二酸化炭素
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二酸化炭素
結合長を含む二酸化炭素の構造式
結合長を含む二酸化炭素の構造式
二酸化炭素の球棒モデル
二酸化炭素の球棒モデル
二酸化炭素の空間充填モデル
二酸化炭素の空間充填モデル
名前
IUPAC名
二酸化炭素
その他の名前
  • 炭酸ガス
  • 炭酸無水物
  • 二酸化炭素
  • 二酸化炭素
  • 酸化炭素(IV)
  • メタンジオン
  • R-744（冷媒）
  • R744（冷媒の別名）
  • ドライアイス（固体）
識別子
3Dモデル（JSmol）
1900390
チェビ
チェムブル
ケムスパイダー
ECHA 情報カード100.004.271
EC番号
  • 204-696-9
E番号E290 （防腐剤）
989
ケッグ
メッシュ二酸化炭素
RTECS番号
  • FF6400000
ユニイ
国連番号1013（ガス）、1845（固体）
  • InChI=1S/CO2/c2-1-3 チェックはい
    キー: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N チェックはい
  • InChI=1/CO2/c2-1-3
    キー: CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYAO
  • O=C=O
  • C(=O)=O
プロパティ
CO2​​
モル質量44.009  g·mol −1
外観 無色の気体
臭い
  • 低濃度：なし
  • 高濃度：鋭い、酸性[ 1 ]
密度
  • 1562  kg/m 3（1気圧（100 kPa）、-78.5 °C（-109.3 °F）で固体）
  • 1101  kg/m 3（飽和液体 -37 °C (-35 °F)）
  • 1.977  kg/m 3（1気圧（100 kPa）、0℃（32°F）のガス）
臨界点（T、P） 304.128(15) K [ 2 ] (30.978(15) °C), 7.3773(30) MPa [ 2 ] (72.808(30) atm)
1気圧（0.101325 MPa）で194.6855(30) K（-78.4645(30) °C）
 25℃（77℉）、100kPa（0.99気圧）で 1.45g /L
蒸気圧5.7292(30) MPa、56.54(30) atm (20 °C (293.15 K))
酸性度（ p Ka ）炭酸：p K a1 = 3.6 p K a1（見かけ）= 6.35 p K a2 = 10.33
磁化率（χ）
−20.5·10 −6  cm 3 /モル
熱伝導率0.01662  W·m −1 ·K −1 (300 K (27 °C; 80 °F)) [ 3 ]
屈折率（nD ）
1.00045
粘度
  • 25℃（298 K）で14.90 μPa·s [ 4 ]
  •  −78.5 °C (194.7 K) で70 μPa·s
0 日
構造
三角
D∞時間
リニア
熱化学
熱容量（℃）
37.135  J/(K·モル)
標準モルエントロピー（S⦵298 ）​
214  J·モル−1 ·K −1
標準生成エンタルピー（Δ f H ⦵ 298）
−393.5  kJ·mol −1
薬理学
V03AN02 ( WHO )
危険
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）
[ 7 ] [ 8 ]
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 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
南アフリカ
致死量または濃度（LD、LC）：
90,000  ppm (162,000  mg/m 3 ) (ヒト、5 分) [ 6 ]
NIOSH（米国健康曝露限界）：
PEL（許可）
TWA 5000  ppm (9000  mg/m 3 ) [ 5 ]
REL（推奨）
TWA 5000  ppm (9000  mg/m 3 )、ST 30,000  ppm (54,000  mg/m 3 ) [ 5 ]
IDLH（差し迫った危険）
40,000  ppm (72,000  mg/m 3 ) [ 5 ]
安全データシート（SDS） シグマアルドリッチ
関連化合物
その他の陰イオン
その他の陽イオン
関連する炭素酸化物
オキソカーボンを参照
関連化合物
補足データページ
二酸化炭素（データページ）
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）における材料のものです。
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二酸化炭素は、化学式CO 2で表される化合物です。二酸化炭素は、1つの炭素原子が2つの酸素原子と共有結合した分子で構成されています。室温では気体として存在し、通常の濃度では無臭です。炭素循環における炭素源として、大気中のCO 2は地球上の生命にとって主要な炭素源です。大気中の二酸化炭素は可視光は透過しますが、赤外線を吸収するため、温室効果ガスとして作用します。二酸化炭素は水に溶けやすく、地下水、湖、氷床、海水に存在します。

大気中の二酸化炭素濃度は428  ppm（百万分の一）[ a ] 、つまり約0.043%（2025年7月現在）と微量ガス であり、産業革命前の280 ppm（約0.028%）から増加している。 [ 10 ] [ 11 ]化石燃料の燃焼がこうした二酸化炭素濃度の上昇の主な原因であり、これが気候変動の主因となっている。[ 12 ]

先カンブリア時代後期以降、産業革命以前の地球の大気中の二酸化炭素濃度は、生物と地質学的特徴によって制御されていました。植物、藻類、シアノバクテリアは、光合成と呼ばれるプロセスで、太陽光エネルギーを使用して二酸化炭素と水から炭水化物を合成し、廃棄物として酸素を生成します。[ 13 ]次に、すべての好気性生物が呼吸によってエネルギーを生成するために有機化合物を代謝するときに、酸素が消費され、 CO2が廃棄物として放出されます。[ 14 ] CO2は、森林火災などで有機物が腐敗または燃焼したときに放出されます。二酸化炭素が水に溶解すると、炭酸塩、主に重炭酸塩（HCO−3）は、大気中のCO2濃度の上昇に伴い海洋酸性化を引き起こす。[ 15 ]

二酸化炭素は乾燥空気より53%も密度が高いが、長寿命で大気中に広く混ざり合う。大気中に排出される過剰なCO2の約半分は、陸地と海洋の炭素吸収源によって吸収される。[ 16 ]これらの吸収源は飽和状態になりやすく、腐敗や山火事によってCO2が大気中に放出されるため、揮発性が高い。[ 17 ] CO2、あるいはそれが保持する炭素は、最終的には岩石や石炭、石油、天然ガスなどの有機物堆積物に隔離（長期貯蔵）される。

人間が排出するCO2の ほぼ全てが大気中に放出されます。年間排出されるCO2の1%未満が商業的に利用されており、そのほとんどが肥料産業や石油・ガス産業における石油増進回収（EOR）に利用されています。その他の商業用途としては、食品・飲料製造、金属加工、冷却、消火、温室における植物の成長促進などが挙げられます。[ 18 ] : 3

化学的および物理的性質

構造、結合、分子振動

二酸化炭素分子の対称性は、平衡状態では直線かつ中心対称である。二酸化炭素中の炭素 -酸素結合の長さは116.3 pmであり、典型的な単結合のC-O結合の長さ約140 pmよりも著しく短く、カルボニル基などの他のほとんどのC-O多重結合官能基よりも短い。[ 19 ]中心対称であるため、分子は電気双極子モーメントを持たない。

