ثاني أكسيد الكربون

يتميز جزيء ثاني أكسيد الكربون بتناظر خطي ومركزي عند اتزانه الهندسي. يبلغ طول الرابطة بين الكربون والأكسجين في ثاني أكسيد الكربون 116.3 بيكومتر ، وهو أقصر بشكل ملحوظ من طول الرابطة الأحادية النموذجية بين الكربون والأكسجين، والذي يبلغ حوالي 140 بيكومتر، وأقصر من معظم المجموعات الوظيفية الأخرى ذات الروابط المتعددة بين الكربون والأكسجين، مثل الكربونيل . ^{[ 19 ]} ولأنه متناظر مركزيًا، فإن الجزيء لا يمتلك عزم ثنائي قطب كهربائي .  

يحتوي جزيء ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ ، وهو جزيء خطي ثلاثي الذرات، على أربعة أنماط اهتزازية كما هو موضح في الرسم التخطيطي. في نمطي التمدد المتناظر وغير المتناظر، تتحرك الذرات على طول محور الجزيء. يوجد نمطان للانحناء متماثلان ، أي لهما نفس التردد والطاقة، وذلك بسبب تناظر الجزيء. عندما يلامس جزيء سطحًا أو جزيئًا آخر، قد يختلف تردد نمطي الانحناء لاختلاف التفاعل بينهما. تُلاحظ بعض أنماط الاهتزاز في طيف الأشعة تحت الحمراء : نمط التمدد غير المتناظر عند ^العدد الموجي 2349  سم⁻¹ (طول موجي 4.25 ميكرومتر) ، وزوج أنماط الانحناء المتماثلة عند 667 ^سم⁻¹ (طول موجي 15.0 ميكرومتر). لا يُنشئ نمط التمدد المتناظر ثنائي قطب كهربائي، لذا لا يُلاحظ في مطيافية الأشعة تحت الحمراء، ولكنه يُكتشف في مطيافية رامان عند 1388 سم⁻¹ ( ^طول الموجة 7.20 ميكرومتر)، مع رنين فيرمي مزدوج عند ¹²⁸⁵ سم⁻¹ . ^{[ 20 ]}     

في الحالة الغازية، تخضع جزيئات ثاني أكسيد الكربون لحركات اهتزازية كبيرة ولا تحافظ على بنية ثابتة. مع ذلك، في تجربة تصوير الانفجار الكولومبي ، يمكن استنتاج صورة فورية للبنية الجزيئية. وقد أُجريت تجربة مماثلة ^{[ 21 ]} لثاني أكسيد الكربون. أظهرت نتائج هذه التجربة، واستنتاج الحسابات النظرية ^{[ 22 ]} القائمة على سطح طاقة كامنة محسوب من المبادئ الأولى للجزيء، أن أيًا من الجزيئات في الحالة الغازية لا يكون خطيًا تمامًا. وتُعزى هذه النتيجة غير البديهية ببساطة إلى حقيقة أن عنصر حجم الحركة النووية يتلاشى في حالة الأشكال الهندسية الخطية. ^{[ 22 ]} وينطبق هذا على جميع الجزيئات باستثناء الجزيئات ثنائية الذرة .

ثاني أكسيد الكربون قابل للذوبان في الماء، حيث يشكل بشكل عكسي H2CO3 ( حمض _{الكربونيك )} ، وهو حمض ضعيف ، لأن تأينه في الماء غير مكتمل.

CO₂ + _H₂O ⇌ _H₂CO₃​​_​

ثابت توازن التميؤ لحمض الكربونيك عند درجة حرارة 25  درجة مئوية هو:

${\displaystyle K_{\mathrm {h} }={\frac {{\ce {[H2CO3]}}}{{\ce {[CO2_{(aq)}]}}}=1.70\times 10^{-3}}$

وبالتالي، فإن غالبية ثاني أكسيد الكربون لا تتحول إلى حمض الكربونيك، بل تبقى على شكل جزيئات _ثاني أكسيد الكربون ، ولا تؤثر على درجة الحموضة.

تعتمد التركيزات النسبية لثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ ، وحمض الكربونيك (H₂CO₃)، وأشكاله منزوعة البروتون، البيكربونات (HCO₃⁻) والكربونات ( CO₃²⁻ ₎ ، _على درجة الحموضة ( ^pH ) . _وكما هو ^موضح في _مخطط بييروم ، في المياه المتعادلة أو القلوية قليلاً (pH > 6.5)، يسود شكل البيكربونات (> 50%)، ويصبح الشكل الأكثر انتشارًا (> 95%) عند درجة حموضة مياه البحر. أما في المياه شديدة القلوية (pH > 10.4)، فيسود شكل الكربونات (> 50%). وتحتوي المحيطات، وهي قلوية بشكل طفيف بدرجة حموضة نموذجية تتراوح بين 8.2 و8.5، على حوالي 120 ملغ من البيكربونات لكل لتر. 

نظرًا لكونه حمضًا ثنائي البروتون ، فإن حمض الكربونيك له ثابتان لتفكك الحمض ، الأول لتفككه إلى أيون البيكربونات (يسمى أيضًا أيون الهيدروجين بيكربونات) ( ^HCO3- ₎ :

H₂CO₃ _⇌ H⁺ ⁺ HCO₃⁻_​​_​^​

Ka1 = 2.5 × 10 ₋₄ ^{مول /} لتر؛ p Ka1 = 3.6 عند 25 درجة مئوية. ^{[ 19} _] 

هذا هو ثابت تفكك الحمض الأول الحقيقي ، والذي يُعرَّف على النحو التالي:

${\displaystyle K_{\mathrm {a1} }={\frac {{\ce {[HCO3- ][H+]}}}{{\ce {[H2CO3]}}}}}$

حيث يشمل المقام فقط H₂CO₃ المرتبط تساهميًا ولا _يشمل CO₂ المائي . _القيمة الأصغر بكثير والتي يتم الاستشهاد بها غالبًا بالقرب من 4.16 × 10⁻⁷ ( _أو ^pKₐ₁ = _6.38 ) هي قيمة ظاهرية محسوبة على افتراض (خاطئ) أن كل CO₂ _المذاب موجود على شكل حمض الكربونيك، بحيث

${\displaystyle K_{\mathrm {a1} }{\rm {(apparent)}}={\frac {{\ce {[HCO3- ][H+]}}}{{\ce {[H2CO3] + [CO2_{(aq)}]}}}}}$

بما أن معظم _ثاني أكسيد الكربون المذاب يبقى على شكل جزيئات ثاني أكسيد الكربون، _فإن قيمة _{Ka1 (} الظاهرية ) لها مقام أكبر بكثير وقيمة أصغر بكثير من قيمة Ka1 الحقيقية . ^{[ 23 ]}

أيون البيكربونات هو نوع مذبذب يمكنه ^أن يتصرف كحمض أو كقاعدة، وذلك حسب درجة حموضة المحلول. عند درجة حموضة عالية، يتفكك بشكل كبير إلى أيون الكربونات (CO32– ₎ .

