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이산화탄소

Carbon dioxide
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이산화탄소
Structural formula of carbon dioxide with bond length
Ball-and-stick model of carbon dioxide
이산화탄소 볼앤스틱 모형
Space-filling model of carbon dioxide
이산화탄소 공간충전모형
이름들
IUPAC이름
이산화탄소
기타이름
  • 탄산가스
  • 탄산무수물
  • 이산화탄소
  • 탄산염
  • 산화탄소(IV
  • 메탄디온
  • R-744(냉매)
  • R744(냉매 대체 철자)
  • 드라이아이스(고체상)
식별자
3D 모델(JSMO)
3D Met
1900390
ChEBI
쳄블
켐스파이더
ECHA 인포카드 100.004.271 Edit this at Wikidata
EC 번호
  • 204-696-9
E번 E290(보존료)
989
케그
MeSH 이산화탄소
펍켐 CID
RTECS 번호
  • FF6400000
유니아이
UN번호 1013 (가스), 1845 (고체)
  • InChI=1S/CO2/c2-1-3
    키: CurltugMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N checkY
  • InChI=1/CO2/c2-1-3
    키 : 컬투그엠즐디-UHFFFAOYAO
  • O=C=O
  • C(=O)=O
특성.
CO2
어금니 질량 44.009g·mol−1
외모 무색기체
냄새
  • 저농도: 없음
  • 고농도: 날카롭고; 산성[1]
밀도
  • 1562 kg/m3 (1 atm(100 kPa) 및 -78.5 °C(-109.3 °F)에서 고체)
  • 1101kg/m3 (액체 포화 -37°C (-35°F))
  • 1.977 kg/m3 (1 atm (100 kPa) 및 0 °C (32 °F)에서의 가스)
임계점(T, P) 304.128(15) K[2](30.978(15)°C), 7.3773(30) MPa[2](72.808(30) atm)
1 atm(0.101325 MPa)에서 194.6855(30) K(-78.4645(30)°C)
25 °C(77 °F), 100 kPa(0.99 atm)에서 1.45 g/L
증기압 5.7292(30) MPa, 56.54(30) atm(20°C(293.15 K))
산도(pKa) 6.35, 10.33
-20.5·10cm−63/mol
열전도율 0.01662 W·m−1·K−1 (300K (27°C; 80°F))[3]
1.00045
점도
  • 25°C(298K)[4]에서 14.90μPa·s
  • -78.5°C(194.7K)에서 70μPa·s
0 D
구조.
삼각형
선형
열화학
37.135 J/(K·mol)
214 J·mol−1·K−1
−393.5 kJ·mol−1
약리학
V03AN02 (WHO)
유해성
NFPA 704 (파이어다이아몬드)
[7][8]
NFPA 704 four-colored diamondHealth 2: Intense or continued but not chronic exposure could cause temporary incapacitation or possible residual injury. E.g. chloroformFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazard SA: Simple asphyxiant gas. E.g. nitrogen, helium
2
0
0
SA
치사량 또는 농도(LD, LC):
90,000ppm(162,000mg/m3)(사람, 5분)[6]
NIOSH(미국 건강 노출 한도):
PEL(허용)
 TWA 5000ppm (9000mg/m3)[5]
REL (권장)
 TWA 5000ppm (9000mg/m3), ST 30,000ppm (54,000mg/m3)[5]
IDLH(즉각 위험)
 40,000 ppm (72,000 mg/m3)[5]
안전자료(SDS) 시그마-알드리치
관련화합물
기타 음이온
기타 양이온
관련화합물
부가자료페이지
이산화탄소(자료페이지)
별도의 언급이 없는 경우를 제외하고, 표준 상태(25 °C [77 °F], 100 kPa에서)의 재료에 대한 데이터가 제공됩니다.
☒N 확인합니다(무엇이?)

이산화탄소는 화학식이 CO인2 화합물입니다.그것은 각각 하나의 탄소 원자가 두 개의 산소 원자와 공유 결합된 두 개의 분자로 이루어져 있습니다.그것은 상온의 가스 상태에서 발견되며, 탄소 순환에서 사용 가능한 탄소의 원천으로서 대기 중의2 CO는 지구상의 생명체의 주요한 탄소 원천입니다.공기 중에서 이산화탄소는 가시광선에는 투명하지만 적외선을 흡수해 온실가스 역할을 합니다.이산화탄소는 물에 용해되며 지하수, 호수, 만년설, 바닷물에서 발견됩니다.이산화탄소가 물에 녹으면 탄산염과 주로 중탄산염(HCO-3)을 형성하는데, 이는 대기 중 CO2 수치가 증가함에 따라 해양 산성화의 원인이 됩니다.[9]

지구 대기의 미량 가스로, 산업화 이전 수준인 280ppm 또는 0.025%[11][12]보다 증가한 421ppm(ppm), 즉 약 0.04%([note 1]2022년 5월 기준)입니다.화석 연료를 태우는 것은 이러한 CO2 농도 증가의 주요 원인이며 기후 변화의 주요 원인이기도 합니다.[13]

선캄브리아기 후기부터 지구의 산업화 이전 대기 중에 그것의 농도는 유기체와 지질 현상에 의해 조절되었습니다.식물, 해조류, 시아노박테리아는 햇빛의 에너지를 이용하여 이산화탄소와 물로부터 탄수화물을 합성하는데, 이 과정은 폐기물로서 산소를 생산하는 광합성이라고 불립니다.[14]결국 산소는 소비되고 CO는2 호흡에 의해 에너지를 생산하기 위해 유기 화합물을 대사할 때 모든 호기성 생물에 의해 폐기물로 배출됩니다.[15]CO는2 산불과 같이 유기물이 부패하거나 연소할 때 방출됩니다.식물은 광합성을 위해2 CO를 필요로 하고, 인간과 동물은 음식을 위해 식물에 의존하기 때문에 CO는2 지구상의 생명체의 생존을 위해 필요합니다.

이산화탄소는 건조한 공기보다 53% 더 밀도가 높지만 오래 살고 철저히 대기 중에서 섞입니다.대기에 대한 초과 이산화탄소2 배출량의 약 절반은 육지와 바다의 탄소 흡수원에 의해 흡수됩니다.[16]이러한 싱크대는 부패와 산불로 인해 이산화탄소가2 대기 중으로 다시 방출되기 때문에 포화 상태가 될 수 있고 휘발성이 있습니다.[17]CO는2 결국 암석 및 석탄, 석유 및 천연 가스와 같은 유기 퇴적물에 격리(장기 보관)됩니다.격리된 CO는2 화석 연료를 태우는 것을 통해 또는 화산, 온천, 간헐천, 탄산염 암석이 물에 녹거나 산과 반응할 때 자연적으로 대기로 방출됩니다.

CO는2 다용도의 산업 재료로, 예를 들어 용접 및 소화기에서 불활성 가스로, 에어 건 및 오일 회수에서 가압 가스로, 커피의 디카페인 및 초임계 건조에서 초임계 유체 용매로 사용됩니다.[18]빵, 맥주, 와인 제조에서 설탕이 발효되는 부산물이며, 셀처나 맥주와 같은 탄산 음료에 거품을 내기 위해 첨가됩니다.날카롭고 산성의 냄새가 나며 입안에서 탄산수 맛이 나지만 평소 접하게 되는 농도에서는 냄새가 나지 않습니다.[1]

화학적 및 물리적 특성

구조, 접합 및 분자 진동

참고 항목:분자궤도도 § 이산화탄소

이산화탄소 분자의 대칭은 평형 기하학에서 선형대칭이고 중심대칭입니다.이산화탄소에서 탄소-산소 결합의 길이는 116.3 pm으로 일반적인 단일 C-O 결합의 약 140 pm 길이보다 눈에 띄게 짧으며, 카보닐과 같은 대부분의 다른 C-O 다중 결합 작용기보다 짧습니다.[19]중심대칭이기 때문에 분자는 전기 쌍극자 모멘트가 없습니다.

CO2 이산화탄소 분자의 스트레칭 및 벤딩 진동왼쪽 상단: 대칭 스트레칭.오른쪽 상단: 대칭적인 스트레칭.아래쪽 선: 한 쌍의 벤딩 모드를 퇴화시킵니다.

