Как пишется диоксид углерода

Carbon dioxide

Names
Other names Carbonic acid gas Carbonic anhydride Carbonic dioxide Carbon(IV) oxide R-744 (refrigerant) R744 (refrigerant alternative spelling) Dry ice (solid phase)
Identifiers
CAS Number	124-38-9
3D model (JSmol)	Interactive image Interactive image
3DMet	B01131
Beilstein Reference	1900390
ChEBI	CHEBI:16526
ChEMBL	ChEMBL1231871
ChemSpider	274
ECHA InfoCard	100.004.271
EC Number	204-696-9
E number	E290 (preservatives)
Gmelin Reference	989
KEGG	D00004
MeSH	Carbon+dioxide
PubChem CID	280
RTECS number	FF6400000
UNII	142M471B3J
UN number	1013 (gas), 1845 (solid)
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID4027028
InChI InChI=1S/CO2/c2-1-3  Key: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N  InChI=1/CO2/c2-1-3 Key: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYAO
SMILES O=C=O C(=O)=O
Properties
Chemical formula	CO2
Molar mass	44.009 g·mol−1
Appearance	Colorless gas
Odor	Low concentrations: none High concentrations: sharp; acidic[1]
Density	1562 kg/m3 (solid at 1 atm (100 kPa) and −78.5 °C (−109.3 °F)) 1101 kg/m3 (liquid at saturation −37 °C (−35 °F)) 1.977 kg/m3 (gas at 1 atm (100 kPa) and 0 °C (32 °F))
Critical point (T, P)	304.128(15) K[2] (30.978(15) °C), 7.3773(30) MPa[2] (72.808(30) atm)
Sublimation conditions	194.6855(30) K (−78.4645(30) °C) at 1 atm (0.101325 MPa)
Solubility in water	1.45 g/L at 25 °C (77 °F), 100 kPa (0.99 atm)
Vapor pressure	5.7292(30) MPa, 56.54(30) atm (20 °C (293.15 K))
Acidity (pKa)	6.35, 10.33
Magnetic susceptibility (χ)	−20.5·10−6 cm3/mol
Thermal conductivity	0.01662 W·m−1·K−1 (300 K (27 °C; 80 °F))[3]
Refractive index (nD)	1.00045
Viscosity	14.90 μPa·s at 25 °C (298 K)[4] 70 μPa·s at −78.5 °C (194.7 K)
Dipole moment	0 D
Structure
Crystal structure	Trigonal
Molecular shape	Linear
Thermochemistry
Heat capacity (C)	37.135 J/K·mol
Std molar entropy (S⦵298)	214 J·mol−1·K−1
Std enthalpy of formation (ΔfH⦵298)	−393.5 kJ·mol−1
Pharmacology
ATC code	V03AN02 (WHO)
Hazards
NFPA 704 (fire diamond)	[7][8] 2 0 0 SA
Lethal dose or concentration (LD, LC):
LCLo (lowest published)	90,000 ppm (human, 5 min)[6]
NIOSH (US health exposure limits):
PEL (Permissible)	TWA 5000 ppm (9000 mg/m3)[5]
REL (Recommended)	TWA 5000 ppm (9000 mg/m3), ST 30,000 ppm (54,000 mg/m3)[5]
IDLH (Immediate danger)	40,000 ppm[5]
Safety data sheet (SDS)	Sigma-Aldrich
Related compounds
Other anions	Carbon disulfide Carbon diselenide Carbon ditelluride
Other cations	Silicon dioxide Germanium dioxide Tin dioxide Lead dioxide
Related carbon oxides	Carbon monoxide Carbon suboxide Dicarbon monoxide Carbon trioxide
Related compounds	Carbonic acid Carbonyl sulfide
Supplementary data page
Carbon dioxide (data page)
Except where otherwise noted, data are given for materials in their standard state (at 25 °C [77 °F], 100 kPa).  verify (what is  ?) Infobox references

Carbon dioxide (chemical formula CO₂) is a chemical compound made up of molecules that each have one carbon atom covalently double bonded to two oxygen atoms. It is found in the gas state at room temperature. In the air, carbon dioxide is transparent to visible light but absorbs infrared radiation, acting as a greenhouse gas. It is a trace gas in Earth’s atmosphere at 421 parts per million (ppm), or about 0.04% by volume (as of May 2022), having risen from pre-industrial levels of 280 ppm.^[9][10] Burning fossil fuels is the primary cause of these increased CO₂ concentrations and also the primary cause of climate change.^[11] Carbon dioxide is soluble in water and is found in groundwater, lakes, ice caps, and seawater. When carbon dioxide dissolves in water, it forms carbonic acid (H₂CO₃), which causes ocean acidification as atmospheric CO₂ levels increase.^[12]

As the source of available carbon in the carbon cycle, atmospheric CO₂ is the primary carbon source for life on Earth. Its concentration in Earth’s pre-industrial atmosphere since late in the Precambrian has been regulated by organisms and geological phenomena. Plants, algae and cyanobacteria use energy from sunlight to synthesize carbohydrates from carbon dioxide and water in a process called photosynthesis, which produces oxygen as a waste product.^[13] In turn, oxygen is consumed and CO₂ is released as waste by all aerobic organisms when they metabolize organic compounds to produce energy by respiration.^[14] CO₂ is released from organic materials when they decay or combust, such as in forest fires. Since plants require CO₂ for photosynthesis, and humans and animals depend on plants for food, CO₂ is necessary for the survival of life on earth.

Carbon dioxide is 53% more dense than dry air, but is long lived and thoroughly mixes in the atmosphere. About half of excess CO₂ emissions to the atmosphere are absorbed by land and ocean carbon sinks.^[15] These sinks can become saturated and are volatile, as decay and wildfires result in the CO₂ being released back into the atmosphere.^[16] CO₂ is eventually sequestered (stored for the long term) in rocks and organic deposits like coal, petroleum and natural gas. Sequestered CO₂ is released into the atmosphere through burning fossil fuels or naturally by volcanoes, hot springs, geysers, and when carbonate rocks dissolve in water or react with acids.

CO₂ is a versatile industrial material, used, for example, as an inert gas in welding and fire extinguishers, as a pressurizing gas in air guns and oil recovery, and as a supercritical fluid solvent in decaffeination of coffee and supercritical drying.^[17] It is a byproduct of fermentation of sugars in bread, beer and wine making, and is added to carbonated beverages like seltzer and beer for effervescence. It has a sharp and acidic odor and generates the taste of soda water in the mouth,^[18] but at normally encountered concentrations it is odorless.^[1]

Chemical and physical properties

Structure, bonding and molecular vibrations

The symmetry of a carbon dioxide molecule is linear and centrosymmetric at its equilibrium geometry. The length of the carbon-oxygen bond in carbon dioxide is 116.3 pm, noticeably shorter than the roughly 140-pm length of a typical single C–O bond, and shorter than most other C–O multiply-bonded functional groups such as carbonyls.^[19] Since it is centrosymmetric, the molecule has no electric dipole moment.

As a linear triatomic molecule, CO₂ has four vibrational modes as shown in the diagram. In the symmetric and the antisymmetric stretching modes, the atoms move along the axis of the molecule. There are two bending modes, which are degenerate, meaning that they have the same frequency and same energy, because of the symmetry of the molecule. When a molecule touches a surface or touches another molecule, the two bending modes can differ in frequency because the interaction is different for the two modes. Some of the vibrational modes are observed in the infrared (IR) spectrum: the antisymmetric stretching mode at wavenumber 2349 cm⁻¹ (wavelength 4.25 μm) and the degenerate pair of bending modes at 667 cm⁻¹ (wavelength 15 μm). The symmetric stretching mode does not create an electric dipole so is not observed in IR spectroscopy, but it is detected in by Raman spectroscopy at 1388 cm⁻¹ (wavelength 7.2 μm).^[20]

In the gas phase, carbon dioxide molecules undergo significant vibrational motions and do not keep a fixed structure. However, in a Coulomb explosion imaging experiment, an instantaneous image of the molecular structure can be deduced. Such an experiment^[21] has been performed for carbon dioxide.
The result of this experiment, and the conclusion of theoretical calculations^[22] based on an ab initio potential energy surface of the molecule, is that none of the
molecules in the gas phase are ever exactly linear. This counter-intuitive result is trivially due to
the fact that the nuclear motion volume element vanishes for linear geometries.^[22]
This is so for all molecules (except diatomics!).

In aqueous solution

Carbon dioxide is soluble in water, in which it reversibly forms H₂CO₃ (carbonic acid), which is a weak acid since its ionization in water is incomplete.

The hydration equilibrium constant of carbonic acid is, at 25 °C:

Hence, the majority of the carbon dioxide is not converted into carbonic acid, but remains as CO₂ molecules, not affecting the pH.

The relative concentrations of CO₂, H₂CO₃, and the deprotonated forms HCO−3 (bicarbonate) and CO2−3(carbonate) depend on the pH. As shown in a Bjerrum plot, in neutral or slightly alkaline water (pH > 6.5), the bicarbonate form predominates (>50%) becoming the most prevalent (>95%) at the pH of seawater. In very alkaline water (pH > 10.4), the predominant (>50%) form is carbonate. The oceans, being mildly alkaline with typical pH = 8.2–8.5, contain about 120 mg of bicarbonate per liter.

Being diprotic, carbonic acid has two acid dissociation constants, the first one for the dissociation into the bicarbonate (also called hydrogen carbonate) ion (HCO−3):

K_a1 = 2.5×10⁻⁴ mol/L; pK_a1 = 3.6 at 25 °C.^[19]

This is the true first acid dissociation constant, defined as

where the denominator includes only covalently bound H₂CO₃ and does not include hydrated CO_2(aq). The much smaller and often-quoted value near 4.16×10⁻⁷ is an apparent value calculated on the (incorrect) assumption that all dissolved CO₂ is present as carbonic acid, so that

Since most of the dissolved CO₂remains as CO₂ molecules, K_a1(apparent) has a much larger denominator and a much smaller value than the true K_a1.^[23]

The bicarbonate ion is an amphoteric species that can act as an acid or as a base, depending on pH of the solution. At high pH, it dissociates significantly into the carbonate ion (CO2−3):

K_a2 = 4.69×10⁻¹¹ mol/L; pK_a2 = 10.329

In organisms carbonic acid production is catalysed by the enzyme, carbonic anhydrase.

Chemical reactions of CO₂

CO₂ is a potent electrophile having an electrophilic reactivity that is comparable to benzaldehyde or strong α,β-unsaturated carbonyl compounds. However, unlike electrophiles of similar reactivity, the reactions of nucleophiles with CO₂ are thermodynamically less favored and are often found to be highly reversible.^[24] Only very strong nucleophiles, like the carbanions provided by Grignard reagents and organolithium compounds react with CO₂ to give carboxylates:

where M = Li or Mg Br and R = alkyl or aryl.

In metal carbon dioxide complexes, CO₂ serves as a ligand, which can facilitate the conversion of CO₂ to other chemicals.^[25]

The reduction of CO₂ to CO is ordinarily a difficult and slow reaction:

Photoautotrophs (i.e. plants and cyanobacteria) use the energy contained in sunlight to photosynthesize simple sugars from CO₂ absorbed from the air and water:

The redox potential for this reaction near pH 7 is about −0.53 V versus the standard hydrogen electrode. The nickel-containing enzyme carbon monoxide dehydrogenase catalyses this process.^[26]

Physical properties

Carbon dioxide is colorless. At low concentrations the gas is odorless; however, at sufficiently high concentrations, it has a sharp, acidic odor.^[1] At standard temperature and pressure, the density of carbon dioxide is around 1.98 kg/m³, about 1.53 times that of air.^[27]

Carbon dioxide has no liquid state at pressures below 0.51795(10) MPa^[2] (5.11177(99) atm). At a pressure of 1 atm (0.101325 MPa), the gas deposits directly to a solid at temperatures below 194.6855(30) K^[2] (−78.4645(30) °C) and the solid sublimes directly to a gas above this temperature. In its solid state, carbon dioxide is commonly called dry ice.

Liquid carbon dioxide forms only at pressures above 0.51795(10) MPa^[2] (5.11177(99) atm); the triple point of carbon dioxide is 216.592(3) K^[2] (−56.558(3) °C) at 0.51795(10) MPa^[2] (5.11177(99) atm) (see phase diagram). The critical point is 304.128(15) K^[2] (30.978(15) °C) at 7.3773(30) MPa^[2] (72.808(30) atm). Another form of solid carbon dioxide observed at high pressure is an amorphous glass-like solid.^[28] This form of glass, called carbonia, is produced by supercooling heated CO₂ at extreme pressures (40–48 GPa, or about 400,000 atmospheres) in a diamond anvil. This discovery confirmed the theory that carbon dioxide could exist in a glass state similar to other members of its elemental family, like silicon dioxide (silica glass) and germanium dioxide. Unlike silica and germania glasses, however, carbonia glass is not stable at normal pressures and reverts to gas when pressure is released.

At temperatures and pressures above the critical point, carbon dioxide behaves as a supercritical fluid known as supercritical carbon dioxide.

Table of thermal and physical properties of saturated liquid carbon dioxide:^[29][30]

Temperature (°C)	Density (kg/m^3)	Specific heat (kJ/kg K)	Kinematic viscosity (m^2/s)	Conductivity (W/m K)	Thermal diffusivity (m^2/s)	Prandtl Number	Bulk modulus (K^-1)
-50	1156.34	1.84	1.19E-07	0.0855	4.02E-08	2.96	—
-40	1117.77	1.88	1.18E-07	0.1011	4.81E-08	2.46	—
-30	1076.76	1.97	1.17E-07	0.1116	5.27E-08	2.22	—
-20	1032.39	2.05	1.15E-07	0.1151	5.45E-08	2.12	—
-10	983.38	2.18	1.13E-07	0.1099	5.13E-08	2.2	—
0	926.99	2.47	1.08E-07	0.1045	4.58E-08	2.38	—
10	860.03	3.14	1.01E-07	0.0971	3.61E-08	2.8	—
20	772.57	5	9.10E-08	0.0872	2.22E-08	4.1	1.40E-02
30	597.81	36.4	8.00E-08	0.0703	0.279E-08	28.7	—

Table of thermal and physical properties of carbon dioxide (CO2) at atmospheric pressure:^[29][30]

Temperature (K)	Density (kg/m^3)	Specific heat (kJ/kg °C)	Dynamic viscosity (kg/m s)	Kinematic viscosity (m^2/s)	Thermal conductivity (W/m °C)	Thermal diffusivity (m^2/s)	Prandtl Number
220	2.4733	0.783	1.11E-05	4.49E-06	0.010805	5.92E-06	0.818
250	2.1657	0.804	1.26E-05	5.81E-06	0.012884	7.40E-06	0.793
300	1.7973	0.871	1.50E-05	8.32E-06	0.016572	1.06E-05	0.77
350	1.5362	0.9	1.72E-05	1.12E-05	0.02047	1.48E-05	0.755
400	1.3424	0.942	1.93E-05	1.44E-05	0.02461	1.95E-05	0.738
450	1.1918	0.98	2.13E-05	1.79E-05	0.02897	2.48E-05	0.721
500	1.0732	1.013	2.33E-05	2.17E-05	0.03352	3.08E-05	0.702
550	0.9739	1.047	2.51E-05	2.57E-05	0.03821	3.75E-05	0.685
600	0.8938	1.076	2.68E-05	3.00E-05	0.04311	4.48E-05	0.668
650	0.8143	1.1	2.88E-05	3.54E-05	0.0445	4.97E-05	0.712
700	0.7564	1.13E+00	3.05E-05	4.03E-05	0.0481	5.63E-05	0.717
750	0.7057	1.15	3.21E-05	4.55E-05	0.0517	6.37E-05	0.714
800	0.6614	1.17E+00	3.37E-05	5.10E-05	0.0551	7.12E-05	0.716

Biological role

Carbon dioxide is an end product of cellular respiration in organisms that obtain energy by breaking down sugars, fats and amino acids with oxygen as part of their metabolism. This includes all plants, algae and animals and aerobic fungi and bacteria. In vertebrates, the carbon dioxide travels in the blood from the body’s tissues to the skin (e.g., amphibians) or the gills (e.g., fish), from where it dissolves in the water, or to the lungs from where it is exhaled. During active photosynthesis, plants can absorb more carbon dioxide from the atmosphere than they release in respiration.