HCO₃⁻ ^⇌ CO₃²⁻ ⁺ H⁺_​​^​

Ka2 = 4.69 × _10⁻¹¹ ^مول /لتر؛ pKa2 = _10.329

في الكائنات الحية، يتم تحفيز إنتاج حمض الكربونيك بواسطة الإنزيم المعروف باسم الأنهيدراز الكربوني .

بالإضافة إلى تغيير حموضته، يؤثر وجود ثاني أكسيد الكربون في الماء أيضاً على خصائصه الكهربائية.

عندما يذوب ثاني أكسيد الكربون في الماء المحلى، تزداد الموصلية الكهربائية بشكل ملحوظ من أقل من 1 ميكروسيمنز/سم إلى ما يقارب 30 ميكروسيمنز/سم. وعند تسخين الماء، يبدأ بفقدان الموصلية تدريجيًا نتيجة وجود ثاني أكسيد الكربون.${\displaystyle \mathrm {CO_{2}} }$ويتضح ذلك بشكل خاص عندما تتجاوز درجات الحرارة 30  درجة مئوية.

إن اعتماد الموصلية الكهربائية للماء منزوع الأيونات بالكامل بدون تشبع _بثاني أكسيد الكربون على درجة الحرارة منخفض نسبيًا مقارنة بهذه البيانات.

ثاني أكسيد الكربون (CO₂ _{) مُحِبّ} للإلكترونات قوي ، إذ تُضاهي فعاليته الإلكتروفيلية فعالية البنزالدهيد أو مركبات الكربونيل غير المشبعة ألفا، بيتا ذات الفعالية الإلكتروفيلية العالية . مع ذلك، وعلى عكس المُحِبّات للإلكترونات ذات الفعالية المُماثلة، فإن تفاعلات النيوكليوفيلات مع _ثاني أكسيد الكربون أقل تفضيلاً من الناحية الديناميكية الحرارية، وغالبًا ما تكون قابلة للانعكاس بدرجة عالية. ^{[ 24 ]} يُستخدم التفاعل العكوس لثاني أكسيد الكربون مع الأمينات لتكوين الكربامات في أجهزة تنقية _ثاني أكسيد الكربون ، وقد اقتُرح كنقطة انطلاق مُحتملة لالتقاط الكربون وتخزينه عن طريق معالجة الغاز بالأمينات . فقط النيوكليوفيلات القوية جدًا، مثل الكربانيونات التي تُنتجها كواشف غرينيارد ومركبات الليثيوم العضوية، تتفاعل مع _ثاني أكسيد الكربون لتكوين الكربوكسيلات .

MR + CO ₂ → RCO ₂ M

حيث M = Li أو Mg Br و R = ألكيل أو أريل .

في مركبات ثاني أكسيد الكربون المعدنية ، يعمل _ثاني أكسيد الكربون كرابطة ، مما يسهل تحويل _ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية أخرى. ^{[ 25 ]}

إن اختزال _ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون هو عادةً تفاعل صعب وبطيء:

CO ₂ + 2 e ⁻ + 2 H ⁺ → CO + H ₂ O

يبلغ جهد الأكسدة والاختزال لهذا التفاعل عند درجة حموضة قريبة من  7 حوالي -0.53  فولت مقارنةً بقطب الهيدروجين القياسي . ويحفز إنزيم نازع هيدروجين أول أكسيد الكربون المحتوي على النيكل هذه العملية. ^{[ 26 ]}

تستخدم الكائنات ذاتية التغذية الضوئية (مثل النباتات والبكتيريا الزرقاء ) الطاقة الموجودة في ضوء الشمس لإنتاج السكريات البسيطة من _ثاني أكسيد الكربون الممتص من الهواء والماء:

ن CO ₂ + ن H ₂ O → (CH ₂ O) _ن + ن O ₂

ثاني أكسيد الكربون غاز عديم اللون. عند التركيزات المنخفضة، يكون عديم الرائحة؛ إلا أنه عند التركيزات العالية، تنبعث منه رائحة نفاذة وحمضية. ^{[ 1 ]} عند درجة الحرارة والضغط القياسيين ، تبلغ كثافة ثاني أكسيد الكربون حوالي 1.98  كجم/م³ ^، أي ما يعادل 1.53 ضعف كثافة الهواء تقريبًا . ^{[ 27 ]}

لا يوجد ثاني أكسيد الكربون في الحالة السائلة عند ضغوط أقل من 0.51795(10) ميجا باسكال ^{[ 2 ]} (5.11177(99) ضغط جوي ). عند ضغط 1 ضغط جوي (0.101325 ميجا باسكال)، يتحول  الغاز مباشرةً إلى مادة صلبة عند درجات حرارة أقل من 194.6855(30) كلفن ^{[ 2 ]} (-78.4645(30) درجة مئوية)، بينما تتسامى المادة الصلبة مباشرةً إلى غاز عند درجات حرارة أعلى من ذلك. يُطلق على ثاني أكسيد الكربون في حالته الصلبة اسم الجليد الجاف .