선형2 3원자 분자로서 CO는 그림에 나타난 바와 같이 4개의 진동 모드를 가지고 있습니다.대칭적인 신장 모드와 대칭적인 신장 모드에서, 원자들은 분자의 축을 따라 움직입니다.두 가지 굽힘 모드가 있는데, 이것은 분자의 대칭성 때문에 같은 주파수와 같은 에너지를 갖는다는 것을 의미합니다.분자가 표면을 만지거나 다른 분자를 만질 때, 두 벤딩 모드는 두 모드에 대해 상호작용이 다르기 때문에 빈도가 다를 수 있습니다.적외선(IR) 스펙트럼에서 일부 진동 모드가 관찰됩니다. 즉, 파장 2349cm−1(파장 4.25μm)에서 대칭적인 스트레칭 모드와 667cm−1(파장 15μm)에서 축퇴된 한 쌍의 벤딩 모드입니다.대칭 스트레칭 모드는 전기 쌍극자가 생성되지 않아 IR 분광에서는 관찰되지 않지만 라만 분광법에서는 1388cm−1(파장 7.2μm)에서 검출됩니다.[20]

기체 상태에서 이산화탄소 분자는 상당한 진동 운동을 하며 고정된 구조를 유지하지 않습니다.그러나 쿨롱 폭발 영상 실험에서는 분자 구조의 순간 이미지를 추론할 수 있습니다.그러한 실험은[21] 이산화탄소에 대해 행해졌습니다.이 실험의 결과와 분자의 초기 위치 에너지 표면에 기초한 이론적[22] 계산의 결론은 기체 상태에 있는 분자들 중 어떤 것도 정확하게 선형적이지 않다는 것입니다.이러한 반직관적인 결과는 선형 기하학에서 핵운동량 요소가 사라지기 때문입니다.[22]이것은 모든 분자에 해당합니다. (다이아토믹스를 제외하고!)

수용액중에

참고 항목: 탄산

이산화탄소는 물에 녹는데, 물에서 이온화가 불완전하기 때문에 약한 산인 HCO23(탄산)를 가역적으로 형성합니다.

CO2 + H2O ⇌ H2CO3

탄산의 수화 평형 상수는 25 °C입니다.

따라서 이산화탄소의 대부분은 탄산으로 전환되지 않고 CO2 분자로 남아 pH에 영향을 주지 않습니다.

상대적인 농도인 CO2, HCO23 및 탈양성자화된 형태인 HCO-3(중탄산염) 및 CO2-3(탄산염)은 pH에 따라 달라집니다.Bjerum 플롯에서 볼 수 있듯이, 중성 또는 약간 알칼리성 물(pH > 6.5)에서 중탄산염 형태가 우세(>50%)하여 해수의 pH에서 가장 우세(>95%)합니다.매우 알칼리성인 물(pH > 10.4)에서 우세한 형태(>50%)는 탄산염입니다.전형적인 pH = 8.2–8.5의 약한 알칼리성 해양은 리터당 약 120 mg의 중탄산염을 함유하고 있습니다.

쌍양성자인 탄산은 중탄산염(탄산수소라고도 함) 이온(HCO-3)으로의 해리를 위한 첫 번째 산 해리 상수인 두 개의 산 해리 상수는 다음과 같습니다.

H2CO3 ⇌ HCO−3 + H+
25 °C에서 K = 2.5 × 10 mol/L; pK = 3.6.

이것은 진정한 첫번째 산 해리 상수이며, 다음과 같이 정의됩니다.

여기서 분모는 공유결합된 HCO만23 포함하고 수화된 CO2(aq)는 포함하지 않습니다.4.16 × 10에−7 가까운 훨씬 작고 종종 인용되는 값은 용해된 모든 CO가2 탄산으로 존재한다는 (잘못된) 가정에서 계산된 명백한 값입니다.

용해된 CO의2 대부분이 CO2 분자로 남아 있기 때문에 Ka1(분명히)는 실제 K보다a1 훨씬 더 큰 분모와 훨씬 더 작은 값을 가지고 있습니다.[23]

중탄산염 이온은 용액의 pH에 따라 산 또는 염기로 작용할 수 있는 양성자 종입니다.높은 pH에서는 탄산 이온(CO2-3)으로 크게 해리됩니다.

HCO−3 ⇌ CO2−3 + H+
K = 4.69 × 10 mol/L; pK = 10.329

생물체에서 탄산 생성은 탄산 무수효소로 알려진 효소에 의해 촉매됩니다.

CO의2 화학반응

CO는2 벤즈알데히드 또는 강한 α,β-불포화 카보닐 화합물에 필적하는 친전자 반응성을 갖는 강력한 전기 물질입니다.그러나, 유사한 반응성을 가진 전기영동체와 달리, CO와2 친핵체의 반응은 열역학적으로 덜 선호되며 종종 매우 가역적인 것으로 발견됩니다.[24]이산화탄소와2 아민의 가역적인 반응은 CO 스크러버에 사용되며, 아민 가스 처리에 의한 탄소 포집 및 저장의 가능한 출발점으로 제시되어 왔습니다.그리너드 시약 및 유기 리튬 화합물이 제공하는 탄소 음이온과 같은 매우 강한 친핵체만이 CO와2 반응하여 카르복실레이트를 생성합니다.

MR + CO → RCOM
여기서 M = Li 또는 Mg Br 및 R = 알킬 또는 아릴.

금속 이산화탄소 복합체에서 CO는2 리간드 역할을 하여 CO가2 다른 화학물질로 전환되는 것을 촉진할 수 있습니다.[25]

CO에서2 CO로의 환원은 일반적으로 어렵고 느린 반응입니다.

CO + 2e + 2H → CO + HO

광자동영양생물(즉, 식물과 시아노박테리아)은 햇빛에 포함된 에너지를 이용하여 공기와 물로부터 흡수된 CO로부터2 단당을 광합성합니다.

n CO + n HO → (CHO) + O

pH 7 부근에서 이 반응의 산화 환원 전위는 표준 수소 전극에 비해 약 -0.53 V입니다.니켈을 함유한 효소인 일산화탄소 탈수소효소는 이 과정을 촉매합니다.[26]

물리적 특성

상세정보 : 이산화탄소 데이터
고체 이산화탄소의 일반적인 형태인 "드라이 아이스" 펠릿

이산화탄소는 무색입니다.낮은 농도에서는 가스가 냄새가 나지 않지만 충분히 높은 농도에서는 날카롭고 산성의 냄새가 납니다.[1]표준 온도와 압력에서 이산화탄소의 밀도는 공기의 약 1.53배인 약 1.98kg/m입니다3.[27]

이산화탄소는 0.51795(10) MPa[2](5.11177(99) atm) 미만의 압력에서 액체 상태가 없습니다.1atm(0.101325MPa)의 압력에서 기체는 194.6855(30)K[2](-78.4645(30)°C) 미만의 온도에서 고체에 직접 침전되고 고체는 이 온도 이상의 기체에 직접 승합합니다.고체 상태에서 이산화탄소는 흔히 드라이아이스라고 불립니다.

이산화탄소의 압력-온도 위상도.로그-인 차트임에 유의합니다.

액체 이산화탄소는 0.51795(10) MPa[2](5.11177(99) atm) 이상의 압력에서만 형성되며, 이산화탄소의 삼중점은 0.51795(10) MPa[2](5.11177(99) atm)에서 216.592(3) K[2](-56.558(3) °C)입니다(위상도 참조).임계점은 7.3773(30) MPa[2](72.808(30) atm에서 304.128(15) K(30[2].978(15) °C)입니다.고압에서 관찰되는 고체 이산화탄소의 또 다른 형태는 비정질 유리와 같은 고체입니다.[28]카르보니아라고 불리는 이 형태의 유리는 다이아몬드 모루 안에서 가열된 CO를2 극단적인 압력(40–48 GPa 또는 약 400,000 기압)으로 과냉각함으로써 생성됩니다.이 발견은 이산화탄소가 이산화규소(실리카 유리)와 이산화 게르마늄과 같은 원소군의 다른 구성원들과 유사한 유리 상태로 존재할 수 있다는 이론을 확인시켜 주었습니다.그러나 실리카나 게르마니아 유리와는 달리 카르보니아 유리는 정상 압력에서는 안정적이지 못하고 압력이 방출되면 기체로 되돌아갑니다.

이산화탄소는 임계점 이상의 온도와 압력에서 초임계 이산화탄소로 알려진 초임계 유체로 작용합니다.

