムに依存しているため、特に脆弱である。[ 93 ]
pHが0.1変化すると、世界の海洋における水素イオン濃度が26%増加します（pHスケールは対数なので、pH単位が1変化すると、水素イオン濃度が10倍変化します）。海面pHと炭酸塩飽和状態は、海洋の深さと場所によって異なります。より低温で高緯度の海水は、より多くのCO2を吸収することができます。これにより酸性度が上昇し、これらの地域のpHと炭酸塩飽和レベルが低下する可能性があります。大気と海洋間のCO2交換、ひいては局所的な海洋酸性化には、他にもいくつかの要因が影響します。これらには、海流と湧昇域、大陸の大きな河川への近さ、海氷の被覆、化石燃料の燃焼と農業による窒素と硫黄との大気交換などが含まれます。[ 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与える可能性があります。海洋酸性度の増加による最も重要な影響の 1 つは、炭酸カルシウム( CaCO 3 ) から殻が生成されることに関係しています。[ 93 ]このプロセスは石灰化と呼ばれ、幅広い海洋生物の生物学と生存にとって重要です。石灰化には、溶解したイオンが固体のCaCO 3構造に沈殿することが含まれます。これは、円石藻、有孔虫、甲殻類、軟体動物など、多くの海洋生物の構造です。形成された後、これらのCaCO 3構造は、周囲の海水に炭酸イオン ( CO 2− 3 )の飽和濃度が含まれていない限り、溶解に対して脆弱です。
海洋に流入する余分な二酸化炭素のうち、溶存二酸化炭素として残るのはごくわずかである。大部分は解離して重炭酸イオンと遊離水素イオンとなる。水素イオンの増加は重炭酸イオンの増加よりも大きいため、[ 97 ]反応のバランスが崩れる。
化学平衡を維持するため、海洋中に既に存在する炭酸イオンの一部は水素イオンの一部と結合して、さらに重炭酸イオンを生成します。こうして海洋中の炭酸イオン濃度が低下し、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。
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つの場所のうちの1つである。もう1つは沖縄トラフにある。[ 98 ] 2006年には、沖縄トラフで液体二酸化炭素の海底湖が発見されたと報告された。[ 99 ]
2023年時点で、化石燃料の燃焼によるエネルギー生成により、年間368億トンのCO₂が排出されている。 [ 100 ]そのほぼすべてが大気中に放出され、そのうち約半分が自然の炭素吸収源に吸収される。[ 101 ]年間に生成されるCO₂のうち、商業的に利用されるのは1%未満である。[ 18 ] : 3
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製造における糖の発酵の副産物です。酵母は糖を代謝して、二酸化炭素とエタノール（アルコールとも呼ばれる）を生成します。その過程は以下のとおりです。
好気性生物はすべて、炭水化物、脂肪酸、タンパク質を酸化する際に二酸化炭素（CO₂ ）を生成します。関与する反応は非常に多く、極めて複雑で、簡単に説明することはできません。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。
嫌気性微生物は有機物を分解し、メタンと二酸化炭素、および微量の他の化合物を生成します。[ 102 ]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速度パターンに従います。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%を占めます。残りの50～55%のほとんどはメタンです。[ 103 ]
メタン（天然ガス）、石油留出物（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、炭素系燃料の燃焼はすべて二酸化炭素と、純粋な炭素の場合を除いて水を生成します。例として、メタンと酸素の化学反応を以下に示します。
鉄は高炉でコークスを用いて酸化物から還元され、銑鉄と二酸化炭素が生成される。[ 104 ]
二酸化炭素は、水蒸気改質による水素の工業生産やアンモニア製造における水性ガスシフト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。[ 105 ]
これは、炭酸カルシウム（CaCO₃ ）を約850 ℃（1,560 °F）で加熱（焼成）して熱分解することにより、生石灰（酸化カルシウム、CaO）の製造過程で生成されるもので、生石灰は多くの工業用途を持つ化合物である。
酸はほとんどの金属炭酸塩から二酸化炭素を放出します。したがって、二酸化炭素は天然の二酸化炭素泉から直接得ることができます。天然の二酸化炭素泉では、酸性水が石灰岩やドロマイトに作用することで二酸化炭素が生成されます。塩酸と炭酸カルシウム（石灰岩またはチョーク）の反応を以下に示します。
炭酸（H₂CO₃ ）は水とCO₂に分解する。
このような反応では、ガスが発生する際に泡立ちや気泡の発生、あるいはその両方が伴います。廃酸性流体を中和するために利用できるため、産業界で広く用いられています。
毎年約2億3000万トンのCO₂が使用されており[ 107 ] 、そのほとんどは尿素生産のための肥料産業（1億3000万トン）と、石油・ガス産業における原油増進回収（7000万～8000万トン）に用いられています[ 18 ]： 3 。その他の商業用途としては、食品・飲料生産、金属加工、冷却、消火、温室での植物成長促進などがあります[ 18 ]： 3。
