一氧化碳

一氧化碳（英文名称：Carbon Monoxide），无机化合物，由碳元素和氧元素组成。化学式为CO，摩尔质量为28.010g/mol，密度为1.25g/cm3。一氧化碳是一种无色无味的气体，呈弱酸性，微溶于水，溶于苯、乙醇、醋酸和氯化亚铜。一氧化碳具有很强的还原性，可以将许多金属氧化物或金属离子还原。一氧化碳可以在空气中燃烧，生成二氧化碳。一氧化碳可以与人体内的血红蛋白结合使人中毒。实验室中一氧化碳可由甲酸滴入热的浓硫酸溶液中进行脱水生成；工业上一氧化碳主要来源为水煤气、发生煤炉气和煤气。^{[1][3][4][5][6][7]}

一氧化碳可以用作民用生活燃气、工业燃气和燃料电池中的燃气，在化工领域中是重要的碳基合成有机化工产品原料，在冶金工业中是一种重要的还原剂，还可以用于食品包装。^{[1][3][4][5][6][8]}

古希腊时代，哲学家亚里士多德（Aristotle）曾记录了燃烧的煤炭会散发有毒烟气的现象。当时有一种执行死刑的方法，将罪犯关在一间浴室，并在浴室内放置文火燃烧的煤炭。古希腊医生盖伦（Galen）推测，可能是浴室内空气的组成发生了变化，因此呼入后能引起伤害。^[9]

1630年，比利时化学家扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特（ Johann Baptist van Helmont）在实验中研究了许多气体，其中碳气是指燃烧木炭和其他可燃物生成的气体，通常是二氧化碳，但有时也是一氧化碳，因为扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特说在他65岁时差点被燃烧的木炭的烟熏死，而他记述的是一氧化碳中毒的症状。扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特发现由文火燃烧的木炭产生的一种有毒气体，这种气体能危及自己的生命。另外，他发现有机物腐烂或在缺氧状态下加热产生的气体，相当轻而且可以燃烧。^[9]

1776年，法国化学家拉松（DeLassone）通过让焦炭加热氧化锌以及加热枪管中的普鲁士蓝得到一氧化碳。他在《皇家科学院备忘录》中把这种气体描述为“一种性质极怪异的可燃空气”。1785年，英国科学家普里斯特利（J.Priestley）用木炭加热铸皮，制备了一氧化碳；但他误以为它是“可燃空气”。^[9]

早期的研究者认为，一氧化碳是一种碳和氢的化合物。1800年W．Cruikshank在一氧化碳的燃烧产物中没有检测出水，证明一氧化碳中不含氢。1801年~1802年，N．Clement和C．B．Desormes合作，精确地测定了一氧化碳的化学组成。1877年Cailletet制得液体CO。1885年Von Wroblewsky首次使CO固化。在第二次世界大战期间，德国把CO用作合成烃类燃料的主要原料。^[10]

所有含碳燃料的不完全燃烧都会产生一氧化碳。在自然条件下，植物代谢或海洋和野火产生的一氧化碳释放进入大气。在自然条件下或人为情况下，甲烷和非甲烷wán碳氢化合物与轻自由基和臭氧产生氧化反应，也是大气中一氧化碳的一种来源。人类活动产生一氧化碳的主要来源于内燃机、天然气、石油、木材和固体废弃物。吸烟和排气炉不完全燃烧也可导致密闭空间内一氧化碳的聚积。^[11]

人体内存在着多个合成并释放CO的生理代谢途径，其中依赖于还原型辅酶-Ⅱ（NADPH）的血红素加氧酶所催化的亚铁血红素分解生成CO是最主要的途径。血红素加氧酶存在三种同工酶：血红素加氧酶-1（HO-1）属于诱导型，可被内毒素、低氧和氧化剂等诱导。HO-1广泛分布于脾脏、肝脏和骨髓等代谢活跃的器官，对诱导刺激都十分敏感。血红素加氧酶-2(HO-2)和血红素加氧酶-3（HO-3）为结构型，是细胞生理状态下的主要存在形式。HO-2主要分布于脑内，在血管平滑肌和内皮细胞中也有表达，肾上腺糖皮质激素可上调HO-2的表达。HO-3主要分布于脾脏和肝脏等，其作用可能是调节依赖血红素的基因表达，但活性较低。生理条件下，人体每小时生成的CO接近20mmol，体内生成的CO大部分通过呼吸作用排出体外。^[12]