포화 액체 이산화탄소의 열 및 물리적 특성 표:[29][30]

온도(°C) 밀도(kg/m3) 비열(kJ/(kg ⋅K)) 운동학적 점도(m2/s) 열전도율(W/(m ⋅K)) 열확산율(m2/s) 프란틀 번호 벌크 모듈러스 (K^-1)[clarification needed]
−50 1156.34 1.84 1.19 x 10−7 0.0855 4.02 x 10−8 2.96
−40 1117.77 1.88 1.18 x 10−7 0.1011 4.81 x 10−8 2.46
−30 1076.76 1.97 1.17 x 10−7 0.1116 5.27 x 10−8 2.22
−20 1032.39 2.05 1.15 x 10−7 0.1151 5.45 x 10−8 2.12
−10 983.38 2.18 1.13 x 10−7 0.1099 5.13 x 10−8 2.2
0 926.99 2.47 1.08 x 10−7 0.1045 4.58 x 10−8 2.38
10 860.03 3.14 1.01 x 10−7 0.0971 3.61 x 10−8 2.8
20 772.57 5 9.10 x 10−8 0.0872 2.22 x 10−8 4.1 1.40 x 10−2[clarification needed]
30 597.81 36.4 8.00 x 10−8 0.0703 0.279 x 10−8 28.7

대기압에서 이산화탄소(CO2)의 열 및 물리적 특성 표:[29][30]

온도(K) 밀도(kg/m3) 비열(kJ/(kg ⋅°C)) 동적점도(kg/(m ⋅)) 운동학적 점도(m2/s) 열전도율(W/(m ⋅°C)) 열확산율(m2/s) 프란틀 번호
220 2.4733 0.783 1.11 x 10−5 4.49 x 10−6 0.010805 5.92 x 10−6 0.818
250 2.1657 0.804 1.26 x 10−5 5.81 x 10−6 0.012884 7.40 x 10−6 0.793
300 1.7973 0.871 1.50 x 10−5 8.32 x 10−6 0.016572 1.06 x 10−5 0.77
350 1.5362 0.9 1.72 x 10−5 1.12 x 10−5 0.02047 1.48 x 10−5 0.755
400 1.3424 0.942 1.93 x 10−5 1.44 x 10−5 0.02461 1.95 x 10−5 0.738
450 1.1918 0.98 2.13 x 10−5 1.79 × 10−5 0.02897 2.48 x 10−5 0.721
500 1.0732 1.013 2.33 x 10−5 2.17 x 10−5 0.03352 3.08 x 10−5 0.702
550 0.9739 1.047 2.51 x 10−5 2.57 x 10−5 0.03821 3.75 x 10−5 0.685
600 0.8938 1.076 2.68 x 10−5 3.00 x 10−5 0.04311 4.48 x 10−5 0.668
650 0.8143 1.1 2.88 x 10−5 3.54 × 10−5 0.0445 4.97 x 10−5 0.712
700 0.7564 1.13 3.05 x 10−5 4.03 x 10−5 0.0481 5.63 x 10−5 0.717
750 0.7057 1.15 3.21 x 10−5 4.55 x 10−5 0.0517 6.37 x 10−5 0.714
800 0.6614 1.17 3.37 x 10−5 5.10 x 10−5 0.0551 7.12 x 10−5 0.716

생물학적 역할

이산화탄소는 당, 지방, 아미노산을 대사의 일부로 산소와 함께 분해함으로써 에너지를 얻는 유기체의 세포 호흡의 최종 산물입니다.여기에는 모든 식물, 조류 및 동물, 호기성 곰팡이 및 박테리아가 포함됩니다.척추동물에서 이산화탄소는 몸의 조직에서 피부(양서류)나 아가미(어류)로, 물에 녹은 곳에서, 또는 숨을 내쉬는 곳에서 폐로 혈액 속으로 이동합니다.활발한 광합성을 하는 동안, 식물들은 호흡할 때 방출하는 이산화탄소보다 대기로부터 더 많은 이산화탄소를 흡수할 수 있습니다.

광합성 및 탄소고정

캘빈 사이클의 개요와 탄소고정

탄소 고정은 식물, 조류 및 (시아노박테리아)에 의해 대기 중의 이산화탄소가 포도당과 같은 에너지가 풍부한 유기 분자에 포함되어 광합성에 의해 자체 식품을 생성하는 생화학적 과정입니다.광합성은 이산화탄소와 물을 사용하여 다른 유기 화합물이 만들어질 수 있는 당을 생산하고, 산소는 부산물로 생산됩니다.

일반적으로 RuBisCO로 약칭되는 리불로스-1,5-이중인산 카르복실화효소 산소화효소는 탄소 고정의 첫 번째 주요 단계인 CO와2 리불로스 이중인산으로부터 2개의 3-포스포글리세르산 분자의 생성에 관여하는 효소입니다.

루비스코는 지구상에서 가장 풍부한 단 하나의 단백질로 여겨지고 있습니다.[31]

광영양소는 광합성의 산물을 내부 식량원으로 사용하고 다당류, 핵산, 단백질과 같은 더 복잡한 유기 분자의 생합성을 위한 원료로 사용합니다.이것들은 그들 자신의 성장을 위해 사용되며, 또한 우리와 같은 동물들을 포함한 다른 생물체들을 먹이는 먹이사슬과 거미줄의 기초로 사용됩니다.일부 중요한 광영양소인 코코리토포어는 단단한 탄산칼슘 비늘을 합성합니다.[32]세계적으로 중요한 코코콜리토포어 종은 에밀리아니아 헉슬리이인데, 석회암 비늘은 석회암과 같은 많은 퇴적암의 기초를 형성하고 있는데, 이전에 대기 중의 탄소는 지질학적인 시간 척도로 고정되어 있을 수 있습니다.

광합성과 호흡에 대한 개요.이산화탄소(오른쪽)는 물과 함께 광합성에 의해 산소와 유기 화합물(왼쪽)을 형성하며, 이는 물과 (CO2)에 호흡될 수 있습니다.

식물은 주변 조건과 비교할 때 CO 12,000ppm의 농도에서 50%까지 빠르게 성장할 수 있지만, 기후 변화와 다른 영양소에 대한 제한은 없습니다.[33][clarification needed]CO2 수치 상승은 농작물의 수확 가능한 수확량에 반영되는 증가를 야기하며, 밀, 쌀, 콩 모두 FACE 실험에서 CO2 수치 상승 하에서 12-14%의 수확량 증가를 보여줍니다.[34][35]

대기 중 CO2 농도가 증가하면 식물에[36] 기공이 적게 생겨 물 사용량이 감소하고 물 사용 효율성이 높아집니다.[37]FACE를 사용한 연구는 CO2 농축이 작물 식물의 미세영양소 농도 감소로 이어진다는 것을 보여주었습니다.[38]초식동물이 같은 양의 단백질을 얻기 위해 더 많은 음식을 먹어야 하기 때문에 이것은 생태계의 다른 부분에 연쇄적인 영향을 미칠 수 있습니다.[39]

페닐프로파노이드 및 플라보노이드와 같은 2차 대사 물질의 농도는 또한 고농도의2 CO에 노출된 식물에서 변경될 수 있습니다.[40][41]

식물은 또한 호흡 중에2 CO를 배출하므로 C3 광합성을 사용하는 대부분의 식물과 조류는 낮 동안에는 순수 흡수체에 불과합니다.성장하는 숲은 매년 많은 톤의 CO를2 흡수할 것이지만, 성숙한 숲은 식물의 광합성에 사용되는 것만큼 죽은 표본(예: 떨어진 가지)의 호흡과 분해로부터 많은 CO를2 생산할 것입니다.[42]탄소 중립이라는 오랜 관점과는 달리, 성숙한 숲은 탄소를[43] 계속 축적하고 귀중한 탄소 흡수원으로 남아 지구 대기의 탄소 균형을 유지하는 데 도움을 줄 수 있습니다.게다가, 그리고 지구상의 생명체들에게 결정적으로, 식물성 플랑크톤에 의한 광합성은 대양의 용해된 CO를2 소비하고, 그에 따라 대기로부터의 CO의2 흡수를 촉진합니다.[44]

독성

참고 항목: 이산화탄소 중독
공기[45] 중 부피% 증가에 따른 이산화탄소 독성 증상

신선한 공기 중의 이산화탄소 함량(해수면에서 10kPa 사이의 평균, 즉 약 30km(19mi) 고도)은 위치에 따라 0.036%(360ppm)에서 0.041%(412ppm) 사이에서 다릅니다.[46][clarification needed]

CO는2 질식성 가스이며 OECD 화학물질 시험 지침을 사용하여 유럽에 대한 유엔 경제 위원회의 화학물질 분류 및 라벨링의 세계적 조화 시스템에 따라 독성 또는 유해성으로 분류되지 않습니다.1%(1만ppm)[45]까지 농도가 높아지면 일부 사람들은 나른함을 느끼고 폐에 답답함을 느끼게 됩니다.7~10%(70,000~100,000ppm)의 농도는 충분한 산소가 있는 상태에서도 질식을 유발할 수 있으며, 몇 분에서 한 시간 이내에 어지러움, 두통, 시각 및 청각 장애, 의식 불명 등으로 나타날 수 있습니다.[47][clarification needed]급성 이산화탄소 노출의 생리학적 영향은 질식의 부분집합인 하이퍼캡니아라는 용어로 함께 분류됩니다.

공기보다 무겁기 때문에 가스가 지면에서 (지열 또는 화산 지하 활동으로 인해) 상대적으로 고농도로 스며드는 위치에서는 바람의 분산 효과 없이 평균 지면 아래의 보호/포켓 위치에 모일 수 있어 그 안에 위치한 동물들이 질식할 수 있습니다.시체에 끌린 시체 공급원들도 죽임을 당합니다.인근 니라곤고 화산에서 배출된 이산화탄소2 때문에 고마시 인근에서도 어린이들이 같은 방식으로 목숨을 잃었습니다.[48]이 현상을 스와힐리어로 mazuku라고 합니다쿠)입니다.

