二酸化炭素

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二酸化炭素
結合長を持つ二酸化炭素の構造式
二酸化炭素の球棒モデル
二酸化炭素の空間充填モデル
名前
他の名前
  • 炭酸ガス
  • 炭酸脱水酵素
  • 炭酸炭酸
  • 酸化炭素(IV)
  • R-744(冷媒
  • R744(冷媒代替スペル)
  • ドライアイス(固相)
識別子
3Dモデル(JSmol
3DMet
1900390
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
ECHAインフォカード 100.004.271 ウィキデータでこれを編集する
EC番号
  • 204-696-9
E番号 E290 (防腐剤)
989
KEGG
メッシュ 二酸化炭素+二酸化炭素
RTECS番号
  • FF6400000
UNII
国連番号 1013(ガス)、1845(固体)
  • InChI=1S/CO2/c2-1-3 checkY
    Key: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N checkY
  • InChI=1/CO2/c2-1-3
    Key: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYAO
  • O=C=O
  • C(=O)=O
プロパティ
C O 2
モル質量 44.009g ・mol -1
外観 無色のガス
におい
  • 低濃度:なし
  • 高濃度:鋭い; 酸性[1]
密度
  • 1562  kg / m 3 (1 atm(100 kPa)および-78.5°C(-109.3°F)で固体)
  • 1101  kg / m 3 (飽和状態の液体-37°C(-35°F))
  • 1.977  kg / m 3 (1 atm(100 kPa)および0°C(32°F)のガス)
臨界点TP 304.128(15)K [2]30.978(15)°C)、7.3773(30)MPa [3]72.808(30)atm
194.6855(30)K−78.4645(30)°C)at1気圧0.101 325  MPa
 25°C(77°F)、100 kPa(0.99 atm)で 1.45 g / L
蒸気圧 5.7292(30)MPa56.54(30)atm20°C293.15 K))
酸性度(p K a 6.35、10.33
磁化率(χ)
−20.5・10 −6  cm 3 / mol
熱伝導率 0.01662W ・m -1・K -1(300 K(27°C; 80°F))[4]
屈折率n D
1.00045
粘度
  • 25°C(298 K)で14.90μPa・s [5]
  •  −78.5°C(194.7 K)で70μPa・s
0  D
構造
三方晶
線形
熱化学
熱容量 C
37.135J  / K・mol
214J ・mol -1・K -1

生成標準エンタルピーΔfH⦵298 _
−393.5  kJ・mol −1
薬理学
V03AN02WHO
ハザード
NFPA 704(ファイアダイヤモンド)
致死量または濃度(LD、LC):
90,000  ppm(ヒト、5 分)[7]
NIOSH(米国の健康曝露限界):
PEL(許容)
TWA 5000  ppm(9000  mg / m 3[6]
REL(推奨)
TWA 5000  ppm(9000  mg / m 3)、ST 30,000  ppm(54,000  mg / m 3[6]
IDLH(差し迫った危険)
40,000  ppm [6]
安全データシート(SDS) シグマアルドリッチ
関連化合物
その他の陽イオン
関連する炭素 酸化物
関連化合物
補足データページ
二酸化炭素(データページ)
特に明記されていない限り、データは標準状態(25°C [77°F]、100 kPa)の材料について示されています。
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インフォボックスの参照

二酸化炭素化学式 CO 2 )は、乾燥した空気よりも密度が約53%高い酸性の無色のガスです。二酸化炭素分子は、2つの酸素原子に共有結合した炭素 原子 で構成されています。地球の大気中に微量気体として自然に発生します。現在の濃度は体積で約0.04%(412  ppm)であり、産業革命前の280ppmから上昇しています。[10] [11] 天然資源には、火山、山火事、温泉 間欠泉、そしてそれは水と酸に溶解することによって炭酸塩岩から解放されます。二酸化炭素は水溶性であるため、地下水氷冠氷河海水で自然に発生します。石油天然ガスの鉱床に存在します。二酸化炭素は鋭く酸性の臭いがあり、口の中でソーダ水の味を生み出します。 [12]しかしながら、通常遭遇する濃度では、それは無臭です。[1]

炭素循環で利用可能な炭素の供給源として大気中の二酸化炭素地球上の生命の主要な炭素源であり、プレカンブリアの後半からの地球の産業革命前の大気中のその濃度は光合成生物と地質学的現象によって規制されてきました植物藻類シアノバクテリア太陽光からのエネルギー利用して、二酸化炭素と水から炭水化物を合成します。これは、光合成と呼ばれるプロセスで、酸素を廃棄物として生成します。[13]次に、酸素が消費され、CO 2有機化合物代謝して呼吸によってエネルギーを生成するときに、すべての好気性生物によって廃棄物として放出されます。[14]植物はCO必要とするので2光合成のために、ヒトおよび動物が食品用植物に依存して、CO 2は地球上の生命の生存のために必要です。

それはえらを介して水に戻され、人間を含む空気を吸う陸生動物の肺を介して空気に戻されます。二酸化炭素は、有機物腐敗パンビールワインの製造における糖発酵過程で生成されます。木材泥炭、その他の有機物および石炭石油天然ガスなどの化石燃料の燃焼によって生成されます。これは、多くの大規模な酸化プロセス、たとえば、アクリル酸(500万トン/年以上)。[15] [16] [17]

それは、例えば、溶接および消火器の不活性ガスとして、エアガンおよび油回収の加圧ガスとして、化学原料として、およびコーヒーのカフェイン抜きおよび超臨界乾燥の超臨界流体溶媒として使用される、用途の広い工業材料である。 。[18]飲料水やビールやスパークリングワインなどの炭酸飲料に加えて、発泡性を加えます。ドライアイスとして知られるCO2の凍結固体形態は、ドライアイスブラストの冷媒および研磨剤として使用されます。燃料や化学物質を合成するための原料です。[19] [20][21] [22]

二酸化炭素は、地球の大気中で最も重要な長寿命温室効果ガスです。産業革命以来、主に化石燃料の使用と森林伐採による人為的排出は、大気中の濃度を急速に増加させ、地球温暖化を引き起こしています。二酸化炭素はまた、水に溶解して炭酸を形成するため、海洋酸性化を引き起こします。[23]

歴史

ドライアイスの結晶構造

二酸化炭素は、個別の物質として記述された最初のガスでした。 1640年頃フランダース化学者ヤン・バプティスト・ファン・ヘルモントは、密閉容器で木炭を燃やしたとき、得られたの質量が元の木炭の質量よりはるかに少ないことを観察しました。彼の解釈は、残りの木炭が彼が「ガス」または「野生の精神」(spiritus sylvestris)と呼んだ目に見えない物質に変換されたというものでした。[25]