Photosynthesis and carbon fixation

Carbon fixation is a biochemical process by which atmospheric carbon dioxide is incorporated by plants, algae and (cyanobacteria) into energy-rich organic molecules such as glucose, thus creating their own food by photosynthesis. Photosynthesis uses carbon dioxide and water to produce sugars from which other organic compounds can be constructed, and oxygen is produced as a by-product.

Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase, commonly abbreviated to RuBisCO, is the enzyme involved in the first major step of carbon fixation, the production of two molecules of 3-phosphoglycerate from CO₂ and ribulose bisphosphate, as shown in the diagram at left.

RuBisCO is thought to be the single most abundant protein on Earth.^[31]

Phototrophs use the products of their photosynthesis as internal food sources and as raw material for the biosynthesis of more complex organic molecules, such as polysaccharides, nucleic acids and proteins. These are used for their own growth, and also as the basis of the food chains and webs that feed other organisms, including animals such as ourselves. Some important phototrophs, the coccolithophores synthesise hard calcium carbonate scales.^[32] A globally significant species of coccolithophore is Emiliania huxleyi whose calcite scales have formed the basis of many sedimentary rocks such as limestone, where what was previously atmospheric carbon can remain fixed for geological timescales.

Plants can grow as much as 50 percent faster in concentrations of 1,000 ppm CO₂ when compared with ambient conditions, though this assumes no change in climate and no limitation on other nutrients.^[33] Elevated CO₂ levels cause increased growth reflected in the harvestable yield of crops, with wheat, rice and soybean all showing increases in yield of 12–14% under elevated CO₂ in FACE experiments.^[34][35]

Increased atmospheric CO₂ concentrations result in fewer stomata developing on plants^[36] which leads to reduced water usage and increased water-use efficiency.^[37] Studies using FACE have shown that CO₂ enrichment leads to decreased concentrations of micronutrients in crop plants.^[38] This may have knock-on effects on other parts of ecosystems as herbivores will need to eat more food to gain the same amount of protein.^[39]

The concentration of secondary metabolites such as phenylpropanoids and flavonoids can also be altered in plants exposed to high concentrations of CO₂.^[40][41]

Plants also emit CO₂ during respiration, and so the majority of plants and algae, which use C3 photosynthesis, are only net absorbers during the day. Though a growing forest will absorb many tons of CO₂ each year, a mature forest will produce as much CO₂ from respiration and decomposition of dead specimens (e.g., fallen branches) as is used in photosynthesis in growing plants.^[42] Contrary to the long-standing view that they are carbon neutral, mature forests can continue to accumulate carbon^[43] and remain valuable carbon sinks, helping to maintain the carbon balance of Earth’s atmosphere. Additionally, and crucially to life on earth, photosynthesis by phytoplankton consumes dissolved CO₂ in the upper ocean and thereby promotes the absorption of CO₂ from the atmosphere.^[44]

Toxicity

Carbon dioxide content in fresh air (averaged between sea-level and 10 kPa level, i.e., about 30 km (19 mi) altitude) varies between 0.036% (360 ppm) and 0.041% (412 ppm), depending on the location.^{[46][clarification needed]}

CO₂ is an asphyxiant gas and not classified as toxic or harmful in accordance with Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals standards of United Nations Economic Commission for Europe by using the OECD Guidelines for the Testing of Chemicals. In concentrations up to 1% (10,000 ppm), it will make some people feel drowsy and give the lungs a stuffy feeling.^[45] Concentrations of 7% to 10% (70,000 to 100,000 ppm) may cause suffocation, even in the presence of sufficient oxygen, manifesting as dizziness, headache, visual and hearing dysfunction, and unconsciousness within a few minutes to an hour.^[47] The physiological effects of acute carbon dioxide exposure are grouped together under the term hypercapnia, a subset of asphyxiation.

Because it is heavier than air, in locations where the gas seeps from the ground (due to sub-surface volcanic or geothermal activity) in relatively high concentrations, without the dispersing effects of wind, it can collect in sheltered/pocketed locations below average ground level, causing animals located therein to be suffocated. Carrion feeders attracted to the carcasses are then also killed. Children have been killed in the same way near the city of Goma by CO₂ emissions from the nearby volcano Mount Nyiragongo.^[48] The Swahili term for this phenomenon is mazuku.

Adaptation to increased concentrations of CO₂ occurs in humans, including modified breathing and kidney bicarbonate production, in order to balance the effects of blood acidification (acidosis). Several studies suggested that 2.0 percent inspired concentrations could be used for closed air spaces (e.g. a submarine) since the adaptation is physiological and reversible, as deterioration in performance or in normal physical activity does not happen at this level of exposure for five days.^[49][50] Yet, other studies show a decrease in cognitive function even at much lower levels.^[51][52] Also, with ongoing respiratory acidosis, adaptation or compensatory mechanisms will be unable to reverse such condition.

Below 1%

There are few studies of the health effects of long-term continuous CO₂ exposure on humans and animals at levels below 1%. Occupational CO₂ exposure limits have been set in the United States at 0.5% (5000 ppm) for an eight-hour period.^[53] At this CO₂ concentration, International Space Station crew experienced headaches, lethargy, mental slowness, emotional irritation, and sleep disruption.^[54] Studies in animals at 0.5% CO₂ have demonstrated kidney calcification and bone loss after eight weeks of exposure.^[55] A study of humans exposed in 2.5 hour sessions demonstrated significant negative effects on cognitive abilities at concentrations as low as 0.1% (1000 ppm) CO₂ likely due to CO₂ induced increases in cerebral blood flow.^[51] Another study observed a decline in basic activity level and information usage at 1000 ppm, when compared to 500 ppm.^[52] However a review of the literature found that most studies on the phenomenon of carbon dioxide induced cognitive impairment to have a small effect on high-level decision making and most of the studies were confounded by inadequate study designs, environmental comfort, uncertainties in exposure doses and differing cognitive assessments used.^[56] Similarly a study on the effects of the concentration of CO₂ in motorcycle helmets has been criticized for having dubious methodology in not noting the self-reports of motorcycle riders and taking measurements using mannequins. Further when normal motorcycle conditions were achieved (such as highway or city speeds) or the visor was raised the concentration of CO₂ declined to safe levels (0.2%).^[57][58]

Ventilation

Poor ventilation is one of the main causes of excessive CO₂ concentrations in closed spaces, leading to poor indoor air quality. Carbon dioxide differential above outdoor concentrations at steady state conditions (when the occupancy and ventilation system operation are sufficiently long that CO₂ concentration has stabilized) are sometimes used to estimate ventilation rates per person.^{[citation needed]} Higher CO₂ concentrations are associated with occupant health, comfort and performance degradation.^[59][60] ASHRAE Standard 62.1–2007 ventilation rates may result in indoor concentrations up to 2,100 ppm above ambient outdoor conditions. Thus if the outdoor concentration is 400 ppm, indoor concentrations may reach 2,500 ppm with ventilation rates that meet this industry consensus standard. Concentrations in poorly ventilated spaces can be found even higher than this (range of 3,000 or 4,000 ppm).

Miners, who are particularly vulnerable to gas exposure due to insufficient ventilation, referred to mixtures of carbon dioxide and nitrogen as «blackdamp», «choke damp» or «stythe». Before more effective technologies were developed, miners would frequently monitor for dangerous levels of blackdamp and other gases in mine shafts by bringing a caged canary with them as they worked. The canary is more sensitive to asphyxiant gases than humans, and as it became unconscious would stop singing and fall off its perch. The Davy lamp could also detect high levels of blackdamp (which sinks, and collects near the floor) by burning less brightly, while methane, another suffocating gas and explosion risk, would make the lamp burn more brightly.

In February 2020, three people died from suffocation at a party in Moscow when dry ice (frozen CO₂) was added to a swimming pool to cool it down.^[61] A similar accident occurred in 2018 when a woman died from CO₂ fumes emanating from the large amount of dry ice she was transporting in her car.^[62]

Outdoor areas with elevated concentrations

Local concentrations of carbon dioxide can reach high values near strong sources, especially those that are isolated by surrounding terrain. At the Bossoleto hot spring near Rapolano Terme in Tuscany, Italy, situated in a bowl-shaped depression about 100 m (330 ft) in diameter, concentrations of CO₂ rise to above 75% overnight, sufficient to kill insects and small animals. After sunrise the gas is dispersed by convection.^[63] High concentrations of CO₂ produced by disturbance of deep lake water saturated with CO₂ are thought to have caused 37 fatalities at Lake Monoun, Cameroon in 1984 and 1700 casualties at Lake Nyos, Cameroon in 1986.^[64]

Human physiology

Content

Reference ranges or averages for partial pressures of carbon dioxide (abbreviated pCO₂)

Blood compartment	(kPa)	(mm Hg)
Venous blood carbon dioxide	5.5–6.8	41–51[65]	41–51[65]
Alveolar pulmonary gas pressures	4.8	36	36
Arterial blood carbon dioxide	4.7–6.0	35–45[65]	35–45[65]

The body produces approximately 2.3 pounds (1.0 kg) of carbon dioxide per day per person,^[66] containing 0.63 pounds (290 g) of carbon. In humans, this carbon dioxide is carried through the venous system and is breathed out through the lungs, resulting in lower concentrations in the arteries. The carbon dioxide content of the blood is often given as the partial pressure, which is the pressure which carbon dioxide would have had if it alone occupied the volume.^[67] In humans, the blood carbon dioxide contents is shown in the adjacent table.

Transport in the blood

CO₂ is carried in blood in three different ways. (Exact percentages vary between arterial and venous blood).

• Majority (about 70% to 80%) is converted to bicarbonate ions HCO−3 by the enzyme carbonic anhydrase in the red blood cells,^[68] by the reaction CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → H⁺ + HCO−3.
• 5–10% is dissolved in blood plasma^[68]
• 5–10% is bound to hemoglobin as carbamino compounds^[68]

Hemoglobin, the main oxygen-carrying molecule in red blood cells, carries both oxygen and carbon dioxide. However, the CO₂ bound to hemoglobin does not bind to the same site as oxygen. Instead, it combines with the N-terminal groups on the four globin chains. However, because of allosteric effects on the hemoglobin molecule, the binding of CO₂ decreases the amount of oxygen that is bound for a given partial pressure of oxygen. This is known as the Haldane Effect, and is important in the transport of carbon dioxide from the tissues to the lungs. Conversely, a rise in the partial pressure of CO₂ or a lower pH will cause offloading of oxygen from hemoglobin, which is known as the Bohr effect.

Regulation of respiration

Carbon dioxide is one of the mediators of local autoregulation of blood supply. If its concentration is high, the capillaries expand to allow a greater blood flow to that tissue.^[69]

Bicarbonate ions are crucial for regulating blood pH. A person’s breathing rate influences the level of CO₂ in their blood. Breathing that is too slow or shallow causes respiratory acidosis, while breathing that is too rapid leads to hyperventilation, which can cause respiratory alkalosis.^[70]

Although the body requires oxygen for metabolism, low oxygen levels normally do not stimulate breathing. Rather, breathing is stimulated by higher carbon dioxide levels. As a result, breathing low-pressure air or a gas mixture with no oxygen at all (such as pure nitrogen) can lead to loss of consciousness without ever experiencing air hunger. This is especially perilous for high-altitude fighter pilots. It is also why flight attendants instruct passengers, in case of loss of cabin pressure, to apply the oxygen mask to themselves first before helping others; otherwise, one risks losing consciousness.^[68]

The respiratory centers try to maintain an arterial CO₂ pressure of 40 mm Hg. With intentional hyperventilation, the CO₂ content of arterial blood may be lowered to 10–20 mm Hg (the oxygen content of the blood is little affected), and the respiratory drive is diminished. This is why one can hold one’s breath longer after hyperventilating than without hyperventilating. This carries the risk that unconsciousness may result before the need to breathe becomes overwhelming, which is why hyperventilation is particularly dangerous before free diving.^[71]

Concentrations and role in the environment

Atmosphere

Oceans

Ocean acidification

Carbon dioxide dissolves in the ocean to form carbonic acid (H₂CO₃), bicarbonate (HCO₃⁻) and carbonate (CO₃²⁻). There is about fifty times as much carbon dioxide dissolved in the oceans as exists in the atmosphere. The oceans act as an enormous carbon sink, and have taken up about a third of CO₂ emitted by human activity.^[90]

Hydrothermal vents

Carbon dioxide is also introduced into the oceans through hydrothermal vents. The Champagne hydrothermal vent, found at the Northwest Eifuku volcano in the Mariana Trench, produces almost pure liquid carbon dioxide, one of only two known sites in the world as of 2004, the other being in the Okinawa Trough.^[94] The finding of a submarine lake of liquid carbon dioxide in the Okinawa Trough was reported in 2006.^[95]

Production

Biological processes

Carbon dioxide is a by-product of the fermentation of sugar in the brewing of beer, whisky and other alcoholic beverages and in the production of bioethanol. Yeast metabolizes sugar to produce CO₂ and ethanol, also known as alcohol, as follows:

All aerobic organisms produce CO₂ when they oxidize carbohydrates, fatty acids, and proteins. The large number of reactions involved are exceedingly complex and not described easily. Refer to (cellular respiration, anaerobic respiration and photosynthesis). The equation for the respiration of glucose and other monosaccharides is:

Anaerobic organisms decompose organic material producing methane and carbon dioxide together with traces of other compounds.^[96] Regardless of the type of organic material, the production of gases follows well defined kinetic pattern. Carbon dioxide comprises about 40–45% of the gas that emanates from decomposition in landfills (termed «landfill gas»). Most of the remaining 50–55% is methane.^[97]

Industrial processes

Carbon dioxide can be obtained by distillation from air, but the method is inefficient. Industrially, carbon dioxide is predominantly an unrecovered waste product, produced by several methods which may be practiced at various scales.^[98]

Combustion

The combustion of all carbon-based fuels, such as methane (natural gas), petroleum distillates (gasoline, diesel, kerosene, propane), coal, wood and generic organic matter produces carbon dioxide and, except in the case of pure carbon, water. As an example, the chemical reaction between methane and oxygen:

Iron is reduced from its oxides with coke in a blast furnace, producing pig iron and carbon dioxide:^[99]

By-product from hydrogen production

Carbon dioxide is a byproduct of the industrial production of hydrogen by steam reforming and the water gas shift reaction in ammonia production. These processes begin with the reaction of water and natural gas (mainly methane).^[100] This is a major source of food-grade carbon dioxide for use in carbonation of beer and soft drinks, and is also used for stunning animals such as poultry. In the summer of 2018 a shortage of carbon dioxide for these purposes arose in Europe due to the temporary shut-down of several ammonia plants for maintenance.^[101]

Thermal decomposition of limestone

It is produced by thermal decomposition of limestone, CaCO₃ by heating (calcining) at about 850 °C (1,560 °F), in the manufacture of quicklime (calcium oxide, CaO), a compound that has many industrial uses:

Acids liberate CO₂ from most metal carbonates. Consequently, it may be obtained directly from natural carbon dioxide springs, where it is produced by the action of acidified water on limestone or dolomite. The reaction between hydrochloric acid and calcium carbonate (limestone or chalk) is shown below:

The carbonic acid (H₂CO₃) then decomposes to water and CO₂:

Such reactions are accompanied by foaming or bubbling, or both, as the gas is released. They have widespread uses in industry because they can be used to neutralize waste acid streams.

Commercial uses

Carbon dioxide is used by the food industry, the oil industry, and the chemical industry.^[98]
The compound has varied commercial uses but one of its greatest uses as a chemical is in the production of carbonated beverages; it provides the sparkle in carbonated beverages such as soda water, beer and sparkling wine.

