二酸化炭素
二酸化炭素（にさんかたんそ、英: carbon dioxide）は、化学式が <ce>CO2</ce> と表される無機化合物である。化学式から「シーオーツー」と呼ばれる事もある。
地球上で最も代表的な炭素の酸化物であり、炭素単体や有機化合物の燃焼によって容易に生じる。気体は炭酸ガス、固体はドライアイス、液体は液体二酸化炭素、水溶液は炭酸・炭酸水と呼ばれる。
多方面の産業で幅広く使われている（後述）。日本では高圧ガス保安法容器保安規則第十条により、二酸化炭素（液化炭酸ガス）の容器（ボンベ）の色は緑色と定められている。 温室効果ガスの排出量を示すための換算指標でもあり、メタンや亜酸化窒素、フロンガスなどが変換される。日本では2014年度で13.6億トンが総排出量として算出された[1]。
性質
常温常圧では無色無臭の気体。常圧では液体にならず、-79 °C で昇華して固体（ドライアイス）となる。水に比較的よく溶け、水溶液（炭酸）は弱酸性を示す。このためアルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物の水溶液および固体は二酸化炭素を吸収して、炭酸塩または炭酸水素塩を生ずる。高圧で二酸化炭素の飽和水溶液を冷却すると八水和物 <ce>CO2 \cdot 8H2O </ce> を生ずる。
アルカリ金属など反応性の強い物質を除いて助燃性はない。炭素を含む物質（石油、石炭、木材など）の燃焼、動植物の呼吸や微生物による有機物の分解、火山活動などによって発生する。反対に植物の光合成によって二酸化炭素は様々な有機化合物へと固定される。
また、三重点 (-56.6 °C、0.52 MPa) 以上の温度と圧力条件下では、二酸化炭素は液体化する。さらに温度と圧力が臨界点 (31.1 °C、7.4 MPa) を超えると超臨界状態となり、気体と液体の特徴を兼ね備えるようになる。これらの状態の二酸化炭素は圧縮二酸化炭素または高密度二酸化炭素と呼ばれている。
毒性
二酸化炭素は環境中にごくありふれた物質で、その有毒性が問題となることはまずない。しかし、空気中の二酸化炭素濃度が高くなると、人間は危険な状態に置かれる。濃度が 3〜4 % を超えると頭痛・めまい・吐き気などを催し、7 % を超えると炭酸ガスナルコーシスのため数分で意識を失う。この状態が継続すると麻酔作用による呼吸中枢の抑制のため呼吸が停止し死に至る（二酸化炭素中毒）[2]。
ストレスや疲労で、呼吸（換気）をし過ぎたり、呼吸（換気）が速くなり過ぎたりして、人体の血中の二酸化炭素濃度が異常に低くなることがあり、これを過呼吸、あるいは過換気症候群（過呼吸症候群）と呼ぶ。過換気症候群の病態自体が命に関わる事は無いが、背景に身体疾患が隠れていることがあるので注意を要する。
反応性
二酸化炭素は非常に安定な化合物であるが、塩基性あるいは求核性を持つ物質と反応しやすい性質がある。特にグリニャール試薬やアルキルリチウムなどの試薬に対しては、高い反応性を示しカルボン酸を与える。
- <ce>R-MgBr\ + CO2 -> R-COOH</ce> （加水分解後）
また、金属マグネシウムは二酸化炭素中でも燃焼し、二酸化炭素は還元されて炭素の粉末になる。炭素、亜鉛および鉄でさえ、高温では反応し一酸化炭素を生成する。
- <ce>CO2\ + 2Mg -> C\ + 2MgO</ce>
高温では可逆的に分解して、一酸化炭素および酸素となる。
- <ce>2CO2\ \rightleftarrows\ 2CO\ + O2</ce>
水素とも高温で以下のような平衡を生ずるが、触媒の存在など条件次第では、メタンおよびメタノールを生成することもある。
- <ce>CO2\ + H2\ \rightleftarrows\ CO\ + H2O</ce>
なお、学校教育の理科実験などで二酸化炭素を石灰水に通すと白濁する性質は広く知られている。これは炭酸カルシウムを生成するために白濁するものである。