二酸化炭素の特性は、1750年代にスコットランドの医師ジョセフブラックによってさらに研究されました。彼は、石灰石炭酸カルシウム)を加熱するか、で処理して、「固定空気」と呼ばれるガスを生成できることを発見しました。彼は、固定された空気が空気よりも密度が高く、炎も動物の生命も支えていないことを観察しました。ブラックはまた、石灰水(水酸化カルシウムの飽和水溶液)を泡立てると、炭酸カルシウムが沈殿することを発見しました。彼はこの現象を利用して、二酸化炭素が動物の呼吸と微生物の発酵によって生成されることを説明しました。 1772年、英国の化学者ジョセフ・プリーストリーは、「固定空気で水を含浸させる」というタイトルの論文を発表しました。この論文では、二酸化炭素を生成するために硫酸(またはプリーストリーが知っていたビトリオールの油)をチョークに滴下し、ボウルをかき混ぜてガスを強制的に溶解するプロセスについて説明しました。ガスと接触している水の。[26]

二酸化炭素は、1823年にハンフリーデービーマイケルファラデーによって最初に液化されました(高圧で)[27]固体二酸化炭素(ドライアイス)の最も初期の説明は、1835年に液体二酸化炭素の加圧容器を開けたフランスの発明者Adrien-Jean-Pierre Thilorierによって与えられましたが、急速な蒸発によって冷却が生じることがわかりました。液体の1つは固体CO2の「雪」をもたらしました[28] [29]

化学的および物理的特性

構造、結合および分子振動

二酸化炭素分子対称性は、その平衡幾何学で線形で中心対称です。二酸化炭素の炭素-酸素結合長さは116.3pm で、一般的な単一のC–O結合の約140 pmの長さよりも著しく短く、カルボニルなどの他のほとんどのC–O多重結合官能基よりも短くなっています。[30]中心対称であるため、分子には電気双極子モーメントがありません。

CO2二酸化炭素分子の伸縮振動と曲げ振動。左上:対称ストレッチ。右上:反対称ストレッチ。下の線:曲げモードの縮退ペア。

線形三原子分子であるCO2には、図に示すように4つの振動モードがあります。対称および反対称伸縮モードでは、原子は分子の軸に沿って移動します。縮退している2つの曲げモードがあります。これは、分子の対称性のために、同じ周波数と同じエネルギーを持っていることを意味します。分子が表面に接触したり、別の分子に接触したりすると、相互作用が2つのモードで異なるため、2つの曲げモードの周波数が異なる可能性があります。振動モードのいくつかは、赤外線(IR)スペクトルで観察されます:波数2349 cm -1での反対称伸縮モード(波長4.25μm)および667 cm -1(波長15μm)での曲げモードの縮退ペア。対称伸縮モードは電気双極子を生成しないため、IR分光法では観察されませんが、1388 cm -1(波長7.2μm)のラマン分光法で検出されます。 [31]

気相では、二酸化炭素分子は大きな振動運動を起こし、固定された構造を維持しません。ただし、クーロン爆発イメージング(CEI)実験(クーロン爆発§クーロン爆発イメージングを参照)では、分子構造の瞬間的な画像を推定できます。このような実験[32]は二酸化炭素に対して行われています。この実験の結果、および分子のab initioポテンシャルエネルギー面に基づく理論計算[33]の結論は 、気相中のどの分子も正確に線形ではないということです。

水溶液中

二酸化炭素は水に溶け、可逆的にHを形成します
2
CO
3
炭酸)、水中でのイオン化が不完全なため 弱酸です。

CO
2
+ H
2
O⇌H
_ _
2
CO
3

炭酸水和平衡定数は(25°Cで)。したがって、二酸化炭素の大部分は炭酸に変換されませんが、CO 2分子として残り、pHに影響を与えません。

COの相対濃度
2
、H
2
CO
3
、および脱プロトン化されたフォームHCO
3
重炭酸塩)とCO2−
3
炭酸塩)はpHに依存します。Bjerrumプロットに示されているように、中性またはわずかにアルカリ性の水(pH> 6.5)では、重炭酸塩の形態が優勢(> 50%)になり、海水のpHで最も一般的(> 95%)になります。非常にアルカリ性の水(pH> 10.4)では、主な(> 50%)形態は炭酸塩です。海洋は、典型的なpH = 8.2〜8.5の弱アルカリ性であり、1リットルあたり約120mgの重炭酸塩を含んでいます。

ある二塩基、カルボン酸は、2つの有する酸解離定数、重炭酸塩(別名炭酸水素)イオンへの解離のための最初のもの(HCO 3 - ):

H 2CO3⇌HCO3− + H + _ _ _ _
K a1 =2.5 × 10-4 mol  / L ; 25°CでpK a1 = 3.6 。[30]

これは真の最初の酸解離定数であり、次のように定義されます。ここで、分母には共有結合したH 2 CO 3のみが含まれ、水和CO 2(aq)は含まれません。近くのはるかに小さく、頻繁に引用される値4.16 × 10-7は、すべての溶存CO 2が炭酸として存在するという(誤った)仮定に基づいて計算された見かけの値です。溶解したCO2の大部分はCO2分子として残るため、 K a1 (見かけの値)の分母は実際のKa1よりもはるかに大きくなります[34]

重炭酸イオンは、溶液のpHに応じて、酸または塩基として機能する両性種ですpHでは、炭酸イオン(CO 3 2-に著しく解離します。

HCO 3 −⇌CO 3 2− + H +
K a2 =4.69 × 10-11 mol  / L ; p K a2 = 10.329

生物では、炭酸の生成は酵素炭酸脱水酵素によって触媒されます。

CO2の化学反応

CO 2は、ベンズアルデヒドまたは強力なα、β-不飽和カルボニル化合物に匹敵する求電子反応性を持つ強力な求電子試薬です。ただし、同様の反応性の求電子試薬とは異なり、求核試薬とCO 2の反応は熱力学的にあまり好ましくなく、非常に可逆的であることがよくあります。[35]グリニャール試薬によって提供される カルバニオン有機リチウム化合物ような非常に強い求核試薬のみが 、CO2と反応しカルボン酸塩を生成します。

MR + CO2RCO2 M
ここで、M = LiまたはMgBr およびR =アルキルまたはアリール

金属二酸化炭素錯体では、CO 2配位子として機能し、 CO2から他の化学物質への変換を促進します。[36]

CO 2からCOへの還元は、通常、困難で遅い反応です。

CO 2 + 2 e + 2H + →CO + H 2 O

光合成生物(すなわち、植物やシアノバクテリア)は、太陽光に含まれるエネルギーを使用して、空気や水から吸収された CO2から単糖を光合成します。

n CO 2 + n H
2
O
(CH
2
O)
n
+ n O
2

pH 7付近でのこの反応の酸化還元電位は、標準水素電極に対して約-0.53Vです。ニッケル含有酵素の一酸化炭素デヒドロゲナーゼは、このプロセスを触媒します。[37]

