一、二氧化碳
二氧化碳的英文名称为carbon dioxide，它由碳和氧两种元素化合而成，化学计量式写作CO₂，其相对分子质量数值为44.0095。在常规温度和常压条件下，该物质以气体形态呈现，无明显颜色和气味（也有资料表述为无嗅且其水溶液带有轻微酸感），被归入常见温室气体的范畴，同时它也是大气混合物的构成成分之一——在大气总体积中占比约为0.03%至0.04%。
关于该物质的物理参数：在外界压力为101.3千帕时，其沸腾温度达到-78.5℃，固态向液态转变的熔融点位于-56.6℃。与标准测量条件下的同体积空气相比，它的单位体积质量更大，同时具备在水介质中发生一定量溶解的物理属性。
从化学反应特征来看，二氧化碳表现出较低的参与反应倾向，在热力学上具有相当高的稳定程度——实验结果表明，即便温度升至2000℃的高温区间，也仅有约1.8%的分子量会发生解离。它既不能作为可燃物被引燃，在通常情况下也不具备助燃功能。依据氧化物的化学分类体系，它属于酸性氧化物，完整保留了这类化合物普遍具有的反应特征。由于它与水接触后所生成的化学产物为碳酸，因此它在化学构成上是碳酸对应的酸酐。
工业生产中获取二氧化碳的常见途径主要有两条：其一为对石灰石矿物进行高温煅烧处理，其二则是将石灰石与稀盐酸溶液混合进行复分解反应。制备出的二氧化碳产品依据其物理形态而适用于不同场景——以固态形式为易腐食品提供冷藏保鲜，以液态形式作为冷却介质发挥致冷功能，以气态形式参与碳酸类软饮的生产制造，以及以超临界流体状态充当均相化学反应的操作溶剂。
对于该气体的生物安全效应，现有科学实验得出的认识是：当环境中二氧化碳处于较低浓度水平时，通常不会对动物机体产生明显的有毒作用；但当其浓度升高至一定程度后，则会对动物造成中毒反应。
2023年4月13日，香山科学会议第742次学术讨论会如期举行，与会专家在研讨中形成的一项重要共识是：针对二氧化碳的资源化利用技术蕴藏着极其可观的发展前景。另据相关统计，截至2023年年中，在过去十年的时间跨度内，全球温室气体年排放总量已攀升至前所未有的峰值水平，其中每年向大气中释放的二氧化碳量达到约540亿吨，这一持续增长的排放趋势被认为是推动全球气候系统逐步变暖的关键驱动因素。
二、化学性质
| 性质/反应类别 | 具体描述 | 化学反应方程式 | 备注与说明 |
|---|---|---|---|
| 分子式与结构 | 由一个碳原子与两个氧原子通过双键构成直线形分子 | CO₂（结构式 O=C=O，键角 180°） | 分子量 44.0095 |
| 热稳定性 | 高温下分解率很低，2000℃时仅约 1.8% 分解 | — | 化学性质非常稳定 |
| 燃烧性质 | 本身不燃烧，通常不支持燃烧（活泼金属除外） | — | 镁、钠等活泼金属可在 CO₂ 中燃烧 |
| 活泼金属燃烧反应 | 点燃条件下，镁等金属在 CO₂ 中继续燃烧 | 2Mg+CO2→点燃2MgO+C | 不能用 CO₂ 灭火器扑灭活泼金属火灾 |
| 与水反应 | CO₂ 可溶于水，可逆生成碳酸 | CO2+H2O⇌H2CO3 | 碳酸为弱酸，能使紫色石蕊变红；加热后碳酸分解，溶液恢复紫色 |
| 与碱反应（石灰水） | 通入澄清石灰水，生成白色沉淀 | CO2+Ca(OH)2⟶CaCO3↓+H2O | 实验室检验 CO₂ 的常用方法 |
| 与碱反应（过量 CO₂） | 过量 CO₂ 使沉淀溶解，生成可溶性碳酸氢钙 | CaCO3+CO2+H2O⟶Ca(HCO3)2 | 溶液重新变澄清 |
| 与氢氧化钠反应 | CO₂ 与 NaOH 反应生成碳酸钠和水 | CO2+2NaOH⟶Na2CO3+H2O | 无明显现象 |
| 光合作用 | 植物在光照、叶绿体作用下，将 CO₂ 和水转化为葡萄糖并释放氧气 | 6CO2+6H2O→叶绿体光照C6H12O6+6O2 | 维持大气碳-氧平衡 |
| 温室效应 | CO₂ 吸收地表长波红外辐射，使热量滞留，导致全球变暖 | — | 工业革命前浓度约 280 ppm，2022 年约 418 ppm；年排放约 540 亿吨 |
| 与碱性氧化物反应（补充） | 可与碱性氧化物反应生成碳酸盐 | CO2+Na2O⟶Na2CO3 | 体现酸性氧化物通性 |
| 与碳反应（补充） | 高温下与碳反应生成一氧化碳 | CO2+C→高温2CO | 工业制水煤气相关反应 |
| 生物体内碳酸酐酶催化（补充） | 碳酸酐酶加速 CO₂ 水合，调节血液 pH 值 | CO2+H2O→碳酸酐酶H2CO3⇌H++HCO3− | 维持体内酸碱平衡 |