لا يتشكل ثاني أكسيد الكربون السائل إلا عند ضغوط أعلى من 0.51795(10) ميجا باسكال ^{[ 2 ]} (5.11177(99) ضغط جوي)؛ وتبلغ درجة حرارته الثلاثية 216.592(3) كلفن ^{[ 2 ]} (-56.558(3) درجة مئوية) عند ضغط 0.51795(10) ميجا باسكال ^{[ 2 ]} (5.11177(99) ضغط جوي) (انظر مخطط الأطوار). أما النقطة الحرجة فتبلغ 304.128(15) كلفن ^{[ 2 ]} (30.978(15) درجة مئوية) عند ضغط 7.3773(30) ميجا باسكال ^{[ 2 ]} (72.808(30) ضغط جوي). ومن الأشكال الأخرى لثاني أكسيد الكربون الصلب التي تُلاحظ عند الضغط العالي، مادة صلبة غير متبلورة تشبه الزجاج. ^{[ 28 ]} يُنتج هذا النوع من الزجاج، المسمى الكربونيا ، عن طريق التبريد الفائق _لثاني أكسيد الكربون المسخن تحت ضغوط هائلة (40-48 جيجا باسكال ، أو حوالي 400,000 ضغط جوي) في سندان ماسي . وقد أكد هذا الاكتشاف النظرية القائلة بإمكانية وجود ثاني أكسيد الكربون في حالة زجاجية مشابهة لعناصر أخرى من عائلته، مثل ثاني أكسيد السيليكون (زجاج السيليكا) وثاني أكسيد الجرمانيوم . ولكن على عكس زجاج السيليكا والجرمانيوم، فإن زجاج الكربونيا غير مستقر عند الضغوط العادية، ويعود إلى حالته الغازية عند انخفاض الضغط. 

عند درجات حرارة وضغوط أعلى من النقطة الحرجة، يتصرف ثاني أكسيد الكربون كسائل فوق حرج يُعرف باسم ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج .

جدول الخصائص الحرارية والفيزيائية لثاني أكسيد الكربون السائل المشبع: ^{[ 29 ] [ 30 ]}

^{جدول الخصائص الحرارية} والفيزيائية لثاني أكسيد الكربون ( CO2 ) عند الضغط الجوي: ^[ ₂₉ ^{] [ 30 ]}

تثبيت الكربون عملية كيميائية حيوية تقوم من خلالها النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء بدمج ثاني أكسيد الكربون الجوي في جزيئات عضوية غنية بالطاقة مثل الجلوكوز ، وبالتالي صنع غذائها بنفسها عن طريق عملية التمثيل الضوئي. تستخدم عملية التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون والماء لإنتاج السكريات التي يمكن من خلالها بناء مركبات عضوية أخرى، وينتج الأكسجين كمنتج ثانوي.

إن إنزيم ريبولوز-1،5-بيسفوسفات كاربوكسيلاز أوكسيجيناز ، والذي يختصر عادةً إلى RuBisCO، هو الإنزيم المسؤول عن الخطوة الرئيسية الأولى لتثبيت الكربون، وهي إنتاج جزيئين من 3-فوسفوجليسيرات من _ثاني أكسيد الكربون وريبولوز بيسفوسفات ، كما هو موضح في الرسم التخطيطي على اليسار.

يُعتقد أن إنزيم روبيسكو هو البروتين الأكثر وفرة على وجه الأرض. ^{[ 31 ]}

تستخدم الكائنات الضوئية نواتج عملية التمثيل الضوئي كمصادر غذائية داخلية، وكمواد خام لتخليق جزيئات عضوية أكثر تعقيدًا، مثل السكريات المتعددة والأحماض النووية والبروتينات. تُستخدم هذه النواتج لنموها، كما تُشكل أساس السلاسل والشبكات الغذائية التي تُغذي الكائنات الحية الأخرى، بما في ذلك الحيوانات مثلنا. من بين الكائنات الضوئية المهمة، الكوكوليثوفورات ، التي تُركّب قشورًا صلبة من كربونات الكالسيوم . ^{[ 32 ]} يُعدّ نوع Emiliania huxleyi من أهم أنواع الكوكوليثوفورات على مستوى العالم، حيث تُشكّل قشوره الكلسية أساسًا للعديد من الصخور الرسوبية ، مثل الحجر الجيري ، حيث يبقى الكربون الجوي مُثبّتًا لفترات زمنية جيولوجية طويلة.

يمكن أن تنمو النباتات أسرع بنسبة تصل إلى 50% في تركيزات ثاني أكسيد الكربون التي تبلغ 1000 _جزء في  المليون مقارنةً بالظروف المحيطة، مع افتراض عدم وجود تغير في المناخ أو نقص في العناصر الغذائية الأخرى. ^{[ 33 ]} تؤدي المستويات المرتفعة من _ثاني أكسيد الكربون إلى زيادة النمو، وهو ما ينعكس على محصول المحاصيل، حيث أظهر القمح والأرز وفول الصويا زيادة في المحصول بنسبة 12-14% في ظل ارتفاع مستويات _ثاني أكسيد الكربون في تجارب FACE. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

تؤدي زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي _إلى انخفاض عدد الثغور النامية على النباتات ^{[ 36 ]} ، مما يُسهم في تقليل استهلاك المياه وزيادة كفاءتها ^{[ 37 ]} . وقد أظهرت الدراسات التي استخدمت تقنية FACE أن زيادة تركيز _ثاني أكسيد الكربون تؤدي إلى انخفاض تركيز العناصر الغذائية الدقيقة في المحاصيل الزراعية ^{[ 38 ]} . وقد يكون لهذا الأمر آثارٌ جانبية على أجزاء أخرى من النظم البيئية ، حيث ستحتاج الحيوانات العاشبة إلى تناول كميات أكبر من الغذاء للحصول على نفس كمية البروتين ^{[ 39 ] .}

يمكن أيضًا تغيير تركيز المستقلبات الثانوية مثل الفينيل بروبانويدات والفلافونويدات في النباتات المعرضة ^{لتركيزات} _{عالية من ثاني} أكسيد الكربون . [ ^{40 ] [ 41 ]}