Precursor to chemicals

This section needs expansion. You can help by adding to it. (July 2014)

In the chemical industry, carbon dioxide is mainly consumed as an ingredient in the production of urea, with a smaller fraction being used to produce methanol and a range of other products.^[102] Some carboxylic acid derivatives such as sodium salicylate are prepared using CO₂ by the Kolbe–Schmitt reaction.^[103]

In addition to conventional processes using CO₂ for chemical production, electrochemical methods are also being explored at a research level. In particular, the use of renewable energy for production of fuels from CO₂ (such as methanol) is attractive as this could result in fuels that could be easily transported and used within conventional combustion technologies but have no net CO₂ emissions.^[104]

Agriculture

Plants require carbon dioxide to conduct photosynthesis. The atmospheres of greenhouses may (if of large size, must) be enriched with additional CO₂ to sustain and increase the rate of plant growth.^[105][106] At very high concentrations (100 times atmospheric concentration, or greater), carbon dioxide can be toxic to animal life, so raising the concentration to 10,000 ppm (1%) or higher for several hours will eliminate pests such as whiteflies and spider mites in a greenhouse.^[107]

Foods

Carbon dioxide is a food additive used as a propellant and acidity regulator in the food industry. It is approved for usage in the EU^[108] (listed as E number E290), US^[109] and Australia and New Zealand^[110] (listed by its INS number 290).

A candy called Pop Rocks is pressurized with carbon dioxide gas^[111] at about 4,000 kPa (40 bar; 580 psi). When placed in the mouth, it dissolves (just like other hard candy) and releases the gas bubbles with an audible pop.

Leavening agents cause dough to rise by producing carbon dioxide.^[112] Baker’s yeast produces carbon dioxide by fermentation of sugars within the dough, while chemical leaveners such as baking powder and baking soda release carbon dioxide when heated or if exposed to acids.

Beverages

Carbon dioxide is used to produce carbonated soft drinks and soda water. Traditionally, the carbonation of beer and sparkling wine came about through natural fermentation, but many manufacturers carbonate these drinks with carbon dioxide recovered from the fermentation process. In the case of bottled and kegged beer, the most common method used is carbonation with recycled carbon dioxide. With the exception of British real ale, draught beer is usually transferred from kegs in a cold room or cellar to dispensing taps on the bar using pressurized carbon dioxide, sometimes mixed with nitrogen.

The taste of soda water (and related taste sensations in other carbonated beverages) is an effect of the dissolved carbon dioxide rather than the bursting bubbles of the gas. Carbonic anhydrase 4 converts to carbonic acid leading to a sour taste, and also the dissolved carbon dioxide induces a somatosensory response.^[113]

Winemaking

Carbon dioxide in the form of dry ice is often used during the cold soak phase in winemaking to cool clusters of grapes quickly after picking to help prevent spontaneous fermentation by wild yeast. The main advantage of using dry ice over water ice is that it cools the grapes without adding any additional water that might decrease the sugar concentration in the grape must, and thus the alcohol concentration in the finished wine. Carbon dioxide is also used to create a hypoxic environment for carbonic maceration, the process used to produce Beaujolais wine.

Carbon dioxide is sometimes used to top up wine bottles or other storage vessels such as barrels to prevent oxidation, though it has the problem that it can dissolve into the wine, making a previously still wine slightly fizzy. For this reason, other gases such as nitrogen or argon are preferred for this process by professional wine makers.

Stunning animals

Carbon dioxide is often used to «stun» animals before slaughter.^[114] «Stunning» may be a misnomer, as the animals are not knocked out immediately and may suffer distress.^[115][116]

Inert gas

Carbon dioxide is one of the most commonly used compressed gases for pneumatic (pressurized gas) systems in portable pressure tools. Carbon dioxide is also used as an atmosphere for welding, although in the welding arc, it reacts to oxidize most metals. Use in the automotive industry is common despite significant evidence that welds made in carbon dioxide are more brittle than those made in more inert atmospheres.^{[citation needed]} When used for MIG welding, CO₂ use is sometimes referred to as MAG welding, for Metal Active Gas, as CO₂ can react at these high temperatures. It tends to produce a hotter puddle than truly inert atmospheres, improving the flow characteristics. Although, this may be due to atmospheric reactions occurring at the puddle site. This is usually the opposite of the desired effect when welding, as it tends to embrittle the site, but may not be a problem for general mild steel welding, where ultimate ductility is not a major concern.

Carbon dioxide is used in many consumer products that require pressurized gas because it is inexpensive and nonflammable, and because it undergoes a phase transition from gas to liquid at room temperature at an attainable pressure of approximately 60 bar (870 psi; 59 atm), allowing far more carbon dioxide to fit in a given container than otherwise would. Life jackets often contain canisters of pressured carbon dioxide for quick inflation. Aluminium capsules of CO₂ are also sold as supplies of compressed gas for air guns, paintball markers/guns, inflating bicycle tires, and for making carbonated water. High concentrations of carbon dioxide can also be used to kill pests. Liquid carbon dioxide is used in supercritical drying of some food products and technological materials, in the preparation of specimens for scanning electron microscopy^[117] and in the decaffeination of coffee beans.

Fire extinguisher

Carbon dioxide can be used to extinguish flames by flooding the environment around the flame with the gas. It does not itself react to extinguish the flame, but starves the flame of oxygen by displacing it. Some fire extinguishers, especially those designed for electrical fires, contain liquid carbon dioxide under pressure. Carbon dioxide extinguishers work well on small flammable liquid and electrical fires, but not on ordinary combustible fires, because they do not cool the burning substances significantly, and when the carbon dioxide disperses, they can catch fire upon exposure to atmospheric oxygen. They are mainly used in server rooms.^[118]

Carbon dioxide has also been widely used as an extinguishing agent in fixed fire-protection systems for local application of specific hazards and total flooding of a protected space.^[119] International Maritime Organization standards recognize carbon-dioxide systems for fire protection of ship holds and engine rooms. Carbon-dioxide-based fire-protection systems have been linked to several deaths, because it can cause suffocation in sufficiently high concentrations. A review of CO₂ systems identified 51 incidents between 1975 and the date of the report (2000), causing 72 deaths and 145 injuries.^[120]

Supercritical CO₂ as solvent

Liquid carbon dioxide is a good solvent for many lipophilic organic compounds and is used to remove caffeine from coffee.^[17] Carbon dioxide has attracted attention in the pharmaceutical and other chemical processing industries as a less toxic alternative to more traditional solvents such as organochlorides. It is also used by some dry cleaners for this reason. It is used in the preparation of some aerogels because of the properties of supercritical carbon dioxide.

Medical and pharmacological uses

In medicine, up to 5% carbon dioxide (130 times atmospheric concentration) is added to oxygen for stimulation of breathing after apnea and to stabilize the O₂/CO₂ balance in blood.

Carbon dioxide can be mixed with up to 50% oxygen, forming an inhalable gas; this is known as Carbogen and has a variety of medical and research uses.

Another medical use are the mofette, dry spas that use carbon dioxide from post-volcanic discharge for therapeutic purposes.

Energy

Supercritical CO₂ is used as the working fluid in the Allam power cycle engine.

Fossil fuel recovery

Carbon dioxide is used in enhanced oil recovery where it is injected into or adjacent to producing oil wells, usually under supercritical conditions, when it becomes miscible with the oil. This approach can increase original oil recovery by reducing residual oil saturation by 7–23% additional to primary extraction.^[121] It acts as both a pressurizing agent and, when dissolved into the underground crude oil, significantly reduces its viscosity, and changing surface chemistry enabling the oil to flow more rapidly through the reservoir to the removal well.^[122] In mature oil fields, extensive pipe networks are used to carry the carbon dioxide to the injection points.

In enhanced coal bed methane recovery, carbon dioxide would be pumped into the coal seam to displace methane, as opposed to current methods which primarily rely on the removal of water (to reduce pressure) to make the coal seam release its trapped methane.^[123]

Bio transformation into fuel

It has been proposed that CO₂ from power generation be bubbled into ponds to stimulate growth of algae that could then be converted into biodiesel fuel.^[124] A strain of the cyanobacterium Synechococcus elongatus has been genetically engineered to produce the fuels isobutyraldehyde and isobutanol from CO₂ using photosynthesis.^[125]

Researchers have developed a process called electrolysis, using enzymes isolated from bacteria to power the chemical reactions which convert CO₂ into fuels.^{[126][127][128]}

Refrigerant

Liquid and solid carbon dioxide are important refrigerants, especially in the food industry, where they are employed during the transportation and storage of ice cream and other frozen foods. Solid carbon dioxide is called «dry ice» and is used for small shipments where refrigeration equipment is not practical. Solid carbon dioxide is always below −78.5 °C (−109.3 °F) at regular atmospheric pressure, regardless of the air temperature.

Liquid carbon dioxide (industry nomenclature R744 or R-744) was used as a refrigerant prior to the use^{[citation needed]} of dichlorodifluoromethane (R12, a chlorofluorocarbon (CFC) compound). CO₂ might enjoy a renaissance because one of the main substitutes to CFCs, 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a, a hydrofluorocarbon (HFC) compound) contributes to climate change more than CO₂ does. CO₂ physical properties are highly favorable for cooling, refrigeration, and heating purposes, having a high volumetric cooling capacity. Due to the need to operate at pressures of up to 130 bars (1,900 psi; 13,000 kPa), CO₂ systems require highly mechanically resistant reservoirs and components that have already been developed for mass production in many sectors. In automobile air conditioning, in more than 90% of all driving conditions for latitudes higher than 50°, CO₂ (R744) operates more efficiently than systems using HFCs (e.g., R134a). Its environmental advantages (GWP of 1, non-ozone depleting, non-toxic, non-flammable) could make it the future working fluid to replace current HFCs in cars, supermarkets, and heat pump water heaters, among others. Coca-Cola has fielded CO₂-based beverage coolers and the U.S. Army is interested in CO₂ refrigeration and heating technology.^[129][130]

Minor uses

Carbon dioxide is the lasing medium in a carbon-dioxide laser, which is one of the earliest type of lasers.

Carbon dioxide can be used as a means of controlling the pH of swimming pools,^[131] by continuously adding gas to the water, thus keeping the pH from rising. Among the advantages of this is the avoidance of handling (more hazardous) acids. Similarly, it is also used in the maintaining reef aquaria, where it is commonly used in calcium reactors to temporarily lower the pH of water being passed over calcium carbonate in order to allow the calcium carbonate to dissolve into the water more freely, where it is used by some corals to build their skeleton.

Used as the primary coolant in the British advanced gas-cooled reactor for nuclear power generation.

Carbon dioxide induction is commonly used for the euthanasia of laboratory research animals. Methods to administer CO₂ include placing animals directly into a closed, prefilled chamber containing CO₂, or exposure to a gradually increasing concentration of CO₂. The American Veterinary Medical Association’s 2020 guidelines for carbon dioxide induction state that a displacement rate of 30–70% of the chamber or cage volume per minute is optimal for the humane euthanasia of small rodents.^{[132]: 5, 31} Percentages of CO₂ vary for different species, based on identified optimal percentages to minimize distress.^[132]: 22

Carbon dioxide is also used in several related cleaning and surface-preparation techniques.

History of discovery

Carbon dioxide was the first gas to be described as a discrete substance. In about 1640,^[133] the Flemish chemist Jan Baptist van Helmont observed that when he burned charcoal in a closed vessel, the mass of the resulting ash was much less than that of the original charcoal. His interpretation was that the rest of the charcoal had been transmuted into an invisible substance he termed a «gas» or «wild spirit» (spiritus sylvestris).^[134]

The properties of carbon dioxide were further studied in the 1750s by the Scottish physician Joseph Black. He found that limestone (calcium carbonate) could be heated or treated with acids to yield a gas he called «fixed air». He observed that the fixed air was denser than air and supported neither flame nor animal life. Black also found that when bubbled through limewater (a saturated aqueous solution of calcium hydroxide), it would precipitate calcium carbonate. He used this phenomenon to illustrate that carbon dioxide is produced by animal respiration and microbial fermentation. In 1772, English chemist Joseph Priestley published a paper entitled Impregnating Water with Fixed Air in which he described a process of dripping sulfuric acid (or oil of vitriol as Priestley knew it) on chalk in order to produce carbon dioxide, and forcing the gas to dissolve by agitating a bowl of water in contact with the gas.^[135]

Carbon dioxide was first liquefied (at elevated pressures) in 1823 by Humphry Davy and Michael Faraday.^[136] The earliest description of solid carbon dioxide (dry ice) was given by the French inventor Adrien-Jean-Pierre Thilorier, who in 1835 opened a pressurized container of liquid carbon dioxide, only to find that the cooling produced by the rapid evaporation of the liquid yielded a «snow» of solid CO₂.^[137][138]

See also

References

External links

• Current global map of carbon dioxide concentration
• CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Carbon Dioxide
• Trends in Atmospheric Carbon Dioxide (NOAA)

Carbon dioxide

Names
Other names Carbonic acid gas Carbonic anhydride Carbonic dioxide Carbon(IV) oxide R-744 (refrigerant) R744 (refrigerant alternative spelling) Dry ice (solid phase)
Identifiers
CAS Number	124-38-9
3D model (JSmol)	Interactive image Interactive image
3DMet	B01131
Beilstein Reference	1900390
ChEBI	CHEBI:16526
ChEMBL	ChEMBL1231871
ChemSpider	274
ECHA InfoCard	100.004.271
EC Number	204-696-9
E number	E290 (preservatives)
Gmelin Reference	989
KEGG	D00004
MeSH	Carbon+dioxide
PubChem CID	280
RTECS number	FF6400000
UNII	142M471B3J
UN number	1013 (gas), 1845 (solid)
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID4027028
InChI InChI=1S/CO2/c2-1-3  Key: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N  InChI=1/CO2/c2-1-3 Key: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYAO
SMILES O=C=O C(=O)=O
Properties
Chemical formula	CO2
Molar mass	44.009 g·mol−1
Appearance	Colorless gas
Odor	Low concentrations: none High concentrations: sharp; acidic[1]
Density	1562 kg/m3 (solid at 1 atm (100 kPa) and −78.5 °C (−109.3 °F)) 1101 kg/m3 (liquid at saturation −37 °C (−35 °F)) 1.977 kg/m3 (gas at 1 atm (100 kPa) and 0 °C (32 °F))
Critical point (T, P)	304.128(15) K[2] (30.978(15) °C), 7.3773(30) MPa[2] (72.808(30) atm)
Sublimation conditions	194.6855(30) K (−78.4645(30) °C) at 1 atm (0.101325 MPa)
Solubility in water	1.45 g/L at 25 °C (77 °F), 100 kPa (0.99 atm)
Vapor pressure	5.7292(30) MPa, 56.54(30) atm (20 °C (293.15 K))
Acidity (pKa)	6.35, 10.33
Magnetic susceptibility (χ)	−20.5·10−6 cm3/mol
Thermal conductivity	0.01662 W·m−1·K−1 (300 K (27 °C; 80 °F))[3]
Refractive index (nD)	1.00045
Viscosity	14.90 μPa·s at 25 °C (298 K)[4] 70 μPa·s at −78.5 °C (194.7 K)
Dipole moment	0 D
Structure
Crystal structure	Trigonal
Molecular shape	Linear
Thermochemistry
Heat capacity (C)	37.135 J/K·mol
Std molar entropy (S⦵298)	214 J·mol−1·K−1
Std enthalpy of formation (ΔfH⦵298)	−393.5 kJ·mol−1
Pharmacology
ATC code	V03AN02 (WHO)
Hazards
NFPA 704 (fire diamond)	[7][8] 2 0 0 SA
Lethal dose or concentration (LD, LC):
LCLo (lowest published)	90,000 ppm (human, 5 min)[6]
NIOSH (US health exposure limits):
PEL (Permissible)	TWA 5000 ppm (9000 mg/m3)[5]
REL (Recommended)	TWA 5000 ppm (9000 mg/m3), ST 30,000 ppm (54,000 mg/m3)[5]
IDLH (Immediate danger)	40,000 ppm[5]
Safety data sheet (SDS)	Sigma-Aldrich
Related compounds
Other anions	Carbon disulfide Carbon diselenide Carbon ditelluride
Other cations	Silicon dioxide Germanium dioxide Tin dioxide Lead dioxide
Related carbon oxides	Carbon monoxide Carbon suboxide Dicarbon monoxide Carbon trioxide
Related compounds	Carbonic acid Carbonyl sulfide
Supplementary data page
Carbon dioxide (data page)
Except where otherwise noted, data are given for materials in their standard state (at 25 °C [77 °F], 100 kPa).  verify (what is  ?) Infobox references

Carbon dioxide (chemical formula CO₂) is a chemical compound made up of molecules that each have one carbon atom covalently double bonded to two oxygen atoms. It is found in the gas state at room temperature. In the air, carbon dioxide is transparent to visible light but absorbs infrared radiation, acting as a greenhouse gas. It is a trace gas in Earth’s atmosphere at 421 parts per million (ppm), or about 0.04% by volume (as of May 2022), having risen from pre-industrial levels of 280 ppm.^[9][10] Burning fossil fuels is the primary cause of these increased CO₂ concentrations and also the primary cause of climate change.^[11] Carbon dioxide is soluble in water and is found in groundwater, lakes, ice caps, and seawater. When carbon dioxide dissolves in water, it forms carbonic acid (H₂CO₃), which causes ocean acidification as atmospheric CO₂ levels increase.^[12]

As the source of available carbon in the carbon cycle, atmospheric CO₂ is the primary carbon source for life on Earth. Its concentration in Earth’s pre-industrial atmosphere since late in the Precambrian has been regulated by organisms and geological phenomena. Plants, algae and cyanobacteria use energy from sunlight to synthesize carbohydrates from carbon dioxide and water in a process called photosynthesis, which produces oxygen as a waste product.^[13] In turn, oxygen is consumed and CO₂ is released as waste by all aerobic organisms when they metabolize organic compounds to produce energy by respiration.^[14] CO₂ is released from organic materials when they decay or combust, such as in forest fires. Since plants require CO₂ for photosynthesis, and humans and animals depend on plants for food, CO₂ is necessary for the survival of life on earth.