이산화탄소의2 양이 증가하면서 아폴로 달 모듈의 이산화탄소 스크러버를 공급하기 위해 명령 모듈의 카트리지를 조정해야 하는 아폴로 13호 우주비행사들이 구명보트로 사용하게 되었습니다.

혈액 산성화(산증)의 효과의 균형을 맞추기 위해 변형 호흡 및 신장 중탄산염 생성을 포함하여 증가된 CO2 농도에 대한 적응이 인간에서 발생합니다.여러 연구에서 성능 저하 또는 정상적인 신체 활동이 5일 동안 이 수준의 노출에서 발생하지 않기 때문에 적응이 생리적이고 가역적이기 때문에 2.0%의 영감을 받은 농도가 폐쇄된 공기 공간(예: 잠수함)에 사용될 수 있다고 제안했습니다.[49][50]그러나, 다른 연구들은 훨씬 낮은 수준에서도 인지 기능의 감소를 보여줍니다.[51][52]또한 진행 중인 호흡기 산증으로 인해 적응 또는 보상 메커니즘은 이러한 상태를 되돌릴 수 없습니다.

1%미만

1% 미만의 수준에서 CO 장기 지속 노출이 인간과 동물에2 미치는 건강 영향에 대한 연구는 거의 없습니다.미국에서는 8시간 동안 직업적 CO2 노출 한도를 0.5%(5000ppm)로 설정했습니다.[53]이러한 CO2 농도에서, 국제 우주 정거장 승무원들은 두통, 무기력, 정신적인 느림, 정서적인 짜증, 그리고 수면 장애를 경험했습니다.[54]CO의2 0.5%에서 동물을 대상으로 한 연구에서 신장 석회화와 노출 8주 후의 뼈 손실이 입증되었습니다.[55]2.5시간 동안 노출된 사람들을 대상으로 한 연구에서 CO로2 인한 뇌 혈류의 증가로 인해 CO가2 0.1%(1000ppm) 정도로 낮은 농도에서 인지 능력에 상당한 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.[51]또 다른 연구에서는 기본 활동 수준과 정보 사용량이 500 ppm에 비해 1000 ppm에서 감소하는 것을 관찰했습니다.[52][clarification needed]그러나 문헌을 검토한 결과 이산화탄소 현상에 대한 대부분의 연구는 높은 수준의 의사 결정에 작은 영향을 미치도록 인지 장애를 유도했으며 대부분의 연구는 부적절한 연구 설계, 환경적 편안함, 노출 선량의 불확실성 및 사용된 상이한 인지 평가로 인해 혼란을 겪었습니다.[56]마찬가지로 오토바이 헬멧의 CO2 농도의 영향에 대한 연구는 오토바이 탑승자들의 자기 보고에 주목하지 않고 마네킹을 사용하여 측정을 하는 데 의심스러운 방법론을 가지고 있다는 비판을 받아 왔습니다.또한 정상적인 오토바이 상태(고속도로나 시내 속도 등)를 달성하거나 바이저를 높이면 CO2 농도가 안전 수준(0.2%)[57][58]으로 떨어졌습니다.

실내 CO2 농도 영향에 관한 일반지침
집중력[clarification needed] 메모
280ppm 산업화 이전 수준
421 ppm 현재(2022년 5월) 수준
700ppm ASHRAE 추천[59]
1000ppm 인지장애, 캐나다의 장기 노출 한도[60]
1000-2000ppm 졸음[61]
2000-5000ppm 두통, 졸림, 집중력 저하, 주의력 저하, 약간의 메스꺼움도 있을[61] 수 있음
5000ppm USA 8시간 노출 제한[53]

환기

비분산 적외선 센서를 이용한 이산화탄소2 센서

환기 불량은 밀폐된 공간에서 CO2 농도가 과도하게 높아져 실내 공기의 질이 떨어지는 주요 원인 중 하나입니다.정상 상태 조건(CO2 농도가 안정화될 정도로 점유 및 환기 시스템 작동이 충분히 긴 경우)에서 실외 농도 이상의 이산화탄소 차이는 때때로 1인당 환기율을 추정하는 데 사용됩니다.[citation needed]CO2 농도가 높을수록 승객의 건강, 편안함 및 성능 저하와 관련이 있습니다.[62][63]ASHRAE Standard 62.1–2007 환기 속도는 실내 농도를 주변 실외 조건보다 최대 2,100ppm까지 높일 수 있습니다.따라서 실외 농도가 400ppm이면 실내 농도가 2,500ppm에 이를 수 있으며, 환기 속도는 업계 합의 기준을 충족합니다.환기가 잘 되지 않는 공간의 농도는 이보다 더 높을 수 있습니다(3,000 또는 4,000ppm 범위).[clarification needed]

환기가 충분하지 않아 가스 노출에 특히 취약한 광부들은 이산화탄소와 질소의 혼합물을 "블랙댐", "초크댐" 또는 "스티테"라고 불렀습니다.더 효과적인 기술이 개발되기 전에, 광부들은 작업할 때 우리에 갇힌 카나리아를 가지고 와서 광산 갱도에 있는 블랙댐과 다른 가스의 위험한 수준을 자주 감시하곤 했습니다.카나리아는 사람보다 질식 가스에 더 민감하고 의식이 없어지면 노래를 멈추고 횃대에서 떨어집니다.데이비 램프는 또한 덜 밝게 연소함으로써 높은 수준의 블랙댐 (바닥 근처에 가라앉고 모이는)을 감지할 수 있었고, 또 다른 질식 가스와 폭발 위험인 메탄은 램프가 더 밝게 연소되도록 할 것입니다.

2020년 2월, 모스크바의 한 파티에서 드라이아이스(냉동 CO2)를 수영장에 넣어 식히다가 질식으로 3명이 사망했습니다.[64]2018년에도 한 여성이 자신의 차에 싣고 가던 다량의 드라이아이스에서 뿜어져 나오는 CO2 매연으로 사망하는 사고가 있었습니다.[65]

실내공기

인간은 점점 더 많은 시간을 한정된 대기에서 보냅니다. (건물이나 차량에서 보내는 시간의 약 80-90%)프랑스 식품환경산업보건안전청(ANSES)과 프랑스의 여러 행위자들에 따르면, 공기 갱신에 의해 가중치가 부여된 건물의 실내 공기에서의 CO율은2 "보통 약 350에서 2,500 ppm 사이"입니다.[66][clarification needed]

가정, 학교, 보육원 및 사무실에서는 CO2 수준과 기타 오염 물질 간에 체계적인 관계가 없으며, 실내 CO는2 통계적으로 실외 도로(또는 공기 등) 교통과 관련된 오염 물질에 대한 좋은 예측 변수가 아닙니다.[67]CO는2 사람이나 동물이 밀폐되어 있거나 환기가 잘 되지 않는 방에 모여 있을 때 습도 측정 및 산소 농도와 함께 가장 빠르게 변화하는 파라미터입니다.가난한 나라에서, 많은 노천은 생활 환경으로 직접 배출되는 CO와2 CO의 원천입니다.[68]

농도가 상승된 실외지역

이산화탄소의 국소 농도는 강력한 공급원, 특히 주변 지형에 의해 고립된 공급원 근처에서 높은 값에 도달할 수 있습니다.지름이 약 100m(330피트)인 그릇 모양의 움푹 들어간 곳에 위치한 이탈리아 토스카나 라폴라노 테르메 근처의 보솔레토 온천에서는 밤새 CO2 농도가 75% 이상으로 높아져 곤충과 작은 동물들을 죽일 수 있을 정도입니다.해가 뜬 후 기체는 대류에 의해 분산됩니다.[69]CO로2 포화된 깊은 호수 물의 교란에 의해 생성된 고농도의2 CO는 1984년 카메룬 모눈 호수에서 37명의 사망자를 냈고 1986년 카메룬 니오스 호수에서 1700명의 사망자를 낸 것으로 생각됩니다.[70]

인체생리학

내용

이산화탄소의 부분 압력에 대한 기준 범위2 또는 평균(약칭 pCO)
혈액구획 (kPa) (mmHg)
정맥혈 이산화탄소 5.5–6.8 41–51[71] 41–51[71]
폐포 폐가스
압력		 4.8 36 36
동맥혈 이산화탄소 4.7–6.0 35–45[71] 35–45[71]

몸은 1인당 매일 약 2.3 파운드(1.0 kg)의 이산화탄소를 생산하며, [72]이는 0.63 파운드(290 g)의 탄소를 포함합니다. 인간의 경우, 이 이산화탄소는 정맥계를 통해 운반되고 폐를 통해 배출되어 동맥 내의 농도가 낮아집니다.혈액의 이산화탄소 함량은 종종 이산화탄소가 부피를 차지했다면 가졌을 압력인 분압으로 주어집니다.[73]사람의 경우 혈중 이산화탄소 함량은 옆의 표에 나와 있습니다.

혈액내 수송

CO는2 세 가지 다른 방식으로 혈액 내에 운반됩니다. (정확한 백분율은 동맥혈과 정맥혈에 따라 다릅니다.)