三、制取方式
二氧化碳（CO₂）的获取途径，根据生产规模及纯度要求的不同，主要可分为实验室制备与工业制备两大类，同时伴随现代环保技术的发展，从工业尾气中回收提纯已成为重要的补充来源。
一、实验室制备方法
在实验室条件下，制备二氧化碳通常采用化学反应方法，以获得可控量的目标气体。
1. 碳酸盐与酸反应
实验室中最经典的方法是使碳酸钙（通常以大理石或石灰石作为原料）与稀盐酸发生复分解反应。该反应速率适中、易于控制，其化学反应式可表示为：
CaCO3+2HCl⟶CaCl2+CO2↑+H2O
选择稀盐酸而非其他酸类主要基于以下原因：稀硫酸与碳酸钙反应生成的硫酸钙为微溶物，会在固体表面形成致密覆盖层，阻碍反应持续进行；浓盐酸具有强挥发性，会使产生的二氧化碳气体中混入较多氯化氢杂质。实验室制得的二氧化碳通常采用向上排空气法进行收集（因其密度大于空气），验满时可将燃着的木条置于集气瓶口，若火焰熄灭则表明气体已收集满。
2. 碳酸氢钠热分解法
当需要获得更高纯度的二氧化碳时，可采用加热碳酸氢钠使其分解的方法。将充分干燥的碳酸氢钠装入硬质玻璃管中，在真空环境下加热使之分解，反应式如下：
2NaHCO3→ΔNa2CO3+CO2↑+H2O
反应产生的气体经冰浴冷却以除去水汽，再依次通过氯化钙和五氧化二磷进行干燥处理，即可得到高纯度的二氧化碳产品。
二、工业制备方法
工业规模的二氧化碳生产主要依赖从化工生产过程中回收提纯或通过专门工艺制取。下表汇总了主要的工业制备方法及其技术特点：
| 制备方法 | 技术原理 | 关键过程 | 产品纯度与应用 |
|---|---|---|---|
| 煅烧法 | 高温煅烧石灰石，使其分解为氧化钙和二氧化碳 | 矿石破碎→高温煅烧→气体收集 | 工业气源/食品级 |
| 发酵气回收法 | 回收乙醇等发酵生产过程中释放的二氧化碳 | 气体收集→水洗除杂→压缩 | 工业级/食品级 |
| 副产气体回收法 | 从合成氨、氢气等化工工艺的脱碳工序尾气中分离二氧化碳 | 加压吸收→解吸回收 | 高纯度 |
| 吸附精馏法 | 采用硅胶、3A分子筛、活性炭等吸附剂脱除杂质，再经精馏提纯 | 吸附除杂→精馏→产品收集 | 科研/医疗级 |
| 炭窑法 | 以炭窑窑气或甲醇裂解气为原料，经精制获取二氧化碳 | 窑气收集→净化精制→压缩 | 中等纯度 |
1. 煅烧法：将石灰石（主要成分为CaCO₃）与燃料混合后置于石灰窑内高温煅烧（约800-1000℃）。碳酸钙分解生成氧化钙（生石灰）并释放二氧化碳气体。产生的气体经水洗去除粉尘和可溶性杂质，再经除杂、压缩等工序，最终获得高纯度CO₂产品。
2. 发酵气回收法：在乙醇等发酵生产过程中，酵母菌分解糖类物质的同时会释放大量二氧化碳，其体积浓度通常可达60%～85%。将这些气体收集后经水洗去除醇类等有机物、除杂、压缩等处理，即可获得符合工业或食品级要求的CO₂产品。
3. 副产气体回收法：在合成氨等大型化工流程中，粗合成气常含有较高浓度的CO₂，需通过脱碳工序予以去除。通常利用吸收剂（如醇胺溶液）在加压条件下将CO₂选择性吸收，再通过减压加热使吸收剂解吸，从而回收得到高纯度二氧化碳。
4. 吸附精馏法：以工业副产CO₂为原料气，采用硅胶、3A分子筛、活性炭等作吸附剂脱除部分杂质，再经精馏进一步提纯。该方法特别适用于医疗、科研等对纯度要求较高的应用领域。
5. 炭窑法：在木炭烧制过程中，炭窑排出的大量烟气及甲醇裂解产生的气体经净化处理、压缩、冷凝等步骤，可得到较高纯度的二氧化碳。
三、从工业尾气中捕集与回收
除了上述专门制备方法，从钢铁厂、水泥厂、电厂等各类工业废气中捕集并回收二氧化碳，已成为兼具经济价值和环保意义的重要来源。工业尾气中CO₂的浓度因来源不同而差异显著：酒精发酵气中CO₂浓度可达60%～85%，石灰窑尾气约为20%～40%，燃烧废气则相对偏低（10%～50%）。现代二氧化碳回收装置通常整合了以下工艺环节：
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捕集：采用物理吸收法（如水洗）、化学吸收法（如醇胺溶液吸附）或变压吸附（PSA）等技术，将CO₂从尾气中富集。醇胺溶液化学吸收法是现有碳捕集技术中最为成熟的方案之一。
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净化与干燥：对捕集到的CO₂进行脱硫、脱水以及去除烃类有机杂质等净化处理，为后续液化提纯做准备。