CO2分子の伸縮振動と曲げ振動。左上：対称伸縮。右上：反対称伸縮。下線：縮退した曲げモードのペア。

直線状の三原子分子である CO 2には、図に示すように4 つの振動モードがあります。対称伸縮モードと反対称伸縮モードでは、原子は分子の軸に沿って動きます。2 つの曲げモードは縮退しており、分子の対称性により同じ周波数と同じエネルギーを持ちます。分子が表面または別の分子に接触すると、2 つの曲げモードの周波数が異なる場合があります。これは、2 つのモードの相互作用が異なるためです。振動モードの一部は、赤外線 (IR) スペクトルで観測されます。波数2349 cm −1 (波長 4.25 μm)の反対称伸縮モードと、667 cm −1 (波長 15.0 μm)の縮退した曲げモードのペアです。対称伸縮モードは電気双極子を生成しないため、IR分光法では観測されないが、ラマン分光法では1388 cm −1（波長7.20 μm）で検出され、フェルミ共鳴二重項は1285 cm −1で検出される。[ 20 ]

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。しかし、クーロン爆発イメージング実験では、分子構造の瞬間的な画像を推定することができます。このような実験[ 21 ]は二酸化炭素に対して行われています。この実験の結果、および分子の第一原理ポテンシャルエネルギー面に基づく理論計算[ 22 ]の結論は、気相中の分子はどれも完全に直線的ではないということです。この直感に反する結果は、直線形状では核運動体積要素がゼロになるという事実に起因しています[ 22 ] 。これは、二原子分子を​​除くすべての分子に当てはまります。

水溶液中

二酸化炭素は水に溶け、水中で不完全な電離をするため、 弱酸であるH 2 CO 3（炭酸）を可逆的に形成します。

CO 2 + H 2 O ⇌ H 2 CO 3

炭酸の水和平衡定数は25℃において次の通りである。

Kh＝[H2二酸化炭素3][二酸化炭素2（アクア）]＝1.70×10−3{\displaystyle K_{\mathrm {h} }={\frac {{\ce {[H2CO3]}}}{{\ce {[CO2_{(aq)}]}}}=1.70\times 10^{-3}}

したがって、二酸化炭素の大部分は炭酸に変換されず、CO 2分子のまま残り、pH に影響を与えません。

CO 2、H 2 CO 3、および脱プロトン化されたHCOの相対濃度−3（重炭酸塩）とCO2−3炭酸塩の含有量はpHに依存します。ビェルムプロットに示されているように、中性または弱アルカリ性の水（pH > 6.5）では、重炭酸塩が優勢（> 50%）となり、海水のpHでは最も多く（> 95%）を占めます。非常にアルカリ性の水（pH > 10.4）では、炭酸塩が優勢（> 50%）となります。海水はpHが通常8.2～8.5と弱アルカリ性であり、1リットルあたり約120 mgの重炭酸塩を含んでいます。

炭酸は二価イオンであるため、2つの酸解離定数を持ち、最初の定数は重炭酸イオン（炭酸水素イオンとも呼ばれる）（HCO−3):

H 2 CO 3 ⇌ HCO−3+ H +
K a1 = 2.5 × 10 −4 mol/L; p K a1 = 3.6 at 25 °C. [ 19 ]

これは真の第一酸解離定数であり、次のように定義される。

K1つの1＝[HCO3−][H+][H2二酸化炭素3]{\displaystyle K_{\mathrm {a1} }={\frac {{\ce {[HCO3- ][H+]}}}{{\ce {[H2CO3]}}}}}

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。4.16 × 10 −7（またはpK a1 = 6.38）付近という、はるかに小さくよく引用される値は、溶解したCO 2がすべて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あり、したがって、

K1つの1（1つのpp1つのrent）＝[HCO3−][H+][H2二酸化炭素3]+[二酸化炭素2（アクア）]{\displaystyle K_{\mathrm {a1} }{\rm {(見かけの)}}={\frac {{\ce {[HCO3- ][H+]}}}{{\ce {[H2CO3] + [CO2_{(aq)}]}}}}}

溶解したCO2のほとんどはCO2分子として残るため、 K a1 （見かけの）は真のK a1よりも分母がはるかに大きく、値がはるかに小さくなります。[ 23 ]

重炭酸イオンは両性イオンであり、溶液のpHに応じて酸または塩基として作用します。高pHでは、重炭酸イオンは炭酸イオン（CO2−3):

HCO−3 ⇌ CO2−3+ H +
K a2 = 4.69 × 10 −11モル/L; p K a2 = 10.329

生物体内では、炭酸の生成は炭酸脱水酵素と呼ばれる酵素によって触媒されます。

水中の二酸化炭素は、酸性度の変化に加え、水の電気的特性にも影響を与えます。

二酸化炭素飽和淡水化水の20℃から98℃への加熱時の電気伝導率。網掛け部分は測定値の誤差範囲を示す。ベント処理した淡水化水の温度依存性との比較については、こちらをご覧ください。

二酸化炭素が淡水に溶解すると、電気伝導率は1μS/cm未満から30μS/cm近くまで大幅に上昇します。加熱すると、水は二酸化炭素の存在によって誘導される電気伝導率を徐々に失い始め、特に30℃を超えると顕著になります。 Cお2{\displaystyle \mathrm {CO_{2}} }

CO2飽和のない完全脱イオン水の電気伝導率の温度依存性は、これらのデータと比較すると比較的低いです。

化学反応

CO 2は、ベンズアルデヒドや強い求電子性の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剤です。しかし、同様の反応性を持つ求電子剤とは異なり、求核剤と CO 2の反応は熱力学的にあまり有利ではなく、多くの場合、非常に可逆的です。[ 24 ]二酸化炭素とアミンの可逆反応でカルバメートを作る方法は、CO 2スクラバーで使用されており、アミンガス処理による炭素回収・貯留の出発点として提案されています。グリニャール試薬や有機リチウム化合物によって生成されるカルバニオンのような非常に強い求核剤だけがCO 2と反応してカルボキシレートを生成します。

MR + CO 2 → RCO 2 M
ここで、M = LiまたはMg Br、R =アルキルまたはアリールです。

金属二酸化炭素錯体では、CO2は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することができる。[ 25 ]

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 − + 2 H + → CO + H 2 O

この反応のpH 7付近における酸化還元電位は、標準水素電極に対して約-0.53 Vです。ニッケル含有酵素である一酸化炭素脱水素酵素がこの過程を触媒します。[ 26 ]

光合成独立栄養生物（植物やシアノバクテリアなど）は、太陽光に含まれるエネルギーを利用して、空気や水から吸収した 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

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。低濃度では無臭ですが、十分に高濃度になると、鋭く酸っぱい臭いを発します。[ 1 ]標準温度・圧力下では、二酸化炭素の密度は約1.98 kg/m 3で、空気の約1.53倍です。[ 27 ]

二酸化炭素は0.51795(10) MPa [ 2 ] (5.11177(99) atm )以下の圧力では液体になりません。1 atm (0.101325 MPa)の圧力では、 194.6855(30) K [ 2 ] (-78.4645(30) °C)以下の温度では気体のまま直接固体となり、この温度以上では固体は直接昇華して気体となります。固体状態の二酸化炭素は、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。対数線形グラフであることに注意してください。