物理的特性

固体二酸化炭素の一般的な形態である「ドライアイス」のペレット

二酸化炭素は無色です。低濃度では、ガスは無臭です。ただし、十分に高い濃度では、鋭い酸性の臭いがします。[1]標準の温度と圧力は、二酸化炭素の密度は約1.98 kg / m 3であり、空気の約1.53倍です[38]

二酸化炭素は、それ以下の圧力では液体状態ではありません 0.517 95(10)MPa [39]5.111 77(99)atm)。1気圧の圧力で(0.101 325  MPa)、ガスは以下の温度で固体に直接堆積します194.6855(30)K [40]−78.4645(30)°C)、固体はこの温度を超えるとガスに直接昇華します。固体状態では、二酸化炭素は一般にドライアイスと呼ばれます。

二酸化炭素の圧力-温度状態図。これは対数グラフであることに注意してください。

液体二酸化炭素は、上記の圧力でのみ形成されます0.517 95(10)MPa [41]5.111 77(99)atm); 二酸化炭素三重点は216.592(3)K [42]−56.558(3)°C)at0.517 95(10)MPa [43]5.111 77(99)atm)(状態図を参照)。重要なポイント304.128(15)K [44]30.978(15)°C)で7.3773(30)MPa [45]72.808(30)atm)。高圧で観察される固体二酸化炭素の別の形態は、アモルファスガラスのような固体です。[46]と呼ばれるガラスのこの形態、カルボーニアは、によって生成される過冷却加熱CO 2を極端な圧力(40-48で GPa単位で、または40万気圧程度)ダイヤモンドアンビルこの発見により、二酸化炭素は、シリコンシリカガラス)や二酸化ゲルマニウムなど、その元素ファミリーの他のメンバーと同様のガラス状態で存在する可能性があるという理論が確認されました。ただし、シリカやゲルマニアガラスとは異なり、カルボニアガラスは常圧では安定せず、圧力が解放されるとガスに戻ります。

臨界点を超える温度と圧力では、二酸化炭素は超臨界二酸化炭素として知られる超臨界流体として振る舞います。

分離と生産

二酸化炭素は空気から蒸留することで得ることができますが、この方法は非効率的です。産業的には、二酸化炭素は主に未回収の廃棄物であり、さまざまな規模で実施できるいくつかの方法で生成されます。[47]

メタン天然ガス)、石油留分(ガソリンディーゼル灯油プロパン)、石炭、木材、一般的な有機物など、すべての炭素ベースの燃料を燃焼させると、二酸化炭素が発生します。純粋な炭素の場合を除き、水が発生します。 。例として、メタンと酸素の間の化学反応:

CH
4
+ 2 O
2
CO
2
+ 2 H
2
O

石灰石CaCOの熱分解により生成されます
3
生石灰酸化カルシウムCaO )の製造において、約850°C(1,560°F)で加熱(煆焼)することにより、多くの産業用途を持つ化合物:

CaCO
3
CaO + CO
2

鉄は高炉でコークス使って酸化物から還元され、銑鉄と二酸化炭素を生成します。[ 48]

二酸化炭素は、水蒸気改質による水素の工業生産と、アンモニア生産における水性ガスシフト反応の副産物です。これらのプロセスは、水と天然ガス(主にメタン)の反応から始まります。[49]これは、ビール清涼飲料の炭酸化に使用される食品グレードの二酸化炭素の主要な供給源であり、家禽などの見事な動物にも使用されます。 2018年の夏、ヨーロッパでは、メンテナンスのためにいくつかのアンモニアプラントが一時的に停止したため、これらの目的のための二酸化炭素が不足しました。[50]

酸は、COを遊離2を最も金属炭酸塩から。その結果、それは石灰岩またはドロマイトへの酸性水の作用によって生成される天然の二酸化炭素から直接得ることができます塩酸と炭酸カルシウム(石灰石またはチョーク)の反応を以下に示します。

CaCO
3
+ 2HClCaCl
2
+ H
2
CO
3

炭酸H
2
CO
3
)その後、水とCO 2に分解します

H
2
CO
3
CO
2
+ H
2
O

このような反応は、ガスが放出されるときに泡立ちまたは泡立ち、あるいはその両方を伴います。それらは廃酸の流れを中和するために使用できるため、産業で広く使用されています。

二酸化炭素は、ビールウイスキーその他のアルコール飲料醸造やバイオエタノールの製造における砂糖の発酵の副産物です。酵母は砂糖を代謝して、次のようにCO2エタノール(アルコールとも呼ばれます) を生成します。

C
6
H
12
O
6
2CO
2
+ 2 C
2
H
5
ああ

すべての好気性生物は、炭水化物脂肪酸、およびタンパク質を酸化するときにCO2を生成します。関与する多数の反応は非常に複雑であり、簡単に説明することはできません。細胞呼吸嫌気性呼吸および光合成)を参照してください。ブドウ糖および他の単糖の呼吸の方程式は次のとおりです。

C
6
H
12
O
6
+ 6 O
2
6CO
2
+ 6 H
2
O

嫌気性生物は有機物を分解し、微量の他の化合物とともにメタンと二酸化炭素を生成します。[51]有機材料の種類に関係なく、ガスの生成は明確に定義された速度論的パターンに従います。二酸化炭素は、埋め立て地での分解から発生するガス(「埋め立て地ガス」と呼ばれる)の約40〜45%を構成します。残りの50〜55%のほとんどはメタンです。[52]

アプリケーション

二酸化炭素は、食品産業、石油産業、および化学産業で使用されています。[47] この化合物はさまざまな商業的用途がありますが、化学物質としての最大の用途の1つは、炭酸飲料の製造です。ソーダ水、ビール、スパークリングワインなどの炭酸飲料に輝きを与えます。

化学物質の前駆体

化学産業では、二酸化炭素は主に尿素の製造の原料として消費され、メタノールやその他のさまざまな製品の製造に使用される割合は少なくなります。[53]サリチル酸ナトリウムなどのいくつかのカルボン酸誘導体は、コルベ・シュミット反応によってCO2を使用して調製されます。[54]

化学製品にCO2を使用する従来のプロセスに加えて、電気化学的方法も研究レベルで検討されています。特に、CO 2 (メタノールなど)から燃料を生産するための再生可能エネルギーの使用は、従来の燃焼技術内で容易に輸送および使用できるが、正味のCO2排出量がない燃料をもたらす可能性があるため魅力的です。[55]

