基本性质
碳氧化物之一,是一种无机物,常温下是一种无色无味气体,密度比空气略大,能溶于水,并生成碳酸 。(碳酸饮料基本原理)可以使澄清的石灰水变浑浊,做关于呼吸作用的产物等产生二氧化碳的试验都可以用到 。
制备或来源
可由碳在过量的空气中燃烧或使大理石、石灰石、白云石(主要成分均为CaCO?)煅烧或与酸作用而得 。是石灰、发酵等工业的副产品 。
二氧化碳的用途
气体二氧化碳用于制碱工业、制糖工业,并用于钢铸件的淬火和铅白的制造等 。二氧化碳在焊接领域应用广泛 。如:二氧化碳气体保护焊,是目前生产中应用最多的方法 固态二氧化碳俗称干冰[1],升华时可吸收大量热,因而用作制冷剂,如人工降雨,也常在镁在二氧化碳中燃烧
舞台中用于制造烟雾 。二氧化碳一般不燃烧也不支持燃烧,常温下密度比空气略大,受热膨胀后则会聚集于上方也常被用作灭火剂,但Mg、Na、K等燃烧时不能用CO?来灭火,因为:2Mg + CO?==点燃== 2MgO + C、4Na + CO?==点燃==2Na?O + C、4K + CO?==点燃== 2K?O + C 。二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料,温室中常用二氧化碳作肥料 。光合作用总反应:CO?+ H?O —叶绿体、光照→ C6H12O6 + O?注意:光合作用释放的氧气全部来自水,光合作用的产物不仅是糖类,还有氨基酸(无蛋白质)、脂肪,因此光合作用产物应当是有机物 。各步分反应: 2H?O —光照→ 2[H+] + O?(水的光解) NADP+ + 2e- + H+ → NADPH(递氢) ADP + Pi —→ ATP (递能) CO?+C5化合物→C6化合物(二氧化碳的固定) C6化合物 —ATP、NADPH→(CH?O)n + C5化合物(有机物的生成) 液体二氧化碳密度11克/厘米3 。液体二氧化碳蒸发时或在加压冷却时可凝成固体二氧化碳,俗称干冰,是一种低温致冷剂,密度为156克/厘米3 。二氧化碳能溶于水,20℃时每100体积水可溶88体积二氧化碳,一部分跟水反应生成碳酸 。化学性质稳定,没有可燃性,一般不支持燃烧,但活泼金属可在二氧化碳中燃烧,如点燃的镁条可在二氧化碳中燃烧生成氧化镁和碳 。二氧化碳是酸性氧化物,可跟碱或碱性氧化物反应生成碳酸盐 。跟氨水反应生成碳酸氢铵 。无毒,但空气中二氧化碳含量过高时,也会使人因缺氧而发生窒息 。绿色植物能将二氧化碳跟水在光合作用下合成有机物 。二氧化碳可用于制造碳酸氢铵、小苏打、纯碱、尿素、铅白颜料、饮料、灭火器以及铸钢件的淬火 。二氧化碳在大气中约占总体积的003%,人呼出的气体中二氧化碳约占4% 。实验室中常用盐酸跟大理石反应制取二氧化碳,工业上用煅烧石灰石或酿酒的发酵气中来获得二氧化碳 。
二氧化碳的制法
工业制法
高温煅烧石灰石 CaCO?==高温== CaO + CO?↑
实验室制法
大理石或石灰石和盐酸反应通常需要对气体进行除杂干燥,盐酸反应时会挥发出氯化氢(HCl)气体,所以要通过饱和碳酸氢钠(NaHCO?)溶液除去气体中的氯化氢 。溶液中的反应,气体溢出时会带出水蒸气,所以要求严格或必要时要对气体进行干燥,通常用装有浓硫酸的洗气瓶进行干燥 。
CaCO?+ 2HCl ==== CaCl?+ H?O + CO?↑ 另外,不能用碳酸钠和盐酸反应制取,因为反应速率太快,不易收集;不能用碳酸钙和浓盐酸反应,因为浓盐酸易挥发出大量氯化氢气体,使碳酸氢钠无法完全去除,制得的二氧化碳纯度会下降;也不能用碳酸钙和稀硫酸反应收集,因为反应会生成难溶的硫酸钙,硫酸根会附着在碳酸钙表面,使碳酸钙无法与酸接触,影响反应的继续 。
民间制法
小苏打(碳酸氢钠)和白醋反应 NaHCO?+ CH?COOH ==== CH?COONa + H?O + CO?↑
其他性质
二氧化碳在常温常压下为无色而略带刺鼻气味和微酸味的气体 。CO?分子有16个价电子,基态为线性分子,属D∞h 点群 。CO?分子中碳氧键键长为116pm,介于碳氧双键(乙醛中C=O键长为124pm)和碳氧三键(CO分子中C≡O键长为1128pm)之间,说明它已具有一定程度的叁键特性 。因此,有人认为在CO?分子中可能存在着离域的大π键,即碳原子除了与氧原子形成两个键外,还形成两个三中心四电子的大π键 。17世纪初,比利时化学家范·海尔蒙特(JB Van Helmont 1577~1644)在检测木炭燃烧和发酵过程的副产气时,发现二氧化碳 。1757年,J Black第一个应用定量的方法研究这种气体。1773年,拉瓦锡(A L Lavoisier) 把碳放在氧气中加热,得到被他称为“碳酸”的二氧化碳气体,测出质量组成为碳235~289%,氧711~765% 。1823年,迈克尔·法拉第(M Faraday)发现,加压可以使二氧化碳气体液化 。1835年,M Thilorier制得固态二氧化碳(干冰) 。1884年,在德国建成第一家生产液态二氧化碳的工厂 。在自然界中二氧化碳含量丰富,为大气组成的一部分 。二氧化碳也包含在某些天然气或油田伴生气中以及碳酸盐形成的矿石中 。大气里含二氧化碳为003~004%(体积比),总量约275×1012t, 主要由含碳物质燃烧和动物的新陈代谢产生 。在国民经济各部门,二氧化碳有着十分广泛的用途 。二氧化碳产品主要是从合成氨制氢气过程气、发酵气、石灰窑气、酸中和气、乙烯氧化副反应气和烟道气等气体中提取和回收,目前,商用产品的纯度不低于99%(体积) 。
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