二酸化炭素は0.51795(10) MPa [ 2 ] (5.11177(99) atm)以上の圧力でのみ液体となる。二酸化炭素の三重点は0.51795(10) MPa [ 2 ] (5.11177(99) atm)で216.592(3) K [ 2 ] (-56.558(3) °C)である（状態図を参照）。臨界点は7.3773(30) MPa [ 2 ] (72.808(30) atm)で304.128(15) K [ 2 ] (30.978(15) °C )である。高圧下で観測される固体二酸化炭素のもう一つの形態は、非晶質ガラスのような固体である。[ 28 ]カーボニアと呼ばれるこの形態のガラスは、ダイヤモンドアンビル内で加熱した二酸化炭素を極圧（40～  48GPa、約40万気圧）で過冷却することによって生成されます。この発見は、二酸化炭素が二酸化ケイ素（シリカガラス）や二酸化ゲルマニウムなどの他の元素と同様にガラス状態で存在できるという理論を裏付けました。しかし、シリカガラスやゲルマニアガラスとは異なり、カーボニアガラスは常圧では安定せず、圧力が解放されると気体に戻ります。

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呼ばれる超臨界流体として振舞います。

飽和液体二酸化炭素の熱的および物理的性質の表：[ 29 ] [ 30 ]

温度（℃） 密度（kg/m 3） 比熱（kJ/(kg⋅K)） 動粘度（m 2 /s） 熱伝導率（W/(m⋅K)） 熱拡散率（m 2 /s） プラントル数
−50 1156.34 1.84 1.19 × 10 −70.0855 4.02 × 10 −82.96
−40 1117.77 1.88 1.18 × 10 −70.1011 4.81 × 10 −82.46
−30 1076.76 1.97 1.17 × 10 −70.1116 5.27 × 10 −82.22
−20 1032.39 2.05 1.15 × 10 −70.1151 5.45 × 10 −82.12
−10 983.38 2.18 1.13 × 10 −70.1099 5.13 × 10 −82.2
0 926.99 2.47 1.08 × 10 −70.1045 4.58 × 10 −82.38
10 860.03 3.14 1.01 × 10 −70.0971 3.61 × 10 −82.8
20 772.57 5 9.10 × 10 −80.0872 2.22 × 10 −84.1
30 597.81 36.4 8.00 × 10 −80.0703 0.279 × 10 −828.7

大気圧における二酸化炭素（CO2）の熱的および物理的性質の表：[ 29 ] [ 30 ]

温度（K） 密度（kg/m 3） 比熱（kJ/(kg⋅°C)） 動粘度（kg/(m⋅s)） 動粘度（m 2 /s） 熱伝導率（W/(m⋅°C)） 熱拡散率（m 2 /s） プラントル数
220 2.4733 0.783 1.11 × 10 −54.49 × 10 −60.010805 5.92 × 10 −60.818
250 2.1657 0.804 1.26 × 10 −55.81 × 10 −60.012884 7.40 × 10 −60.793
300 1.7973 0.871 1.50 × 10 −58.32 × 10 −60.016572 1.06 × 10 −50.77
350 1.5362 0.9 1.72 × 10 −51.12 × 10 −50.02047 1.48 × 10 −50.755
400 1.3424 0.942 1.93 × 10 −51.44 × 10 −50.02461 1.95 × 10 −50.738
450 1.1918 0.98 2.13 × 10 −51.79 × 10 −50.02897 2.48 × 10 −50.721
500 1.0732 1.013 2.33 × 10 −52.17 × 10 −50.03352 3.08 × 10 −50.702
550 0.9739 1.047 2.51 × 10 −52.57 × 10 −50.03821 3.75 × 10 −50.685
600 0.8938 1.076 2.68 × 10 −53.00 × 10 −50.04311 4.48 × 10 −50.668
650 0.8143 1.1 2.88 × 10 −53.54 × 10 −50.0445 4.97 × 10 −50.712
700 0.7564 1.13 3.05 × 10 −54.03 × 10 −50.0481 5.63 × 10 −50.717
750 0.7057 1.15 3.21 × 10 −54.55 × 10 −50.0517 6.37 × 10 −50.714
800 0.6614 1.17 3.37 × 10 −55.10 × 10 −50.0551 7.12 × 10 −50.716

生物学的役割

二酸化炭素は、代謝の一環として酸素を用いて糖、脂肪、アミノ酸を分解することでエネルギーを得る生物の細胞呼吸の最終生成物です。これには、すべての植物、藻類、動物、そして好気性菌類や細菌が含まれます。脊椎動物では、二酸化炭素は血液に乗って体組織から皮膚（例：両生類）または鰓（例：魚類）へと移動し、そこから水中に溶解するか、肺へと送られて呼気として排出されます。植物は活発な光合成を行う際に、呼吸で排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、植物、藻類、シアノバクテリアが大気中の二酸化炭素をグルコースなどのエネルギーに富む有機分子に取り込み、光合成によって自らの栄養を作り出す生化学的プロセスです。光合成では、二酸化炭素と水から糖が生成され、そこから他の有機化合物が合成されます。その副産物として 酸素が生成されます。

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（一般的に RuBisCO と略される）は、左の図に示すように、 二酸化炭素とリブロースビスリン酸から3-ホスホグリセリン酸2分子を生成する、炭素固定の最初の主要ステップに関与する酵素です。

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。[ 31 ]

光合成生物は、光合成産物を体内の栄養源として、また多糖類、核酸、タンパク質といったより複雑な有機分子の生合成原料として利用します。これらは自身の成長に利用されるだけでなく、私たち人間のような動物を含む他の生物を養う食物連鎖や網の基盤としても利用されます。重要な光合成生物である円石藻類は、硬い炭酸カルシウムの鱗粉を合成します。[ 32 ]世界的に重要な円石藻類の種として、Emiliania huxleyiが挙げられます。その方解石の鱗粉は、石灰岩などの多くの堆積岩の基盤を形成しており、かつて大気中の炭素であったものが地質学的時間スケールで固定されたままであることがあります。

光合成と呼吸の概要。二酸化炭素（右）は水と反応して光合成（緑）によって酸素と有機化合物（左）を形成し、呼吸（赤）によって水と二酸化炭素に変換されます。

植物は、1,000ppmのCO2濃度では、周囲の環境と比較して最大50％速く成長することができますが、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。 [ 33 ] CO2レベルの上昇は作物の収穫可能な収量に反映され、小麦、米、大豆はFACE実験で高CO2下で収量が12～14％増加することを示しました。 [ 34 ] [ 35 ]

大気中のCO2濃度の上昇は、植物の気孔の発達を減少させます[ 36 ]。これは、水の使用量の減少と水利用効率の向上につながります。[ 37 ] FACEを使用した研究では、 CO2の増加は作物の微量栄養素の濃度を低下させることが示されています。 [ 38 ]これは、草食動物が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、生態系の他の部分に連鎖反応を起こす可能性があります。[ 39 ]

高濃度のCO2にさらされた植物では、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変化する可能性がある。[ 40 ] [ 41 ]

植物も呼吸の際にCO2を排出するため、 C3光合成を行う植物や藻類の大部分は、日中は純CO2吸収者となるのみです。成長中の森林は毎年何トンものCO2を吸収しますが、成熟した森林は呼吸や枯死体（例えば、落ちた枝）の分解によって、成長中の植物の光合成で使用されるのと同量のCO2を排出します。 [ 42 ]成熟した森林はカーボンニュートラルであるという長年の見解に反して、成熟した森林は炭素を蓄積し続け[ 43 ]、貴重な炭素吸収源であり続け、地球の大気の炭素収支の維持に貢献しています。さらに、地球上の生命にとって非常に重要なのは、植物プランクトンによる光合成が海洋上層の溶存CO2を消費し、それによって大気からのCO2の吸収を促進することです。[ 44 ]