農業

植物は光合成を行うために二酸化炭素を必要とします。温室の雰囲気は(大型の場合、しなければならない)追加のCOを富化することができる2サステイン及び植物成長の速度を増加させます。[56] [57]非常に高い濃度(大気中濃度の100倍以上)では、二酸化炭素は動物の生命に有毒である可能性があるため、濃度を10,000 ppm(1%)以上に数時間上げると、次のような害虫が駆除されます。コナジラミハダニ温室インチ [58]

食品

ソフトドリンクの二酸化炭素の泡

二酸化炭素は、食品業界で推進剤および酸性度調整剤として使用される食品添加物です。EU [59]E番号E290としてリストされている)、US [60]、オーストラリアおよびニュージーランド[61]INS番号290としてリストされている)での使用が承認されています。

ポップロックスと呼ばれるキャンディーは、二酸化炭素ガス[62]で約4,000  kPa(40  bar ; 580  psi)で加圧されます。口の中に入れると、(他のハードキャンディーと同じように)溶けて、可聴ポップで気泡を放出します。

膨張剤は、二酸化炭素を生成することによって生地を上昇させます。[63] パン酵母は生地内の糖を発酵させることで二酸化炭素を生成しますが、ベーキングパウダーベーキングソーダなどの化学リーバーは、加熱したりにさらしたりすると二酸化炭素を放出します。

飲料

二酸化炭素は、炭酸 清涼飲料水ソーダ水を生成するために使用されます。伝統的に、ビールとスパークリングワインの炭酸化は自然発酵によってもたらされましたが、多くのメーカーは、発酵プロセスから回収された二酸化炭素でこれらの飲料を炭酸化します。瓶ビールや樽ビールの場合、最も一般的に使用される方法は、リサイクルされた二酸化炭素による炭酸化です。英国のリアルエールを除いて、生ビールは通常、冷蔵室またはセラーの樽から、窒素と混合されることもある加圧二酸化炭素を使用してバーのディスペンシングタップに移されます。

ソーダ水の味(および他の炭酸飲料の関連する味覚)は、ガスの破裂する泡ではなく、溶存二酸化炭素の影響です。炭酸脱水酵素4は炭酸に変換されて酸味が増し、溶解した二酸化炭素も体性感覚反応を引き起こします。[64]

ワイン作り

収穫後のブドウの保存に使用されるドライアイス

ドライアイスの形の二酸化炭素は、ワイン醸造のコールドソーク段階で、ブドウの房を摘み取った後すぐに冷やして、野生酵母による自然発酵を防ぐためによく使用されます。水氷よりもドライアイスを使用する主な利点は、追加の水を追加せずにブドウを冷却することです。これにより、ブドウの糖度が低下し、完成したワインアルコール濃度が低下する可能性があります。二酸化炭素は、ボジョレーの生産に使用されるプロセスである、炭酸浸軟のための低酸素環境を作り出すためにも使用されます。 ワイン。

二酸化炭素は、ワインボトルや樽などの他の貯蔵容器に酸化を防ぐために補充するために使用されることがありますが、それがワインに溶けて、以前はまだワインがわずかに泡立つ可能性があるという問題があります。このため、プロのワインメーカーは、このプロセスに 窒素アルゴンなどの他のガスを使用することをお勧めします。

見事な動物

二酸化炭素は、屠殺前に動物を「気絶」させるためによく使用されます。[65]動物はすぐにノックアウトされず、苦痛に苦しむ可能性があるため、「見事な」というのは誤った呼び方かもしれません。[66] [67]

不活性ガス

二酸化炭素は、ポータブル圧力ツールの空気圧(加圧ガス)システムで最も一般的に使用される圧縮ガスの1つです。二酸化炭素は溶接の雰囲気としても使用されますが、溶接アークではほとんどの金属を酸化するために反応します。二酸化炭素で作られた溶接は、より不活性な雰囲気で作られた溶接よりも脆いという重要な証拠にもかかわらず、自動車産業での使用は一般的です。 [要出典] MIG溶接に使用する場合、CO 2の使用はMAG溶接と呼ばれることもあり、金属活性ガスの場合はCO2と呼ばれることもあります。これらの高温で反応することができます。真に不活性な雰囲気よりも高温の水たまりを生成する傾向があり、流動特性が向上します。ただし、これは水たまりの場所で発生する大気反応が原因である可能性があります。これは通常、溶接時に望ましい効果とは逆になります。これは、サイトを脆化させる傾向があるためですが、最終的な延性が大きな問題ではない一般的な軟鋼溶接では問題にならない場合があります。

二酸化炭素は、安価で不燃性であり、室温で約60 bar(870  psi ; 59 atm)の達成可能な圧力で気体から液体への相転移を起こすため、加圧ガスを必要とする多くの消費者製品に使用されてい ます。 与えられた容器に収まる二酸化炭素は、そうでない場合よりもはるかに多くなります。救命胴衣には、急速に膨張させるために加圧二酸化炭素のキャニスターが含まれていることがよくあります。アルミニウムCOのカプセル2は、他にも、圧縮ガスの供給として販売されている空気銃ペイントボール、及び製造するための自転車用タイヤ膨張マーカー/銃、炭酸水高濃度の二酸化炭素は、害虫を殺すためにも使用できます。液体二酸化炭素は、一部の食品や技術材料の超臨界乾燥走査型電子顕微鏡用の標本の準備[68]コーヒー豆のカフェイン抜きに使用されます。

消火器

COの使用2消火器

二酸化炭素は、炎の周りの環境をガスで満たすことによって炎を消すために使用できます。それ自体は炎を消すために反応しませんが、それを置き換えることによって酸素の炎を飢えさせます。一部の消火器、特に電気火災用に設計された消火器には、圧力がかかった状態で液体二酸化炭素が含まれています。二酸化炭素消火剤は、小さな可燃性液体および電気火災ではうまく機能しますが、燃焼物質を大幅に冷却しないため、通常の可燃性火災では機能しません。また、二酸化炭素が分散すると、大気中の酸素にさらされると発火する可能性があります。主にサーバールームで使用されます。[69]

二酸化炭素はまた、特定の危険を局所的に適用し、保護された空間を完全に浸水させるための固定防火システムの消火剤として広く使用されています。[70] 国際海事機関の基準は、船倉とエンジンルームの防火のための二酸化炭素システムを認めています。二酸化炭素ベースの防火システムは、十分に高濃度で窒息を引き起こす可能性があるため、いくつかの死亡に関連しています。CO 2システムのレビューにより、1975年から報告日(2000年)までの間に51件の事件が特定され、72人の死者と145人の負傷者が発生しました。[71]

溶媒としての超臨界CO2

液体二酸化炭素は、多くの親油性有機化合物の優れた溶媒であり、コーヒーからカフェインを除去するために使用されます。[18]二酸化炭素は、有機塩素化合物などの従来の溶媒に代わる毒性の少ない代替品として、製薬およびその他の化学処理産業で注目を集めています。このため、一部のドライクリーニング店でも使用されています(グリーンケミストリーを参照)。超臨界二酸化炭素の特性のため、 いくつかのエアロゲルの調製に使用されます。