تُطلق النباتات أيضًا _ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التنفس، ولذلك فإن غالبية النباتات والطحالب، التي تستخدم عملية التمثيل الضوئي من نوع C3 ، لا تمتص ثاني أكسيد الكربون إلا خلال النهار. ورغم أن الغابة النامية تمتص أطنانًا عديدة من _ثاني أكسيد الكربون سنويًا، فإن الغابة الناضجة تُنتج من التنفس وتحلل المواد الميتة (مثل الأغصان المتساقطة) كمية من ثاني أكسيد الكربون تُعادل ما يُستهلك في عملية التمثيل الضوئي في النباتات النامية. _[ 42 ^{] وخلافًا للاعتقاد} السائد منذ زمن طويل بأنها محايدة للكربون، تستطيع الغابات الناضجة الاستمرار في تراكم الكربون ^{[ 43 ]} والبقاء مصارف قيّمة للكربون ، مما يُساعد في الحفاظ على توازن الكربون في الغلاف الجوي للأرض. إضافةً إلى ذلك، وهو أمر بالغ الأهمية للحياة على الأرض، فإن عملية التمثيل الضوئي التي يقوم بها العوالق النباتية تستهلك _ثاني أكسيد الكربون المذاب في الطبقات العليا من المحيط، وبالتالي تُعزز امتصاص _ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. ^{[ 44 ]}

يتراوح محتوى ثاني أكسيد الكربون في الهواء النقي (بمتوسط ​​بين مستوى سطح البحر  ومستوى 10 كيلو باسكال، أي حوالي 30 كم (19 ميل) ارتفاعًا) بين 0.036% (360 جزءًا في المليون) و0.041% (412 جزءًا في المليون)، وذلك حسب الموقع. ^{[ 46 ]}    

يؤدي التعرض لثاني أكسيد الكربون بتركيزات تزيد عن 5% لدى البشر _إلى الإصابة بفرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم وحموضة الدم التنفسية . ^{[ 47 ]} وقد تتسبب التركيزات من 7% إلى 10% (70,000 إلى 100,000 جزء في المليون) في الاختناق، حتى في وجود كمية كافية من الأكسجين، وتظهر أعراضها على شكل دوار وصداع واضطرابات في الرؤية والسمع وفقدان الوعي في غضون دقائق إلى ساعة. ^{[ 48 ]} وقد تؤدي التركيزات التي تزيد عن 10% إلى حدوث تشنجات وغيبوبة ووفاة. أما مستويات _ثاني أكسيد الكربون التي تزيد عن 30% فتؤثر بسرعة، مما يؤدي إلى فقدان الوعي في غضون ثوانٍ. ^{[ 47 ]} 

نظرًا لكونه أثقل من الهواء، ففي المناطق التي يتسرب فيها الغاز من الأرض (بسبب النشاط البركاني أو الحراري الجوفي) بتركيزات عالية نسبيًا، ودون تأثير الرياح في تشتيته، يتجمع في أماكن محمية/مُحاطة بجيوب تحت مستوى سطح الأرض، مما يؤدي إلى اختناق الحيوانات الموجودة فيها. كما تُقتل الحيوانات التي تتغذى على الجيف. وقد لقي أطفال حتفهم بالطريقة نفسها بالقرب من مدينة غوما نتيجة انبعاثات _ثاني أكسيد الكربون من بركان جبل نيراجونغو المجاور . ^{[ 49 ]} ويُطلق على هذه الظاهرة في اللغة السواحيلية اسم "مازوكو" .

يحدث تكيف لدى البشر مع زيادة تركيز _ثاني أكسيد الكربون ، بما في ذلك تعديل التنفس وإنتاج البيكربونات في الكلى، وذلك لموازنة آثار تحمض الدم ( الحماض ). أشارت عدة دراسات إلى إمكانية استخدام تركيز 2.0% في الهواء المستنشق في الأماكن المغلقة (مثل الغواصة )، نظرًا لأن هذا التكيف فسيولوجي وقابل للعكس، إذ لا يحدث تدهور في الأداء أو النشاط البدني الطبيعي عند هذا المستوى من التعرض لمدة خمسة أيام. ^{[ 50 ] [ 51 ]} مع ذلك، تُظهر دراسات أخرى انخفاضًا في الوظائف الإدراكية حتى عند مستويات أقل بكثير. ^{[ 52 ] [ 53 ]} كذلك، مع استمرار الحماض التنفسي ، لن تتمكن آليات التكيف أو التعويض من عكس الحالة.

تهوية

يُعدّ سوء التهوية أحد الأسباب الرئيسية لارتفاع تركيز _{ثاني أكسيد} الكربون في الأماكن المغلقة، مما يؤدي إلى تدهور جودة الهواء الداخلي . ويُستخدم أحيانًا فرق تركيز ثاني أكسيد الكربون عن تركيزه في الهواء الخارجي في ظروف الاستقرار (عندما يكون الإشغال وتشغيل نظام التهوية لفترة كافية حتى يستقر تركيز _{ثاني أكسيد} الكربون ) لتقدير معدلات التهوية لكل شخص. ^{[ 61 ]} ويرتبط ارتفاع تركيز _ثاني أكسيد الكربون بتدهور صحة شاغلي المكان وراحتهم وأدائهم. ^{[ 62 ] [ 63 ]} وقد تؤدي معدلات التهوية وفقًا لمعيار ASHRAE 62.1-2007 إلى تركيزات داخلية تصل إلى 2100 جزء في المليون أعلى من تركيزه في الهواء الخارجي. وبالتالي، إذا كان التركيز الخارجي 400 جزء في المليون، فقد تصل التركيزات الداخلية إلى 2500 جزء في المليون مع معدلات تهوية تتوافق مع هذا المعيار المتفق عليه في هذا القطاع. ويمكن أن تصل التركيزات في الأماكن سيئة التهوية إلى مستويات أعلى من ذلك (تتراوح بين 3000 و4000 جزء في المليون).    