Carbon dioxide is 53% more dense than dry air, but is long lived and thoroughly mixes in the atmosphere. About half of excess CO₂ emissions to the atmosphere are absorbed by land and ocean carbon sinks.^[15] These sinks can become saturated and are volatile, as decay and wildfires result in the CO₂ being released back into the atmosphere.^[16] CO₂ is eventually sequestered (stored for the long term) in rocks and organic deposits like coal, petroleum and natural gas. Sequestered CO₂ is released into the atmosphere through burning fossil fuels or naturally by volcanoes, hot springs, geysers, and when carbonate rocks dissolve in water or react with acids.

CO₂ is a versatile industrial material, used, for example, as an inert gas in welding and fire extinguishers, as a pressurizing gas in air guns and oil recovery, and as a supercritical fluid solvent in decaffeination of coffee and supercritical drying.^[17] It is a byproduct of fermentation of sugars in bread, beer and wine making, and is added to carbonated beverages like seltzer and beer for effervescence. It has a sharp and acidic odor and generates the taste of soda water in the mouth,^[18] but at normally encountered concentrations it is odorless.^[1]

Chemical and physical properties

Structure, bonding and molecular vibrations

The symmetry of a carbon dioxide molecule is linear and centrosymmetric at its equilibrium geometry. The length of the carbon-oxygen bond in carbon dioxide is 116.3 pm, noticeably shorter than the roughly 140-pm length of a typical single C–O bond, and shorter than most other C–O multiply-bonded functional groups such as carbonyls.^[19] Since it is centrosymmetric, the molecule has no electric dipole moment.

As a linear triatomic molecule, CO₂ has four vibrational modes as shown in the diagram. In the symmetric and the antisymmetric stretching modes, the atoms move along the axis of the molecule. There are two bending modes, which are degenerate, meaning that they have the same frequency and same energy, because of the symmetry of the molecule. When a molecule touches a surface or touches another molecule, the two bending modes can differ in frequency because the interaction is different for the two modes. Some of the vibrational modes are observed in the infrared (IR) spectrum: the antisymmetric stretching mode at wavenumber 2349 cm⁻¹ (wavelength 4.25 μm) and the degenerate pair of bending modes at 667 cm⁻¹ (wavelength 15 μm). The symmetric stretching mode does not create an electric dipole so is not observed in IR spectroscopy, but it is detected in by Raman spectroscopy at 1388 cm⁻¹ (wavelength 7.2 μm).^[20]

In the gas phase, carbon dioxide molecules undergo significant vibrational motions and do not keep a fixed structure. However, in a Coulomb explosion imaging experiment, an instantaneous image of the molecular structure can be deduced. Such an experiment^[21] has been performed for carbon dioxide.
The result of this experiment, and the conclusion of theoretical calculations^[22] based on an ab initio potential energy surface of the molecule, is that none of the
molecules in the gas phase are ever exactly linear. This counter-intuitive result is trivially due to
the fact that the nuclear motion volume element vanishes for linear geometries.^[22]
This is so for all molecules (except diatomics!).

In aqueous solution

Carbon dioxide is soluble in water, in which it reversibly forms H₂CO₃ (carbonic acid), which is a weak acid since its ionization in water is incomplete.

The hydration equilibrium constant of carbonic acid is, at 25 °C:

Hence, the majority of the carbon dioxide is not converted into carbonic acid, but remains as CO₂ molecules, not affecting the pH.

The relative concentrations of CO₂, H₂CO₃, and the deprotonated forms HCO−3 (bicarbonate) and CO2−3(carbonate) depend on the pH. As shown in a Bjerrum plot, in neutral or slightly alkaline water (pH > 6.5), the bicarbonate form predominates (>50%) becoming the most prevalent (>95%) at the pH of seawater. In very alkaline water (pH > 10.4), the predominant (>50%) form is carbonate. The oceans, being mildly alkaline with typical pH = 8.2–8.5, contain about 120 mg of bicarbonate per liter.

Being diprotic, carbonic acid has two acid dissociation constants, the first one for the dissociation into the bicarbonate (also called hydrogen carbonate) ion (HCO−3):

K_a1 = 2.5×10⁻⁴ mol/L; pK_a1 = 3.6 at 25 °C.^[19]

This is the true first acid dissociation constant, defined as

where the denominator includes only covalently bound H₂CO₃ and does not include hydrated CO_2(aq). The much smaller and often-quoted value near 4.16×10⁻⁷ is an apparent value calculated on the (incorrect) assumption that all dissolved CO₂ is present as carbonic acid, so that

Since most of the dissolved CO₂remains as CO₂ molecules, K_a1(apparent) has a much larger denominator and a much smaller value than the true K_a1.^[23]

The bicarbonate ion is an amphoteric species that can act as an acid or as a base, depending on pH of the solution. At high pH, it dissociates significantly into the carbonate ion (CO2−3):

K_a2 = 4.69×10⁻¹¹ mol/L; pK_a2 = 10.329

In organisms carbonic acid production is catalysed by the enzyme, carbonic anhydrase.

Chemical reactions of CO₂

CO₂ is a potent electrophile having an electrophilic reactivity that is comparable to benzaldehyde or strong α,β-unsaturated carbonyl compounds. However, unlike electrophiles of similar reactivity, the reactions of nucleophiles with CO₂ are thermodynamically less favored and are often found to be highly reversible.^[24] Only very strong nucleophiles, like the carbanions provided by Grignard reagents and organolithium compounds react with CO₂ to give carboxylates:

where M = Li or Mg Br and R = alkyl or aryl.

In metal carbon dioxide complexes, CO₂ serves as a ligand, which can facilitate the conversion of CO₂ to other chemicals.^[25]

The reduction of CO₂ to CO is ordinarily a difficult and slow reaction:

Photoautotrophs (i.e. plants and cyanobacteria) use the energy contained in sunlight to photosynthesize simple sugars from CO₂ absorbed from the air and water:

The redox potential for this reaction near pH 7 is about −0.53 V versus the standard hydrogen electrode. The nickel-containing enzyme carbon monoxide dehydrogenase catalyses this process.^[26]

Physical properties

Carbon dioxide is colorless. At low concentrations the gas is odorless; however, at sufficiently high concentrations, it has a sharp, acidic odor.^[1] At standard temperature and pressure, the density of carbon dioxide is around 1.98 kg/m³, about 1.53 times that of air.^[27]

Carbon dioxide has no liquid state at pressures below 0.51795(10) MPa^[2] (5.11177(99) atm). At a pressure of 1 atm (0.101325 MPa), the gas deposits directly to a solid at temperatures below 194.6855(30) K^[2] (−78.4645(30) °C) and the solid sublimes directly to a gas above this temperature. In its solid state, carbon dioxide is commonly called dry ice.

Liquid carbon dioxide forms only at pressures above 0.51795(10) MPa^[2] (5.11177(99) atm); the triple point of carbon dioxide is 216.592(3) K^[2] (−56.558(3) °C) at 0.51795(10) MPa^[2] (5.11177(99) atm) (see phase diagram). The critical point is 304.128(15) K^[2] (30.978(15) °C) at 7.3773(30) MPa^[2] (72.808(30) atm). Another form of solid carbon dioxide observed at high pressure is an amorphous glass-like solid.^[28] This form of glass, called carbonia, is produced by supercooling heated CO₂ at extreme pressures (40–48 GPa, or about 400,000 atmospheres) in a diamond anvil. This discovery confirmed the theory that carbon dioxide could exist in a glass state similar to other members of its elemental family, like silicon dioxide (silica glass) and germanium dioxide. Unlike silica and germania glasses, however, carbonia glass is not stable at normal pressures and reverts to gas when pressure is released.

At temperatures and pressures above the critical point, carbon dioxide behaves as a supercritical fluid known as supercritical carbon dioxide.

Table of thermal and physical properties of saturated liquid carbon dioxide:^[29][30]

Temperature (°C)	Density (kg/m^3)	Specific heat (kJ/kg K)	Kinematic viscosity (m^2/s)	Conductivity (W/m K)	Thermal diffusivity (m^2/s)	Prandtl Number	Bulk modulus (K^-1)
-50	1156.34	1.84	1.19E-07	0.0855	4.02E-08	2.96	—
-40	1117.77	1.88	1.18E-07	0.1011	4.81E-08	2.46	—
-30	1076.76	1.97	1.17E-07	0.1116	5.27E-08	2.22	—
-20	1032.39	2.05	1.15E-07	0.1151	5.45E-08	2.12	—
-10	983.38	2.18	1.13E-07	0.1099	5.13E-08	2.2	—
0	926.99	2.47	1.08E-07	0.1045	4.58E-08	2.38	—
10	860.03	3.14	1.01E-07	0.0971	3.61E-08	2.8	—
20	772.57	5	9.10E-08	0.0872	2.22E-08	4.1	1.40E-02
30	597.81	36.4	8.00E-08	0.0703	0.279E-08	28.7	—

Table of thermal and physical properties of carbon dioxide (CO2) at atmospheric pressure:^[29][30]

Temperature (K)	Density (kg/m^3)	Specific heat (kJ/kg °C)	Dynamic viscosity (kg/m s)	Kinematic viscosity (m^2/s)	Thermal conductivity (W/m °C)	Thermal diffusivity (m^2/s)	Prandtl Number
220	2.4733	0.783	1.11E-05	4.49E-06	0.010805	5.92E-06	0.818
250	2.1657	0.804	1.26E-05	5.81E-06	0.012884	7.40E-06	0.793
300	1.7973	0.871	1.50E-05	8.32E-06	0.016572	1.06E-05	0.77
350	1.5362	0.9	1.72E-05	1.12E-05	0.02047	1.48E-05	0.755
400	1.3424	0.942	1.93E-05	1.44E-05	0.02461	1.95E-05	0.738
450	1.1918	0.98	2.13E-05	1.79E-05	0.02897	2.48E-05	0.721
500	1.0732	1.013	2.33E-05	2.17E-05	0.03352	3.08E-05	0.702
550	0.9739	1.047	2.51E-05	2.57E-05	0.03821	3.75E-05	0.685
600	0.8938	1.076	2.68E-05	3.00E-05	0.04311	4.48E-05	0.668
650	0.8143	1.1	2.88E-05	3.54E-05	0.0445	4.97E-05	0.712
700	0.7564	1.13E+00	3.05E-05	4.03E-05	0.0481	5.63E-05	0.717
750	0.7057	1.15	3.21E-05	4.55E-05	0.0517	6.37E-05	0.714
800	0.6614	1.17E+00	3.37E-05	5.10E-05	0.0551	7.12E-05	0.716

Biological role

Carbon dioxide is an end product of cellular respiration in organisms that obtain energy by breaking down sugars, fats and amino acids with oxygen as part of their metabolism. This includes all plants, algae and animals and aerobic fungi and bacteria. In vertebrates, the carbon dioxide travels in the blood from the body’s tissues to the skin (e.g., amphibians) or the gills (e.g., fish), from where it dissolves in the water, or to the lungs from where it is exhaled. During active photosynthesis, plants can absorb more carbon dioxide from the atmosphere than they release in respiration.

Photosynthesis and carbon fixation

Carbon fixation is a biochemical process by which atmospheric carbon dioxide is incorporated by plants, algae and (cyanobacteria) into energy-rich organic molecules such as glucose, thus creating their own food by photosynthesis. Photosynthesis uses carbon dioxide and water to produce sugars from which other organic compounds can be constructed, and oxygen is produced as a by-product.

Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase, commonly abbreviated to RuBisCO, is the enzyme involved in the first major step of carbon fixation, the production of two molecules of 3-phosphoglycerate from CO₂ and ribulose bisphosphate, as shown in the diagram at left.

RuBisCO is thought to be the single most abundant protein on Earth.^[31]

Phototrophs use the products of their photosynthesis as internal food sources and as raw material for the biosynthesis of more complex organic molecules, such as polysaccharides, nucleic acids and proteins. These are used for their own growth, and also as the basis of the food chains and webs that feed other organisms, including animals such as ourselves. Some important phototrophs, the coccolithophores synthesise hard calcium carbonate scales.^[32] A globally significant species of coccolithophore is Emiliania huxleyi whose calcite scales have formed the basis of many sedimentary rocks such as limestone, where what was previously atmospheric carbon can remain fixed for geological timescales.

Plants can grow as much as 50 percent faster in concentrations of 1,000 ppm CO₂ when compared with ambient conditions, though this assumes no change in climate and no limitation on other nutrients.^[33] Elevated CO₂ levels cause increased growth reflected in the harvestable yield of crops, with wheat, rice and soybean all showing increases in yield of 12–14% under elevated CO₂ in FACE experiments.^[34][35]

Increased atmospheric CO₂ concentrations result in fewer stomata developing on plants^[36] which leads to reduced water usage and increased water-use efficiency.^[37] Studies using FACE have shown that CO₂ enrichment leads to decreased concentrations of micronutrients in crop plants.^[38] This may have knock-on effects on other parts of ecosystems as herbivores will need to eat more food to gain the same amount of protein.^[39]

The concentration of secondary metabolites such as phenylpropanoids and flavonoids can also be altered in plants exposed to high concentrations of CO₂.^[40][41]

Plants also emit CO₂ during respiration, and so the majority of plants and algae, which use C3 photosynthesis, are only net absorbers during the day. Though a growing forest will absorb many tons of CO₂ each year, a mature forest will produce as much CO₂ from respiration and decomposition of dead specimens (e.g., fallen branches) as is used in photosynthesis in growing plants.^[42] Contrary to the long-standing view that they are carbon neutral, mature forests can continue to accumulate carbon^[43] and remain valuable carbon sinks, helping to maintain the carbon balance of Earth’s atmosphere. Additionally, and crucially to life on earth, photosynthesis by phytoplankton consumes dissolved CO₂ in the upper ocean and thereby promotes the absorption of CO₂ from the atmosphere.^[44]

Toxicity

Carbon dioxide content in fresh air (averaged between sea-level and 10 kPa level, i.e., about 30 km (19 mi) altitude) varies between 0.036% (360 ppm) and 0.041% (412 ppm), depending on the location.^{[46][clarification needed]}

CO₂ is an asphyxiant gas and not classified as toxic or harmful in accordance with Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals standards of United Nations Economic Commission for Europe by using the OECD Guidelines for the Testing of Chemicals. In concentrations up to 1% (10,000 ppm), it will make some people feel drowsy and give the lungs a stuffy feeling.^[45] Concentrations of 7% to 10% (70,000 to 100,000 ppm) may cause suffocation, even in the presence of sufficient oxygen, manifesting as dizziness, headache, visual and hearing dysfunction, and unconsciousness within a few minutes to an hour.^[47] The physiological effects of acute carbon dioxide exposure are grouped together under the term hypercapnia, a subset of asphyxiation.

Because it is heavier than air, in locations where the gas seeps from the ground (due to sub-surface volcanic or geothermal activity) in relatively high concentrations, without the dispersing effects of wind, it can collect in sheltered/pocketed locations below average ground level, causing animals located therein to be suffocated. Carrion feeders attracted to the carcasses are then also killed. Children have been killed in the same way near the city of Goma by CO₂ emissions from the nearby volcano Mount Nyiragongo.^[48] The Swahili term for this phenomenon is mazuku.