医学的および薬理学的用途

医学では、無呼吸後の呼吸を刺激し、 Oを安定させるために、最大5%の二酸化炭素(大気中濃度の130倍)が酸素に追加されます。
2
/ CO
2
血のバランス。

二酸化炭素は最大50%の酸素と混合され、吸入可能なガスを形成します。これはCarbogenとして知られており、さまざまな医学的および研究的用途があります。

別の医療用途は、治療目的で火山噴火後の二酸化炭素を使用するモフェット、 ドライスパです。

エネルギー

化石燃料の回収

二酸化炭素は、石油と混和するようになると、通常は超臨界条件下で、生産油井に注入されるか、それに隣接して、石油増進回収に使用されます。このアプローチでは、一次抽出に加えて残留油飽和度を7%から23%削減することにより、元の石油回収率を高めることができます。[72]それは加圧剤として機能し、地下の原油に溶解すると、その粘度を大幅に低下させ、表面の化学的性質を変化させて、油が貯留層を通って除去井までより迅速に流れることを可能にします。[73] 成熟した油田では、二酸化炭素を注入ポイントに運ぶために大規模なパイプネットワークが使用されます。

強化された炭層メタン回収では、二酸化炭素を炭層に送り込んでメタンを置換します。これは、主に水の除去(圧力を下げるため)に依存して炭層に閉じ込められたメタンを放出させる現在の方法とは対照的です。[74]

燃料への生体内変化

発電からのCO2を池に泡立たせて藻類の成長を刺激し、藻類をバイオディーゼル燃料に変換すること提案されています。[75]シアノバクテリア Synechococcuselongatusの菌株は、光合成を使用してCO2から燃料イソブチルアルデヒドイソブタノールを生成するように遺伝子操作されています。[76]

冷媒

1気圧での相転移点を示すlog-linチャートとしての二酸化炭素(赤)と水(青)の圧力-温度状態図の比較

液体および固体の二酸化炭素は重要な冷媒であり、特に食品業界では、アイスクリームやその他の冷凍食品の輸送や保管に使用されます。固体二酸化炭素は「ドライアイス」と呼ばれ、冷凍装置が実用的でない小口貨物に使用されます。固体二酸化炭素は、気温に関係なく、通常の大気圧で常に-78.5°C(-109.3°F)未満です。

ジクロロジフルオロメタン(R12、クロロフルオロカーボン(CFC)化合物)使用する前に、液体二酸化炭素(業界名R744またはR-744)を冷媒として使用しまし。 CFCの主要な代替品の1つである1,1,1,2-テトラフルオロエタンR134aハイドロフルオロカーボン(HFC)化合物)は、CO 2よりも気候変動に寄与するため CO2ルネッサンスを享受する可能性があります。 CO 2物性は、冷蔵、冷蔵、暖房の目的に非常に有利であり、高い体積冷却能力を備えています。最大130バール(1,900 psi; 13,000 kPa)の圧力で動作する必要があるため、CO 2システムには、多くのセクターで大量生産用にすでに開発された、機械的に耐性の高いリザーバーとコンポーネントが必要です。自動車の空調では、50°を超える緯度でのすべての運転条件の90%以上で、CO 2(R744)はHFCを使用するシステム(R134aなど)よりも効率的に動作します。その環境上の利点(GWPが1、オゾン層破壊、毒性、不燃性)により、自動車、スーパーマーケット、ヒートポンプ給湯器などの現在のHFCに代わる将来の作動油になる可能性があります。コカ・コーラはCO 2ベースの飲料用クーラーを開発しており、米陸軍はCO2の冷蔵および暖房技術に関心を持っています。[77] [78]

マイナーな使用

二酸化炭素は、最も初期のタイプのレーザーの1つである 炭酸ガスレーザーのレーザー媒質です。

二酸化炭素は、水にガスを継続的に加えることでプールのpHを制御する手段として使用でき[79] 、pHが上昇しないようにします。これの利点の中には、(より危険な)酸の取り扱いを回避できることがあります。同様に、それは、炭酸カルシウムがより自由に水に溶解することを可能にするために、炭酸カルシウムの上を通過する水のpHを一時的に下げるためにカルシウムリアクターで一般的に使用されるリーフアクアリウムの維持にも使用されます。一部のサンゴがスケルトンを構築するために使用します。

原子力発電用 の英国の改良型ガス冷却炉の主要冷却材として使用されます。

二酸化炭素の誘導は、実験動物の安楽死に一般的に使用されます。 CO 2を投与する方法には、CO 2を含む密閉された、事前に充填されたチャンバーに動物を直接入れること、または徐々に増加する濃度のCO2に曝露することが含まれます。二酸化炭素誘導に関する米国獣医協会の2020年のガイドラインでは、小型の齧歯動物の人道的な安楽死には、チャンバーまたはケージの容積の1分あたり30%から70%の移動率が最適であると述べています[80] :  5、31 CO 2の割合は、苦痛を最小限に抑えるために特定された最適な割合に基づいて、種によって異なります。[80] :22 

二酸化炭素は、いくつかの関連する洗浄および表面処理技術でも使用されます。

地球の大気中で

大気中のCO2濃度のキーリング曲線[81]
大気中のCO2年間成長率は、1960年代から300%増加しました。[82]

地球の大気中の二酸化炭素は微量気体であり、2020年末現在の世界平均濃度は415 ppm(または630 ppm)です。[83] [84] 大気中のCO2濃度は変動します。季節とともにわずかに、植物がガスを消費するので北半球の春と夏の間に落ち、植物が休眠または死んで腐敗するので北の秋と冬の間に上昇します。濃度も地域ごとに異なり、最も強く地面の近くにあり、空中の変動ははるかに小さい。都市部では一般的に濃度が高くなります[85] 屋内では、バックグラウンドレベルの10倍に達する可能性があります。

人間の活動により二酸化炭素濃度が上昇しています。[86]リソスフェアで何百万年もの間隔離されてきた炭素を使用した化石燃料の抽出と燃焼により、CO 2の大気中濃度は、工業化の時代の始まりから2020年。[87] [88]人間の活動からの ほとんどのCO2、石炭、石油、および天然ガスの燃焼から放出されます。他の大規模な人為的発生源には、セメント生産、森林伐採、バイオマス燃焼などがあります。人間の活動は300億トン以上のCO2を排出します年間(化石炭素の90億トン)、火山は、COのみ0.2〜03億トン放出しながら2[89] [90]人間の活動は、CO生じた2年間数十万には見られないレベルを超えて増加します。現在、化石燃料燃焼により放出される二酸化炭素の約半分は大気中に残り、植生や海洋に吸収されません。[91] [92] [93] [94]