毒性

空気中の二酸化炭素濃度の増加による二酸化炭素毒性の症状[ 45 ]

新鮮な空気中の二酸化炭素含有量（海面から10kPaレベル、つまり高度約30km（19マイル）の平均）は、場所によって0.036%（360ppm）から0.041%（412ppm）の間で変化します。[ 46 ]

人間の場合、濃度5%を超えるCO2に曝露すると、高炭酸血症や呼吸性アシドーシスを発症します。[ 47 ]濃度7 % ～ 10%（70,000～100,000 ppm）では、十分な酸素があっても窒息する可能性があり、数分から1時間以内にめまい、頭痛、視覚障害、聴覚障害、意識喪失などの症状が現れます。 [ 48 ]濃度10%を超えると、けいれん、昏睡、死に至る可能性があります。CO2レベルが30%を超えると、急速に作用し、数秒で意識を失います。[ 47 ]

二酸化炭素は空気より重いため、地中火山活動や地熱活動によって地表から比較的高濃度でガスが滲み出る場所では、風による拡散効果がないため、地表より低い場所にガスが密集し、そこに生息する動物を窒息死させる可能性があります。死骸に集まる死肉食動物も死にます。ゴマ市近郊でも、近くの火山、ニイラゴンゴ山から排出される二酸化炭素によって、同様の方法で子供たちが死亡しています。[ 49 ]この現象はスワヒリ語で「マズク」と呼ばれます。

二酸化炭素濃度の上昇はアポロ13号の宇宙飛行士たちを脅かし、彼らは司令船のカートリッジを改造して、救命ボートとして使用したアポロ月着陸船の二酸化炭素除去装置に供給しなければならなかった。

人間は二酸化炭素濃度の上昇に適応し、呼吸や腎臓の重炭酸塩産生を変化させることで血液の酸性化（アシドーシス）の影響を相殺しようとします。いくつかの研究では、このレベルの曝露では5日間でパフォーマンスや通常の身体活動の低下は起こらないため、適応は生理的かつ可逆的であるため、 2.0%の吸入濃度であれば密閉空間（例：潜水艦）で使用できると示唆されています。 [ 50 ] [ 51 ]しかし、他の研究でははるかに低いレベルでも認知機能が低下することが示されています。[ 52 ] [ 53 ]また、呼吸性アシドーシスが進行すると、適応や代償機構では状態を逆転させることができません。

1%未満

1%未満のレベルでの長期にわたる継続的なCO2曝露が人間や動物に及ぼす健康影響についての研究はほとんどありません。米国では、職業上のCO2曝露限度が8時間で0.5% (5000 ppm) に設定されています。[ 54 ]このCO2濃度では、国際宇宙ステーションの乗組員は頭痛、無気力、思考力の低下、感情の刺激、睡眠障害を経験しました。[ 55 ] 0.5% CO2での動物実験では、8週間の曝露後に腎臓の石灰化と骨量減少が見られました。[ 56 ]  2.5時間のセッションで曝露された人間の研究では、0.1% (1000 ppm)のCO2という低濃度でも認知能力に重大な悪影響が見られました。これはおそらくCO2による脳血流増加が原因です。 [ 52 ]別の研究では、500 ppmと比較して、1000 ppmで基本的な活動レベルと情報使用量の低下が見られました。[ 53 ]

しかし、文献のレビューにより、二酸化炭素が認知障害を引き起こすという現象に関する信頼できる研究のサブセットでは、高レベルの意思決定にわずかな影響しか示していないことが判明しました（5000 ppm未満の濃度の場合）。ほとんどの研究は、不適切な研究デザイン、環境の快適さ、曝露量の不確実性、使用された認知評価の相違によって混乱していました。[ 57 ]同様に、オートバイのヘルメット内のCO2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申告を考慮せず、マネキンを使用して測定を行うという疑わしい方法論を使用していると批判されています。さらに、通常のオートバイの状態（高速道路や市街地の速度など）に達すると、またはバイザーを上げると、CO2濃度は安全レベル（0.2％）まで低下しました。[ 58 ] [ 59 ]

典型的なCO2濃度の影響
集中注記
280ppm産業革命以前のレベル
421ppm現在の（2022年5月）レベル
約1121ppmASHRAEの室内空気に関する推奨事項[ 60 ]
5,000ppm米国の8時間暴露限界[ 54 ]
10,000ppm認知障害、カナダの長期曝露限界[ 45 ]
10,000～20,000 ppm眠気[ 48 ]
20,000～50,000 ppm頭痛、眠気、集中力の低下、注意力の低下、軽い吐き気も起こる可能性がある[ 54 ]

換気

非分散型赤外線センサーを用いてCO2濃度を測定する二酸化炭素センサー

換気の悪さは、密閉空間での二酸化炭素濃度が過剰になり、室内空気の質が悪化する主な原因の 1 つです。定常状態(人が住み、換気システムが十分に長く稼働し、二酸化炭素濃度が安定している状態) での屋外濃度に対する二酸化炭素濃度の差は、1人あたりの換気率を推定するのに使用されることがあります。[ 61 ]二酸化炭素濃度の上昇は、居住者の健康、快適性、パフォーマンスの低下につながります。[ 62 ] [ 63 ] ASHRAE規格 62.1–2007 の換気率では、室内濃度が屋外の周囲条件より最大 2,100 ppm 高く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、室内濃度は 2,500 ppm に達する可能性があります。換気の悪い空間では、濃度がこれよりもさらに高くなることがあります (3,000 または 4,000 ppm の範囲)。

換気不足によりガス曝露に対して特に脆弱な鉱夫たちは、二酸化炭素と窒素の混合物を「ブラックダンプ（黒煙）」や「チョークダンプ（窒息ガス）」、あるいは「スティス（型）」と呼んでいました。より効果的な技術が開発される以前は、鉱夫たちは作業中に籠に入れたカナリアを携行し、坑道内の黒煙やその他のガスの危険なレベル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、意識を失うと鳴くのをやめて止まり木から落ちてしまいます。デイビーランプは、高濃度の黒煙（沈んで床近くに溜まる）を低輝度で検知することもでき、一方、同じく窒息性ガスであり爆発の危険性もあるメタンを検知すると、ランプの輝度が上昇しました。

2020年2月、モスクワのパーティーで、プールを冷やすためにドライアイス（凍った二酸化炭素）が投入され、3人が窒息死した。[ 64 ] 2018年にも同様の事故が発生し、女性が車で大量のドライアイスを運んでいたため、発生した二酸化炭素ガスで死亡した。 [ 65 ]

室内空気

人間はますます多くの時間を密閉された空間で過ごすようになっています（建物や車内で過ごす時間の約80～90%）。フランス食品環境労働安全衛生庁（ANSES）およびフランスの様々な関係者によると、建物の室内空気中の二酸化炭素濃度（人間または動物の居住状況および燃焼施設の存在に関連）は、空気の入れ替えを考慮した場合、「通常約350～2,500ppm」です。[ 66 ]