كان عمال المناجم، المعرضون بشكل خاص لخطر التسمم بالغازات بسبب نقص التهوية، يُطلقون على خليط ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين أسماءً مثل " الرطوبة السوداء " أو "الرطوبة الخانقة". قبل تطوير تقنيات أكثر فعالية، كان عمال المناجم يراقبون مستويات الرطوبة السوداء وغيرها من الغازات الخطيرة في مناجمهم عن طريق اصطحاب طائر كناري محبوس في قفص معهم أثناء العمل. فالكناري أكثر حساسية للغازات الخانقة من البشر، وعندما يفقد وعيه يتوقف عن التغريد ويسقط من مكانه. كما كان مصباح ديفي قادرًا على كشف المستويات العالية من الرطوبة السوداء (التي تتسرب وتتجمع قرب أرضية المنجم) من خلال انخفاض سطوعه، بينما يزيد سطوع المصباح عند وجود غاز الميثان ، وهو غاز خانق آخر يُشكل خطرًا للانفجار.

في فبراير/شباط 2020، توفي ثلاثة أشخاص اختناقاً في حفلٍ بموسكو، إثر إضافة الثلج الجاف ( _ثاني أكسيد الكربون المتجمد ) إلى حوض سباحة لتبريده. ^{[ 64 ]} ووقع حادث مماثل في عام 2018، حيث توفيت امرأة بسبب استنشاقها أبخرة _{ثاني أكسيد} الكربون المتصاعدة من كمية كبيرة من الثلج الجاف كانت تنقلها في سيارتها. ^{[ 65 ]}

ينتج الجسم ما يقرب من 2.3 رطل (1.0 كجم) من ثاني أكسيد الكربون يوميًا لكل شخص، ^{[ 72 ]} يحتوي على 0.63 رطل (290 جم) من الكربون.  في البشر، يُنقل ثاني أكسيد الكربون عبر الجهاز الوريدي ويُزفر عبر الرئتين، مما يؤدي إلى انخفاض تركيزه في الشرايين . يُعبر عن محتوى ثاني أكسيد الكربون في الدم عادةً بالضغط الجزئي ، وهو الضغط الذي كان سيُمارسه ثاني أكسيد الكربون لو كان وحده يشغل حجم الدم. ^{[ 73 ]} يوضح الجدول المجاور محتوى ثاني أكسيد الكربون في الدم لدى البشر.

_{يتم نقل ثاني} أكسيد الكربون في الدم بثلاث طرق مختلفة. وتختلف النسب الدقيقة بين الدم الشرياني والدم الوريدي.

• يتم تحويل الغالبية العظمى (حوالي 70٪ إلى 80٪) إلى أيونات البيكربونات (HCO ₃ ^– ) بواسطة إنزيم الأنهيدراز الكربوني في خلايا الدم الحمراء، ^{[ 74 ]} من خلال التفاعل التالي:

CO ₂ + H2 _O → H2 _CO 3 _→ H ⁺ + HCO ₃ ^–

• يتم إذابة 5-10% في بلازما الدم ^{[ 74 ]}
• يرتبط 5-10% بالهيموجلوبين على شكل مركبات كاربامينو ^{[ 74 ]}

الهيموجلوبين ، الجزيء الرئيسي الناقل للأكسجين في خلايا الدم الحمراء ، يحمل كلاً من الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. مع ذلك، لا يرتبط _ثاني أكسيد الكربون بالهيموجلوبين في نفس موقع ارتباط الأكسجين، بل يرتبط بالمجموعات الأمينية الطرفية على سلاسل الجلوبين الأربع. ولكن، نتيجةً لتأثيرات تنظيمية على جزيء الهيموجلوبين، فإن ارتباط _ثاني أكسيد الكربون يقلل من كمية الأكسجين المرتبطة به عند ضغط جزئي معين للأكسجين. يُعرف هذا بتأثير هالدين ، وهو مهم في نقل ثاني أكسيد الكربون من الأنسجة إلى الرئتين. في المقابل، يؤدي ارتفاع الضغط الجزئي _لثاني أكسيد الكربون أو انخفاض الرقم الهيدروجيني إلى انفصال الأكسجين عن الهيموجلوبين، وهو ما يُعرف بتأثير بور .

يُعد ثاني أكسيد الكربون أحد الوسائط المسؤولة عن التنظيم الذاتي الموضعي لإمداد الدم. فإذا كان تركيزه مرتفعاً، تتوسع الشعيرات الدموية للسماح بتدفق أكبر للدم إلى ذلك النسيج. ^{[ 75 ]}

تُعد أيونات البيكربونات ضرورية لتنظيم درجة حموضة الدم. ويؤثر معدل تنفس الشخص على مستوى _ثاني أكسيد الكربون في دمه. فالتنفس البطيء أو السطحي يُسبب الحماض التنفسي ، بينما يؤدي التنفس السريع إلى فرط التنفس ، الذي قد يُسبب القلاء التنفسي . ^{[ 76 ]}

على الرغم من أن الجسم يحتاج إلى الأكسجين لعمليات الأيض، إلا أن انخفاض مستويات الأكسجين لا يحفز التنفس عادةً. بل إن ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون هو ما يحفز التنفس. ونتيجةً لذلك، فإن استنشاق هواء منخفض الضغط أو خليط غازي خالٍ تمامًا من الأكسجين (مثل النيتروجين النقي) قد يؤدي إلى فقدان الوعي دون الشعور بضيق التنفس . وهذا الأمر بالغ الخطورة، خاصةً بالنسبة لطياري المقاتلات على ارتفاعات عالية. ولهذا السبب أيضًا، يُوجه طاقم الطائرة الركاب، في حالة انخفاض ضغط المقصورة، إلى وضع قناع الأكسجين على أنفسهم أولًا قبل مساعدة الآخرين؛ وإلا فإنهم يُخاطرون بفقدان الوعي. ^{[ 74 ]}

تحاول مراكز التنفس الحفاظ على ضغط _ثاني أكسيد الكربون الشرياني عند 40 ملم زئبق . مع فرط التنفس المتعمد، قد ينخفض ​​محتوى _ثاني أكسيد الكربون في الدم الشرياني إلى 10-20 ملم زئبق (مع تأثر طفيف لمحتوى الأكسجين في الدم)، مما يقلل من جهد التنفس. لهذا السبب، يستطيع الشخص حبس أنفاسه لفترة أطول بعد فرط التنفس مقارنةً بعدم فرط التنفس. ينطوي هذا على خطر فقدان الوعي قبل أن يصبح التنفس ضروريًا للغاية، ولذلك يُعد فرط التنفس خطيرًا بشكل خاص قبل الغوص الحر. ^{[ 77 ]}  

