二酸化炭素

生物学的役割

二酸化炭素は、生物が代謝の一環として、糖や脂肪、アミノ酸を酸素で分解してエネルギーを得る際の最終産物である。これは「細胞呼吸」と呼ばれるプロセスです。すべての植物、動物、多くの菌類、一部の細菌がこれに該当する。高等動物では、二酸化炭素は血液に乗って体の組織から肺に移動し、そこで息を吐き出します。植物は大気中の二酸化炭素を取り込み、光合成に利用する。

ドライアイス

ドライアイス（固体二酸化炭素）とは、CO₂ガスが-109.3°F（-78.5°C）以下で固体状態になったものです。ドライアイスは地球上に自然に存在するものではなく、人工的に作られたものである。ドライアイスは無色です。ドライアイスは、物を冷やしたり、飲み物を発泡させたり、ゴキブリを殺したり、イボを凍らせたりするのに使われます。ドライアイスの蒸気は窒息を引き起こし、最終的には死に至ります。ドライアイスを使用する際には、注意と専門家の助けが必要です。

通常の圧力では、固体から液体に溶けることはなく、固体から気体に直接変化します。これを「昇華」という。ドライアイスは、極寒の地よりも高い温度であれば、固体から気体へと直接変化します。ドライアイスは、通常の空気の温度で昇華します。ドライアイスを通常の空気にさらすと、色のない炭酸ガスが発生します。炭酸ガスは5.1気圧以上の圧力で液化します。

ドライアイスから発生する炭酸ガスは非常に冷たく、空気と混ざると空気中の水蒸気が冷やされて霧となり、濃い白煙のように見えます。演劇では、霧や煙のように見せるためによく使われます。

単離と生産

化学者は空気を冷やすことで二酸化炭素を得ることができる。これを「空気蒸留」と呼んでいる。この方法は、少量の二酸化炭素を取り出すために、大量の空気を冷やさなければならないので、効率が悪い。化学者は、いくつかの異なる化学反応を利用して二酸化炭素を分離することもできる。二酸化炭素は、ほとんどの酸とほとんどの金属の炭酸塩との反応で作られる。例えば、塩酸と炭酸カルシウム（石灰石やチョーク）の反応では、二酸化炭素が発生します。

2   H C l + C a C O 3Ⅹ C a C l +2 H C 2O {\\3HCl+CaCO_{3}\longrightarrow CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}}}}}。}

炭酸（HCO₂₃）は、水とCO₂に分解される。このような反応は、発泡や泡立ち、あるいはその両方を引き起こす。産業界では、廃酸を中和するためにこのような反応が何度も行われている。

石灰石を約850℃に加熱することで、広く使われている化学物質である生石灰（CaO）を作ることができる。この反応ではCO₂も作られる。

C a C O .3.....................C a O + C O {2˶ˆ꒳ˆ˵}} {CaCO_{3}˶ˆ꒳ˆ˵} {CaO+CO_{2}}}}}。}

二酸化炭素は、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、木材など、炭素を含むすべての燃料の燃焼でも発生する。ほとんどの場合、水も放出されます。メタンと酸素の化学反応を例に挙げると

C H +4 O2 2Ⅹ C O +2 H 2O2 {˶‾᷄ -̫ ‾᷅˵} {CH_{4}+2_O_{2}˶‾᷅˵} CO_{2}+2_H_{2}O} } Ⅹ C H + O Ⅹ C O + H O}

二酸化炭素は製鉄所で作られる。鉄は高炉でコークスを使って酸化物から還元され、銑鉄と二酸化炭素が作られる。

F e O 2+3 C 3O ⎡ F 2e + C3 O ⎡2 Fe_{2}O_{3}+3 CO\ CO}

酵母は糖を代謝して二酸化炭素とエタノール（アルコール）を生成し、ワインやビールなどの蒸留酒のほか、バイオエタノールの製造にも利用されています。

C  H  6O126  ⟶    C 2O  +    2C  2H  2O 5H {\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow 2\ CO_{2}+2\ C_{2}H_{5}OH}}

すべての好気性生物は、細胞内のミトコンドリアで糖質や脂肪酸、タンパク質を酸化する際にCO
₂は、細胞内のミトコンドリアで糖質、脂肪酸、タンパク質を酸化する際に発生する。その反応は非常に複雑で、簡単には説明できない。(細胞呼吸、嫌気性呼吸、光合成などがある）。光合成を行う植物や藍藻類は、別の反応を行う。植物は空気中のCO
₂を吸収し、水と一緒に反応させて炭水化物を生成します。

n C O +2 n H O2 ≒ ( C H O 2) n + n O {\\\\} {2nCO_{2}+nH_{2}O\longrightarrow (CH_{2}O)n+nO_{2}}}。}

二酸化炭素は水に溶け、水の中では自然にCO₂とHに変換されます。
₂CO
₃(炭酸）に自然に変換される。CO
₂, H
₂CO
₃と脱プロトン化したHCO⁻
₃（重炭酸塩）およびCO²⁻
₃（炭酸塩）の相対的な濃度は、酸性度（pH）に依存する。中性または弱アルカリ性の水（pH > 6.5）では、重炭酸塩の形態が優勢（50％以上）で、海水のpHでは最も優勢（95％以上）になりますが、非常にアルカリ性の水（pH > 10.4）では、炭酸塩の形態が優勢（50％以上）になります。重炭酸塩と炭酸塩の形態は非常に溶けやすい。そのため、空気で平衡化された海水（典型的なpH=8.2-8.5の弱アルカリ性）には、1リットルあたり約120mgの重炭酸塩が含まれています。

鉱工業生産

工業用の二酸化炭素は、主に6つのプロセスで発生します。

• 石灰岩やドロマイトに酸性水が作用して発生する天然の二酸化炭素泉を取り込むことで
• メタンをCO₂に変換する水素製造プラントの副生成物として。
• 化石燃料や木材の燃焼によるもの。
• ビールやウイスキーなどのアルコール飲料の醸造において、糖分を発酵させる際の副産物として。
• 石灰石の熱分解から、CaCO
  ₃を熱分解し、石灰（酸化カルシウム、CaO）を作る。

化学反応

二酸化炭素は簡単な化学反応で作ることができます。

C + O .2.....................C O {C+O_{2}\grightarrow CO_{2}}} {2displaystyle ˶˙º̬˙˶}}。}

炭素＋酸素 → 二酸化炭素