工業排ガスや空気からCO2を回収する技術は存在する。回収したCO2を製品に利用する方法についての研究が進行中であり、これらのプロセスの一部は商業的に展開されている。[ 108 ]しかし、製品に利用できる可能性は、将来的に回収できると予想されるCO2の総量に比べて非常に小さい。[ 109 ]回収されたCO2の大部分は廃棄物とみなされ、地下の地質構造に隔離される。[ 110 ]
化学工業では、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ます。[ 111 ]サリチル酸ナトリウムなどの一部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。[ 112 ]
回収されたCO₂はメタノールや電気燃料の製造に利用できる。カーボンニュートラルを実現するには、CO₂はバイオエネルギー生産または直接空気回収から得られる必要がある。[ 113 ]： 21-24
二酸化炭素は、石油増進回収において、生産中の油井内またはその近傍に、通常は超臨界状態で注入され、石油と混和する。この方法により、残留油飽和度を一次抽出に加えて7～23%低減することで、原油回収率を向上させることができる。[ 114 ]二酸化炭素は加圧剤として作用するだけでなく、地下の原油に溶解すると粘度を大幅に低下させ、表面化学を変化させることで、油が貯留層を通って除去井までより速く流れるようにする。[ 115 ]
CO2 - EORプロジェクトで注入されるCO2のほとんどは、自然に存在する地下のCO2鉱床から来ています。 [ 116 ] EORで使用されるCO2の一部は、天然ガス処理プラントなどの産業施設から炭素回収技術を使用して回収され、パイプラインで油田に輸送されます。[ 116 ]
植物は光合成を行うために二酸化炭素を必要とします。温室の雰囲気は、植物の成長速度を維持および増加させるために、追加のCO 2で富化されることがあります (大規模な温室の場合は、必ず富化する必要があります)。 [ 117 ] [ 118 ]二酸化炭素は非常に高い濃度 (大気濃度の 100 倍以上) では動物の生命に有毒になる可能性があるため、数時間濃度を 10,000 ppm (1%) 以上まで上げると、温室内のコナジラミやハダニ などの害虫を駆除できます。 [ 119 ]植物によっては、二酸化炭素濃度の上昇に対して他の植物よりも好ましい反応を示すものがあり、木本植物の侵入などの植生レジームシフトにつながる可能性があります。[ 120 ]
二酸化炭素は食品添加物であり、食品業界では噴射剤および酸度調整剤として使用されています。EU [ 121 ] ( E番号E290として記載)、米国[ 122 ] 、オーストラリアおよびニュージーランド[ 123 ] ( INS番号290として記載) での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[ 124 ]で約4,000 kPa （40 bar 、580 psi ）の圧力がかけられています。口に入れると、（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生成することで生地を膨らませます。[ 125 ]パン酵母は生地内の糖の発酵によって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または酸にさらされると二酸化炭素を放出します。
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。従来、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ていましたが、多くのメーカーは発酵プロセスから回収した二酸化炭素を使用してこれらの飲料に炭酸化を行っています。瓶ビールや樽ビールの場合、最も一般的な方法はリサイクルされた二酸化炭素による炭酸化です。英国のリアルエールを除き、生ビールは通常、冷蔵室や地下室の樽から、加圧された二酸化炭素（場合によっては窒素と混合）を使用してバーのディスペンサータップに移されます。
ソーダ水の味（および他の炭酸飲料における関連する味覚）は、ガスの泡が破裂することによるものではなく、溶解した二酸化炭素の効果によるものです。炭酸脱水酵素4は二酸化炭素を炭酸に変換し、酸味を生み出し、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。[ 126 ]
ドライアイスの形で用いられる二酸化炭素は、ワイン醸造における低温浸漬工程で、収穫後のブドウの房を素早く冷却し、野生酵母による自然発酵を防ぐためによく使用されます。ドライアイスを水氷よりも使用する主な利点は、ブドウ果汁中の糖濃度、ひいては完成したワインのアルコール濃度を低下させる可能性のある余分な水を加えることなくブドウを冷却できることです。二酸化炭素はまた、ボージョレワインの製造に用いられる炭酸マセラシオンにおいて、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るが、ワインに溶け込んでしまい、それまで静止していたワインにわずかに発泡性を持たせてしまうという問題がある。そのため、プロのワインメーカーは、この工程には窒素やアルゴンなどの他のガスを好んで用いる。