ثاني أكسيد الكربون هو ناتج ثانوي لتخمير السكر في صناعة البيرة والويسكي والمشروبات الكحولية الأخرى ، وفي إنتاج الإيثانول الحيوي . تقوم الخميرة باستقلاب السكر لإنتاج _ثاني أكسيد الكربون والإيثانول ، المعروف أيضًا بالكحول، على النحو التالي :

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

تُنتج جميع الكائنات الهوائية _ثاني أكسيد الكربون عند أكسدة الكربوهيدرات والأحماض الدهنية والبروتينات . تتسم التفاعلات الكثيرة المتضمنة في هذه العملية بتعقيدها الشديد، ويصعب وصفها بدقة. راجع التنفس الخلوي ، والتنفس اللاهوائي ، وعملية البناء الضوئي . معادلة تنفس الجلوكوز والسكريات الأحادية الأخرى هي:

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

تقوم الكائنات اللاهوائية بتحليل المواد العضوية منتجةً غاز الميثان وثاني أكسيد الكربون، بالإضافة إلى آثار من مركبات أخرى. ^{[ 102 ]} وبغض النظر عن نوع المادة العضوية، فإن إنتاج الغازات يتبع نمطًا حركيًا محددًا . يشكل ثاني أكسيد الكربون حوالي 40-45% من الغاز المنبعث من التحلل في مكبات النفايات (ويُسمى " غاز مكب النفايات "). أما النسبة الأكبر المتبقية، والتي تتراوح بين 50-55%، فهي من غاز الميثان. ^{[ 103 ]}

في الصناعات الكيميائية، يُستهلك ثاني أكسيد الكربون بشكل رئيسي كمكون في إنتاج اليوريا ، بينما تُستخدم نسبة أقل منه لإنتاج الميثانول ومجموعة من المنتجات الأخرى. ^{[ 111 ]} تُحضّر بعض مشتقات الأحماض الكربوكسيلية، مثل ساليسيلات الصوديوم، باستخدام _ثاني أكسيد الكربون من خلال تفاعل كولبه-شميت . ^{[ 112 ]}

_{يمكن استخدام ثاني} أكسيد الكربون المُحتجز لإنتاج الميثانول أو الوقود الكهربائي . ولتحقيق الحياد الكربوني، يجب أن يأتي ثاني أكسيد الكربون من إنتاج الطاقة الحيوية أو _من احتجازه مباشرة من الهواء . ^{[ 113 ] : 21-24}

يُستخدم ثاني أكسيد الكربون في تقنيات استخلاص النفط المعزز ، حيث يُحقن في آبار النفط المنتجة أو بالقرب منها، عادةً في ظروف فوق الحرجة ، عندما يمتزج بالنفط. يمكن لهذه الطريقة أن تزيد من كمية النفط المستخلصة أصلاً عن طريق تقليل تشبع النفط المتبقي بنسبة تتراوح بين 7 و23% إضافية على الاستخلاص الأولي . ^{[ 114 ]} يعمل ثاني أكسيد الكربون كعامل ضغط، وعند ذوبانه في النفط الخام الموجود تحت سطح الأرض ، فإنه يقلل لزوجته بشكل ملحوظ، ويغير التركيب الكيميائي السطحي، مما يسمح للنفط بالتدفق بسرعة أكبر عبر المكمن إلى بئر الاستخراج. ^{[ 115 ]}

يأتي معظم _{ثاني أكسيد} الكربون المستخدم في مشاريع استخلاص النفط _{المعزز بثاني أكسيد} الكربون من رواسب ثاني أكسيد الكربون الجوفية الطبيعية. _[ 116 ] ^{ويتم جمع بعض} ثاني _أكسيد الكربون المستخدم في استخلاص النفط المعزز من المنشآت الصناعية، مثل محطات معالجة الغاز الطبيعي ، باستخدام تقنية احتجاز الكربون ، ثم يُنقل إلى حقل النفط عبر خطوط الأنابيب. ^{[ 116 ]}

تحتاج النباتات إلى ثاني أكسيد الكربون لإتمام عملية التمثيل الضوئي. قد تُثرى أجواء البيوت الزجاجية (بل يجب، إن كانت كبيرة الحجم) بمستويات إضافية من _ثاني أكسيد الكربون لدعم نمو النباتات وزيادة معدله. ^{[ 117 ] [ 118 ]} عند التركيزات العالية جدًا (100 ضعف التركيز الجوي أو أكثر)، قد يكون ثاني أكسيد الكربون سامًا للحيوانات، لذا فإن رفع تركيزه إلى 10000 جزء في المليون (1%) أو أعلى لعدة ساعات سيقضي على الآفات مثل الذباب الأبيض والعناكب الحمراء في البيوت الزجاجية. ^{[ 119 ]} تستجيب بعض النباتات بشكل أفضل من غيرها لارتفاع تركيزات ثاني أكسيد الكربون، مما قد يؤدي إلى تغيرات في الغطاء النباتي مثل انتشار النباتات الخشبية . ^{[ 120 ]} 

ثاني أكسيد الكربون مادة مضافة غذائية تُستخدم كوقود دافع ومنظم حموضة في صناعة الأغذية. وهو معتمد للاستخدام في الاتحاد الأوروبي ^{[ 121 ]} (مدرج برقم E290)، والولايات المتحدة ^{[ 122 ]} ، وأستراليا ونيوزيلندا ^{[ 123 ]} (مدرج برقم INS 290).

يتم ضغط حلوى تسمى "بوب روكس" بغاز ثاني أكسيد الكربون ^{[ 124 ]} عند حوالي 4000 كيلو باسكال (40 بار ؛ 580 رطل لكل بوصة مربعة ) . عند وضعها في الفم، تذوب (تمامًا مثل الحلوى الصلبة الأخرى) وتطلق فقاعات الغاز مع صوت فرقعة مسموع.   