二酸化炭素は可視光を透過しますが、温室効果ガスであり、2つの赤外線活性振動周波数で赤外線を吸収および放出します(上記の「構造と結合」のセクションを参照)。地球の表面からの発光は、可視領域で最も強い太陽からの発光とは対照的に200〜2500 cm -1の赤外線領域で最も強くなります[95] 。大気中のCO2の振動周波数での赤外光の吸収は、表面近くのエネルギーをトラップし、表面と下層大気を暖めます。上層大気に到達するエネルギーが少ないため、この吸収のために低温になります。[96]

1960年代以降、年間のCO 2は、人為的発生源(左)から地球の大気、陸地、および海洋のシンク(右)に流れ込みます。年間の炭素当量ギガトン単位。[88]

CO 2や、メタン、亜酸化窒素、オゾンなどの長寿命の温室効果ガスの大気中濃度の上昇により、赤外線の吸収と放出が強化され、20世紀半ば以降の平均地球温度が上昇しました。二酸化炭素は、これらの他のすべてのガスを組み合わせた場合よりも全体的な温暖化の影響が大きいため、最大の懸念事項です。[87]さらに、この活動が地球の速い炭素循環に課している不均衡のために、抽出され燃焼された化石炭素の累積量とともに増加する大気寿命を持っています[97]これは、これまでに移動した化石炭素の一部(予測20〜35%)が、これらの炭素移動活動が沈静化し始めた後、何千年もの間CO 2レベルの上昇として、大気中に存続することを意味します。 [98] [99] [100]

CO 2濃度の上昇は、地球の表面温度の上昇につながるだけでなく、地球の気温の上昇は、二酸化炭素の濃度の上昇にもつながります。これにより、軌道サイクルなどの他のプロセスによって引き起こされた変化に対する正のフィードバックが生成されます。[101] 5億年前、CO 2濃度は現在の20倍であり、ジュラ紀の間に4〜5倍に減少し、その後ゆっくりと減少し、 4900万年前に特に急速に減少しました。 [102] [103]

二酸化炭素の局所濃度は、特に周囲の地形によって隔離されている強力な発生源の近くで高い値に達する可能性があります。周辺Bossoleto温泉でラポラーノテルメトスカーナイタリア直径100メートル(330フィート)、COの濃度は約ボウル状の凹部に位置し、2昆虫や小動物を殺すのに十分な75%以上の一晩の上昇。日の出後、ガスは対流によって分散されます。[104] CO高濃度の2 COで飽和深い湖の水の乱れによって産生さ2は、37人の死者の原因となったと考えられている湖マヌーンカメルーン1984年と1986年にカメルーンのニオス湖で1700人の死傷者が出た。 [105]

海で

2100年に予測される海洋化学に合わせて調整された海水に溶解したプテラポッドの殻。

二酸化炭素は海洋に溶解して、炭酸(H 2 CO 3)、重炭酸塩(HCO 3- 炭酸塩(CO 3 2-)を形成します。大気中に存在する二酸化炭素の約50倍の二酸化炭素が海洋に溶解しています。海洋は巨大な炭素吸収源として機能し、人間の活動によって排出されるCO2の約3分の1を占めています。 [106]

大気中の二酸化炭素濃度が高くなると、海洋への二酸化炭素の取り込みが増加し、海洋のpHが測定可能な程度に低下します。これは、海洋酸性化と呼ばれます。このpHの低下は、海洋の生物系、主に海洋の石灰化生物に影響を及ぼします。これらの影響は、独立栄養生物から従属栄養生物までの食物連鎖及び円石藻、サンゴ、有孔虫、エキノダーム甲殻軟体動物など生物含まれます。通常の条件下では、炭酸イオンは過飽和濃度であるため、炭酸カルシウムは地表水で安定しています。しかし、海洋のpHが低下すると、このイオンの濃度も低下し、炭酸塩が不飽和になると、炭酸カルシウムでできた構造物は溶解しやすくなります。[107]サンゴ、[108] [109] [110]円石藻、[111] [112] [113] [114]サンゴモ、[115]有孔虫、[116] 甲殻類[117]および翼足類[118]の経験上昇したCOにさらされたときの石灰化の減少または溶解の促進
2

ガスの溶解度は、水の温度が上がると低下します(ただし、圧力が300バールを超え、温度が393 Kを超える場合を除き、深部地熱ベントの近くでのみ見られます)[119]。したがって、海水温が上昇すると、大気からの取り込み速度が低下します。

海洋に吸収されるCO2の大部分は、大気中に放出される総量の約30%であり、[120]重炭酸塩と平衡状態で炭酸を形成します。これらの化学種のいくつかは、サイクルから炭素を除去する光合成生物によって消費されます。大気のCO2の増加は海水のアルカリ度の低下につながり、これが水中に生息する生物に悪影響を与える可能性があることが懸念されています。特に、アルカリ度が低下すると、シェルを形成するための炭酸塩の利用可能性が低下します[121]が、 CO2含有量の増加下で特定の種によるシェル生産が増加したという証拠があります。 [122]

米国海洋大気庁(NOAA)は、2008年5月に「海洋酸性化に関する科学のファクトシートの状態[123]について次のように述べています。

海洋は、化石燃料の燃焼から放出される二酸化炭素(CO 2)の約50%を吸収し、化学反応を引き起こして海洋のpHを低下させています。これにより、産業時代の始まりから「海洋酸性化」と呼ばれるプロセスにより、水素イオン(酸性度)が約30%増加しました。ますます多くの研究が、以下を含む海洋生物への悪影響を示しています。

  • 造礁サンゴが骨格を作る割合は減少しますが、クラゲの多くの種類の生産は増加します。
  • 海藻と自由に泳ぐ動物プランクトンが保護殻を維持する能力が低下します。
  • 市販の魚介類を含む海洋種の幼生の生存率は低下します。

また、気候変動に関する政府間パネル(IPCC)は、Climate Change 2007:Synthesis Report:[124]に書いています。

1750年以降の人為的炭素の取り込みにより、海洋はより酸性になり、pHは平均0.1単位低下しました。大気中のCO2濃度の増加は、さらなる酸性化につながります...観測された海洋酸性化が海洋生物圏に及ぼす影響はまだ文書化されていませんが、海洋の進行性酸性化は、海洋殻形成生物(サンゴなど)に悪影響を与えると予想されます。それらの従属種。

一部の海洋石灰化生物(サンゴ礁を含む)は、NOAA、OSPAR委員会北西ネットワーク海洋観測システム協会(NANOOS)、IPCCなどの主要な研究機関によって選出されています。これは、最新の研究で海洋酸性化が示されているためです。それらに悪影響を与えることが予想されます。[125]