CO + HO → HCO → H + HCO-3

적혈구에서 산소를 운반하는 주요 분자인 헤모글로빈은 산소와 이산화탄소를 운반합니다.그러나 헤모글로빈에 결합된 CO는2 산소와 같은 부위에 결합하지 않습니다.대신, 그것은 4개의 글로빈 사슬 상의 N 말단 그룹과 결합합니다.그러나, 헤모글로빈 분자에 대한 알로스테릭 효과 때문에, CO의2 결합은 산소의 주어진 분압에 결합되는 산소의 양을 감소시킵니다.이것은 할데인 효과로 알려져 있으며, 이산화탄소를 조직에서 폐로 운반하는 데 중요합니다.반대로, CO의2 분압이 상승하거나 pH가 낮아지면 헤모글로빈으로부터 산소가 오프로딩되는 현상이 발생하며, 이를 보어 효과(Bohr effect)라고 합니다.

호흡조절

이산화탄소는 혈액 공급의 국소적인 자동 조절의 매개체 중 하나입니다.농도가 높으면 모세혈관이 확장되어 해당 조직으로 더 많은 혈액이 흐를 수 있습니다.[75]

중탄산 이온은 혈중 pH를 조절하는데 중요합니다.사람의 호흡수는 혈액 속의 CO2 농도에 영향을 미칩니다.호흡이 너무 느리거나 얕으면 호흡성 산증이 발생하고, 너무 빠른 호흡은 과호흡으로 이어져 호흡성 알칼리증을 유발할 수 있습니다.[76]

신체는 신진대사를 위해 산소를 필요로 하지만, 낮은 산소 수치는 보통 호흡을 자극하지 않습니다.오히려, 호흡은 더 높은 이산화탄소 수치에 의해 자극을 받습니다.결과적으로 낮은 압력의 공기 또는 산소가 전혀 없는 혼합 가스(순수 질소 등)를 호흡하면 공기 기아를 겪지 않고 의식을 잃을 수 있습니다.이것은 특히 고고도 전투기 조종사들에게 위험합니다.이것은 또한 승무원들이 객실 압력을 잃을 경우 승객들에게 다른 사람들을 돕기 전에 먼저 산소 마스크를 바르라고 지시하는 이유이기도 합니다. 그렇지 않으면 의식을 잃을 위험이 있습니다.[74]

호흡기 센터에서는 동맥 CO2 압력이 40 mmHg로 유지되도록 노력합니다.의도적인 과호흡으로 동맥혈의 CO2 함량이 10–20mmHg로 낮아질 수 있습니다(혈액의 산소 함량은 거의 영향을 받지 않음). 그리고 호흡기 구동력이 저하됩니다.이것이 과호흡을 한 후에 숨을 참는 시간이 과호흡을 하지 않고 숨을 참는 시간보다 긴 이유입니다.이것은 호흡의 필요성이 압도적이 되기 전에 무의식이 초래할 수 있는 위험을 수반하며, 이것이 프리 다이빙 전에 과호흡이 특히 위험한 이유입니다.[77]

환경에서의 집중도 및 역할

대기.

상세정보 : 탄소주기
이 섹션은 지구 대기의 이산화탄소에서 발췌한 것입니다.[편집]
1958년부터 2022년까지 마우나 로아 천문대에서 측정된 대기 CO2 농도(킬링 곡선이라고도 함).이산화탄소의 농도는 지구의 45억 4천만 년의 역사 동안 매우 다양했습니다.그러나 2013년에 대기 중의 일평균 CO2 농도는 400 [78]ppmv를 넘어섰습니다. 이 수준은 2백만 년에서 4백만 년 전인 Pliocene 중반 이후로 한 번도 도달하지 못했습니다.[79]

지구 대기에서 이산화탄소는 온실 효과, 탄소 순환, 광합성, 해양 탄소 순환에 필수적인 역할을 하는 미량 가스입니다.그것은 지구 대기 중의 여러 온실가스 중 하나입니다.2022년 5월 현재 전 세계 평균 대기 중 CO2 농도는 421ppm(0.04%)[80]입니다.이는 산업혁명이 시작된 이후 50% 증가한 것으로 18세기 중반 이전 1만 년 동안 280ppm보다 증가한 수치입니다.[81][80][82]그 증가는 인간의 활동 때문입니다.[83]화석 연료를 태우는 것은 이러한 이산화탄소2 농도 증가의 주요 원인이며 기후 변화의 주요 원인이기도 합니다.[84]시멘트 생산, 삼림 벌채, 바이오매스 연소 등의 다른 대규모 인위적 공급원들도 있습니다.

가시광선에는 투명하지만 이산화탄소는 온실가스로서 적외선을 흡수하여 두 개의 적외선 활성 진동 주파수로 방출합니다.CO는2 4.26μm(2,347cm−1)(비대칭 스트레칭 진동모드)와 14.99μm(667cm−1)(벤딩 진동모드)의 파장에서 적외선을 흡수하여 방출합니다.그것은 온실 효과를 통해 지구의 표면 온도에 영향을 미치는데 중요한 역할을 합니다.[85]지구 표면에서의 빛 방출은 적외선 영역에서 200에서 2500 cm−1 사이에서 가장 강렬하며,[86] 가시 영역에서 가장 강렬한 태양의 빛 방출과는 대조적입니다.대기 중 CO의2 진동 주파수에서 적외선의 흡수는 표면 근처에 에너지를 가두어 표면과 대기 하부를 따뜻하게 합니다.대기 상층부에 도달하는 에너지가 줄어들기 때문에 이 흡수 때문에 더 시원합니다.[87]

이산화탄소와2 메탄, 아산화질소, 오존과 같은 다른 오래 지속되는 온실가스의 대기 농도 증가는 대기에 의한 적외선 복사의 흡수와 방출을 증가시키며, 관측된 지구 평균 온도와 해양 산성화의 증가를 야기합니다.또 다른 직접적인 효과는 CO2 수정 효과입니다.이러한 변화는 기후 변화가 물리적 환경, 생태계, 인간 사회에 미치는 간접적인 영향의 범위를 야기합니다.이산화탄소는 다른 모든 온실가스를 합친 것보다 더 큰 전체적인 온난화 영향을 줍니다.[82]이 활동이 지구의 빠른 탄소 순환에 부과하는 불균형 때문에 화석 탄소를 추출하고 연소하는 누적 양에 따라 증가하는 대기 수명을 가지고 있습니다.[88]이는 지금까지 전달된 화석 탄소의 일부 분율(예상 20-35%)이 이러한 탄소 전달 활동이 가라앉기 시작한 후 수천 년 동안 CO 수치가2 상승함에 따라 대기 중에 유지된다는 것을 의미합니다.[89][90][91]탄소 순환은 지구의 해양, 토양, 암석 그리고 생물권 사이에서 탄소가 교환되는 생물 지구화학적 순환입니다.식물과 다른 광자생동물들은 광합성에 의해 대기 중의 이산화탄소와 물로부터 탄수화물을 생산하기 위해 태양 에너지를 사용합니다.거의 모든 다른 생물체들은 광합성에서 나온 탄수화물을 그들의 주요 에너지원과 탄소 화합물로 의존합니다.

현재 대기 중 CO2 농도는 1,400만 년 동안 가장 높습니다.[92]대기 중 CO2 농도는 약 5억 년 전 캄브리아기에 4,000 ppm까지 높았으며, 지난 2백만 년 동안 4차 빙하기에는 180 ppm까지 낮았습니다.[81]지난 4억 2천만 년 동안의 재구성된 온도 기록은 대기 중 CO2 농도가 데본기(400 Ma) 기간 동안 약 2,000ppm, 트라이아스기(220-200 Ma) 기간에 다시 정점을 찍었고 쥐라기(201-145 Ma) 기간 동안 현재 수준의 4배에 달했음을 나타냅니다.[93][94]
1960년대 이후 매년 발생하는2 CO는 인위적 발생원(왼쪽)에서 지구의 대기, 육지 및 해양 싱크(오른쪽)로 흘러갑니다.연간 등가 기가톤 탄소 단위.[95]

오션스

주요 기사 : 탄소 순환과 해양 산성화

해양 산성화

이산화탄소는 바다에서 용해되어 탄산(HCO23), 중탄산(HCO-3), 탄산(CO2-3)을 형성합니다.대기 중에 존재하는 이산화탄소보다 바다에 용해된 이산화탄소의 양이 약 50배나 많습니다.바다는 거대한 탄소흡수원의 역할을 하며, 인간의 활동에 의해 배출되는 이산화탄소의2 약 3분의 1을 차지합니다.[96]

이 섹션은 해양 산성화에서 발췌한 것입니다.[편집]