تتسبب عوامل التخمير في ارتفاع العجين عن طريق إنتاج ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 125 ]} تنتج خميرة الخباز ثاني أكسيد الكربون عن طريق تخمير السكريات الموجودة في العجين، بينما تطلق عوامل التخمير الكيميائية مثل مسحوق الخبز وبيكربونات الصوديوم ثاني أكسيد الكربون عند تسخينها أو عند تعرضها للأحماض .

صناعة النبيذ

يُستخدم ثاني أكسيد الكربون، على شكل ثلج جاف، غالبًا خلال مرحلة التبريد في صناعة النبيذ لتبريد عناقيد العنب بسرعة بعد قطفها، مما يساعد على منع التخمر التلقائي بواسطة الخميرة البرية . وتتمثل الميزة الرئيسية لاستخدام الثلج الجاف بدلًا من الثلج العادي في أنه يُبرد العنب دون إضافة أي ماء إضافي قد يُقلل من تركيز السكر في عصير العنب ، وبالتالي تركيز الكحول في النبيذ النهائي. كما يُستخدم ثاني أكسيد الكربون أيضًا لخلق بيئة منخفضة الأكسجين لعملية التخمير الكربوني ، وهي العملية المستخدمة في إنتاج نبيذ بوجوليه .

يُستخدم ثاني أكسيد الكربون أحيانًا لملء زجاجات النبيذ أو أوعية التخزين الأخرى كالبراميل لمنع الأكسدة، إلا أنه قد يذوب في النبيذ، مما يجعله فوارًا بعض الشيء. لهذا السبب، يُفضّل صانعو النبيذ المحترفون استخدام غازات أخرى كالنيتروجين أو الأرجون في هذه العملية.

يُعدّ ثاني أكسيد الكربون من أكثر الغازات المضغوطة شيوعًا في أنظمة الغاز المضغوط المستخدمة في أدوات الضغط المحمولة. كما يُستخدم ثاني أكسيد الكربون كجوٍّ في اللحام ، مع أنه يتفاعل في قوس اللحام مُؤكسدًا معظم المعادن. ويشيع استخدامه في صناعة السيارات رغم وجود أدلة قوية تُشير إلى أن اللحامات المُنجزة في ثاني أكسيد الكربون تكون أكثر هشاشة من تلك المُنجزة في أجواء خاملة. ^{[ 130 ]} عند استخدامه في لحام MIG ، يُشار أحيانًا إلى لحام _ثاني أكسيد الكربون باسم لحام MAG، اختصارًا لـ "الغاز النشط المعدني"، نظرًا لقدرة _ثاني أكسيد الكربون على التفاعل عند درجات الحرارة العالية. ويميل إلى إنتاج بركة لحام أكثر سخونة من الأجواء الخاملة تمامًا، مما يُحسّن خصائص التدفق. مع ذلك، قد يعود ذلك إلى تفاعلات جوية تحدث في موقع بركة اللحام. وعادةً ما يكون هذا عكس التأثير المطلوب في اللحام، إذ يميل إلى زيادة هشاشة الموقع، ولكنه قد لا يُمثّل مشكلة في لحام الفولاذ الطري بشكل عام، حيث لا تُعدّ الليونة القصوى مصدر قلق كبير.

يُستخدم ثاني أكسيد الكربون في العديد من المنتجات الاستهلاكية التي تتطلب غازًا مضغوطًا نظرًا لانخفاض تكلفته وعدم قابليته للاشتعال، ولأنه يتحول من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة عند درجة حرارة الغرفة بضغط يصل إلى 60 بار (870 رطل/ بوصة مربعة ؛ 59 ضغط جوي ) ، مما يسمح بوضع كمية أكبر بكثير من ثاني أكسيد الكربون في عبوة واحدة. غالبًا ما تحتوي سترات النجاة على أسطوانات من ثاني أكسيد الكربون المضغوط لنفخها بسرعة. كما تُباع كبسولات ألومنيوم من _ثاني أكسيد الكربون كمصدر للغاز المضغوط لبنادق الهواء ، وبنادق كرات الطلاء ، ونفخ إطارات الدراجات، ولصنع المياه الغازية . ويمكن أيضًا استخدام تركيزات عالية من ثاني أكسيد الكربون لقتل الآفات. ويُستخدم ثاني أكسيد الكربون السائل في التجفيف فوق الحرج لبعض المنتجات الغذائية والمواد التكنولوجية، وفي تحضير العينات للفحص المجهري الإلكتروني الماسح ^{[ 131 ]} ، وفي إزالة الكافيين من حبوب البن .   

يمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون لإطفاء النيران عن طريق غمر البيئة المحيطة بها بالغاز. فهو لا يتفاعل بنفسه لإطفاء اللهب، بل يحرمه من الأكسجين بإزاحته. تحتوي بعض طفايات الحريق ، وخاصة تلك المصممة للحرائق الكهربائية ، على ثاني أكسيد الكربون السائل المضغوط. تعمل طفايات ثاني أكسيد الكربون بكفاءة على حرائق السوائل القابلة للاشتعال الصغيرة والحرائق الكهربائية، ولكنها غير فعالة على حرائق المواد القابلة للاحتراق العادية، لأنها لا تبرد المواد المحترقة بشكل كافٍ، وعندما يتشتت ثاني أكسيد الكربون، قد تشتعل عند تعرضها لأكسجين الهواء . وتُستخدم هذه الطفايات بشكل رئيسي في غرف الخوادم. ^{[ 132 ]}

يُستخدم ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع كعامل إطفاء في أنظمة الحماية الثابتة من الحرائق، سواءً للتطبيق الموضعي على مخاطر محددة أو للإغراق الكامل للمساحة المحمية. ^{[ 133 ]} وتُقرّ معايير المنظمة البحرية الدولية بأنظمة ثاني أكسيد الكربون لحماية عنابر السفن وغرف المحركات من الحرائق. وقد ارتبطت أنظمة الحماية من الحرائق القائمة على ثاني أكسيد الكربون بالعديد من الوفيات، نظرًا لقدرته على التسبب بالاختناق عند تركيزات عالية. وقد رصدت مراجعة لأنظمة _ثاني أكسيد الكربون 51 حادثة بين عامي 1975 وتاريخ التقرير (2000)، أسفرت عن 72 حالة وفاة و145 إصابة. ^{[ 134 ]}

يُعدّ ثاني أكسيد الكربون السائل مذيبًا جيدًا للعديد من المركبات العضوية المحبة للدهون، ويُستخدم في إزالة الكافيين من القهوة . ^{[ 135 ]} وقد حظي ثاني أكسيد الكربون باهتمام في الصناعات الدوائية وغيرها من الصناعات الكيميائية، باعتباره بديلاً أقل سمية للمذيبات التقليدية، مثل مركبات الكلور العضوية . ولهذا السبب، تستخدمه بعض محلات التنظيف الجاف أيضًا . كما يُستخدم في تحضير بعض الهلاميات الهوائية نظرًا لخصائص ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج.

