二氧化碳的理化性质和主要应用

二氧化碳在常温常压下为无色无味气体，溶于水和烃类等多数有机溶剂，其相关物理常数如下表：

性质 条件或符号 单位 数据

熔点 摄氏度（℃） -78.5

沸点 527kPa 摄氏度（℃） -56.6

相对密度 -79℃，水=1 1.56

相对蒸气密度 空气=1 1.53

饱和蒸气压 -39℃ 千帕（kPa） 1013.25

临界温度 摄氏度（℃） 31.3

临界压力 兆帕（MPa） 7.39

辛醇/水分配系数 0.83

折射率 12.5～24℃ 1.173～1.999

摩尔折射率 6.98

黏度 21℃，5.92MPa 毫帕斯卡秒（mPa·s） 0.0697

蒸发热 升华 千焦每摩尔（kJ/mol） 25.25

熔化热 千焦每摩尔（kJ/mol） 8.33

生成热 千焦每摩尔（kJ/mol） 394.40

比热容 20℃，定压 千焦每千克开尔文[kJ/（kg·K）] 2.8448

蒸气压 5.9～14.9℃ 兆帕（MPa） 4.05～5.07

热导率 12～30℃ 瓦每米开尔文[W/（m·K）] 0.10048～83.74×10-7

体膨胀系数 -50～0℃ 每开尔文（K-1） 0.00495

0～20ºC 每开尔文（K-1） 0.00991

摩尔体积 毫升每摩尔（mL/mol） 44.7

等张比容 90.2K 60.9

表面张力 达因每厘米（dyne/cm） 3.4

极化率 10-24cm3 2.76

（参考资料： [2]  ）

化学性质

二氧化碳是碳氧化合物之一，是一种无机物，不可燃，通常也不支持燃烧，低浓度时无毒性。它也是碳酸的酸酐，属于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，其中碳元素的化合价为+4价，处于碳元素的最高价态，故二氧化碳具有氧化性而无还原性，但氧化性不强。 [27] 

1.酸性氧化物的通性

1-1.和水反应

二氧化碳可以溶于水并和水反应生成碳酸，而不稳定的碳酸容易分解成水和二氧化碳，相应的化学反应方程式为：

  ；

  。 [27] 

1-2.和碱性氧化物反应

一定条件下，二氧化碳能与碱性氧化物反应生成相应的盐，如：

  ；

  。 [27] 

1-3.和碱反应

①与氢氧化钙反应

向澄清的石灰水中加入二氧化碳，会使澄清的石灰水变浑浊，生成碳酸钙沉淀（此反应常用于检验二氧化碳），相应的化学反应方程式为：

 

当二氧化碳过量时，生成碳酸氢钙：

第一步：  ；

第二步：  ；

总方程式：  。

由于碳酸氢钙溶解性大，长时间往已浑浊的石灰水中通入二氧化碳，可发现沉淀渐渐消失。 [27] 

②与氢氧化钠反应

二氧化碳会使烧碱变质，相应的化学反应方程式为：

 

当二氧化碳过量时，生成碳酸氢钠：

第一步：  ；

第二步：  ；

总方程式：  。 [27] 

2.弱氧化性

2-1.碳单质还原

高温条件下，二氧化碳能与碳单质反应生成一氧化碳，相应的化学反应方程式为：

  。 [27] 

2-2.镁单质还原

2-3.氢化还原

二氧化碳和氢气在催化剂的作用下会发生生成甲醇、一氧化碳和甲烷等的一系列反应，其中几种反应的化学反应方程式为：

  ；

  ；

  。 [28-29] 

2-4.电化学还原

二氧化碳的电化学还原是一个利用电能将二氧化碳在电解池阴极还原而将氢氧根离子在电解池阳极氧化为氧气的过程，由于还原二氧化碳需要的活化能较高，这个过程需要加一定高电压后才能实现，而在阴极发生的氢析出反应的程度随电压的增加而加大，会抑制了二氧化碳的还原，故二氧化碳的高效还原需要有合适的催化剂，以致二氧化碳的电化学还原往往是个电催化还原过程。这个过程的简单机理为：⑴电解池阴极：在初始阶段，二氧化碳被吸附在阴极催化剂表面，形成中间产物（反应式①）；然后电子在两个电极间电势差的作用下发生转移，转移数可能是2、4、6、8、12，还原产物随电子转移数的不同而可能是一氧化碳、甲酸根、甲酸等（反应式②-④）。⑵电解池阳极：水溶液中发生析氢反应，产生氢气（反应式⑤、⑥）。 [30-31] 

3.与过氧化物反应

二氧化碳能与过氧化钠（Na₂O₂）反应生成碳酸钠（Na₂CO3）和氧气（O₂），相应的化学反应方程式为：  。 [27] 

4.与格式试剂反应

在酸性条件下，二氧化碳能和格式试剂在无水乙醚中反应生成羧酸，相应的化学反应方程式为：

 

说明：式子中R为脂肪烃基或芳香烃基，X为卤素，Etheranhydrous表示无水乙醚。 [32] 

5.与环氧化合物的插入反应

二氧化碳可以和环氧化合物在电催化作用下可反应生成环状碳酸酯， [33]  相应的化学反应方程式为：

二氧化碳的插入反应

二氧化碳的插入反应 [33]

6.制取金刚石（置换反应）

在440℃（713.15K）和800个大气压（约808MPa）的条件下，二氧化碳可与金属钠反应生成金刚石，相应的化学反应方程式为：  。 [34] 

7.光合作用暗反应

二氧化碳参与了光合作用的暗反应，是绿色植物光合作用不可缺少的原料，其参与的反应过程被称为“二氧化碳的固定”，相应的化学反应方程式为： 

说明：式子中C5为1,5-二磷酸核酮糖，2C3为2分子3-磷酸甘油酸。 [35] 

高纯二氧化碳主要用于电子工业，医学研究及临床诊断、二氧化碳激光器、检测仪器的校正气及配制其它特种混台气，在聚乙烯聚合反应中则用作调节剂。 [8] 

固态二氧化碳广泛用于冷藏奶制品、肉类、冷冻食品和其它转运中易腐败的食品，在许多工业加工中作为冷冻剂，例如粉碎热敏材料、橡胶磨光、金属冷处理、机械零件的收缩装配、真空冷阱等。 [8] 

气态二氧化碳用于碳化软饮料、水处理工艺的pH控制、化学加工、食品保存、化学和食品加工过程的惰性保护、焊接气体、植物生长刺激剂，在铸造中用于硬化模和芯子及用于气动器件，还应用于杀菌气的稀释剂（即用氧化乙烯和二氧化碳的混台气作为杀菌、杀虫剂、熏蒸剂，广泛应用于医疗器具、包装材料、衣类、毛皮、被褥等的杀菌、骨粉消毒、仓库、工厂、文物、书籍的熏蒸）。 [8] 

液体二氧化碳用作致冷剂，飞机、导弹和电子部件的低温试验，提高油井采收率，橡胶磨光以及控制化学反应，也可用作灭火剂。 [8] 

超临界状态的二氧化碳可以用作溶解非极性、非离子型和低分子量化合物的溶剂，所以在均相反应中有广泛应用。 [2]