해양 산성화는 지구 해양의 pH가 감소하는 것입니다.1950년과 2020년 사이에, 해수면의 평균 pH는 약 8.15에서 8.05로 떨어졌습니다.[97]대기 중 이산화탄소(CO2) 수치가 410ppm(2020년)을 초과하는 등 인간 활동으로 인한 이산화탄소 배출은 해양 산성화의 주요 원인입니다.대기중의 CO는2 바다에 흡수됩니다.이것은 중탄산 이온(HCO-3)과 수소 이온(H+)으로 해리되는 탄산(HCO23)을 생성합니다.유리 수소 이온(H+)의 존재는 바다의 pH를 낮추어 산성도를 증가시킵니다(이것은 해수가 아직 산성이라는 것을 의미하지 않습니다; pH가 8보다 높은 상태에서 여전히 알칼리성입니다).연체동물이나 산호와 같은 해양 석회화 생물은 껍질과 골격을 만들기 위해 탄산칼슘에 의존하기 때문에 특히 취약합니다.[98]

pH 0.1의 변화는 전 세계 해양에서 수소 이온 농도가 26% 증가한 것을 나타냅니다(pH 스케일은 로그이므로 pH 단위의 1 변화는 수소 이온 농도의 10배 변화에 해당함).해수면 pH와 탄산염 포화 상태는 해수면 깊이와 위치에 따라 다릅니다.더 차갑고 위도가 높은 물은 더 많은 이산화탄소를2 흡수할 수 있습니다.이는 산성도를 상승시켜 이들 지역의 pH와 탄산염 포화도를 낮출 수 있습니다.대기-해양 CO2 교환, 그리고 따라서 지역 해양 산성화에 영향을 미치는 다른 요인들은 해류와 융기 지역, 큰 대륙 강과의 근접성, 해빙 범위, 화석 연료 연소와 농업에서 나오는 질소와 황과의 대기 교환을 포함합니다.[99][100][101]
해수에 용해된 익룡조개 2100년 예상 해양화학으로 조정
이 절은 해양 산성화 § 해양 생물의 석회화 감소에서 발췌한 것입니다.[편집]

해양 화학의 변화는 생물체와 그들의 서식지에 광범위한 직간접적인 영향을 미칠 수 있습니다.해양 산성도를 증가시키는 가장 중요한 영향 중 하나는 탄산칼슘(CaCO3)에서 조개껍질을 생성하는 것과 관련이 있습니다.[98]이 과정은 석회화라고 불리며 다양한 해양 생물의 생물학과 생존에 중요합니다.석회화는 녹은 이온을 고체 CaCO3 구조로 침전시키는 것을 포함하며, 코코콜리토포어, 포라미니페라, 갑각류, 연체동물 등과 같은 많은 해양 생물의 구조입니다.이러한 CaCO3 구조는 형성된 후 주변 해수에 포화 농도의 탄산염 이온(CO2-3)이 포함되지 않는 한 용해에 취약합니다.

바다에 첨가되는 여분의 이산화탄소 중 용해된 이산화탄소로 남아있는 것은 않습니다.대다수는 추가적인 중탄산염과 유리수소 이온으로 해리됩니다.수소의 증가는 중탄산염의 증가보다 [102]더 커서 반응에 불균형을 일으킵니다.

HCO−3 ⇌ CO2−3 + H+

화학적 평형을 유지하기 위해 이미 바다에 있는 탄산염 이온 중 일부는 수소 이온 중 일부와 결합하여 더 많은 중탄산염을 만듭니다.따라서 해양의 탄산 이온 농도가 감소하여 해양 생물이 껍질을 만들거나 석회화하는 데 필수적인 구성 요소가 제거됩니다.

Ca2+ + CO2−3 ⇌ CaCO3

열수구

이산화탄소는 열수 분출구를 통해 바다로 유입되기도 합니다.마리아나 해구에 있는 북서 에이후쿠 화산에서 발견된 샴페인 열수 분출구는 거의 순수한 액체 이산화탄소를 생산하는데, 2004년 현재 세계에서 단 두 곳만이 알려진 장소 중 하나이며, 다른 하나는 오키나와 트로프에 있습니다.[103]오키나와 트로프에서 액체 이산화탄소로 이루어진 해저 호수가 발견된 것은 2006년에 보고되었습니다.[104]

생산.

생물학적 과정

이산화탄소는 맥주, 위스키 및 기타 알코올 음료 양조 및 바이오 에탄올 생산에서 설탕이 발효되는 부산물입니다.효모는 다음과 같이 설탕을 대사시켜 CO와2 알코올로도 알려진 에탄올을 생산합니다.

CHO → CO 2 + CHCHOH 2개

모든 호기성 생물은 탄수화물, 지방산, 단백질을 산화시킬 때 CO를2 생성합니다.관련된 많은 반응은 매우 복잡하고 쉽게 설명되지 않습니다.(세포 호흡, 혐기성 호흡 및 광합성)을 참조합니다.포도당과 다른 단당류의 호흡에 대한 방정식은 다음과 같습니다.

CHO + 6 O → 6 CO + 6 HO

혐기성 생물은 다른 화합물의 흔적과 함께 메탄과 이산화탄소를 생성하는 유기물을 분해합니다.[105]유기 물질의 종류와 상관없이 가스의 생성은 잘 정의된 운동 패턴을 따릅니다.이산화탄소는 매립지에서 발생하는 분해 가스의 약 40-45%를 차지합니다("매립지 가스"라고 함).나머지 50-55%의 대부분은 메탄입니다.[106]

산업공정

이산화탄소는 공기에서 증류하면 얻을 수 있지만 그 방법은 비효율적입니다.산업적으로 이산화탄소는 주로 회수되지 않은 폐기물이며, 다양한 규모로 실행될 수 있는 여러 가지 방법으로 생성됩니다.[107]

연소

메탄(천연가스), 석유 증류물(가솔린, 디젤, 등유, 프로판), 석탄, 목재 및 일반 유기물과 같은 모든 탄소 기반 연료의 연소는 이산화탄소를 생성하며, 순수한 탄소의 경우를 제외하고는 물을 생성합니다.예를 들어, 메탄과 산소 사이의 화학적 반응:

CH + 2 O → CO + 2 HO

고로에서 코크스를 사용하여 산화물에서 철이 환원되어 선철과 이산화탄소가 생성됩니다.[108]

FeO + 3 CO → 3 CO + 2 Fe

수소생산 부산물

이산화탄소는 증기 개질에 의한 수소 산업 생산과 암모니아 생산에서의 수성 가스 전환 반응의 부산물입니다.이러한 과정은 물과 천연 가스(주로 메탄)의 반응으로 시작됩니다.[109]이것은 맥주와 청량 음료의 탄산화에 사용되는 식품 등급 이산화탄소의 주요 공급원이며 가금류와 같은 놀라운 동물에도 사용됩니다.2018년 여름, 유럽에서는 유지보수를 위해 몇몇 암모니아 공장의 일시적인 폐쇄로 인해 이러한 목적의 이산화탄소 부족이 발생했습니다.[110]

석회석의 열분해

산업적 용도가 많은 생석회(산화칼슘, CaO)를 제조할 때 약 850°C(1,560°F)에서 가열(석회)하여 석회석, CaCO를3 열분해하여 생산합니다.

CaCO → CaO + CO

산은 대부분의 금속 탄산염으로부터 CO를2 방출합니다.따라서 천연 이산화탄소 스프링에서 직접 얻을 수 있으며, 석회암이나 돌로마이트에 산성화된 물이 작용하여 생성됩니다.염산과 탄산칼슘(석회석 또는 분필)의 반응은 다음과 같습니다.

CaCO + 2 HCl → CaCl + HCO

탄산(HCO23)은 물과 CO로2 분해됩니다.

HCO → CO + HO

이러한 반응은 가스가 방출될 때 거품이나 거품, 또는 둘 다를 동반합니다.폐산 스트림을 중화하는 데 사용될 수 있기 때문에 산업계에서 널리 사용되고 있습니다.

상업용

이산화탄소는 식품 산업, 석유 산업, 화학 산업에서 사용됩니다.[107]이 화합물은 다양한 상업적 용도를 가지고 있지만, 화학 물질로서 가장 큰 용도 중 하나는 탄산 음료 제조입니다. 탄산수, 맥주 및 스파클링 와인과 같은 탄산 음료에서 반짝임을 제공합니다.