يُعدّ ثاني أكسيد الكربون السائل والصلب من أهمّ مواد التبريد ، لا سيما في صناعة الأغذية، حيث يُستخدمان أثناء نقل وتخزين المثلجات وغيرها من الأطعمة المجمدة. يُطلق على ثاني أكسيد الكربون الصلب اسم "الثلج الجاف"، ويُستخدم للشحنات الصغيرة التي لا تُناسبها معدات التبريد. ويكون ثاني أكسيد الكربون الصلب دائمًا أقل من -78.5 درجة مئوية (-109.3 درجة فهرنهايت) عند الضغط الجوي العادي، بغض النظر عن درجة حرارة الهواء.  

استُخدم ثاني أكسيد الكربون السائل (المعروف صناعيًا باسم R744 أو R-744) كمادة تبريد قبل استخدام ثنائي كلورو ثنائي فلورو الميثان (R12، وهو مركب من مركبات الكلوروفلوروكربون ). ^{[ 136 ]} _{قد يشهد ثاني} أكسيد الكربون انتعاشًا ملحوظًا نظرًا لأن أحد البدائل الرئيسية لمركبات الكلوروفلوروكربون، وهو 1،1،1،2-رباعي فلورو الإيثان ( R134a ، وهو مركب من مركبات الهيدروفلوروكربون )، يُساهم في تغير المناخ بشكل أكبر من ثاني أكسيد الكربون _. تتميز الخصائص الفيزيائية _لثاني أكسيد الكربون بملاءمتها العالية لأغراض التبريد والتدفئة، حيث يتمتع بقدرة تبريد حجمية عالية. ونظرًا للحاجة إلى التشغيل عند ضغوط تصل إلى 130 بار (1900 رطل لكل بوصة مربعة؛ 13000 كيلو باسكال) ، تتطلب أنظمة _ثاني أكسيد الكربون خزانات ومكونات ذات مقاومة ميكانيكية عالية، وقد تم تطويرها بالفعل للإنتاج بكميات كبيرة في العديد من القطاعات. في أنظمة تكييف الهواء بالسيارات، وفي أكثر من 90% من ظروف القيادة عند خطوط العرض التي تزيد عن 50 درجة، يعمل _ثاني أكسيد الكربون (R744) بكفاءة أعلى من الأنظمة التي تستخدم مركبات الهيدروفلوروكربون (مثل R134a). وقد تجعله مزاياه البيئية ( معامل الاحترار العالمي 1، وعدم استنزاف طبقة الأوزون، وعدم سميته، وعدم قابليته للاشتعال) سائل التبريد الأمثل في المستقبل ليحل محل مركبات الهيدروفلوروكربون الحالية في السيارات، ومتاجر السوبر ماركت، وسخانات المياه التي تعمل بمضخات الحرارة، وغيرها. وقد طرحت شركة كوكاكولا مبردات مشروبات تعمل _بثاني أكسيد الكربون ، كما أبدى الجيش الأمريكي اهتمامًا بتقنية التبريد والتدفئة باستخدام _ثاني أكسيد الكربون . ^{[ 137 ] [ 138 ]}  

ثاني أكسيد الكربون هو الوسط المستخدم في ليزر ثاني أكسيد الكربون ، وهو أحد أقدم أنواع الليزر.

يمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون كوسيلة للتحكم في درجة حموضة أحواض السباحة، ^{[ 139 ]} وذلك بإضافة الغاز باستمرار إلى الماء، مما يمنع ارتفاع درجة الحموضة. ومن مزايا هذه الطريقة تجنب التعامل مع الأحماض (الأكثر خطورة). وبالمثل، يُستخدم ثاني أكسيد الكربون أيضًا في صيانة أحواض الشعاب المرجانية ، حيث يُستخدم عادةً في مفاعلات الكالسيوم لخفض درجة حموضة الماء مؤقتًا أثناء مروره فوق كربونات الكالسيوم، مما يسمح لكربونات الكالسيوم بالذوبان في الماء بحرية أكبر، حيث تستخدمها بعض أنواع المرجان لبناء هيكلها العظمي.

يستخدم كمبرد أساسي في المفاعل البريطاني المتقدم المبرد بالغاز لتوليد الطاقة النووية.

يُستخدم التحريض بثاني أكسيد الكربون بشكل شائع لقتل حيوانات التجارب المخبرية. تشمل طرق إعطاء _{ثاني أكسيد} الكربون وضع الحيوانات مباشرةً في حجرة مغلقة مملوءة مسبقًا _بثاني أكسيد الكربون ، أو تعريضها لتركيز متزايد تدريجيًا منه _. تشير إرشادات الجمعية الأمريكية للطب البيطري لعام 2020 بشأن التحريض بثاني أكسيد الكربون إلى أن معدل إزاحة يتراوح بين 30 و70% من حجم الحجرة أو القفص في الدقيقة هو الأمثل لقتل القوارض الصغيرة. ^{[ 140 ] : 5، 31.} تختلف نسب _ثاني أكسيد الكربون باختلاف الأنواع، بناءً على النسب المثلى المحددة التي يُزعم أنها تقلل من معاناة الحيوان. ^{[ 140 ] : 22}

كما يُستخدم ثاني أكسيد الكربون في العديد من تقنيات التنظيف وإعداد الأسطح ذات الصلة .