Adaptation to increased concentrations of CO₂ occurs in humans, including modified breathing and kidney bicarbonate production, in order to balance the effects of blood acidification (acidosis). Several studies suggested that 2.0 percent inspired concentrations could be used for closed air spaces (e.g. a submarine) since the adaptation is physiological and reversible, as deterioration in performance or in normal physical activity does not happen at this level of exposure for five days.^[49][50] Yet, other studies show a decrease in cognitive function even at much lower levels.^[51][52] Also, with ongoing respiratory acidosis, adaptation or compensatory mechanisms will be unable to reverse such condition.

Below 1%

There are few studies of the health effects of long-term continuous CO₂ exposure on humans and animals at levels below 1%. Occupational CO₂ exposure limits have been set in the United States at 0.5% (5000 ppm) for an eight-hour period.^[53] At this CO₂ concentration, International Space Station crew experienced headaches, lethargy, mental slowness, emotional irritation, and sleep disruption.^[54] Studies in animals at 0.5% CO₂ have demonstrated kidney calcification and bone loss after eight weeks of exposure.^[55] A study of humans exposed in 2.5 hour sessions demonstrated significant negative effects on cognitive abilities at concentrations as low as 0.1% (1000 ppm) CO₂ likely due to CO₂ induced increases in cerebral blood flow.^[51] Another study observed a decline in basic activity level and information usage at 1000 ppm, when compared to 500 ppm.^[52] However a review of the literature found that most studies on the phenomenon of carbon dioxide induced cognitive impairment to have a small effect on high-level decision making and most of the studies were confounded by inadequate study designs, environmental comfort, uncertainties in exposure doses and differing cognitive assessments used.^[56] Similarly a study on the effects of the concentration of CO₂ in motorcycle helmets has been criticized for having dubious methodology in not noting the self-reports of motorcycle riders and taking measurements using mannequins. Further when normal motorcycle conditions were achieved (such as highway or city speeds) or the visor was raised the concentration of CO₂ declined to safe levels (0.2%).^[57][58]

Ventilation

Poor ventilation is one of the main causes of excessive CO₂ concentrations in closed spaces, leading to poor indoor air quality. Carbon dioxide differential above outdoor concentrations at steady state conditions (when the occupancy and ventilation system operation are sufficiently long that CO₂ concentration has stabilized) are sometimes used to estimate ventilation rates per person.^{[citation needed]} Higher CO₂ concentrations are associated with occupant health, comfort and performance degradation.^[59][60] ASHRAE Standard 62.1–2007 ventilation rates may result in indoor concentrations up to 2,100 ppm above ambient outdoor conditions. Thus if the outdoor concentration is 400 ppm, indoor concentrations may reach 2,500 ppm with ventilation rates that meet this industry consensus standard. Concentrations in poorly ventilated spaces can be found even higher than this (range of 3,000 or 4,000 ppm).

Miners, who are particularly vulnerable to gas exposure due to insufficient ventilation, referred to mixtures of carbon dioxide and nitrogen as «blackdamp», «choke damp» or «stythe». Before more effective technologies were developed, miners would frequently monitor for dangerous levels of blackdamp and other gases in mine shafts by bringing a caged canary with them as they worked. The canary is more sensitive to asphyxiant gases than humans, and as it became unconscious would stop singing and fall off its perch. The Davy lamp could also detect high levels of blackdamp (which sinks, and collects near the floor) by burning less brightly, while methane, another suffocating gas and explosion risk, would make the lamp burn more brightly.

In February 2020, three people died from suffocation at a party in Moscow when dry ice (frozen CO₂) was added to a swimming pool to cool it down.^[61] A similar accident occurred in 2018 when a woman died from CO₂ fumes emanating from the large amount of dry ice she was transporting in her car.^[62]

Outdoor areas with elevated concentrations

Local concentrations of carbon dioxide can reach high values near strong sources, especially those that are isolated by surrounding terrain. At the Bossoleto hot spring near Rapolano Terme in Tuscany, Italy, situated in a bowl-shaped depression about 100 m (330 ft) in diameter, concentrations of CO₂ rise to above 75% overnight, sufficient to kill insects and small animals. After sunrise the gas is dispersed by convection.^[63] High concentrations of CO₂ produced by disturbance of deep lake water saturated with CO₂ are thought to have caused 37 fatalities at Lake Monoun, Cameroon in 1984 and 1700 casualties at Lake Nyos, Cameroon in 1986.^[64]

Human physiology

Content

Reference ranges or averages for partial pressures of carbon dioxide (abbreviated pCO₂)

Blood compartment	(kPa)	(mm Hg)
Venous blood carbon dioxide	5.5–6.8	41–51[65]	41–51[65]
Alveolar pulmonary gas pressures	4.8	36	36
Arterial blood carbon dioxide	4.7–6.0	35–45[65]	35–45[65]

The body produces approximately 2.3 pounds (1.0 kg) of carbon dioxide per day per person,^[66] containing 0.63 pounds (290 g) of carbon. In humans, this carbon dioxide is carried through the venous system and is breathed out through the lungs, resulting in lower concentrations in the arteries. The carbon dioxide content of the blood is often given as the partial pressure, which is the pressure which carbon dioxide would have had if it alone occupied the volume.^[67] In humans, the blood carbon dioxide contents is shown in the adjacent table.

Transport in the blood

CO₂ is carried in blood in three different ways. (Exact percentages vary between arterial and venous blood).

• Majority (about 70% to 80%) is converted to bicarbonate ions HCO−3 by the enzyme carbonic anhydrase in the red blood cells,^[68] by the reaction CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → H⁺ + HCO−3.
• 5–10% is dissolved in blood plasma^[68]
• 5–10% is bound to hemoglobin as carbamino compounds^[68]

Hemoglobin, the main oxygen-carrying molecule in red blood cells, carries both oxygen and carbon dioxide. However, the CO₂ bound to hemoglobin does not bind to the same site as oxygen. Instead, it combines with the N-terminal groups on the four globin chains. However, because of allosteric effects on the hemoglobin molecule, the binding of CO₂ decreases the amount of oxygen that is bound for a given partial pressure of oxygen. This is known as the Haldane Effect, and is important in the transport of carbon dioxide from the tissues to the lungs. Conversely, a rise in the partial pressure of CO₂ or a lower pH will cause offloading of oxygen from hemoglobin, which is known as the Bohr effect.

Regulation of respiration

Carbon dioxide is one of the mediators of local autoregulation of blood supply. If its concentration is high, the capillaries expand to allow a greater blood flow to that tissue.^[69]

Bicarbonate ions are crucial for regulating blood pH. A person’s breathing rate influences the level of CO₂ in their blood. Breathing that is too slow or shallow causes respiratory acidosis, while breathing that is too rapid leads to hyperventilation, which can cause respiratory alkalosis.^[70]

Although the body requires oxygen for metabolism, low oxygen levels normally do not stimulate breathing. Rather, breathing is stimulated by higher carbon dioxide levels. As a result, breathing low-pressure air or a gas mixture with no oxygen at all (such as pure nitrogen) can lead to loss of consciousness without ever experiencing air hunger. This is especially perilous for high-altitude fighter pilots. It is also why flight attendants instruct passengers, in case of loss of cabin pressure, to apply the oxygen mask to themselves first before helping others; otherwise, one risks losing consciousness.^[68]

The respiratory centers try to maintain an arterial CO₂ pressure of 40 mm Hg. With intentional hyperventilation, the CO₂ content of arterial blood may be lowered to 10–20 mm Hg (the oxygen content of the blood is little affected), and the respiratory drive is diminished. This is why one can hold one’s breath longer after hyperventilating than without hyperventilating. This carries the risk that unconsciousness may result before the need to breathe becomes overwhelming, which is why hyperventilation is particularly dangerous before free diving.^[71]

Concentrations and role in the environment

Atmosphere

Oceans

Ocean acidification

Carbon dioxide dissolves in the ocean to form carbonic acid (H₂CO₃), bicarbonate (HCO₃⁻) and carbonate (CO₃²⁻). There is about fifty times as much carbon dioxide dissolved in the oceans as exists in the atmosphere. The oceans act as an enormous carbon sink, and have taken up about a third of CO₂ emitted by human activity.^[90]

Hydrothermal vents

Carbon dioxide is also introduced into the oceans through hydrothermal vents. The Champagne hydrothermal vent, found at the Northwest Eifuku volcano in the Mariana Trench, produces almost pure liquid carbon dioxide, one of only two known sites in the world as of 2004, the other being in the Okinawa Trough.^[94] The finding of a submarine lake of liquid carbon dioxide in the Okinawa Trough was reported in 2006.^[95]

Production

Biological processes

Carbon dioxide is a by-product of the fermentation of sugar in the brewing of beer, whisky and other alcoholic beverages and in the production of bioethanol. Yeast metabolizes sugar to produce CO₂ and ethanol, also known as alcohol, as follows:

All aerobic organisms produce CO₂ when they oxidize carbohydrates, fatty acids, and proteins. The large number of reactions involved are exceedingly complex and not described easily. Refer to (cellular respiration, anaerobic respiration and photosynthesis). The equation for the respiration of glucose and other monosaccharides is:

Anaerobic organisms decompose organic material producing methane and carbon dioxide together with traces of other compounds.^[96] Regardless of the type of organic material, the production of gases follows well defined kinetic pattern. Carbon dioxide comprises about 40–45% of the gas that emanates from decomposition in landfills (termed «landfill gas»). Most of the remaining 50–55% is methane.^[97]

Industrial processes

Carbon dioxide can be obtained by distillation from air, but the method is inefficient. Industrially, carbon dioxide is predominantly an unrecovered waste product, produced by several methods which may be practiced at various scales.^[98]

Combustion

The combustion of all carbon-based fuels, such as methane (natural gas), petroleum distillates (gasoline, diesel, kerosene, propane), coal, wood and generic organic matter produces carbon dioxide and, except in the case of pure carbon, water. As an example, the chemical reaction between methane and oxygen:

Iron is reduced from its oxides with coke in a blast furnace, producing pig iron and carbon dioxide:^[99]

By-product from hydrogen production

Carbon dioxide is a byproduct of the industrial production of hydrogen by steam reforming and the water gas shift reaction in ammonia production. These processes begin with the reaction of water and natural gas (mainly methane).^[100] This is a major source of food-grade carbon dioxide for use in carbonation of beer and soft drinks, and is also used for stunning animals such as poultry. In the summer of 2018 a shortage of carbon dioxide for these purposes arose in Europe due to the temporary shut-down of several ammonia plants for maintenance.^[101]

Thermal decomposition of limestone

It is produced by thermal decomposition of limestone, CaCO₃ by heating (calcining) at about 850 °C (1,560 °F), in the manufacture of quicklime (calcium oxide, CaO), a compound that has many industrial uses:

Acids liberate CO₂ from most metal carbonates. Consequently, it may be obtained directly from natural carbon dioxide springs, where it is produced by the action of acidified water on limestone or dolomite. The reaction between hydrochloric acid and calcium carbonate (limestone or chalk) is shown below:

The carbonic acid (H₂CO₃) then decomposes to water and CO₂:

Such reactions are accompanied by foaming or bubbling, or both, as the gas is released. They have widespread uses in industry because they can be used to neutralize waste acid streams.

Commercial uses

Carbon dioxide is used by the food industry, the oil industry, and the chemical industry.^[98]
The compound has varied commercial uses but one of its greatest uses as a chemical is in the production of carbonated beverages; it provides the sparkle in carbonated beverages such as soda water, beer and sparkling wine.

Precursor to chemicals

This section needs expansion. You can help by adding to it. (July 2014)

In the chemical industry, carbon dioxide is mainly consumed as an ingredient in the production of urea, with a smaller fraction being used to produce methanol and a range of other products.^[102] Some carboxylic acid derivatives such as sodium salicylate are prepared using CO₂ by the Kolbe–Schmitt reaction.^[103]

In addition to conventional processes using CO₂ for chemical production, electrochemical methods are also being explored at a research level. In particular, the use of renewable energy for production of fuels from CO₂ (such as methanol) is attractive as this could result in fuels that could be easily transported and used within conventional combustion technologies but have no net CO₂ emissions.^[104]

Agriculture

Plants require carbon dioxide to conduct photosynthesis. The atmospheres of greenhouses may (if of large size, must) be enriched with additional CO₂ to sustain and increase the rate of plant growth.^[105][106] At very high concentrations (100 times atmospheric concentration, or greater), carbon dioxide can be toxic to animal life, so raising the concentration to 10,000 ppm (1%) or higher for several hours will eliminate pests such as whiteflies and spider mites in a greenhouse.^[107]

Foods

Carbon dioxide is a food additive used as a propellant and acidity regulator in the food industry. It is approved for usage in the EU^[108] (listed as E number E290), US^[109] and Australia and New Zealand^[110] (listed by its INS number 290).

A candy called Pop Rocks is pressurized with carbon dioxide gas^[111] at about 4,000 kPa (40 bar; 580 psi). When placed in the mouth, it dissolves (just like other hard candy) and releases the gas bubbles with an audible pop.

Leavening agents cause dough to rise by producing carbon dioxide.^[112] Baker’s yeast produces carbon dioxide by fermentation of sugars within the dough, while chemical leaveners such as baking powder and baking soda release carbon dioxide when heated or if exposed to acids.

Beverages

Carbon dioxide is used to produce carbonated soft drinks and soda water. Traditionally, the carbonation of beer and sparkling wine came about through natural fermentation, but many manufacturers carbonate these drinks with carbon dioxide recovered from the fermentation process. In the case of bottled and kegged beer, the most common method used is carbonation with recycled carbon dioxide. With the exception of British real ale, draught beer is usually transferred from kegs in a cold room or cellar to dispensing taps on the bar using pressurized carbon dioxide, sometimes mixed with nitrogen.

The taste of soda water (and related taste sensations in other carbonated beverages) is an effect of the dissolved carbon dioxide rather than the bursting bubbles of the gas. Carbonic anhydrase 4 converts to carbonic acid leading to a sour taste, and also the dissolved carbon dioxide induces a somatosensory response.^[113]

Winemaking

Carbon dioxide in the form of dry ice is often used during the cold soak phase in winemaking to cool clusters of grapes quickly after picking to help prevent spontaneous fermentation by wild yeast. The main advantage of using dry ice over water ice is that it cools the grapes without adding any additional water that might decrease the sugar concentration in the grape must, and thus the alcohol concentration in the finished wine. Carbon dioxide is also used to create a hypoxic environment for carbonic maceration, the process used to produce Beaujolais wine.

Carbon dioxide is sometimes used to top up wine bottles or other storage vessels such as barrels to prevent oxidation, though it has the problem that it can dissolve into the wine, making a previously still wine slightly fizzy. For this reason, other gases such as nitrogen or argon are preferred for this process by professional wine makers.

Stunning animals

Carbon dioxide is often used to «stun» animals before slaughter.^[114] «Stunning» may be a misnomer, as the animals are not knocked out immediately and may suffer distress.^[115][116]

Inert gas

Carbon dioxide is one of the most commonly used compressed gases for pneumatic (pressurized gas) systems in portable pressure tools. Carbon dioxide is also used as an atmosphere for welding, although in the welding arc, it reacts to oxidize most metals. Use in the automotive industry is common despite significant evidence that welds made in carbon dioxide are more brittle than those made in more inert atmospheres.^{[citation needed]} When used for MIG welding, CO₂ use is sometimes referred to as MAG welding, for Metal Active Gas, as CO₂ can react at these high temperatures. It tends to produce a hotter puddle than truly inert atmospheres, improving the flow characteristics. Although, this may be due to atmospheric reactions occurring at the puddle site. This is usually the opposite of the desired effect when welding, as it tends to embrittle the site, but may not be a problem for general mild steel welding, where ultimate ductility is not a major concern.