家庭、学校、保育園、オフィスでは、CO2濃度と他の汚染物質濃度の間に系統的な関係性は見られず、屋内のCO2濃度は統計的に屋外の道路（または空気など）交通に関連する汚染物質の良好な予測指標とはならない。[ 67 ] CO2濃度は、湿度や酸素濃度とともに最も急速に変化するパラメータである（人間や動物が密閉された、または換気の悪い部屋に集まった場合）。貧困国では、多くの開放型暖炉が生活環境に直接CO2やCO2を排出する発生源となっている。[ 68 ]

濃度が高い屋外エリア

二酸化炭素の局所的な濃度は、特に周囲の地形によって隔絶された強力な発生源の近くで高い値に達することがある。イタリアのトスカーナ州ラポラーノ・テルメ近くのボソレート温泉は、直径約100メートル（330フィート）の椀状の窪地に位置しており、一夜にして二酸化炭素濃度が75％以上に上昇し、昆虫や小動物を死滅させるのに十分な濃度となる。日の出後、ガスは対流によって拡散する。[ 69 ]二酸化炭素で飽和した深層湖水の撹乱によって生成された高濃度の二酸化炭素は、 1984年にカメルーンのマヌーン湖で37人の死者を出し、 1986年にはカメルーンのニオス湖で1700人の死傷者を出したと考えられている。[ 70 ]

人間の生理学

コンテンツ

二酸化炭素分圧（略称pCO 2） の基準範囲または平均値
血液コンパートメント （kPa） （mmHg）
静脈血二酸化炭素 5.5～6.8 41～51 [ 71 ]
肺胞ガス圧4.8 36
動脈血二酸化炭素4.7～6.0 35～45 [ 71 ]

人間の体は1人1日あたり約2.3ポンド（1.0 kg）の二酸化炭素を生成しており、[ 72 ]これには0.63ポンド（290 g）の炭素が含まれています。ヒトの場合、この二酸化炭素は静脈系を通って肺から吐き出されるため、動脈中の二酸化炭素濃度は低下します。血液中の二酸化炭素濃度は、しばしば分圧で表されます。これは、二酸化炭素が単独で体積を占めていた場合の圧力です。[ 73 ]ヒトの血液中の二酸化炭素濃度は、隣の表に示されています。

血液中の輸送

CO2は3つの異なる方法で血液中に運ばれます。正確な割合は動脈血と静脈血によって異なります。

  • 大部分（約70％～80％）は重炭酸イオンHCOに変換されます。−3赤血球中の炭酸脱水酵素によって[ 74 ] 、以下の反応によって：
CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → H + + HCO−3

赤血球中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搬する。しかし、ヘモグロビンに結合した二酸化炭素は、酸素と同じ部位に結合しない。その代わりに、 4つのグロビン鎖のN末端基と結合する。しかし、ヘモグロビン分子に対するアロステリック効果のため、二酸化炭素の結合により、所定の酸素分圧に対して結合している酸素の量は減少する。これはハルデン効果として知られ、組織から肺への二酸化炭素の輸送に重要である。逆に、二酸化炭素分圧の上昇またはpHの低下は、ヘモグロビンからの酸素のオフロードを引き起こし、これはボーア効果として知られている。

呼吸の調節

二酸化炭素は、局所的な血液供給の自己調節を司る物質の一つです。二酸化炭素濃度が高い場合、毛細血管が拡張し、その組織への血流が増加します。[ 75 ]

重炭酸イオンは血液pHの調節に不可欠です。人の呼吸数は血液中の二酸化炭素濃度に影響を与えます。呼吸が遅すぎたり浅すぎたりす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換気につながり、呼吸性アルカローシスを引き起こす可能性があります。[ 76 ]

体は代謝のために酸素を必要としますが、通常、低酸素レベルは呼吸を刺激しません。むしろ、呼吸は二酸化炭素レベルの上昇によって刺激されます。その結果、低圧の空気や酸素を全く含まない混合ガス（純窒素など）を呼吸すると、空気不足を経験することなく意識を失う可能性があります。これは特に高高度を飛行する戦闘機のパイロットにとって危険です。客室乗務員が客室の気圧が低下した場合、乗客に対し、他の人を助ける前にまず自分に酸素マスクを装着するように指示するのもこのためです。そうしないと、意識を失う危険があります。[ 74 ]

呼吸中枢は動脈血CO₂圧を40mmHgに維持しようとします。意図的 な過換気により、動脈血CO₂濃度は10～20mmHgまで低下し（血液中の酸素濃度はほとんど影響を受けません）、呼吸駆動力が低下します。そのため、過換気後は過換気をしていないときよりも長く息を止めることができます。しかし、呼吸の必要性が圧倒的になる前に意識を失うリスクがあり、フリーダイビングの前に過換気を行うことは特に危険です。[ 77 ]

環境における濃度と役割

雰囲気

ハワイのマウナロア天文台で1958年から2023年にかけて測定された大気中のCO2濃度（キーリング曲線とも呼ばれる）。この期間におけるCO2濃度の上昇が明確に見て取れる。濃度はμモル/モル、またはppmで表される。

地球の大気中において、二酸化炭素は温室効果、炭素循環、光合成、海洋炭素循環において不可欠な役割を果たす微量ガスです。二酸化炭素は地球の大気中に存在する3つの主要な温室効果ガスの1つです。大気中の二酸化炭素（CO2）濃度は、2024年にはモル基準で427 ppm（0.0427%）に達し、 3341ギガトンのCO2に相当します。 [ 78 ]これは産業革命開始以来50%の増加であり、18世紀半ばまでの1万年間の280 ppmから増加しています。[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]この増加は人間の活動によるものです。[ 82 ]

現在のCO2濃度の上昇は、主に化石燃料の燃焼によって引き起こされています。[ 83 ] CO2を排出するその他の重要な人間活動には、セメント製造、森林伐採、バイオマス燃焼などがあります。大気中のCO2濃度やメタンなどの長寿命温室効果ガスの濃度が上昇すると、大気による赤外線の吸収と放出が増加します。これは、地球の平均気温の上昇と海洋の酸性化につながっています。もう1つの直接的な影響は、CO2の肥料効果です。大気中のCO2濃度の上昇は、環境や人間の生活条件に対する 気候変動のさらなる影響を引き起こします。

二酸化炭素は温室効果ガスである。二酸化炭素は2つの赤外線活性振動周波数で赤外線を吸収・放出する。2つの波長は4.26  μm（2,347 cm −1）（反対称伸縮振動モード）と14.99 μm（667 cm −1）（変角振動モード）である。CO2は温室効果を通じて地球の地表温度に影響を与える上で重要な役割を果たしている。 [ 84 ]地表からの光放射は200～2500 cm −1の赤外線領域で最も強く、[ 85 ]地球よりはるかに高温の太陽からの光放射は可視領域で最も強いのとは対照的である。大気中のCO2の振動周波数で赤外線が吸収されると、エネルギーが地表付近に閉じ込められ、地表と下層大気が温められる。上層大気に到達するエネルギーは少なくなり、この吸収によって上層大気は低温になる。[ 86 ]