화학물질의 전구체(precursor)

참고 항목: Sabatier 반응

화학 산업에서 이산화탄소는 주로 요소 생산의 성분으로 소비되며, 더 작은 분획은 메탄올 및 다양한 다른 제품을 생산하는 데 사용됩니다.[111]살리실산 나트륨과 같은 카르복실산 유도체는 콜베-슈미트 반응에 의해 CO를2 사용하여 제조됩니다.[112]

화학적 생산을 위해 CO를2 사용하는 종래의 공정 이외에도 전기화학적 방법도 연구 수준에서 연구되고 있습니다.특히, CO2(메탄올과 같은)로부터 연료를 생산하기 위한 재생 에너지의 사용은 기존의 연소 기술 내에서 쉽게 운송되고 사용될 수 있지만 순 CO 배출량이2 없는 연료를 생성할 수 있기 때문에 매력적입니다.[113]

농업

식물은 광합성을 하기 위해서 이산화탄소를 필요로 합니다.온실의 대기는 식물 생장 속도를 유지하고 증가시키기 위해 추가적인 이산화탄소로2 농축될 수 있습니다.[114][115]매우 높은 농도(대기농도의 100배 이상)에서는 이산화탄소가 동물의 생명에 독성을 나타낼 수 있어 몇 시간 동안 농도를 1만ppm(1%) 이상으로 올리면 온실 내 흰파리, 거미진드기 등 해충을 없앨 수 있습니다.[116][clarification needed]

음식을

탄산음료 안의 이산화탄소 기포 발생

이산화탄소는 식품 산업에서 추진제와 산도 조절제로 사용되는 식품 첨가제입니다.EU[117](E 번호 E290으로 표시), 미국[118] 및 호주[119], 뉴질랜드(INS 번호 290으로 표시)에서 사용할 수 있도록 승인되었습니다.

팝 락스(Pop Rocks)라고[120] 불리는 사탕은 이산화탄소 가스로 약 4,000 kPa (40 bar; 580 psi)의 압력을 받습니다.입 안에 넣으면, 다른 딱딱한 사탕과 마찬가지로 용해되어 소리가 나는 소리와 함께 기포를 내보냅니다.

발효제는 이산화탄소를 생성함으로써 반죽을 상승시킵니다.[121]베이커의 효모는 반죽 안에 있는 설탕의 발효에 의해 이산화탄소를 생산하는 반면 베이킹 파우더와 베이킹 소다와 같은 화학적인 발효제는 가열될 때 또는 산에 노출될 때 이산화탄소를 방출합니다.

음료

이산화탄소는 탄산음료와 탄산수를 만드는 데 사용됩니다.전통적으로 맥주와 스파클링 와인의 탄산화는 자연 발효를 통해 이루어졌지만, 많은 제조업체들은 발효 과정에서 회수된 이산화탄소로 이 음료들을 탄산화시킵니다.병맥주와 케그맥주의 경우 가장 일반적으로 사용되는 방법은 이산화탄소를 재활용하여 탄산화하는 것입니다.영국 리얼 에일을 제외하고, 생맥주는 보통 차가운 방이나 지하실의 통에서 가압 이산화탄소를 사용하여 바에 수도꼭지를 틀기 위해 옮겨지고, 때로는 질소와 혼합됩니다.

탄산수의 맛(및 다른 탄산음료의 관련 미각)은 가스의 거품이 터지는 것보다 용해된 이산화탄소의 효과입니다.탄산무수화효소 4는 탄산으로 전환되어 신맛이 나고, 용해된 이산화탄소는 체성감각반응을 유도합니다.[122]

와인만들기

수확 후 포도를 보관하는 데 사용되는 드라이아이스

드라이아이스 형태의 이산화탄소는 야생 효모에 의한 자연발효를 방지하기 위해 따기 후 포도송이를 빨리 식히기 위해 포도주 제조 시 저온 담금기에 자주 사용됩니다.드라이아이스를 워터아이스보다 사용하는 것의 가장 큰 장점은 포도의 설탕 농도를 감소시킬 수 있는 추가적인 물을 첨가하지 않고 포도를 식힌다는 것이고, 따라서 완성된 와인의 알코올 농도를 감소시킬 수 있습니다.이산화탄소는 또한 보졸레 와인을 생산하는 데 사용되는 과정인 저산소 환경을 만들기 위해 사용됩니다.

이산화탄소는 때때로 산화를 방지하기 위해 와인병이나 배럴과 같은 다른 저장 용기를 보충하는 데 사용되지만, 와인에 녹아서 이전에 아직도 와인이 약간 곪아버릴 수 있다는 문제점이 있습니다.이러한 이유로, 전문적인 와인 제조사들은 질소나 아르곤과 같은 다른 가스를 이 공정에 선호합니다.

놀라운 동물들

이산화탄소는 종종 도살 전에 동물들을 "놀라게" 하는데 사용됩니다.[123]동물들이 즉시 기절하지 않고 고통을 겪을 수 있기 때문에 "놀라다"는 잘못된 이름일 수도 있습니다.[124][125]

불활성 가스

이산화탄소는 휴대용 압력 공구에서 공압(가압 가스) 시스템에 가장 일반적으로 사용되는 압축 가스 중 하나입니다.이산화탄소는 용접을 위한 대기로도 사용되지만 용접 아크에서는 대부분의 금속을 산화시키기 위해 반응합니다.이산화탄소 용접이 불활성 분위기에서 용접된 용접보다 더 취약하다는 중요한 증거가 있음에도 불구하고 자동차 산업에서 사용되는 것은 일반적입니다.[citation needed]MIG 용접에 사용할 경우 CO가22 이러한 고온에서 반응할 수 있기 때문에 CO 사용을 MAG 용접이라고 부르기도 합니다.실제 불활성 분위기보다 뜨거운 웅덩이를 생성하는 경향이 있어 유동 특성이 개선됩니다.하지만 이는 웅덩이 현장에서 발생하는 대기 반응 때문일 수 있습니다.이는 용접 시 원하는 효과와 반대되는 것이 일반적이며, 이는 현장을 취화하는 경향이 있기 때문입니다. 하지만 궁극적인 연성이 주요 관심사가 아닌 일반적인 연강 용접의 경우에는 문제가 되지 않습니다.

이산화탄소는 값싸고 불연성이기 때문에, 그리고 대략 60 bar (870 psi; 59 atm)의 도달 가능한 압력에서 상온에서 가스로부터 액체로의 상전이를 겪기 때문에, 가압 가스를 필요로 하는 많은 소비자 제품에 사용됩니다.다른 방법보다 훨씬 더 많은 이산화탄소가 주어진 용기에 들어갈 수 있도록 하는 것.구명조끼에는 급속한 팽창을 위해 가압된 이산화탄소 통이 들어있는 경우가 많습니다.CO의2 알루미늄 캡슐은 에어 건, 페인트볼 마커/건, 팽창 자전거 타이어, 탄산수 제조를 위한 압축 가스 공급으로도 판매됩니다.고농도의 이산화탄소는 해충을 죽이는 데도 사용될 수 있습니다.액체 이산화탄소는 일부 식품 및 기술 재료의 초임계 건조, 전자 현미경[126] 스캔을 위한 검체 준비 및 원두의 디카페인에 사용됩니다.

소화기

CO2 소화기 사용

이산화탄소는 가스로 화염 주위의 환경을 침수시킴으로써 화염을 진화하는 데 사용될 수 있습니다.그 자체가 불꽃을 끄는데 반응하는 것이 아니라, 그것을 대체함으로써 산소의 불꽃을 굶게 됩니다.일부 소화기, 특히 전기 화재를 위해 설계된 소화기에는 압력을 받는 액체 이산화탄소가 들어 있습니다.이산화탄소 소화기는 작은 가연성 액체나 전기 화재에는 잘 작동하지만, 일반 가연성 화재에는 잘 작동하지 않는데, 연소 물질을 크게 냉각시키지 못하고, 이산화탄소가 분산되면 대기 산소에 노출되면 불이 붙을 수 있기 때문입니다.그것들은 주로 서버실에서 사용됩니다.[127]

이산화탄소는 고정식 방화 시스템에서 특정 위험 요소의 국소 적용과 보호 공간의 전체 침수를 위한 소화제로도 널리 사용되어 왔습니다.[128]국제해사기구 표준은 선박실과 기관실의 화재 보호를 위해 이산화탄소 시스템을 인정하고 있습니다.이산화탄소 기반의 방화 시스템은 충분히 높은 농도에서 질식을 유발할 수 있기 때문에 여러 명의 사망자와 관련이 있습니다.CO2 시스템을 검토한 결과 1975년부터 보고서 작성일(2000년)까지 51건의 사건이 발생하여 72명의 사망자와 145명의 부상자가 발생한 것으로 확인되었습니다.[129]

용매로서의 초임계 이산화탄소2

참고 항목:초임계 이산화탄소와 녹색화학

액체 이산화탄소는 많은 친유성 유기 화합물에 좋은 용매이며 커피에서 카페인을 제거하는데 사용됩니다.[18]이산화탄소는 유기염소화물과 같은 더 전통적인 용매에 대한 덜 독성적인 대안으로서 제약 및 기타 화학 가공 산업에서 주목을 받아 왔습니다.이런 이유로 일부 세탁소에서도 사용하고 있습니다.초임계 이산화탄소의 특성 때문에 일부 에어로겔 제조에 사용됩니다.

의학 및 약리학적 용도

의학에서는 무호흡 후 호흡을 자극하고 혈액 내 O2/CO2 균형을 안정시키기 위해 산소에 최대 5%의 이산화탄소(대기 농도의 130배)를 첨가합니다.