二酸化炭素はまた、熱水噴出孔を通して海洋に導入されます。マリアナ海溝北西エイフク火山にあるシャンパン熱水噴出孔は、ほぼ純粋な液体二酸化炭素を生成します。これは、2004年の時点で世界で2つしかない既知の場所の1つであり、もう1つは沖縄トラフにあります。[126]沖縄トラフでの液体二酸化炭素の海底湖の発見は、2006年に報告された。[127]

生物学的役割

二酸化炭素は、代謝の一部として酸素で糖、脂肪、アミノ酸を分解することによってエネルギーを得る生物の細胞呼吸の最終産物です。これには、すべての植物、藻類、動物、好気性菌類、バクテリアが含まれます。無脊椎動物では、二酸化炭素は血液中を体の組織から皮膚(両生類など)または鰓(魚など)に移動し、そこから水に溶解するか、肺に移動して吐き出されます。活発な光合成の間、植物は呼吸 で放出するよりも多くの二酸化炭素を大気から吸収することができます。

光合成と炭素固定

カルビン回路と炭素固定の概要

炭素固定は、大気中の二酸化炭素が植物藻類、および(シアノバクテリア)によってグルコースなどのエネルギーに富む有機分子に組み込まれ光合成によって独自の食物を作り出す生化学的プロセスです。光合成は二酸化炭素とを使ってを生成し、そこから他の有機化合物を構成することができ、酸素は副産物として生成されます。

リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼオキシゲナーゼ(一般にRuBisCOと略される)は、炭素固定の最初の主要なステップであるCO2リブロース二リン酸からの3-ホスホグリセリン酸の2つの分子の生成に関与する酵素です。左。

RuBisCOは、地球上で最も豊富なタンパク質であると考えられています。[128]

光合成生物は、光合成の産物を内部の食料源として、また多糖類核酸タンパク質などのより複雑な有機分子の生合成の原料として使用します。これらは彼ら自身の成長のために、そしてまた私たち自身のような動物を含む他の生物を養う食物連鎖と網の基礎として使われます。いくつかの重要な光合成生物である円石藻は、硬い炭酸カルシウムの合成します。 [129]円石藻の世界的に重要な種は方解石であるエミリアニア・ハクスレイです。スケールは、石灰岩などの多くの堆積岩の基礎を形成しており、以前は大気中の炭素であったものが、地質学的タイムスケールに対して固定されたままになります。

光合成と呼吸の概要。二酸化炭素(右)は、水と一緒になって、光合成によって酸素と有機化合物(左)を形成します。これは、水と(CO 2 )に呼吸することができます

植物は、周囲条件と比較した場合、1,000 ppm CO 2の濃度で50%も速く成長できますが、これは気候の変化や他の栄養素の制限がないことを前提としています。[130] CO 2レベルの上昇は、作物の収穫可能な収量に反映される成長の増加を引き起こし、小麦、米、大豆はすべて、FACE実験でCO 2の上昇下で12〜14%の収量の増加を示します。 [131] [132]

大気中のCO2濃度が高くなると、植物に発生する気孔が少なくなり[133]、水の使用量が減少し、水の使用効率が向上します。[134] FACEを使用した研究では、CO 2濃縮により、作物の微量栄養素濃度が低下することが示されています。[135]草食動物は同じ量のタンパク質を得るためにより多くの食物を食べる必要があるため、これは生態系の他の部分にノックオン効果をもたらす可能性があります。 [136]

フェニルプロパノイドやフラボノイドなどの二次代謝産物の濃度も、高濃度のCO2にさらされた植物で変化する可能性があります。[137] [138]

植物は呼吸中にもCO2を排出するため、C3光合成を使用する植物や藻類の大部分はは正味の吸収体にすぎません。成長する森林は毎年何トンものCO2を吸収しますが、成熟した森林は、成長する植物の光合成に使用されるのと同じ量のCO 2を、枯れた標本(倒れた枝など)の呼吸と分解から生成ます[139]カーボンニュートラルであるという長年の見方に反して、成熟した森林は炭素を蓄積し続け[140]、貴重な炭素吸収源であり続けることができます、地球の大気の炭素バランスを維持するのに役立ちます。さらに、地球上の生命にとって決定的に重要なこととして、植物プランクトンによる光合成は、上層海洋で溶解したCO 2を消費し、それによって大気からのCO2の吸収を促進します。[141]

毒性

空気中の体積分率を増加させることによる二酸化炭素毒性の主な症状。[142]

新鮮な空気中の二酸化炭素含有量(海面と10 kPaレベルの平均、つまり高度約30 km(19 mi))は、場所に応じて0.036%(360 ppm)から0.041%(412 ppm)の間で変化します。[143] [説明が必要]

CO 2がある窒息ガスとに基づいて、有毒または有害であると分類されていない分類および化学物質基準の表示に関する世界調和システム国際連合欧州経済委員会使って、OECDテストガイドラインを1%(10,000 ppm)までの濃度では、眠気を感じたり、肺に鼻づまりを感じたりします。[142] 7%から10%(70,000から100,000 ppm)の濃度は、十分な酸素が存在する場合でも窒息を引き起こし、めまい、頭痛、視覚および聴覚機能障害、および数分から1時間以内の意識喪失として現れることがあります。[144]急性二酸化炭素曝露の生理学的影響は、窒息のサブセットである高炭酸ガス血症という用語の下にまとめられています。

空気より重いため、ガスが比較的高濃度で地面から浸透する場所(地下の火山活動または地熱活動のため)では、風の分散効果なしに、平均的な地面より下の保護された/ポケットのある場所に集まることができますレベル、そこに位置する動物を窒息させる。その後、死骸に引き付けられた腐肉フィーダーも殺されます。近くの火山ニーラゴンゴ山からのCO2排出によりゴマの近くで同じように子供たちが殺されました[145]この現象のスワヒリ語は「まずく」です。

CO 2のレベルの上昇は、救命ボートとして使用されてい月着陸船に二酸化炭素スクラバーを供給するためにコマンドモジュールからカートリッジを改造しなければならなかったアポロ13号の宇宙飛行士を脅かしました。

血液の酸性化(アシドーシス)の影響のバランスをとるために、呼吸の変化や腎臓の重炭酸塩の生成など、 CO2濃度の上昇への適応が人間に起こります。いくつかの研究は、適応が生理学的かつ可逆的であるため、2.0%の吸気濃度を閉鎖空間(潜水艦など)に使用できることを示唆しています。これは、パフォーマンスまたは通常の身体活動の低下がこのレベルの曝露で5日間発生しないためです。[146] [147]それでも、他の研究では、はるかに低いレベルでも認知機能の低下が示されています。[148] [149]また、進行中の呼吸性アシドーシス、適応または代償メカニズムはそのような状態を逆転させることができません