Carbon dioxide is used in many consumer products that require pressurized gas because it is inexpensive and nonflammable, and because it undergoes a phase transition from gas to liquid at room temperature at an attainable pressure of approximately 60 bar (870 psi; 59 atm), allowing far more carbon dioxide to fit in a given container than otherwise would. Life jackets often contain canisters of pressured carbon dioxide for quick inflation. Aluminium capsules of CO₂ are also sold as supplies of compressed gas for air guns, paintball markers/guns, inflating bicycle tires, and for making carbonated water. High concentrations of carbon dioxide can also be used to kill pests. Liquid carbon dioxide is used in supercritical drying of some food products and technological materials, in the preparation of specimens for scanning electron microscopy^[117] and in the decaffeination of coffee beans.

Fire extinguisher

Carbon dioxide can be used to extinguish flames by flooding the environment around the flame with the gas. It does not itself react to extinguish the flame, but starves the flame of oxygen by displacing it. Some fire extinguishers, especially those designed for electrical fires, contain liquid carbon dioxide under pressure. Carbon dioxide extinguishers work well on small flammable liquid and electrical fires, but not on ordinary combustible fires, because they do not cool the burning substances significantly, and when the carbon dioxide disperses, they can catch fire upon exposure to atmospheric oxygen. They are mainly used in server rooms.^[118]

Carbon dioxide has also been widely used as an extinguishing agent in fixed fire-protection systems for local application of specific hazards and total flooding of a protected space.^[119] International Maritime Organization standards recognize carbon-dioxide systems for fire protection of ship holds and engine rooms. Carbon-dioxide-based fire-protection systems have been linked to several deaths, because it can cause suffocation in sufficiently high concentrations. A review of CO₂ systems identified 51 incidents between 1975 and the date of the report (2000), causing 72 deaths and 145 injuries.^[120]

Supercritical CO₂ as solvent

Liquid carbon dioxide is a good solvent for many lipophilic organic compounds and is used to remove caffeine from coffee.^[17] Carbon dioxide has attracted attention in the pharmaceutical and other chemical processing industries as a less toxic alternative to more traditional solvents such as organochlorides. It is also used by some dry cleaners for this reason. It is used in the preparation of some aerogels because of the properties of supercritical carbon dioxide.

Medical and pharmacological uses

In medicine, up to 5% carbon dioxide (130 times atmospheric concentration) is added to oxygen for stimulation of breathing after apnea and to stabilize the O₂/CO₂ balance in blood.

Carbon dioxide can be mixed with up to 50% oxygen, forming an inhalable gas; this is known as Carbogen and has a variety of medical and research uses.

Another medical use are the mofette, dry spas that use carbon dioxide from post-volcanic discharge for therapeutic purposes.

Energy

Supercritical CO₂ is used as the working fluid in the Allam power cycle engine.

Fossil fuel recovery

Carbon dioxide is used in enhanced oil recovery where it is injected into or adjacent to producing oil wells, usually under supercritical conditions, when it becomes miscible with the oil. This approach can increase original oil recovery by reducing residual oil saturation by 7–23% additional to primary extraction.^[121] It acts as both a pressurizing agent and, when dissolved into the underground crude oil, significantly reduces its viscosity, and changing surface chemistry enabling the oil to flow more rapidly through the reservoir to the removal well.^[122] In mature oil fields, extensive pipe networks are used to carry the carbon dioxide to the injection points.

In enhanced coal bed methane recovery, carbon dioxide would be pumped into the coal seam to displace methane, as opposed to current methods which primarily rely on the removal of water (to reduce pressure) to make the coal seam release its trapped methane.^[123]

Bio transformation into fuel

It has been proposed that CO₂ from power generation be bubbled into ponds to stimulate growth of algae that could then be converted into biodiesel fuel.^[124] A strain of the cyanobacterium Synechococcus elongatus has been genetically engineered to produce the fuels isobutyraldehyde and isobutanol from CO₂ using photosynthesis.^[125]

Researchers have developed a process called electrolysis, using enzymes isolated from bacteria to power the chemical reactions which convert CO₂ into fuels.^{[126][127][128]}

Refrigerant

Liquid and solid carbon dioxide are important refrigerants, especially in the food industry, where they are employed during the transportation and storage of ice cream and other frozen foods. Solid carbon dioxide is called «dry ice» and is used for small shipments where refrigeration equipment is not practical. Solid carbon dioxide is always below −78.5 °C (−109.3 °F) at regular atmospheric pressure, regardless of the air temperature.

Liquid carbon dioxide (industry nomenclature R744 or R-744) was used as a refrigerant prior to the use^{[citation needed]} of dichlorodifluoromethane (R12, a chlorofluorocarbon (CFC) compound). CO₂ might enjoy a renaissance because one of the main substitutes to CFCs, 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a, a hydrofluorocarbon (HFC) compound) contributes to climate change more than CO₂ does. CO₂ physical properties are highly favorable for cooling, refrigeration, and heating purposes, having a high volumetric cooling capacity. Due to the need to operate at pressures of up to 130 bars (1,900 psi; 13,000 kPa), CO₂ systems require highly mechanically resistant reservoirs and components that have already been developed for mass production in many sectors. In automobile air conditioning, in more than 90% of all driving conditions for latitudes higher than 50°, CO₂ (R744) operates more efficiently than systems using HFCs (e.g., R134a). Its environmental advantages (GWP of 1, non-ozone depleting, non-toxic, non-flammable) could make it the future working fluid to replace current HFCs in cars, supermarkets, and heat pump water heaters, among others. Coca-Cola has fielded CO₂-based beverage coolers and the U.S. Army is interested in CO₂ refrigeration and heating technology.^[129][130]

Minor uses

Carbon dioxide is the lasing medium in a carbon-dioxide laser, which is one of the earliest type of lasers.

Carbon dioxide can be used as a means of controlling the pH of swimming pools,^[131] by continuously adding gas to the water, thus keeping the pH from rising. Among the advantages of this is the avoidance of handling (more hazardous) acids. Similarly, it is also used in the maintaining reef aquaria, where it is commonly used in calcium reactors to temporarily lower the pH of water being passed over calcium carbonate in order to allow the calcium carbonate to dissolve into the water more freely, where it is used by some corals to build their skeleton.

Used as the primary coolant in the British advanced gas-cooled reactor for nuclear power generation.

Carbon dioxide induction is commonly used for the euthanasia of laboratory research animals. Methods to administer CO₂ include placing animals directly into a closed, prefilled chamber containing CO₂, or exposure to a gradually increasing concentration of CO₂. The American Veterinary Medical Association’s 2020 guidelines for carbon dioxide induction state that a displacement rate of 30–70% of the chamber or cage volume per minute is optimal for the humane euthanasia of small rodents.^{[132]: 5, 31} Percentages of CO₂ vary for different species, based on identified optimal percentages to minimize distress.^[132]: 22

Carbon dioxide is also used in several related cleaning and surface-preparation techniques.

History of discovery

Carbon dioxide was the first gas to be described as a discrete substance. In about 1640,^[133] the Flemish chemist Jan Baptist van Helmont observed that when he burned charcoal in a closed vessel, the mass of the resulting ash was much less than that of the original charcoal. His interpretation was that the rest of the charcoal had been transmuted into an invisible substance he termed a «gas» or «wild spirit» (spiritus sylvestris).^[134]

The properties of carbon dioxide were further studied in the 1750s by the Scottish physician Joseph Black. He found that limestone (calcium carbonate) could be heated or treated with acids to yield a gas he called «fixed air». He observed that the fixed air was denser than air and supported neither flame nor animal life. Black also found that when bubbled through limewater (a saturated aqueous solution of calcium hydroxide), it would precipitate calcium carbonate. He used this phenomenon to illustrate that carbon dioxide is produced by animal respiration and microbial fermentation. In 1772, English chemist Joseph Priestley published a paper entitled Impregnating Water with Fixed Air in which he described a process of dripping sulfuric acid (or oil of vitriol as Priestley knew it) on chalk in order to produce carbon dioxide, and forcing the gas to dissolve by agitating a bowl of water in contact with the gas.^[135]

Carbon dioxide was first liquefied (at elevated pressures) in 1823 by Humphry Davy and Michael Faraday.^[136] The earliest description of solid carbon dioxide (dry ice) was given by the French inventor Adrien-Jean-Pierre Thilorier, who in 1835 opened a pressurized container of liquid carbon dioxide, only to find that the cooling produced by the rapid evaporation of the liquid yielded a «snow» of solid CO₂.^[137][138]

See also

References

External links

• Current global map of carbon dioxide concentration
• CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Carbon Dioxide
• Trends in Atmospheric Carbon Dioxide (NOAA)

Оксид углерода (IV)
_
Другие названия	углекислый газ, двуокись углерода, сухой лёд(твердый)
Формула	CO2
Молярная масса	44,0095(14) г/моль
В твердом виде	сухой лёд
Вид	бесцветный газ
Номер CAS	[124-38-9]
Свойства
Плотность и фазовое состояние	1,9769 кг/м³, при н.у.; 771 кг/м³, жидкий; 1512 кг/м³, твёрдый
Растворимость в воде	1,45 кг/м³
Удельная теплоемкость	0,846 кДж/(кг*С) при 27 °C
Удельная теплота плавления	25,13 кДж/моль
Точка плавления	−57 °C (216 K), под давлением
Точка кипения	−78 °C (195 K), возгоняется
Константа диссоциации кислоты (pKa)	6,35 и 10,33
Вязкость	0,07 пз при −78 °C
Строение
Форма молекулы	линейная
Кристаллическая решётка	молекулярная
Дипольный момент	ноль
Техника безопасности
MSDS	External MSDS
Главные опасности	удушающее, раздражающее
NFPA 704
R-phrases	R: As, Fb [источник не указан 1315 дней]
S-phrases	S9, S23, S36 (ж) [источник не указан 1315 дней]
RTECS number	FF6400000
Страница дополнительных сведений
Структура и свойства	n, εr, и т. д.
Спектр	УФ, ИК, ЯМР, Масс-спектроскопия
Родственные соединения
Оксиды	CO C3O2 стандартных условиях (25 °C, 100 кПа) Infobox disclaimer and references

Оксид углерода(IV) (углекислый газ, диоксид углерода, двуокись углерода, угольный ангидрид) — CO₂, бесцветный газ (в нормальных условиях), без запаха, со слегка кисловатым вкусом.

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,0395 %.^[1]

Не следует путать с Диоксином.

Плотность при нормальных условиях 1,97 кг/м³. При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

Углекислый газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи и лучи видимой части спектра, которые поступают на Землю от Солнца и обогревают её. В то же время он поглощает испускаемые Землёй инфракрасные лучи и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Свойства

Физические

Оксид углерода (IV) – углекислый газ, газ без цвета и запаха, тяжелее воздуха, растворим в воде, при сильном охлаждении кристаллизуется в виде белой снегообразной массы – «сухого льда». При атмосферном давлении он не плавится, а испаряется, температура сублимации -78 °С. Углекислый газ образуется при гниении и горении органических веществ. Содержится в воздухе и минеральных источниках, выделяется при дыхании животных и растений. Мало растворим в воде (1 объем углекислого газа в одном объеме воды при 15 °С).

Химические

По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным оксидам. При растворении в воде образует угольную кислоту. Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов. Вступает в реакции электрофильного замещения (например, с фенолом ) и нуклеофильного присоединения (например, с магнийорганическими соединениями).

Биологические

Диоксид углерода играет одну из главных ролей в живой природе, участвуя во многих процессах метаболизма живой клетки. Диоксид углерода получается в результате множества окислительных реакций у животных, и выделяется в атмосферу с дыханием. Углекислый газ атмосферы — основной источник углерода для растений. Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения — только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, а без освещения они тоже его выделяют.

Диоксид углерода не токсичен^{[источник не указан 60 дней]}, но не поддерживает дыхание. Большая концентрация в воздухе вызывает удушье (см. Гиперкапния). Однако недостаток углекислого газа тоже опасен (см. Гипокапния)^{[источник не указан 60 дней]}.

Углекислый газ в организмах животных имеет и физиологическое значение, например, участвует в регуляции сосудистого тонуса (см. Артериолы).

Получение

В промышленных количествах углекислота выделяется из дымовых газов, или как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов (известняк, доломит) или при производстве алкоголя. Смесь полученных газов, промывают раствором карбоната калия, которые поглощают углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В современных установках получения углекислого газа вместо гидрокарбоната, чаще применяется водный раствор моноэтаноламина, который при определённых условиях способен абсорбировать СО₂, содержащийся в дымовом газе, а при нагреве отдавать его, таким образом, отделяется готовый продукт от других веществ.

Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха, как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона.

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора, мела или соды с соляной кислотой. Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты.

Для приготовления напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.

Применение

В пищевой промышленности углекислота используется как консервант и разрыхлитель, обозначается на упаковке кодом Е290.

Жидкая углекислота широко применяется в системах пожаротушения, в огнетушителях и для производства газированной воды и лимонада.

Углекислый газ используется в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его диссоциация с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.

Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии (в газобаллонной пневматике) и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании, а также для накачивания шин/камер велосипедных колес.^{[источник не указан 85 дней]}.

Когда углекислота применяется в газовой фазе, то для хранения она используется под давлением, как сжиженный газ, в виде жидкой фазы. Хранение углекислоты в баллоне в сжиженном состоянии намного выгоднее, чем в виде газа. Углекислота имеет сравнительно низкую критическую температуру 31°С. Когда в 40-литровый баллон с нормальным давлением 100 кгс/сm² залито 30 кг сжиженного углекислого газа, то при температуре 31°С в баллоне будет только жидкая фаза с давлением 100 кгс/сm². Если температура будет выше, то следует уменьшить заполнение баллона или использовать баллоны с более высоким рабочим давлением. Если углекислота будет охлаждаться, то при температуре 21°С при нормальном заполнении в баллоне появиться газовая фаза.

Твёрдая углекислота — «сухой лёд» — используется в качестве хладагента в лабораторных исследованиях, в розничной торговле и т.д.

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях — анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO₂ в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта. Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем. Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф.

Углекислый газ в природе

Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40—70°) широт Северного полушария.

Вегетация в тропиках практически не зависит от сезона, сухой пояс пустынь 20—30° (обоих полушарий) дает малый вклад в круговорот углекислоты, а полосы суши, наиболее покрытые растительностью, расположены на Земле асимметрично (в Южном полушарии в средних широтах находится океан).
Поэтому с марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание СО₂ в атмосфере падает, а с октября по февраль — повышается. Вклад в зимний прирост дают как окисление древесины (гетеротрофное дыхание растений, гниение, разложение гумуса, лесные пожары), так и сжигание ископаемых топлив (угля, нефти, газа), заметно увеличивающееся в зимний сезон^[2].

Большое количество углекислоты растворено в океане.

Углекислый газ составляет значительную часть атмосфер некоторых планет Солнечной системы: Венеры, Марса.

Токсичность

Углекислый газ является тяжелым, по сравнению с воздухом, газом без цвета и запаха. Воздействие его повышенных концентраций на живые организмы относит его к удушающим газам (англ.)русск.. Незначительные повышения концентрации до 2-4% в непроветриваемых помещениях приводят к развитию сонливости и слабости. Опасными концентрациями считаются уровни 7-10%, при которых развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и в потери сознания в течение периода времени от нескольких минут до одного часа.^[3] Отравление этим газом не приводит к долговременным последствиям и после его завершения происходит полное восстановление организма.^[4]

Интересные факты

• Подземное животное голый землекоп отличается терпимостью к большим (смертельным для других животных) концентрациям углекислого газа.^[5]
• Бо́льшая, по сравнению с человеком, чувствительность других животных к изменениям концентрации этого газа использовалась в качестве естественного детектора опасных концентраций этого газа. Повышенная чувствительность к углекислоте канареек использовалась шахтерами для определения начала скопления этого газа под землей.
• В результате обычного функционирования организма каждого человека в среднем в течение одного дня образуется 1 кг углекислого газа (300 гр углерода).^[6]

См. также

• Выхлопные газы

Примечания

Литература

• Вукалович М.П., Алтунин В.В., Теплофизические свойства двуокиси углерода, Атомиздат, Москва, 1965. 456 с.
• Тезиков А.Д., Производство и применение сухого льда, Госторгиздат, Москва, 1960. 86 с.
• Гродник М.Г., Величанский А.Я., Проектирование и эксплуатация углеслотных установок, ″Пищевая промышленность″, Москва, 1966. 275 с.
• Талянкер Ю.Е., Особенности хранения баллонов со сжиженным газом, Журнал «Сварочное производство», №11, 1972, Москва.