現在の大気中のCO2濃度は、過去1400万年間で最も高い。[ 87 ]大気中のCO2濃度は、約5億年前のカンブリア紀には4,000 ppmまで上昇し、過去200万年間の第四紀氷河期には180 ppmまで低下した。 [ 79 ]過去4億2000万年間の復元された気温記録によると、大気中のCO2濃度は約2,000 ppmでピークに達した。このピークはデボン紀（4億年前）に発生した。もう一つのピークは三畳紀（2億2000万～2億年前）に発生した。 [ 88 ]

1960年代以降、人為的発生源（左）から地球の大気、陸地、海洋吸収源（右）に流入する年間CO2排出量。単位は年間ギガトン炭素換算値。[ 89 ]

海洋

海洋酸性化

二酸化炭素は海水中に溶解して炭酸（H 2 CO 3）、重炭酸塩（HCO−3）、炭酸塩（CO2−3（注：原文に誤りがあると思われるため、そのまま残しておきます。）海洋には大気中の約50倍の二酸化炭素が溶解しています。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二酸化炭素の約3分の1を吸収しています。[ 90 ]

海洋酸性化とは、地球の海のpHが継続的に低下していることです。1950年から2020年の間に、海面の平均pHは約8.15から8.05に低下しました。[ 91 ]人間の活動による二酸化炭素排出は海洋酸性化の主な原因であり、大気中の二酸化炭素（CO2 ）レベルは422 ppmを超えています（2024年現在）。[ 92 ]大気中のCO2は海洋に吸収されます。この化学反応により炭酸（ H2CO3 ）が生成され、これが重炭酸イオン（HCO−3海水は、炭酸カルシウム（ H + ）と水素イオン（ H + ）の2つのイオンから構成されています。遊離水素イオン（ H + ）の存在は海水のpHを低下させ、酸性度を高めます（これは海水がまだ酸性であることを意味するのではなく、pHが8以上のアルカリ性です）。軟体動物やサンゴなどの海洋石灰化生物は、殻や骨格の形成に炭酸カルシウムに依存しているため、特に脆弱です。[ 93 ]

pHが0.1変化すると、世界中の海洋の水素イオン濃度が26%増加する（pHの尺度は対数なので、pH単位が1変化すると、水素イオン濃度が10倍変化する）。海面のpHと炭酸塩の飽和状態は、海の深さと場所によって異なる。より冷たく高緯度の海水は、より多くのCO2を吸収することができる。これにより酸性度が上昇し、これらの海域のpHと炭酸塩の飽和度レベルが低下する可能性がある。大気と海洋のCO2交換、ひいては局所的な海洋酸性化に影響を与える要因は他にもいくつかある。これらには、海流と湧昇帯、大きな大陸河川への近さ、海氷の覆い、化石燃料の燃焼や農業からの窒素や硫黄との大気交換などがある。[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]

2100年に予測される海洋化学組成に合わせて調整された海水中に溶解した翼脚類の殻

海洋化学の変化は、生物とその生息地に広範囲にわたる直接的および間接的な影響を及ぼす可能性がある。海洋酸性化の最も重要な影響の1つは、炭酸カルシウム（CaCO 3）からの殻の生成に関連している。[ 93 ]このプロセスは石灰化と呼ばれ、幅広い海洋生物の生物学と生存にとって重要である。石灰化は、溶解したイオンが固体のCaCO 3構造に沈殿することを伴い、これは円石藻類、有孔虫、甲殻類、軟体動物など、多くの海洋生物の構造である。形成された後、これらのCaCO 3構造は、周囲の海水に飽和濃度の炭酸イオン（CO2−3）。

海水に添加された余分な二酸化炭素のうち、溶存二酸化炭素として残るのはごくわずかです。大部分は、重炭酸イオンと遊離水素イオンに分解されます。水素イオンの増加は重炭酸イオンの増加よりも大きく、[ 97 ]反応に不均衡が生じます。

HCO−3⇌ CO2−3+ H +

化学平衡を維持するために、海水中の炭酸イオンの一部は水素イオンの一部と結合し、さらに重炭酸塩を生成します。こうして海水中の炭酸イオン濃度は低下し、海洋生物が殻を作ったり石灰化したりするために不可欠な構成要素が失われます。

Ca 2+ + CO2−3⇌ CaCO3

熱水噴出孔

二酸化炭素は熱水噴出孔からも海洋に排出されます。マリアナ海溝北西永福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産出しており、2004年時点で世界で2カ所しか知られていない場所の一つです。もう一つは沖縄トラフです。[ 98 ]沖縄トラフで液体二酸化炭素の海底湖が発見されたことは、2006年に報告されました。[ 99 ]

出典

エネルギー源としての化石燃料の燃焼により、2023年時点で年間368億トンのCO2が排出されています。[ 100 ]このほぼすべてが大気中に放出され、その後約半分が天然の炭素吸収源に吸収されます。[ 101 ]年間排出されるCO2の1%未満が商業的に利用されています。[ 18 ] : 3

生物学的プロセス

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の醸造やバイオエタノールの生産において、糖の発酵によって生じる副産物です。酵母は糖を代謝して二酸化炭素とエタノール（アルコールとも呼ばれます）を以下のように生成します。

C 6 H 12 O 6 → 2 CO 2 + 2 CH 3 CH 2 OH

すべての好気性生物は、炭水化物、脂肪酸、タンパク質を酸化する際にCO2を生成します。関与する反応は数多く、非常に複雑で、簡単に説明することはできません。細胞呼吸、嫌気呼吸、光合成を参照してください。グルコースやその他の単糖の呼吸の反応式は次のとおりです。

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

嫌気性生物は有機物を分解し、メタンと二酸化炭素、そして微量の他の化合物を生成します。[ 102 ]有機物の種類に関わらず、ガスの生成は明確に定義された反応速度論的パターンに従います。二酸化炭素は、埋立地における分解によって発生するガス（「埋立地ガス」と呼ばれる）の約40～45%を占めています。残りの50～55%の大部分はメタンです。[ 103 ]

燃焼

メタン（天然ガス）、石油蒸留物（ガソリン、軽油、灯油、プロパン）、石炭、木材、一般的な有機物など、あらゆる炭素系燃料の燃焼は、二酸化炭素と、純粋な炭素の場合を除いて水を生成します。例えば、メタンと酸素の化学反応は次のようになります。

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2H 2 O

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生成されます。[ 104 ]

Fe 2 O 3 + 3 CO → 3 CO 2 + 2 Fe

水素製造の副産物

二酸化炭素は、水蒸気改質による水素の工業生産や、アンモニア製造における水性ガス転化反応の副産物です。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。[ 105 ]

石灰岩の熱分解

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（焼成）することにより、石灰石（ CaCO 3）の熱分解によって生成されます。生石灰は、多くの工業用途を持つ化合物です。

CaCO 3 → CaO + CO 2

酸はほとんどの金属炭酸塩からCO2を遊離させます。したがって、天然の二酸化炭素泉から直接CO2を得ることができます。これは、酸性化した水が石灰岩またはドロマイトに作用することで生成されます。塩酸と炭酸カルシウム（石灰岩またはチョーク）の反応を以下に示します。

