二氧化碳（Carbon Dioxide）

二氧化碳（Carbon Dioxide）
國立台灣師範大學化學研究所碩士生劉嘉倫/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

二氧化碳是由兩個氧原子共價鍵於一個碳原子所組成的化合物，化學式是CO₂，在正常的溫度及壓力下是以氣體的形式存在。在低濃度時，二氧化碳是無色、無味的氣體，且不易燃。當吸入高濃度時，會感覺鼻子和咽喉有刺痛感，這是由於氣體溶解在粘膜和唾液，形成了微弱的碳酸。在標準溫度和壓力下，二氧化碳的密度大約是1.98 kg/m³，約為空氣的1.5倍，二氧化碳分子是線型結構包含兩個雙鍵。

在一大氣壓、溫度- 78 ℃下二氧化碳會直接沉積成固態，當溫度一上升時就會直接從固態昇華為氣態，而不會產生液體，所以我們稱固態的二氧化碳為乾冰。它是在1825年首次被一個法國化學家Charles Thilorier發現，由於乾冰的溫度非常低，所以常被用來保持物體的冷凍或低溫狀態，而且相對來說比較便宜，所以常常可以在食品包裝、實驗室甚至於航運業看到它被廣泛運用。

二氧化碳是第一個被描述不同於空氣的物質，十七世紀，荷蘭化學家Jan Baptist van Helmont發現當他在一個密閉容器內燃燒木炭，燃燒完的木炭重量遠低於原來的木炭，他解釋說相差的重量是木炭已經轉變成一種無形的物質，它稱之為”氣體”。在1750年，一個蘇格蘭的醫生Joseph Black更徹底的研究了二氧化碳的特性，他發現將石灰岩（碳酸鈣）加熱或和酸反應會產生一種它稱為”固定空氣”的氣體，他指出，固定空氣的密度高於空氣而且不助燃，Black還發現將此氣體通過石灰（氫氧化鈣）水溶液，會有碳酸鈣沉澱。

二氧化碳是大氣中最豐富的氣體之一，在植物和動物進行光合作用或呼吸作用時扮演重要的角色。綠色植物在進行光合作用時將二氧化碳和水轉換成葡萄糖和氧氣：
C₆H₁₂O₆+ 6 O₂→ 6 CO₂ + 6 H₂O
二氧化碳的製備有很多種方法，例如將鹽酸和碳酸鈣反應：
2 HCl + CaCO₃ → CaCl₂ + H₂CO₃
然後H₂CO₃會分解成水和二氧化碳，這種方法被廣泛運用在工業合成上，因為他們可以用來中和廢酸液。另外在生產生石灰(氧化鈣)的過程中也會產生二氧化碳，將石灰石加熱約850 ℃：
CaCO₃→ CaO + CO₂
燃燒含碳燃料如甲烷、石油蒸餾物（汽油、柴油、煤油、丙烷），還有煤炭和木材也會產生二氧化碳和水，用甲烷當例子其化學反應式為：
CH₄+ 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O
鐵氧化物和焦碳在高爐中進行氧化還原反應產生生鐵和二氧化碳：
2 FeO₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO₂
酵母代謝糖後產生二氧化碳和酒精：
C₆H₁₂O₆ →2 CO₂ + 2 C₂H₅OH

所有好氧生物體在氧化細胞中碳水合物、脂肪酸和蛋白質時都會產生二氧化碳，大部分的反應是極其複雜而且不易描述的。

二氧化碳可以改變水的PH值，它的原理是二氧化碳會略溶於水形成碳酸：
CO₂ + H₂O → H₂CO ₃
然後碳酸在水中會進行可逆反應產生陽離子和碳酸氫根離子：

這種化學行為解釋了為什麼當水暴露在空氣中後會由中性pH值7變成酸性ｐH值5.5。

二氧化碳也是溫室氣體之一，近年來人類活動大大增加了大氣中二氧化碳和其他溫室氣體的濃度，使的地球上溫室效應加強，而造成全球暖化，為了制止這種現象愈趨嚴重，現在各國都在提倡降低溫室氣體的排放。