Ссылки

• International Chemical Safety Card 0021 (англ.)
• CID 280 с сайта PubChem (англ.)
• CO₂ Диоксид углерода, свойства, применение (англ.)
• Фазовая диаграмма (давление-температура)для диоксида углерода
• Molview from bluerhinos.co.uk Диоксид углерода в 3D
• Dry Ice information (англ.)
• Trends in Atmospheric Carbon Dioxide (NOAA)
• Phase Diagram of Carbon Dioxide(англ.)
• Experiment 071 — Triple Point Phase Transition for Carbon Dioxide
• CO₂ как природный рефрежерант — FAQs (англ.)
• Великобритания разрабатывает метод сохранения двуокиси углерода
• Он-лайн калькулятор свойств CO₂ (англ.)

Климат, Климатология
Изменение климата	Палеоклиматология • Эль-Ниньо • Геохимический цикл углерода • Протерозойское оледенение, Ледниковый период, Малый ледниковый период • Термальный максимум (Позднепалеоценовый термальный максимум, Последний ледниковый максимум) • Ледники • Теплооборот
Глобальное потепление	Вырубка лесов • Противодействие изменению климата • Глобальная климатическая модель • Глобальное похолодание • Глобальное затемнение • Озоновая дыра • Парниковый эффект • Диоксид углерода • Парниковые газы • Межправительственная группа экспертов по изменению климата • Рамочная конвенция ООН об изменении климата (Киотский протокол) • Пик нефти • Возобновляемая энергия • Температурный тренд • Повышение уровня моря • Копенгагенский консенус

Оксиды углерода
Оксиды	CO2 · CO
Экзотические оксиды	Карбонилы металлов · Угольная кислота · Гидрокарбонаты · Карбонаты · Дикарбонаты · Трикарбонаты

Углекислый газ

Составная часть атмосферы, основное сырье для процесса фотосинтеза зеленых растений, продукт жизнедеятельности живых организмов.

По систематической международной номенклатуре (IUPAC) вещество с формулой СО2 получило название – Оксид углерода(IV). Тривиальные (общепринятые названия) – двуокись или диоксид углерода, угольный ангидрид (солеобразующий оксид, обладающий кислотными свойствами).

Формула углекислого газа

СО₂

Молекула углекислого газа образована двумя атомами кислорода и атомом углерода. Структурная формула – О=С=О. Валентность углерода равна 4. Степень окисления – (+4). Тип связи – ковалентная полярная.

Получение углекислого газа

Природные источники углекислого газа

Углекислый газ образуется при медленном окислении в процессах дыхания, брожения, гниения органических веществ. Выделяется при разложении природных карбонатов, сгорании топлива, образовании дымовых газов. Содержится в воздухе, минеральных источниках.

В сутки организм человека выделяет 1 кг СО₂. В воздухе содержится 0,03% углекислого газа.

Лабораторные способы получения

В лаборатории газ можно получить взаимодействием соляной кислоты с мелом, мрамором, содой. Собирается газ методом вытеснения воздуха.

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂+ H₂O + CO₂,

NaHCO₃+ HCl → NaCl + H₂O + CO₂.

Промышленные способы получения

1. Обжиг известняка: CaCO₃ → CaO + CO₂.
2. Как побочный продут разделения воздуха при получении кислорода, азота, аргона.

Свойства углекислого газа

Физические свойства

Вещество нетоксичное, негорючее.

Вещество в твердом агрегатном состоянии называется «сухим льдом».

Высокую концентрацию диоксида углерода можно определить органолептически – во рту, на языке появляется кисловатый привкус. Повышенное содержание опасно для организма – вызывает удушье.

Химические свойства

1. Качественная реакция: при взаимодействии углекислого газа с известковым молочком (гидроксидом кальция) образуется карбонат кальция – осадок белого цвета.

CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O.

1. CO₂, как кислотный оксид, реагирует с водой с образованием угольной кислоты. Эта кислота – соединение нестойкое, легко распадается на углекислый газ и воду. Тип реакции – реакция соединения, обратимая.

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃.

1. При нагревании распадается на оксид углерода(II) и воду: 2CO2 = 2CO + O2.

2. Взаимодействует с основными оксидами, с образованием солей:

CaO + CO₂ = CaCO₃; Al₂O₃ + 3CO₂ = Al₂(CO₃)₃.

Тип реакции – реакция соединения.

1. Взаимодействует со щелочами, с образованием кислых и средних солей:

CO₂ + NaOH = NaHCO₃;

CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O.

Средняя соль образуется при избытке щелочи. Кислая соль образуется при отношении количеств вещества оксида и щелочи – 1:1.

1. При температуре реагирует с активными металлами:

CO₂ + 2Mg = C + 2MgO

Углекислый газ в основном проявляет восстановительные свойства, но при взаимодействии с активными металлами является окислителем.

1. Вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами:

CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O (условия протекания реакции – высокая температура, катализатор Cu₂O).

Применение углекислого газа

В пищевой промышленности:

• используется при производстве минеральной воды и газированных напитков;
• как пищевая добавка (Е290), повышает сроки хранения продуктов;
• в качестве разрыхлителя придает легкость и пышность кондитерским изделиям;
• как хладогент;
• для удаления из кофе кофеина.

В авиамоделировании используется как источник энергии для двигателей; применяется в пневматическом оружии; как заправка для углекислотных огнетушителей. Используется в качестве защитной среды при сварке.

Находит углекислый газ применение и в медицине – используется для криоабляции новообразований, служит стимулятором глубокого дыхания.

В химической промышленности газ используется в синтезе химических веществ, производстве солей угольной кислоты, процессах осушки и очистки полимеров, волокон растительного и животного происхождения. Применяется для очистки сточных вод, повышает проводимость сверхчистой воды.

Примеры решения задач

Задача 1

Найти массовую долю углерода в углекислом газе.

Решение

М(СО₂) = 12+2х16 = 44 г/моль.
Аr(С) = 12 г/моль.
W(С) = 12/44 = 0,27 или 27%

Ответ: массовая доля углерода в углекислом газе равна 27%.

Задача 2

Вычислить объем углекислого газа, выделившегося при взаимодействии соляной кислоты с мрамором массой 100 г.

Решение

300 г — х л

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂+ H₂O + CO₂

1 моль — 1 моль
100 г/моль — 22,4 л/моль
100 г — 22,4 л

х(СО₂) = 300х22,4/100 = 67, 2 (л).

Ответ: Объем углекислого газа равен 67, 2 л.

Тест по теме «Углекислый газ»

Диокси́д углеро́да или двуо́кись углеро́да (также оксид углерода (IV), углеки́слый газ, у́гольный ангидри́д, углекислота́^[4], химическая формула — CO₂) — химическое соединение, представляющее собой кислотный оксид углерода, состоящий из одного атома углерода и двух атомов кислорода.

При нормальных условиях, диоксид углерода — это бесцветный газ, почти без запаха (в больших концентрациях с кисловатым «содовым» запахом).

Плотность при нормальных условиях — 1,98 кг/м³ (в 1,5 раза тяжелее воздуха). При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное (возгонка). Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,04 %^[5]. Углекислый газ легко пропускает излучение в ультрафиолетовой и видимой частях спектра, которое поступает на Землю от Солнца и обогревает её. В то же время он поглощает испускаемое Землёй инфракрасное излучение и является одним из парниковых газов, вследствие чего должен участвовать в процессе глобального потепления^[6]. Изначально, до появления жизни, углекислый газ составлял основу атмосферы Земли и его уровень снижался от десятков процентов до долей одного в результате процесса фотосинтеза. Постоянный рост содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи. Деятельность человека, прежде всего сжигание ископаемого топлива, увеличила его долю в атмосфере Земли примерно с 280 ppm (частей на миллион) в начале индустриализации до 407,8 ppm в 2018 году^[7][8]. Рост содержания углекислого газа выше, до определённой концентрации, приводит к появлению облаков из углекислоты, что ведёт к похолоданию^{[9][нет в источнике]}. Оба эти явления объясняют, почему температурные условия существования жизни на Земле относительно стабильны в течение миллиардов лет.^{[источник не указан 462 дня]}

История

Двуокись углерода была одним из первых газов, получивших название. В XVII веке фламандский химик Йохан Баптиста ван Гельмонт заметил, что масса древесного угля уменьшалась, когда он сжигался, потому что масса оставшейся золы была меньше массы используемого древесного угля. Его интерпретация заключалась в том, что остальная часть древесного угля превратилась в невидимое вещество, которое он назвал газом или spiritus sylvestre («лесной дух»)^[10].

Свойства углекислого газа более тщательно изучил шотландский врач Джозеф Блэк. В 1754 году он обнаружил, что при смешивании растворов карбоната кальция с кислотами выделяется газ, который он назвал неподвижным воздухом^[11]. Он понял, что он тяжелее воздуха и не поддерживает процессы горения. Когда этот газ вводили в раствор гидроксида кальция, он мог образовывать осадок. С помощью этого явления он показал, что углекислый газ содержится в дыхании млекопитающих и выделяется в результате микробиологической ферментации. Его работа доказала, что газы могут участвовать в химических реакциях, и внесла свой вклад в дело теории флогистона^[12].

Джозефу Пристли удалось создать первую газированную воду в 1772 году, переведя серную кислоту в известковый раствор и растворив полученный диоксид углерода в стакане с водой^[13]. Однако Уильям Браунригг^[en] обнаружил связь между углекислым газом и угольной кислотой гораздо раньше. В 1823 году Гэмфри Дэви и Майкл Фарадей сжижали углекислый газ, увеличив давление^[14]. Первое описание твёрдого углекислого газа принадлежит Адриену Тилорье, который открыл в 1834 году герметичный контейнер с жидким углекислым газом и обнаружил, что при самопроизвольном испарении происходит охлаждение, с образованием в результате твёрдого СО₂^[15].

Нахождение в природе

Углекислый газ содержится в атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере. Обмен углерода между ними происходит в основном за счёт двуокиси углерода. В 2015 году в атмосфере содержалось примерно около 830 гигатонн (830 миллиардов тонн) углерода в форме двуокиси углерода^[16]. Гидросфера содержит около 38 тератонн углерода в виде физически растворённого диоксида углерода, а также растворённых гидрокарбонатов и карбонатов. Литосфера содержит самую большую долю химически связанного диоксида углерода. Карбонатные породы, такие как кальцит и доломит, содержат около 60 петатонн углерода^[17]. Кроме того, большие количества углерода хранятся в районах вечной мерзлоты, таких как тундры арктических и полярных антарктических регионов, в бореальных хвойных лесах или высоких горах и на болотах^[18][19][20].

Свойства

Физические

Диоксид углерода (IV) (углекислый газ) — бесцветный газ, при малых концентрациях в воздухе не имеет запаха, при больших концентрациях имеет характерный кисловатый запах газированной воды. Тяжелее воздуха приблизительно в 1,5 раза.

Молекула углекислого газа линейна, расстояние от центра центрального атома углерода до центров двух атомов кислорода 116,3 пм.

При температуре −78,3 °С кристаллизуется в виде белой снегообразной массы — «сухого льда». Сухой лёд при атмосферном давлении не плавится, а испаряется, не переходя в жидкое состояние, температура сублимации −78 °С. Жидкий углекислый газ можно получить при повышении давления. Так, при температуре 20 °С и давлении свыше 6 МПа (~60 атм) газ сгущается в бесцветную жидкость. В тлеющем электрическом разряде светится характерным бело-зелёным светом.

Негорюч, но в его атмосфере может поддерживаться горение активных металлов, например, щелочных металлов и щёлочноземельных — магния, кальция, бария.

Углекислый газ образуется при гниении и горении органических веществ. Содержится в воздухе и минеральных источниках, выделяется при дыхании животных и растений. Растворим в воде (0,738 объёмов углекислого газа в одном объёме воды при 15 °С).

Химические

По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным оксидам. При растворении в воде образует нестойкую угольную кислоту. Реагирует со щелочами с образованием её солей — карбонатов и гидрокарбонатов. Вступает в реакции электрофильного замещения (например, с фенолом) и нуклеофильного присоединения (например, с магнийорганическими соединениями).

Оксид углерода(IV) останавливает горение, вытесняя кислород из зоны реакции. В нём горят только некоторые активные металлы^[21]:

.

Взаимодействие с оксидом активного металла:

.

При растворении в воде образует равновесную смесь раствора диоксида углерода и угольной кислоты, причём равновесие сильно сдвинуто в сторону разложения кислоты:

.

Реагирует со щелочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:

(качественная реакция на углекислый газ),

.

Биологические

Организм человека выделяет приблизительно 1 кг углекислого газа в сутки^[22].

Этот углекислый газ переносится от тканей, где он образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма, по венозной системе и затем выделяется с выдыхаемым воздухом через лёгкие. Таким образом, содержание углекислого газа в крови велико в венозной системе, уменьшается в капиллярной сети лёгких, и мало в артериальной крови. Содержание углекислого газа в пробе крови часто выражают в терминах парциального давления, то есть давления, которое бы имел содержащийся в пробе крови в данном количестве углекислый газ, если бы весь объём пробы крови занимал только он^[23].

Содержание углекислого газа в крови человека приблизительно таково:

Референтные значения или средние значения парциального давления углекислого газа в крови (pCO₂)

Единицы измерения	Газ венозной крови	Альвеолярный лёгочный газ	Газ артериальной крови
кПа	5,5[24]—6,8[24]	4,8	4,7[24]—6,0[24]
мм рт. ст.	41—51	36	35[25]—45[25]

Углекислый газ транспортируется в крови тремя различными способами (точное соотношение каждого из этих трёх способов транспортировки зависит от того, является ли кровь артериальной или венозной).

• Бо́льшая часть углекислого газа (от 70 % до 80 %) преобразуется ферментом карбоангидразой эритроцитов в ионы гидрокарбоната^[26] при помощи реакции .
• Около 5—10 % углекислого газа растворено в плазме крови^[26].
• Около 5—10 % углекислого газа связано с гемоглобином в виде карбаминосоединений (карбогемоглобин)^[26].

Гемоглобин, основной кислород-транспортирующий белок эритроцитов крови, способен транспортировать как кислород, так и углекислый газ. Однако углекислый газ связывается с гемоглобином в ином месте, чем кислород. Он связывается с N-терминальными концами цепей глобина, а не с гемом. Однако благодаря аллостерическим эффектам, которые приводят к изменению конфигурации молекулы гемоглобина при связывании, связывание углекислого газа понижает способность кислорода к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении кислорода, и наоборот — связывание кислорода с гемоглобином понижает способность углекислого газа к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении углекислого газа. Помимо этого, способность гемоглобина к преимущественному связыванию с кислородом или с углекислым газом зависит также и от pH среды. Эти особенности очень важны для успешного захвата и транспорта кислорода из лёгких в ткани и его успешного высвобождения в тканях, а также для успешного захвата и транспорта углекислого газа из тканей в лёгкие и его высвобождения там.

Углекислый газ является одним из важнейших медиаторов ауторегуляции кровотока. Он является мощным вазодилататором. Соответственно, если уровень углекислого газа в ткани или в крови повышается (например, вследствие интенсивного метаболизма — вызванного, скажем, физической нагрузкой, воспалением, повреждением тканей, или вследствие затруднения кровотока, ишемии ткани), то капилляры расширяются, что приводит к увеличению кровотока и соответственно к увеличению доставки к тканям кислорода и транспорта из тканей накопившейся углекислоты. Кроме того, углекислый газ в определённых концентрациях (повышенных, но ещё не достигающих токсических значений) оказывает положительное инотропное и хронотропное действие на миокард и повышает его чувствительность к адреналину, что приводит к увеличению силы и частоты сердечных сокращений, величины сердечного выброса и, как следствие, ударного и минутного объёма крови. Это также способствует коррекции тканевой гипоксии и гиперкапнии (повышенного уровня углекислоты)^{[источник не указан 989 дней]}.

Ионы гидрокарбоната очень важны для регуляции pH крови и поддержания нормального кислотно-щелочного равновесия. Частота дыхания влияет на содержание углекислого газа в крови. Слабое или замедленное дыхание вызывает респираторный ацидоз, в то время как учащённое и чрезмерно глубокое дыхание приводит к гипервентиляции и развитию респираторного алкалоза.