- <ce>Ca(OH)2\ + CO2\ \rightleftarrows\ CaCO3\ + H2O</ce>
さらに、白濁した石灰水に二酸化炭素を通し続けると反応が進み液体は透明に変化する。これは水溶性の炭酸水素カルシウムを生成するためである。
- <ce>CaCO3\ + CO2\ + H2O\ \rightleftarrows\ Ca(HCO3)2</ce>
生産
日本で工業原料としての利用される炭酸ガスは、石油化学プラントなどから排出されたものを回収し、洗浄・精製を繰り返すことで生産される[3]。工業製品としての炭酸ガスの 2016 年度日本国内生産量は 1,033,580 t、工業消費量は 167,435 t である[4]。実験室レベルでは石灰石に薄い塩酸を加えるか、炭酸水素ナトリウムを加熱することで発生させる。清涼飲料水で使用する炭酸ガスも石油由来のものを回収して使用している。
イギリスでは、アンモニアを製造する際の副産物を利用している[5]。
用途
- 工業用途
工業においては、以下の用途がある。
- 工業で加工に使用するレーザーとして、炭酸ガスレーザーが一般的である。炭酸ガスレーザーは医療用レーザーメスとしても使用されている。
- 造船・橋・高層建築物など、鋼構造物の溶接作業には炭酸ガスアーク溶接が一般的である。
- 温室効果ガスである二酸化炭素の削減が急務となっていることから、触媒を使うなどして二酸化炭素を直接または一酸化炭素に変換するなどして、様々な化学品の原料とする技術が研究されている[6]。
- フロン系冷媒の代替として、CO2 冷媒コンプレッサが主に自動販売機などで実用化されつつあるが、高圧にする必要があるためコスト面での課題が残る。またエネルギー効率も悪い。
- 生産工場における冷却用ドライアイスの新しい利用方法として、ドライアイス洗浄にも使用されている。これはペレット状のドライアイスをタービンなどの構造物に噴射することによって付着した対象物を取り除くもので、ショットブラストなどと呼ばれる[7]。
- 農業用途
農業においては、以下の用途がある。
- イチゴの促成栽培、観賞用水槽の水草など、植物の成長を加速させる二酸化炭素施肥に使用されている。
- 鮮農産物のCA貯蔵（controlled atomosphere storage）にも二酸化炭素が使用される。
- その他
- 炭酸飲料や入浴剤、消火剤などの発泡用ガスとして用いられている。
- 冷却用ドライアイスとして広く用いられている。
- 自転車の緊急補充用エアーとしても使われるようになった。
- 超臨界状態の二酸化炭素はカフェインの抽出溶媒として、コーヒーのデカフェなどに利用されている。
- げっ歯類や小動物などの動物を殺処分する方法にも使われる。通常は麻酔状態になった後意識を喪失し、窒息死に至るため安楽死の手段として使われる。二酸化炭素単独では低コストだが、酸素に対するヘモグロビンの親和性が高いため、15分以上かかることもあり、苦しみ続ける場合もある[8]。
- ドライアイスは昇華時に白煙を生じることから、舞台やパレードでの演出などでも用いられる。これを放送業界などでは俗に『炭ガス』と呼ぶ。この白煙は二酸化炭素そのものではなく、雰囲気の温度低下に伴い空気中の水分が氷結して見えるものである。
二酸化炭素による温室効果
二酸化炭素は赤外線の 2.5 - 3 μm、4 - 5 μm の波長帯域に強い吸収帯を持つため、地上からの熱が宇宙へと拡散することを防ぐ、いわゆる温室効果ガスとして働く。
二酸化炭素の温室効果は、同じ体積あたりではメタンやフロンにくらべ小さいものの、排出量が莫大であることから、地球温暖化の最大の原因とされる。
2006年現在の大気中にはおよそ381 ppm（0.038 %）ほどの濃度で二酸化炭素が含まれるが、氷床コアなどの分析から産業革命以前は、およそ280 ppm（0.028 %）の濃度であったと推定されている。濃度増加の要因は、主に化石燃料の大量消費と考えられている。