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液化与提纯：将净化后的CO₂通过压缩和低温冷凝转化为液态产品，通常采用两级压缩和深度冷却（达到-25℃左右）来实现。
四、前沿技术
在碳达峰、碳中和的全球背景下，多种新型CO₂捕集与转化技术正快速发展：
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膜分离法：利用气体分子在膜材料中渗透速率的差异实现CO₂分离。该技术具有能耗低、操作简便、设备紧凑等优势，可单独使用也可与其他方法联用。
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变压吸附（PSA）及协同工艺：通过吸附剂在不同压力下对CO₂的选择性吸附与解吸来实现分离。将吸附、膜分离或吸收等方法耦合使用，可实现高纯度产品与高回收率的兼顾。
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人工光合作用与生物固碳：通过模拟自然光合作用或利用基因改造微生物，以CO₂为碳源直接合成各类有机化学品，实现从废气到资源的转化利用。
四、环境危害
1.天然的温室效应
地球大气层中天然存在的二氧化碳、甲烷、水汽等温室气体，具备一种关键的物理特性：它们对太阳射向地表的短波辐射几乎透明，却能够高效地拦截并吸收地面向外太空发射的长波红外辐射。吸收热量之后，这些气体分子随即以自身较低的温度向四面八方重新发射波长更长的热辐射，其中朝向地面的那一部分——即所谓”大气逆辐射”——将热量返还给了地表。这种辐射交换机制，相当于为地球覆盖了一层看不见的保温层，使得全球地表平均温度得以维持在约15℃的水平，而非没有大气层时的-18℃。在纯粹的自然状态之下，这种温室效应对生命而言并非威胁，恰恰相反，它是维系地球宜居温度的根本前提。
2.增强的温室效应
然而，18世纪中叶工业革命以降，人类的生产和生活方式正在以前所未有的速度和规模改写着大气的化学配方。化石燃料——煤炭、石油、天然气——的大规模开采与焚烧，森林植被的持续砍伐与退化，以及水泥生产等工业流程中释放的工艺性气体，共同构成了一个不断膨胀的排放源，将数量惊人的二氧化碳及其他温室气体持续不断地注入大气层。其直接后果是：大气中温室气体的浓度出现了过去数十万年乃至数百万年间从未有过的急剧攀升。原本维持在自然均衡状态的温室效应，被这一波人为排放显著”加厚”，行星的保温能力超出了自然调节可以消纳的范围。
统计数字清晰地勾勒出这一变化的轨迹与速度。在工业化时代全面到来之前，全球大气中二氧化碳的年均浓度长期在278ppm附近波动（1ppm即百万分之一，表示每百万个干燥空气分子中含有一个二氧化碳分子）。然而工业文明的进程彻底改写了这条平稳的曲线：根据监测数据，到2012年，全球年均大气二氧化碳浓度已经攀升至393.1ppm，较工业化前增长了超过41%，且年增幅呈加速态势。更为标志性的一刻发生在2014年4月——该月北半球大气中二氧化碳的月均浓度首次跨越了400ppm的门槛，北半球所有监测站点的读数均创下了有仪器记录以来的春季最高值。世界气象组织当时指出，这一观测结果应被视为对国际社会发出的又一明确警示。
3.全球气候变暖及其后果
温室效应的持续增强直接驱动了全球气候系统的升温，由此引发的连锁反应远超出了单纯的”平均气温升高”这一范畴，而是涉及一系列当前科学手段尚无法精准预判的气候问题。全球升温正在改变降水格局、加剧极端天气事件的发生频率与强度、扰乱季风系统的节律、加速冰川消融和冻土退化——这些影响彼此交织、互为放大，构成了一张高度复杂的气候风险网络。
一份国际气候变化经济学报告给出的评估结论令人警醒：倘若人类社会沿袭现有的能源结构和排放路径不作根本性调整，到2100年，全球平均气温将有一半的概率比工业化前水平升高整整4℃。
4℃的升温意味着什么？首先受到冲击的将是地球的冰冻圈。南北两极的冰盖和格陵兰的冰川将在这一温度区间内出现不可逆转的大规模消融。融水持续汇入海洋，将推动全球海平面的显著抬升。届时，全世界超过40个岛屿国家——尤其是那些平均海拔仅在海平面以上数米的低洼岛国——将面临国土被海水侵蚀乃至大面积吞没的生存性威胁。与此同时，那些聚集着全球最稠密人口的海岸大都市，从东亚到南亚、从北美到欧洲的沿海城市群，都将暴露在海平面上升和风暴潮加剧的最前线。全球数以千万计的沿海居民的生活根基可能被连根拔起。更深远的影响在于，全球生态网络的微妙平衡将在大范围气候变化中被打破，物种分布、农业产区、水资源格局都将被迫发生剧烈重组，最终可能触发大规模的人口迁移、资源争夺以及社会动荡。