이산화탄소는 최대 50%의 산소와 혼합되어 흡입 가능한 가스를 형성할 수 있습니다. 이 가스는 Carbogen으로 알려져 있으며 다양한 의료 및 연구 용도를 가지고 있습니다.

또 다른 의학적 용도는 화산 후 배출된 이산화탄소를 치료 목적으로 사용하는 모페트 건조 스파입니다.

에너지

초임계 CO는2 Allam 동력 사이클 엔진의 작동 유체로 사용됩니다.

화석연료회수

이산화탄소는 오일과 혼화성이 되었을 때 보통 초임계 상태에서 유정에 주입되거나 인접한 곳에 주입되는 향상된 오일 회수에 사용됩니다.이 방법을 사용하면 1차 추출 시 잔류 오일 포화도를 7-23% 추가로 감소시켜 원래 오일 회수율을 높일 수 있습니다.[130]이는 가압제 역할을 하며, 지하 원유에 용해되면 점도가 현저히 떨어지고, 표면 화학을 변화시켜 오일이 저장소를 통해 제거 유정으로 더 빠르게 흐를 수 있습니다.[131]성숙한 유전에서는 이산화탄소를 주입 지점까지 운반하기 위해 광범위한 파이프 네트워크가 사용됩니다.

향상된 석탄층 메탄 회수에서 이산화탄소는 석탄층이 갇힌 메탄을 방출하도록 하기 위해 물을 제거하는 것에 주로 의존하는 현재의 방법과는 달리 메탄을 대체하기 위해 석탄층으로 펌핑될 것입니다.[132]

생물이 연료로 전환

주요 기사 : 탄소 포집 및 활용

발전에서 나오는 이산화탄소를2 거품을 내어 연못으로 만들어 조류의 성장을 자극하여 바이오 디젤 연료로 전환할 수 있다고 제안되었습니다.[133]광합성을 이용하여 CO로부터2 이소부티랄알데히드와 이소부탄올 연료를 생산하기 위해 시아노박테리움 시네코코커스 엘롱가투스 균주가 유전적으로 조작되었습니다.[134]

연구원들은 박테리아로부터 분리된 효소를 이용하여 이산화탄소를2 연료로 바꾸는 화학 반응을 작동시키는 전기 분해라고 불리는 과정을 개발했습니다.[135][136][137]

냉매
참고 항목: 냉매 및 지속 가능한 자동차 에어컨
이산화탄소(적색)와 물(청색)의 압력-온도 위상도를 1기압에서 상전이점과 로그-린 차트로 비교

액체 및 고체 이산화탄소는 특히 식품 산업에서 중요한 냉매이며, 아이스크림 및 기타 냉동 식품의 운송 및 보관 시에 사용됩니다.고체 이산화탄소는 "드라이 아이스"라고 불리며 냉동 장비가 실용적이지 않은 소규모 운송에 사용됩니다.고체 이산화탄소는 대기 온도에 관계없이 일정한 대기압에서 항상 -78.5 °C(-109.3 °F) 이하입니다.

디클로로디플루오로메탄(R12, 클로로플루오로카본(CFC))을 사용하기 전에는[citation needed] 액체 이산화탄소(산업명 R744 또는 R-744)를 냉매로 사용하였습니다.CO는2 CFC의 주요 대체 물질 중 하나인 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(R134a, 수소 플루오로카본)이 CO보다2 기후 변화에 더 많이 기여하기 때문에 르네상스를 누릴 수 있습니다.CO2 물성은 냉각, 냉동, 가열에 매우 유리하여 체적 냉각 능력이 높습니다.최대 130bar(1,900psi; 13,000kPa)의 압력에서 작동해야 하기 때문에 CO2 시스템에는 기계적으로 저항성이 높은 저장소와 이미 많은 부문에서 대량 생산을 위해 개발된 부품이 필요합니다.자동차 공조 장치에서, 50° 이상의 위도에서 전체 주행 조건의 90% 이상에서 CO2(R744)는 HFC(예: R134a)를 사용하는 시스템보다 더 효율적으로 작동합니다.환경적 이점(GWP 1, 비오존 고갈, 무독성, 불연성)은 자동차, 슈퍼마켓, 히트펌프 온수기 등에서 현재의 HFC를 대체할 미래의 작동 유체로 만들 수 있습니다.코카콜라는 CO 기반2 음료 냉각기를 생산했고 미군은 CO2 냉동 및 가열 기술에 관심이 있습니다.[138][139]

사소한 용도

이산화탄소 레이저

이산화탄소는 초기 형태의 레이저 중 하나인 이산화탄소 레이저의 레이저 매체입니다.

이산화탄소는 물에 가스를 지속적으로 첨가함으로써 [140]pH가 상승하지 않도록 수영장의 pH를 조절하는 수단으로 사용될 수 있습니다.이것의 장점 중 하나는 취급(더 위험한) 산을 피할 수 있다는 것입니다.마찬가지로, 탄산칼슘이 물에 더 자유롭게 녹도록 하기 위해 탄산칼슘 위를 통과하는 물의 pH를 일시적으로 낮추기 위해 칼슘 원자로에서 사용되는 암초 수족관에서도 사용됩니다. 일부 산호가 골격을 형성하기 위해 탄산칼슘을 사용합니다.

원자력발전용 영국 첨단 가스냉각로에서 1차 냉각재로 사용

이산화탄소 유도는 일반적으로 실험실 연구용 동물의 안락사에 사용됩니다.CO를2 투여하는 방법은 동물을 CO를2 포함하는 밀폐된 미리 채워진 챔버에 직접 넣는 것 또는 점차적으로 증가하는 CO2 농도에 노출시키는 것을 포함합니다.미국 수의학 협회의 2020년 이산화탄소 유도 가이드라인에 따르면 분당 챔버 또는 케이지 부피의 30~70%의 변위율은 작은 설치류의 인도적 안락사에 최적이라고 합니다.[141]: 5, 31 CO의2 백분율은 고통을 최소화하기 위해 확인된 최적의 백분율에 따라 종에 따라 달라집니다.[141]: 22

이산화탄소는 또한 여러 관련 세척 및 표면 준비 기술에 사용됩니다.

발견이력

드라이아이스 결정구조

이산화탄소는 이산 물질로 묘사된 최초의 가스였습니다.약 1640년,[142] 플랑드르의 화학자 얀 밥티스트 반 헬몬트는 그가 밀폐된 그릇에서 숯을 태웠을 때, 생성된 재의 질량이 원래 숯의 질량보다 훨씬 적음을 관찰했습니다.그의 해석은 숯의 나머지 부분이 그가 "가스"(그리스어 "혼돈"에서 유래) 또는 "야생의 영혼"(스피리투스 실베스트리스)이라고 부르는 보이지 않는 물질로 변환되었다는 것이었습니다.[143]

이산화탄소의 특성은 1750년대에 스코틀랜드 의사 조셉 블랙에 의해 더 연구되었습니다.그는 석회석 (탄산칼슘)을 가열하거나 산으로 처리하여 그가 "고정 공기"라고 부르는 가스를 생산할 수 있다는 것을 발견했습니다.그는 고정된 공기가 공기보다 밀도가 높고 불꽃이나 동물의 생명을 지탱하지 못한다는 것을 관찰했습니다.블랙은 또한 석회수(수산화칼슘의 포화 수용액)를 통해 거품을 내면 탄산칼슘을 침전시킨다는 것을 발견했습니다.그는 이 현상을 동물의 호흡과 미생물의 발효에 의해 이산화탄소가 생성된다는 것을 설명하기 위해 사용했습니다.1772년, 영국의 화학자 조셉 프리스틀리는 "고정된 공기로 물을 스며들게 한다"라는 제목의 논문을 발표했는데, 그는 이산화탄소를 생산하기 위해 분필에 황산(또는 프리스틀리가 알고 있던 독설의 기름)을 떨어뜨리고, 그 가스와 접촉하는 물 그릇을 교반함으로써 그 가스를 강제로 녹이는 과정을 묘사했습니다.[144]

이산화탄소는 1823년 험프리 데이비와 마이클 패러데이에 의해 처음으로 액화되었습니다.[145]고체 이산화탄소(건빙)에 대한 최초의 설명은 1835년 액체 이산화탄소가 담긴 가압 용기를 열었지만 액체의 급속한 증발에 의해 생성된 냉각으로 고체2 이산화탄소가 "눈"으로 생성되었음을 프랑스 발명가 Adrien-Jean-Pierre Thilorier가 1835년에 발표했습니다.[146][147]

이산화탄소는 질소와 결합하여 이전부터 블랙댐(Blackdamp), 스티더(styther) 또는 초크댐(choke damp)으로 알려져 있었으며,[148] 다른 유형의 댐과 함께 광산 작업과 우물 침하에서 발견되었습니다.석탄의 느린 산화와 생물학적 과정이 산소를 대체하여 질소와 이산화탄소의 숨막히는 혼합물을 만들었습니다.[149]

참고 항목

메모들

  1. ^ 여기서 "부분"은 분자를[10] 의미합니다.

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