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。[ 127 ]「気絶」という表現は不適切かもしれません。動物はすぐに意識を失うわけではなく、苦痛を感じる可能性があります。[ 128 ] [ 129 ]
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、溶接アークでは、ほとんどの金属を酸化する反応を起こします。二酸化炭素中で作られた溶接は、より不活性な雰囲気で作ら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。[ 130 ] 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する可能性があるため、金属活性ガス (Metal Active Gas) の 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溶融池の温度が高くなる傾向があり、流動特性が向上します。ただし、これは溶融池の場所で大気反応が起こるためかもしれません。これは通常、溶接時に望ましい効果とは逆で、溶融池を脆くする傾向がありますが、最終的な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可能性があります。
二酸化炭素は、安価で不燃性であること、また室温で約60 bar (870 psi ; 59 atm )の圧力で気体から液体への相転移を起こすため、特定の容器に通常よりもはるかに多くの二酸化炭素を収容できることから、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、素早く膨張させるための加圧二酸化炭素のボンベが入っていることがよくあります。CO 2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、自転車のタイヤの空気入れ、炭酸水の製造用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。液体二酸化炭素は、一部の食品や工業材料の超臨界乾燥、走査型電子顕微鏡用の試料の準備[ 131 ]、コーヒー豆のカフェイン除去に使用されています。
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ます。二酸化炭素自体は反応して炎を消すのではなく、酸素を置換することで炎から酸素を奪います。一部の消火器、特に電気火災用に設計されたものは、加圧された液体二酸化炭素を含んでいます。二酸化炭素消火器は、小さな可燃性液体火災や電気火災には効果的ですが、通常の可燃性火災には効果がありません。これは、燃焼物質を十分に冷却せず、二酸化炭素が拡散すると大気中の酸素に触れて発火する可能性があるためです。これらは主にサーバー室で使用されます。[ 132 ]
二酸化炭素は、特定の危険物への局所的な適用や保護空間の全面的な浸水のための固定式防火システムにおける消火剤としても広く使用されてきました。[ 133 ]国際海事機関の基準では、船倉や機関室の防火のための二酸化炭素システムが認められています。二酸化炭素ベースの防火システムは、十分に高い濃度では窒息を引き起こす可能性があるため、いくつかの死亡事故と関連付けられています。CO2システムのレビューでは、 1975年から報告書作成日（2000年）までの間に51件の事故が確認され、72人の死亡と145人の負傷が発生しました。[ 134 ]
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ます。[ 135 ]二酸化炭素は、有機塩素化合物などの従来型の溶媒よりも毒性の低い代替品として、医薬品やその他の化学処理産業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業者でも使用されています。超臨界二酸化炭素の特性により、一部のエアロゲルの製造にも使用されています。
液体および固体の二酸化炭素は重要な冷媒であり、特に食品業界では、アイスクリームやその他の冷凍食品の輸送や保管に利用されています。固体の二酸化炭素は「ドライアイス」と呼ばれ、冷凍設備の使用が現実的でない小規模な輸送に使用されます。固体の二酸化炭素は、気温に関係なく、通常の気圧下では常に-78.5 ℃（-109.3 °F）以下です。
液体二酸化炭素（工業用語では 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）が使用される以前は冷媒として使用されていました。[ 136 ] CO2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 CO2 よりも気候変動に寄与しているため、再び注目を集めるかもしれません。CO2の物理的特性は、体積冷却能力が高いため、冷却、冷凍、暖房の目的に非常に適しています。CO2システムでは、最大130 bar（1,900 psi、13,000 kPa）の圧力で動作する必要があるため、機械的に非常に耐性のあるリザーバーとコンポーネントが必要であり、これらはすでに多くの分野で大量生産用に開発されています。自動車のエアコンでは、緯度が50°を超えるすべての運転条件の90%以上において、CO 2 (R744) は HFC (R134a など) 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、オゾン層を破壊しない、無毒、不燃性) により、自動車、スーパーマーケット、ヒートポンプ給湯器などで現在の HFC に代わる将来の作動流体となる可能性があります。コカ・コーラはCO 2ベースの飲料クーラーを実用化しており、米陸軍はCO 2冷凍および暖房技術に関心を持っています。[ 137 ] [ 138 ]