また、二酸化炭素そのものの海水中への溶存量が増えることによって海水が酸性化し、生態系に悪影響を与える海洋酸性化も懸念されている。
1997年には京都議定書によって二酸化炭素を含めた各国の温室効果ガス排出量の削減目標が示され、各国でその削減を努力することを締結した。
その手法は多岐に亘る。エネルギーや農業・畜産業など人為起源の二酸化炭素の排出量を抑制する努力、および森林の維持・育成や二酸化炭素回収貯留 (CCS) 技術の開発など、二酸化炭素を固定する努力が進められている。また排出権取引などを活用して、世界的に二酸化炭素の排出量を削減を促進する努力も行われている。
2013年5月、ハワイ州のマウナロア観測所、サンディエゴのスクリップス海洋研究所の観測で日間平均二酸化炭素量が人類史上初めて400ppmを突破したことが発表された[9]。
有機合成反応の開発
東京工業大学の岩澤伸治教授らは、二酸化炭素を炭化水素と反応させる有機合成反応を開発した。触媒としてロジウムを用い、炭素と水素の結合を弱めて反応させる。大気圧で反応が進むが、特定の化合物やアルミニウムが必要になるなどの実用化に向けた課題もある。[10]
関連項目
関連画像一覧
- 二酸化炭素
- 3-Sulfolen-3-carbonsäure Synthese.svg
- 3D dioxyde de carbone.PNG
二酸化炭素の原子を3D表現にした画像。
- C+O2=CO2.svg
化学結合
- Carbon dioxide.svg
原子の手
- Carbon-dioxide-octet-dot-cross-2D.png
原子の手（オクテット図）
- Carbon-dioxide-octet-dot-cross-colour-coded-2D.png
原子の手（オクテット図）
- Carbon-dioxide-octet-Lewis-2D.png
原子の手（オクテット図）
- Carbon-dioxide-unit-cell-3D-balls.png
- Carbon-exchange-and-loss-process-pia20163 (1).jpg
Carbon-exchange-and-loss-process-pia
- CO2 8737.JPG
原子の手を表現したもの。
- CO2 dipole.png
原子の手
- CO2 Polarization V.2.svg
原子の手
- Co2comp-Ar.png
原子の手
- Electron-formula CO2.svg
原子の手
- Elek vzorec CO2.PNG
原子の手
- Octeto CO2.jpg
二酸化炭素のオクテット図。
- Octeto.png
二酸化炭素のオクテット図その2。
参考文献
- ↑ 2014 年度（平成 26 年度）の温室効果ガス排出量（確報値）＜概要＞ 環境省 (PDF)
- ↑ 二酸化炭素(CO2)の人体における影響 沖縄CO2削減推進協議会 (PDF)
- ↑ 昭和電工ガスプロダクツによる解説または日本液炭による解説
- ↑ 経済産業省生産動態統計年報 化学工業統計編
- ↑ “Ｗ杯観戦のビールが飲めない?炭酸ガス不足、英で業界を直撃”. CNN (2018年6月28日). . 2018閲覧.
- ↑ 二酸化炭素原料化基幹化学品製造プロセス技術開発国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（2018年7月6日閲覧）
- ↑ ドライアイスブラスト 日本液炭 (PDF)
- ↑ 安楽死法 動物実験手技
- ↑ “大気中のCO2量が歴史的水準を突破、専門家らが行動を呼びかけ”. AFP (2013年5月11日). . 2013閲覧.
- ↑ 2011年1月25日の朝日新聞朝刊22面
外部リンク
- Carbon dioxide （英語） - Encyclopedia of Earth「二酸化炭素」の項目。
- テンプレート:ICSC