Кроме того, углекислый газ также важен в регуляции дыхания. Хотя организм человека требует кислорода для обеспечения метаболизма, низкое содержание кислорода в крови или в тканях обычно не стимулирует дыхание (вернее, стимулирующее влияние нехватки кислорода на дыхание слишком слабо и «включается» поздно, при очень низких уровнях кислорода в крови, при которых человек нередко уже теряет сознание). В норме дыхание стимулируется повышением уровня углекислого газа в крови. Дыхательный центр гораздо более чувствителен к повышению уровня углекислого газа, чем к нехватке кислорода. Как следствие этого, дыхание сильно разрежённым воздухом (с низким парциальным давлением кислорода) или газовой смесью, вообще не содержащей кислорода (например, 100 % азотом или 100 % закисью азота) может быстро привести к потере сознания без возникновения ощущения нехватки воздуха (поскольку уровень углекислоты в крови не повышается, ибо ничто не препятствует её выдыханию). Это особенно опасно для пилотов военных самолётов, летающих на больших высотах (в случае аварийной разгерметизации кабины пилоты могут быстро потерять сознание). Эта особенность системы регуляции дыхания также является причиной того, почему в самолётах стюардессы инструктируют пассажиров в случае разгерметизации салона самолёта в первую очередь надевать кислородную маску самим, прежде чем пытаться помочь кому-либо ещё — делая это, помогающий рискует быстро потерять сознание сам, причём даже не ощущая до последнего момента какого-либо дискомфорта и потребности в кислороде^[26].

Углекислый газ накапливается в помещении при недостаточной вентиляции. При содержании его в воздухе выше 1000 ppm, то есть 0,1% объёмной концентрации, человек ощущает вялость, затруднённое дыхание («духота»). Превышением по санитарным нормативам считается уровень выше 1400 ppm. При таком показателе уже трудно выполнять работу, трудно нормально засыпать. При уровне более 3000 ppm (0,3%) человек испытывает тошноту, учащается пульс^[27]. Углекислый газ при концентрации его в воздухе 7-10% (70,000-100,000 ppm) может привести к удушью и потере сознания даже при присутствии достаточного количества кислорода^[28].

Дыхательный центр человека пытается поддерживать парциальное давление углекислого газа в артериальной крови не выше 50 мм ртутного столба. При сознательной гипервентиляции содержание углекислого газа в артериальной крови может снизиться до 10—20 мм ртутного столба, при этом содержание кислорода в крови практически не изменится или увеличится незначительно, а потребность сделать очередной вдох уменьшится как следствие уменьшения стимулирующего влияния углекислого газа на активность дыхательного центра. Это является причиной того, почему после некоторого периода сознательной гипервентиляции легче задержать дыхание надолго, чем без предшествующей гипервентиляции. Такая сознательная гипервентиляция с последующей задержкой дыхания может привести к потере сознания до того, как человек ощутит потребность сделать вдох. В безопасной обстановке такая потеря сознания ничем особенным не грозит (потеряв сознание, человек потеряет и контроль над собой, перестанет задерживать дыхание и сделает вдох, дыхание, а вместе с ним и снабжение мозга кислородом восстановятся, а затем восстановится и сознание). Однако в других ситуациях, например, перед нырянием, это может быть опасным (потеря сознания и потребность сделать вдох наступят на глубине, и в отсутствие сознательного контроля в дыхательные пути попадёт вода, что может привести к утоплению)^{[источник не указан 1924 дня]}. Именно поэтому гипервентиляция перед нырянием опасна и не рекомендуется.

Получение

• В промышленных количествах углекислота выделяется из дымовых газов, или как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов^[29] (известняк, доломит) или при производстве алкоголя (спиртовое брожение). Смесь полученных газов промывают раствором карбоната калия, которые поглощают углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В современных установках получения углекислого газа вместо гидрокарбоната чаще применяется водный раствор моноэтаноламина, который при определённых условиях способен абсорбировать , содержащийся в дымовом газе, а при нагреве отдавать его; таким образом отделяется готовый продукт от других веществ.

• Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона.

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора, мела или соды с соляной кислотой, используя, например, аппарат Киппа^[29]:

.

Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который замедляет реакцию, и который удаляется значительным избытком кислоты с образованием кислого сульфата кальция.

Для приготовления сухих напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.

Также для получения углекислого газа применяется экзотермическая реакция горения углерода в кислороде^[29]:

.

Применение

• 

• 

• 

  Бытовой баллончик со сжиженным углекислым газом

В пищевой промышленности углекислота используется как консервант и разрыхлитель, обозначается на упаковке кодом Е290.

В криохирургии используется как одно из основных веществ для криоабляции новообразований.

Жидкая углекислота широко применяется в системах пожаротушения и в огнетушителях. Автоматические углекислотные установки для пожаротушения различаются по системам пуска, которые бывают пневматическими, механическими или электрическими.

При сооружении московского метро в XX веке жидкая углекислота использовалась для заморозки грунта.

Устройство для подачи углекислого газа в аквариум может включать в себя резервуар с газом. Простейший и наиболее распространённый метод получения углекислого газа основан на конструкции для изготовления алкогольного напитка браги. При брожении выделяемый углекислый газ вполне может обеспечить подкормку аквариумных растений^[30].

Углекислый газ используется для газирования лимонада, газированной воды и других напитков. Углекислый газ используется также в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его распад с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в инертной среде.

Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии (в газобаллонной пневматике) и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

Хранение углекислоты в стальном баллоне в сжиженном состоянии выгоднее, чем в виде газа. Углекислота имеет сравнительно низкую критическую температуру +31 °С. В стандартный 40-литровый баллон заливают около 20 кг сжиженного углекислого газа, и при комнатной температуре в баллоне будет находиться жидкая фаза, а давление составит примерно 6 МПа (60 кгс/см²). Если температура будет выше +31 °С, то углекислота перейдёт в сверхкритическое состояние с давлением выше 7,36 МПа. Стандартное рабочее давление для обычного 40-литрового баллона составляет 15 МПа (150 кгс/см²), однако он должен безопасно выдерживать давление в 1,5 раза выше, то есть 22,5 МПа, — таким образом, работа с подобными баллонами может считаться вполне безопасной.

Твёрдая углекислота — «сухой лёд» — используется в качестве хладагента в лабораторных исследованиях, в розничной торговле, при ремонте оборудования (например: охлаждение одной из сопрягаемых деталей при их посадке внатяжку) и так далее. Для сжижения углекислого газа и получения сухого льда применяются углекислотные установки.

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях — анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации СО₂ в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта.
Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем. Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф. Для измерения низких концентраций СО₂ (а также CO) в технологических газах или в атмосферном воздухе можно использовать газохроматографический метод с метанатором и регистрацией на пламенно-ионизационном детекторе^[31].

Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40—70°) широт Северного полушария.

Вегетация в тропиках практически не зависит от сезона, сухой пояс пустынь 20—30° (обоих полушарий) даёт малый вклад в круговорот углекислоты, а полосы суши, наиболее покрытые растительностью, расположены на Земле асимметрично (в Южном полушарии в средних широтах находится океан).
Поэтому с марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание СО₂ в атмосфере падает, а с октября по февраль — повышается. Вклад в зимний прирост дают как окисление древесины (гетеротрофное дыхание растений, гниение, разложение гумуса, лесные пожары), так и сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа), заметно увеличивающееся в зимний сезон^[32].

Большое количество углекислоты растворено в океане.

Углекислый газ составляет значительную часть атмосфер некоторых планет Солнечной системы: Венеры, Марса.

Физиологическое действие

Углекислый газ^[33] нетоксичен, однако при вдыхании его повышенных концентраций в воздухе по воздействию на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам  (англ.) (рус..

В соответствии с ГОСТом 12.1.007-76 диоксид углерода относится к вредным веществам IV класса опасности^[34][35].

Растворённый в крови углекислый газ активирует дыхательный центр мозга в физиологических и несколько повышенных концентрациях. Незначительные повышения концентрации, вплоть до 0,2−0,4 % (2000−4000 ppm), в помещениях приводят к развитию у людей сонливости и слабости. В значительно более высоких концентрациях он приводит к снижению или устранению рефлекторного респираторного раздражителя, сначала к угнетению дыхания и, наконец, к остановке дыхания^[36]. От 5 % углекислого газа во вдыхаемом воздухе возникают головные боли и головокружение, при более высоких концентрациях учащённое сердцебиение (тахикардия), повышение артериального давления, одышка и потеря сознания, так называемая углекислотная анестезия. Концентрация углекислого газа свыше 8 % приводит к отравлению с последующим смертельным исходом в течение 30-60 минут^[37][38]. Накопление углекислого газа в крови называется гиперкапнией.

Для помещений нормальным является уровень CO₂ около 600 ppm (частей на миллион). Повышенные концентрации углекислого газа снижают когнитивные способности людей. Уже при 1200 ppm расширяются кровеносные сосуды в мозге, снижается активность нейронов и уменьшается объём коммуникации между регионами мозга^[39]. В школьных классах типичной является концентрация 2000−2500, а общий разброс значений — от 1000 до 6000, это вызывает обеспокоенность у исследователей^[40], поскольку выявлено снижение результатов учеников, выполняющих тестовые задания в душных помещениях^[41].

Влияние на взрослых здоровых людей	Концентрация углекислого газа, ppm
Нормальный уровень на открытом воздухе	350—450
Приемлемые уровни	<600
Жалобы на несвежий воздух	>1200
Общая вялость	1000—2500
Максимально допустимая концентрация в течение 8 часового рабочего дня	5000
Лёгкое отравление, учащается пульс и частота дыхания, тошнота и рвота	30 000
Добавляется головная боль и лёгкое нарушение сознания	50 000
Потеря сознания, в дальнейшем — отравление с последующим смертельным исходом	100 000

Вдыхание воздуха с повышенной концентрацией этого газа не приводит к долговременным расстройствам здоровья. После удаления пострадавшего из атмосферы с высокой концентрацией углекислого газа быстро наступает полное восстановление здоровья и самочувствия^[42].

Рекомендуемая ПДК в воздухе рабочей зоны для диоксида углерода составляет 9000 мг/м^3[43].

В культуре

• CO₂ — песня DJ Smash и Artik & Asti.

См. также

• Углекислый газ в атмосфере Земли
• Угольная кислота
• Выхлопные газы
• Лимнологическая катастрофа
• Глобальное потепление
• Торговля эмиссионными квотами

Примечания

Литература

• Вукалович М. П., Алтунин В. В. Теплофизические свойства двуокиси углерода. — М.: Атомиздат, 1965. — 456 с.
• Гродник М. Г., Величанский А. Я. Проектирование и эксплуатация углекислотных установок. — М.: Пищевая промышленность, 1966. — 275 с.
• Раков Э. Г. Углерода диоксид // Большая российская энциклопедия. — М.: Большая российская энциклопедия, 2016. — Т. 32. — С. 662—663.
• Тезиков А. Д. Производство и применение сухого льда. — М.: Госторгиздат, 1960. — 128 с.
• Талянкер Ю. Е. Особенности хранения баллонов со сжиженным газом // Сварочное производство. — 1972. — № 11.

Ссылки

• International Chemical Safety Card 0021 Архивная копия от 13 февраля 2008 на Wayback Machine (англ.)
• CID 280 Архивная копия от 18 января 2012 на Wayback Machine — PubChem (англ.)
• CO₂ Диоксид углерода, свойства, применение Архивная копия от 13 февраля 2021 на Wayback Machine (англ.)
• Фазовая диаграмма (давление-температура) для диоксида углерода
• Диоксид углерода в 3D
• Dry Ice information Архивная копия от 3 апреля 2004 на Wayback Machine (англ.)
• Phase Diagram of Carbon Dioxide (англ.)
• Experiment 071 — Triple Point Phase Transition for Carbon Dioxide
• CO₂ как природный рефрежерант — FAQs (англ.)
• Великобритания разрабатывает метод сохранения двуокиси углерода
• Онлайн калькулятор свойств CO₂ Архивная копия от 30 сентября 2011 на Wayback Machine (англ.)

п • <abbr title=»Обсуждение этого шаблона»>о</abbr> • р Оксиды
H2O
Li2O LiCoO2 Li3PaO4 Li5PuO6 Ba2LiNpO6 LiAlO2 Li3NpO4 Li2NpO4 Li5NpO6 LiNbO3	BeO	B2O3	С3О2 C12O9 CO C12O12 C4O6 CO2	N2O NO N2O3 N4O6 NO2 N2O4 N2O5	O	F
Na2O NaPaO3 NaAlO2 Na2PtO3	MgO	AlO Al2O3 NaAlO2 LiAlO2 AlO(OH)	SiO SiO2	P4O P4O2 P2O3 P4O8 P2O5	S2O SO SO2 SO3	Cl2O ClO2 Cl2O6 Cl2O7
K2O K2PtO3 KPaO3	CaO Ca3OSiO4 CaTiO3	Sc2O3	TiO Ti2O3 TiO2 TiOSO4 CaTiO3 BaTiO3	VO V2O3 V3O5 VO2 V2O5	FeCr2O4 CrO Cr2O3 CrO2 CrO3 MgCr2O4	MnO Mn3O4 Mn2O3 MnO(OH) Mn5O8 MnO2 MnO3 Mn2O7	FeCr2O4 FeO Fe3O4 Fe2O3	CoFe2O4 CoO Co3O4 CoO(OH) Co2O3 CoO2	NiO NiFe2O4 Ni3O4 NiO(OH) Ni2O3	Cu2O CuO CuFe2O4 Cu2O3 CuO2	ZnO	Ga2O Ga2O3	GeO GeO2	As2O3 As2O4 As2O5	SeOCl2 SeOBr2 SeO2 Se2O5 SeO3	Br2O Br2O3 BrO2
Rb2O RbPaO3 Rb4O6	SrO	Y2O3 YOF YOCl	ZrO(OH)2 ZrO2 ZrOS Zr2О3Сl2	NbO Nb2O3 NbO2 Nb2O5 Nb2O3(SO4)2 LiNbO3	Mo2O3 Mo4O11 MoO2 Mo2O5 MoO3	TcO2 Tc2O7	Ru2O3 RuO2 Ru2O5 RuO4	RhO Rh2O3 RhO2	PdO Pd2O3 PdO2	Ag2O Ag2O2	Cd2O CdO	In2O InO In2O3	SnO SnO2	Sb2O3 Sb2O4 Hg2Sb2O7 Sb2O5	TeO2 TeO3	I2O4 I4O9 I2O5
Cs2O Cs2ReCl5O	BaO BaPaO3 BaTiO3 BaPtO3		HfO(OH)2 HfO2	Ta2O TaO TaO2 Ta2O5	WO2Br2 WO2 WO2Cl2 WOBr4 WOF4 WOCl4 WO3	Re2O ReO Re2O3 ReO2 Re2O5 ReO3 Re2O7	OsO Os2O3 OsO2 OsO4	Ir2O3 IrO2	PtO Pt3O4 Pt2O3 PtO2 K2PtO3 Na2PtO3 PtO3	Au2O AuO Au2O3	Hg2O HgO (Hg3O2)SO4 Hg2O(CN)2 Hg2Sb2O7 Hg3O2Cl2 Hg5O4Cl2	Tl2O Tl2O3	Pb2O PbO Pb3O4 Pb2O3 PbO2	BiO Bi2O3 Bi2O4 Bi2O5	PoO PoO2 PoO3	At
Fr	Ra		Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts
	↓
La2O2S La2O3	Ce2O3 CeO2	PrO Pr2O2S Pr2O3 Pr6O11 PrO2	NdO Nd2O2S Nd2O3 NdHO	Pm2O3	SmO Sm2O3	EuO Eu3O4 Eu2O3 EuO(OH) Eu2O2S	Gd2O3	Tb	Dy2O3	Ho2O3 Ho2O2S	Er2O3	Tm2O3	YbO Yb2O3	Lu2O2S Lu2O3 LuO(OH)
Ac2O3	UO2 UO3 U3O8	PaO PaO2 Pa2O5 PaOS	ThO2	NpO NpO2 Np2O5 Np3O8 NpO3	PuO Pu2O3 PuO2 PuO3 PuO2F2	AmO2	Cm2O3 CmO2	Bk2O3	Cf2O3	Es	Fm	Md	No	Lr

Эта страница в последний раз была отредактирована 28 ноября 2022 в 13:18.

Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.