CaCO 3 + 2 HCl → CaCl 2 + H 2 CO 3

炭酸（H 2 CO 3 ）は水とCO 2に分解されます。

H 2 CO 3 → CO 2 + H 2 O

このような反応では、ガスが放出される際に発泡または泡立ち、あるいはその両方が伴います。廃酸を中和するために使用できるため、産業界で広く使用されています。

商業利用

商業用CO2使用量の円グラフ。説明はキャプションをご覧ください。
CO2の商業用途として最も大きな割合を占めるのは、肥料用の尿素の製造と地中からの石油採掘です。飲料、食品、金属加工、その他の用途は、それぞれ商業用CO2使用量の3%、3%、2%、4%を占めています。[ 106 ]

毎年約2億3000万トンのCO2が使用されており、 [ 107 ]そのほとんどは肥料産業の尿素生産（1億3000万トン）と石油・ガス産業の石油増進回収（7000万～8000万トン）に使用されています。[ 18 ] : 3 その他の商業用途には、食品・飲料製造、金属加工、冷却、消火、温室での植物成長促進などがあります。[ 18 ] : 3

産業排ガスや大気からCO2を回収する技術は存在します。回収したCO2を製品に利用する方法についての研究が進められており、これらのプロセスの一部は商業的に導入されています。[ 108 ]しかし、製品に利用できる可能性は、回収できる可能性のあるCO2の総量と比較すると非常に小さいです。[ 109 ]回収されたCO2の大部分は廃棄物とみなされ、地下の地層に隔離されています。[ 110 ]

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原料として消費され、少量がメタノールやその他の製品の製造に使用されています。[ 111 ]サリチル酸ナトリウムなど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を使用して製造されます。[ 112 ]

回収されたCO2はメタノールや電気燃料の製造に利用できる。カーボンニュートラルを実現するには、CO2はバイオエネルギー生産または直接空気回収から得られる必要がある。[ 113 ]：21–24

化石燃料の回収

二酸化炭素は、石油増進回収法（EOR）に用いられます。これは、通常、超臨界条件下で油井に注入し、油と混和する状態を指します。この方法は、一次抽出に加えて残留油飽和度を7～23%低下させることで、原油回収率を向上させることができます。[ 114 ]二酸化炭素は加圧剤として作用するだけでなく、地下の原油に溶解すると粘度を大幅に低下させ、表面化学を変化させることで、油が貯留層を通過して除去井へとより速く流れることを可能にします。[ 115 ]

CO2 -EORプロジェクトで注入されるCO2のほとんどは、天然に存在する地下CO2鉱床から採取されます。 [ 116 ] EORで使用されるCO2の一部は、天然ガス処理プラントなどの産業施設から炭素回収技術を使用して回収され、パイプラインで油田に輸送されます。[ 116 ]

農業

植物は光合成を行うために二酸化炭素を必要とする。温室の大気は、植物の成長を維持し、成長速度を高めるために、（大規模な温室の場合は必須であるが）二酸化炭素で強化されることがある。[ 117 ] [ 118 ]二酸化炭素濃度が非常に高くなると（大気中の濃度の100倍以上）、動物にとって有毒となる可能性があるため、温室の濃度を数時間10,000ppm（1%）以上に上げると、コナジラミやハダニなどの害虫を駆除できる。 [ 119 ]植物の中には、二酸化炭素濃度の上昇に他の植物よりも好んで反応するものがあり、木本植物の侵食などの植生形態の変化につながる可能性がある。[ 120 ]

食品

ソフトドリンクの二酸化炭素の泡

二酸化炭素は、食品業界で噴射剤や酸度調整剤として使用される食品添加物です。EU [ 121 ]（E番号E290として登録）、米国 [ 122 ]、オーストラリア[ 123 ]、ニュージーランド[ 124 ] （ INS番号290として登録）で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[ 124 ]で約4,000  kPa（40  bar、580  psi）に加圧されています。口に入れると（他のハードキャンディーと同様に）溶け、ポンという音とともにガスの泡が放出されます。

膨張剤は二酸化炭素を発生させて生地を膨らませます。[ 125 ]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や重曹などの化学膨張剤は加熱されたり酸にさらされたりすると二酸化炭素を放出します。

飲み物

二酸化炭素は、炭酸飲料やソーダ水の製造に使用されます。伝統的に、ビールやスパークリングワインの炭酸化は自然発酵によって行われてきましたが、多くのメーカーは発酵プロセスから回収した二酸化炭素を用いてこれらの飲料を炭酸化しています。瓶詰めや樽詰めのビールの場合、最も一般的な方法はリサイクル二酸化炭素を用いた炭酸化です。英国のリアルエールを除き、生ビールは通常、冷蔵室または地下室の樽からバーの供給タップまで、加圧二酸化炭素（場合によっては窒素を混合）を用いて移送されます。

ソーダ水の味（および他の炭酸飲料における関連する味覚）は、ガスの破裂によるものではなく、溶解した二酸化炭素の影響です。炭酸脱水酵素4は二酸化炭素を炭酸に変換し、酸味をもたらします。また、溶解した二酸化炭素は体性感覚反応を引き起こします。[ 126 ]

ワイン造り

収穫後のブドウの保存に使用されるドライアイス

ドライアイスの形態の二酸化炭素は、ワイン醸造におけるコールドソーク段階で、収穫後のブドウの房を急速に冷却し、野生酵母による自然発酵を防ぐのによく使用されます。水氷ではなくドライアイスを使用する主な利点は、ブドウの果汁中の糖度、ひいては完成したワインのアルコール度数を低下させる可能性のある水分を添加することなく、ブドウを冷却できることです。二酸化炭素は、ボジョレーワインの製造に用いられるカーボニックマセレーション（炭酸浸軟）工程において、低酸素環境を作り出すためにも使用されます。

二酸化炭素は、ワインの酸化を防ぐために、ボトルや樽などの貯蔵容器に充填されることがあります。しかし、二酸化炭素はワインに溶け込み、それまで静止していたワインがわずかに発泡してしまうという問題があります。そのため、プロのワインメーカーは、この工程に窒素やアルゴンなどの他のガスを好んで使用します。

素晴らしい動物たち

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。[ 127 ]「気絶させる」というのは誤った表現かもしれません。動物はすぐに意識を失うわけではなく、苦痛を感じる可能性があるからです。[ 128 ] [ 129 ]

不活性ガス

二酸化炭素は、携帯用圧力工具の空気圧（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、溶接アーク内で反応してほとんどの金属を酸化します。二酸化炭素での溶接は、より不活性な雰囲気で行われた溶接よりも脆いという重要な証拠があるにもかかわらず、自動車産業での使用は一般的です。 [ 130 ] MIG溶接に使用される場合、CO2の使用は、高温で反応できるため、Metal Active Gas（金属活性ガス）の略でMAG溶接と呼ばれることもあります。完全に不活性な雰囲気よりも高温の溶接パドルを生成する傾向があり、流動特性が向上します。ただし、これはパドルの場所で大気反応が起こるため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の効果となり、溶接部位を脆くする傾向がありますが、極限延性が大きな懸念事項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 ) の圧力で気体から液体に相転移を起こすため、他の方法よりもはるかに多くの二酸化炭素を特定の容器に入れることができるため、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。ライフジャケットには、急速に膨らませるための加圧二酸化炭素のキャニスターが入っていることがよくあります。CO2のアルミカプセルは、エアガン、ペイントボールマーカー/ガン、自転車タイヤの空気入れ、炭酸水を作るための圧縮ガス供給源としても販売されています。高濃度の二酸化炭素は害虫駆除にも使用できます。液化二酸化炭素は、一部の食品や技術素材の超臨界乾燥、走査型電子顕微鏡の標本の準備[ 131 ]、コーヒー豆のカフェイン除去に使用されます。