二酸化炭素は二酸化炭素レーザーの発振媒体であり、二酸化炭素レーザーは最も初期のタイプのレーザーの一つである。
二酸化炭素は、プールのpHを制御する手段として使用できます[ 139 ]。水にガスを継続的に添加することで、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）酸の取り扱いを避けることができることです。同様に、サンゴ礁水槽の維持にも使用され、炭酸カルシウムリアクターで一般的に使用され、炭酸カルシウムを通過する水のpHを一時的に下げて、炭酸カルシウムが水中に溶けやすくします。炭酸カルシウムは、一部のサンゴが骨格を作るために使用します。
英国の先進型ガス冷却炉における原子力発電用の主冷却材として使用されている。
二酸化炭素誘発は、実験動物の安楽死によく用いられる。CO₂投与法としては、動物をCO₂が充填された密閉チャンバーに直接入れる方法や、 CO₂濃度を徐々に上昇させる方法などがある。米国獣医学協会（AVMA）の2020年版二酸化炭素誘発ガイドラインでは、小型げっ歯類の安楽死には、チャンバーまたはケージ容積の30～70%/分の置換率が最適であるとされている。[ 140 ] ： 5、31 CO₂濃度は、動物の苦痛を最小限に抑える最適な濃度に基づいて、種によって異なる。[ 140 ]： 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ている。
二酸化炭素は、独立した物質として記述された最初の気体でした。1640 年頃、[ 141 ]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、生成された灰の質量が元の木炭の質量よりもはるかに少ないことを観察しました。彼の解釈では、残りの木炭は目に見えない物質に変化し、彼はそれを「ガス」（ギリシャ語の「カオス」に由来）または「野生の精霊」（spiritus sylvestris）と呼びました。[ 142 ]
二酸化炭素の性質は、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ました。彼は、石灰石（炭酸カルシウム）を加熱または酸で処理すると、「固定空気」と呼ばれるガスが発生することを発見しました。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ました。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も発見しました。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ました。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」というタイトルの論文を発表し、二酸化炭素を生成するために硫酸（プリーストリーが知っていたのは瀝青油）をチョークに滴下し、ガスと接触している水の入ったボウルをかき混ぜることでガスを溶解させるプロセスを記述しました。[ 143 ]
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（高圧下で）液化されました。[ 144 ]固体二酸化炭素（ドライアイス）の最も初期の記述は、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なされました。彼は1835年に加圧された液体二酸化炭素の容器を開けたところ、液体の急速な蒸発によって生じた冷却により、固体のCO2の「雪」ができたのです。[ 145 ] [ 146 ]
二酸化炭素と窒素の組み合わせは、古くからブラックダンプ、スティス、またはチョークダンプとして知られていました。[ b ]他の種類の湿気とともに、鉱山作業や井戸掘削で発生しました。石炭の緩やかな酸化と生物学的プロセスにより酸素が置き換えられ、窒素と二酸化炭素の窒息性の混合物が生成されました。 [ 147 ]
（ルビスコ）は地球上で最も広く存在する酵素であり、葉緑体中の全可溶性タンパク質の 30～50% を占めている。
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図1f
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![{\displaystyle K_{\mathrm {a1} }{\rm {(見かけ)}}={\frac {[\mathrm {HCO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}{\vphantom {A}}^{-}~][\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}]}{[\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}]{}+{}[\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{{\mskip {1mu}}(\mathrm {aq} )}}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3ae2fa07440c037d6054ce4e7ef95c15c59264e7)