1%未満

1%未満のレベルでのヒトおよび動物に対する長期の継続的なCO2曝露の健康への影響に関する研究はほとんどありません米国では、職業上のCO 2曝露限度が8時間で0.5%(5000 ppm)に設定されています。[150]このCO2濃度で、国際宇宙ステーションの乗組員は、頭痛、無気力、精神的遅さ、感情的な苛立ち、および睡眠障害を経験しました。[151] 0.5%CO 2での動物での研究は、8週間の曝露後の腎臓の石灰化と骨量減少を示しました。[152]2.5時間のセッションで曝露されたヒトの研究では、おそらくCO 2によって誘発される脳血流の増加が原因で、0.1%(1000  ppm)CO2という低い濃度で認知能力に重大な悪影響が見られました。 [148]別の研究では、500 ppmと比較した場合、1000ppmで基本的な活動レベルと情報使用量の低下が観察されました。[149]しかしながら、文献のレビューは、二酸化炭素の現象に関するほとんどの研究が高レベルの意思決定にわずかな影響を与える認知障害を誘発し、ほとんどの研究が不十分な研究デザイン、環境の快適さ、不確実性によって混乱していることを発見した使用された曝露量と異なる認知評価。[153]同様に、オートバイのヘルメットのCO 2濃度の影響に関する研究は、オートバイのライダーの自己報告に注意を払わず、マネキンを使用して測定を行うという方法論が疑わしいと批判されています。さらに、通常のオートバイの状態(高速道路や都市の速度など)が達成されたとき、またはバイザーが上げられたとき、CO 2の濃度は安全なレベル(0.2%)まで低下しました。[154] [155]

換気

換気不良は、閉鎖空間での過剰なCO2濃度の主な原因の1つです。定常状態(占有率と換気システムの動作が十分に長く、CO 2濃度が安定している場合)での屋外濃度を超える二酸化炭素の差は、1人あたりの換気率を推定するために使用されることがあります。[要出典] CO 2濃度が高いと、乗員の健康、快適さ、パフォーマンスの低下につながります。[156] [157] ASHRAE標準の62.1〜2007の換気率では、屋外の周囲条件よりも最大2,100ppm高い屋内濃度になる可能性があります。したがって、屋外の濃度が400 ppmの場合、この業界のコンセンサス基準を満たす換気率で屋内の濃度が2,500ppmに達する可能性があります。換気の悪い場所での濃度は、これよりもさらに高くなる可能性があります(3,000または4,000 ppmの範囲)。

不十分な換気のためにガス曝露に対して特に脆弱な鉱夫は、二酸化炭素と窒素の混合物を「ブラックダンプ」、「チョークダンプ」または「スタイス」と呼びましたより効果的な技術が開発される前は、鉱山労働者は、作業中にケージに入れられたカナリアを持って行くことにより、坑道内の危険なレベルのブラックダンプやその他のガスを頻繁に監視していました。カナリアは人間よりも窒息性ガスに敏感であり、意識がなくなると歌うのをやめて止まり木から落ちます。デービーランプはまた、メタン、別の窒息ガスと爆発の危険性は、ランプをより明るく燃やすでしょう。

2020年2月、プールを冷やすためにドライアイス(冷凍CO 2 )がプールに追加されたとき、モスクワでのパーティーで3人が窒息死しました。[158]同様の事故が2018年に発生し、女性が車で輸送していた大量のドライアイスから発生するCO2ガスで死亡した。[159]

人類生理学

コンテンツ

二酸化炭素分圧の基準範囲または平均(略してpCO 2
血液コンパートメント kPa mm Hg
静脈血二酸化炭素 5.5〜6.8 41–51 [160]
肺胞肺ガス
4.8 36
動脈血の二酸化炭素 4.7〜6.0 35〜45 [160]

体は1人あたり1日あたり約2.3ポンド(1.0 kg)の二酸化炭素を生成し[161]、0.63ポンド(290 g)の炭素を含みます。人間の場合、この二酸化炭素は静脈系を介して運ばれ、肺から吐き出されるため、動脈の濃度が低くなります。血液の二酸化炭素含有量は、分圧として与えられることがよくあります。分圧は、二酸化炭素だけが体積を占めていた場合の圧力です。[162]人間の場合、血中二酸化炭素含有量は隣接する表に示されています。

血中輸送

CO 2は、3つの異なる方法で血液中に運ばれます。(正確なパーセンテージは、動脈血か静脈血かによって異なります)。

赤血球の主要な酸素運搬分子であるヘモグロビンは、酸素と二酸化炭素の両方を運びます。ただし、ヘモグロビンに結合したCO 2は、酸素と同じ部位には結合しません。代わりに、4つのグロビン鎖のN末端グループと結合します。ただし、ヘモグロビン分子に対するアロステリック効果のため、CO 2の結合により、特定の酸素分圧に対して結合される酸素の量が減少します。これはハルデン効果として知られており、組織から肺への二酸化炭素の輸送に重要です。逆に、 CO2の分圧の上昇または、より低いpHは、ボーア効果として知られているヘモグロビンからの酸素のオフロードを引き起こします

呼吸の調節

二酸化炭素は、血液供給の局所的な自動調節のメディエーターの1つです。その濃度が高い場合、毛細血管は拡張して、その組織へのより多くの血流を可能にします。

重炭酸イオンは、血液のpHを調節するために重要です。人の呼吸数は、血液中のCO2レベルに影響を与えます。呼吸が遅すぎるか浅すぎると呼吸性アシドーシスを引き起こし、呼吸が速すぎると過呼吸を引き起こし、呼吸性アルカローシスを引き起こす可能性があります。

体は代謝のために酸素を必要としますが、低酸素レベルは通常呼吸を刺激しません。むしろ、呼吸はより高い二酸化炭素レベルによって刺激されます。その結果、低圧の空気または酸素をまったく含まないガス混合物(純粋な窒素など)を呼吸すると、空腹感を感じることなく意識を失う可能性があります。これは、高高度の戦闘機パイロットにとって特に危険です。客室乗務員が客室乗務員に、客室の圧力が低下した場合に、他の人を助ける前にまず自分自身に酸素マスクを適用するように指示するのもそのためです。そうでなければ、意識を失う危険があります。[163]

呼吸中枢は、40 mmHgの動脈CO2圧維持しようとします。意図的な過呼吸により、動脈血のCO 2含有量が10〜20 mm Hgに低下する可能性があり(血液の酸素含有量はほとんど影響を受けません)、呼吸ドライブが低下します。これが、過呼吸を行わない場合よりも過呼吸を行った後の方が息を長く保つことができる理由です。これは、呼吸の必要性が圧倒される前に意識を失う可能性があるというリスクを伴います。そのため、フリーダイビングの前に過呼吸が特に危険です。

も参照してください

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