消火器

CO2消火器の使用

二酸化炭素は、炎の周囲にガスを充満させることで消火に使用できます。二酸化炭素自体は炎を消火する反応は示しませんが、炎を置換することで酸素を枯渇させます。一部の消火器、特に電気火災用に設計された消火器には、加圧された液体二酸化炭素が含まれています。二酸化炭素消火器は、小規模な可燃性液体や電気火災には有効ですが、通常の可燃性火災には効果がありません。これは、燃焼物質を大幅に冷却しないためであり、二酸化炭素が拡散すると、大気中の酸素にさらされて発火する可能性があるためです。主にサーバールームで使用されています。[ 132 ]

二酸化炭素は、特定の危険に対する局所的な消火や保護区域全体の浸水防止のための固定式防火システムの消火剤としても広く使用されている。[ 133 ]国際海事機関（IMO）の基準では、船倉および機関室の防火に二酸化炭素システムを使用することが認められている。二酸化炭素ベースの防火システムは、高濃度になると窒息を引き起こす可能性があるため、複数の死亡事故と関連付けられている。CO2システムの調査では、1975年から報告書の日付（2000年）までに51件の事故が発生し、72人が死亡、145人が負傷した。[ 134 ]

超臨界CO 2を溶媒として

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、コーヒーのカフェイン除去に使用されています。[ 135 ]二酸化炭素は、有機塩素化合物などの従来の溶媒よりも毒性の低い代替溶媒として、製薬業界やその他の化学処理業界で注目を集めています。この理由から、一部のドライクリーニング店でも使用されています。また、超臨界二酸化炭素の特性を利用して、 エアロゲルの製造にも使用されています。

冷媒

二酸化炭素（赤）と水（青）の圧力-温度相図を、1気圧における相転移点を示す対数線形グラフとして比較した図

液体二酸化炭素と固体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などの冷凍食品の輸送・保管に使用されています。固体二酸化炭素は「ドライアイス」と呼ばれ、冷蔵設備が設置できない少量の輸送に使用されます。固体二酸化炭素は、通常の大気圧下では、気温に関わらず常に-78.5℃（-109.3°F）未満です。

液化二酸化炭素（業界命名法はR744またはR-744）は、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）が使用される前は冷媒として使われていました。[136] CFCの主な代替品の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、CO2よりも気候変動に寄与しているため、CO2は復活する可能性があります。CO2の物理的特性は、高い体積冷却能力を持ち、冷却、冷凍、および加熱の目的に非常に適しています。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、CO2システムには、多くの分野で大量生産用にすでに開発されている機械的耐性の高い貯蔵所と部品が必要です。自動車のエアコンにおいては、緯度50度以上のあらゆる運転条件の90%以上において、CO2 （ R744）はHFC（例：R134a）を使用するシステムよりも効率的に作動します。CO2の環境的利点（地球温暖化係数1、オゾン層破壊物質なし、無毒性、不燃性）により、自動車、スーパーマーケット、ヒートポンプ式給湯器などにおいて、現在のHFCに代わる将来の作動流体となる可能性があります。コカ・コーラはCO2ベースの飲料冷却装置を配備しており、米国陸軍はCO2冷凍・暖房技術に関心を示しています。[ 137 ] [ 138 ]

マイナーユース

二酸化炭素レーザー

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 二酸化炭素レーザーのレーザー媒体です。

二酸化炭素は、プールのpH値を制御する手段として使用できます[ 139 ]。これは、水にガスを継続的に添加することでpH値の上昇を抑えるためです。この方法の利点の一つは、（より危険な）酸を扱わなくて済むことです。同様に、二酸化炭素はサンゴ水槽の維持にも利用されており、カルシウムリアクターで炭酸カルシウムを通す際に、一時的にpHを下げることで炭酸カルシウムが水中に溶けやすくし、一部のサンゴが骨格形成に利用します。

英国の原子力発電用 先進ガス冷却原子炉の主な冷却材として使用されています。

二酸化炭素誘導は、実験動物の安楽死に一般的に用いられています。二酸化炭素の投与方法には、動物を二酸化炭素が充填された密閉チャンバーに直接入れるか、徐々に濃度を高めていく二酸化炭素にさらす方法があります。アメリカ獣医師会（AVMA）の2020年二酸化炭素誘導ガイドラインでは、小型げっ歯類の人道的な安楽死には、1分間にチャンバーまたはケージの容積の30～70%の置換速度が最適であるとされています。[ 140 ]：5、31 二酸化炭素の濃度は種によって異なりますが、苦痛を最小限に抑えるために最適な濃度が特定されています。[ 140 ]：22

二酸化炭素は、関連するいくつかの洗浄および表面処理技術にも使用されます。

発見の歴史

ドライアイスの結晶構造

二酸化炭素は、独立した物質として記述された最初の気体でした。1640年頃[ 141 ] 、フランドルの化学者ヤン・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すと、灰の質量が元の木炭よりもはるかに小さくなることに気づきました。彼は、残りの木炭が目に見えない物質に変化し、「ガス」（ギリシャ語の「カオス」に由来）または「野生の精霊」（スピリトゥス・シルヴェストリス）と名付けたと解釈しました[ 142 ]。

二酸化炭素の性質は、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。彼は石灰岩（炭酸カルシウム）を加熱または酸処理することで「固定空気」と呼ばれる気体が得られることを発見しました。彼は、固定空気は空気よりも密度が高く、炎も動物の生命も維持でき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）に泡を通すと炭酸カルシウムが沈殿することを発見しました。彼はこの現象を用いて、二酸化炭素が動物の呼吸と微生物発酵によって生成されることを説明しました。1772年、イギリスの化学者ジョセフ・プリーストリーは「固定空気を水に浸透させる」と題する論文を発表し、二酸化炭素を生成するためにチョークに硫酸（プリーストリーの認識では硫酸油）を滴下し、そのガスと接触させたボウルの水を動かしてガスを溶解させるプロセスについて説明しました。[ 143 ]

二酸化炭素は1823年にハンフリー・デービーとマイケル・ファラデーによって初めて液化（高圧下）されました。[ 144 ]固体二酸化炭素（ドライアイス）に関する最初の記述は、フランスの発明家アドリアン・ジャン＝ピエール・ティロリエによって行われました。彼は1835年に加圧された液体二酸化炭素の容器を開けたところ、液体の急速な蒸発によって生じた冷却効果によって固体二酸化炭素の「雪」が生じることを発見しました。[ 145 ] [ 146 ]

二酸化炭素は窒素と結合して、古くからブラックダンプ、スティスダンプ、チョークダンプと呼ばれていました。[ b ]他の種類のダンプと同様に、採掘作業や坑井掘削の際にも発生しました。石炭の緩やかな酸化と生物学的プロセスによって酸素が置換され、窒息するような窒素と二酸化炭素の混合物が作られました。[ 147 ]

参照

注記

  1. ^ここでの「一部」は分子当たりを意味する[ 9 ]
  2. ^ 19世紀の文献では「choak-damp」と綴られることもある。

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