血红蛋白（Hb）中的二价铁离子的空轨道可以接受氧气分子提供的电子对形成氧合血红蛋白（HbO2），从而通过血液的流动运输氧气分子。一氧化碳可以作为配体与血红蛋白形成一氧化碳血红蛋白（HbCO）。一氧化碳血红蛋白比氧合血红蛋白稳定，因此，一氧化碳能把氧气从氧合血红蛋白中置换出来。^[4]

体温在37℃以下时，K=200。在肺部，即使一氧化碳浓度很低，血红蛋白仍能优先与一氧化碳结合，从而使血液输氧中断，进而使人体组织缺氧，产生细胞能量代谢障碍，导致肌肉麻痹、昏迷，甚至死亡，这就是一氧化碳中毒。同时，由于一氧化碳血红蛋白解离比氧合血红蛋白慢得多，增加了一氧化碳中毒的危险性。经测定，当空气中一氧化碳浓度达0.08%时，人在两小时内就会昏迷致死。^[4]

轻度中毒：表现为头晕、眼花、剧烈头痛、耳鸣、颈部压迫感和搏动感，会有恶心、呕吐、心悸、四肢无力等症状，但无昏迷，此时需立刻脱离中毒现场，吸入鲜空气或进行适当治疗之后，症状会很快消失。^[13]

中度中毒：除上述症状外，表现为初期多汗、烦躁、步态不稳和皮肤黏膜苍白，并随着中毒加重而身体出现樱桃红色，以面颊、前胸及大腿内侧为明显，意识朦胧，甚至昏迷。如能及时抢救，可很快苏醒，一般无明显并发症和继发症。^[13]

重度中毒：除具有一部分或全部中度中毒的症状外，患者会很快进入不同程度的昏迷状态，时间可持续数小时至几昼夜，往往出现牙关紧闭、强直性全身痉挛、大小便失禁和病理反射。常伴有中毒性脑病、心肌炎、吸入性肺炎、肺水肿及电解质紊乱等。^[13]

一氧化碳暴露除对人体和动物造成损伤外，大气中的一氧化碳会抑制绿色植物的光合作用，阻碍二氧化碳等气体的吸收和循环，造成大气污染，加速温室效应，直接或间接地影响着人类的生产、生活和健康。^[14]

一氧化碳过去一直被认为是对生物体有毒性的气体，但20世纪80年代以来的科学研究发现，生物体内的血红素在血红素氧合酶的作用下，能被氧化分解出极微量的一氧化碳。这种内源性的一氧化碳具有神经信息传递功能，能介导某些生理和病理活动。并在发挥生物效应后经血红蛋白运输，由肺部排出体外。它与血压调控、肌肉松弛、激素的释放、痛觉与嗅觉的发生等有关，且在维持血管能力和心肌保护中也起作用。^[6]

在空气传播的细菌在高浓度的一氧化碳下可以存活，细菌培养物可以用一氧化碳鼓泡，毒性很小。还有相关研究称一氧化碳由宿主巨噬细胞“迫使细菌产生三磷酸腺苷”，这是一种危险相关的分子模式对于巨噬细胞。细菌衍生的ATP与巨噬细胞上的嘌呤能受体结合，导致激活炎症体以驱动病原体清除。^[16]

一氧化碳是一种无色无味的气体，不容易被液化和固化。一氧化碳微溶于水，20℃时为2.3ml/100ml，溶于苯、乙醇、醋酸和氯化亚铜。其摩尔质量为28.010g/mol，密度为1.25g/cm3，熔点为-205℃，沸点为-191℃，25℃时蒸汽压为1.55×108毫米汞柱，自燃温度为605℃。^[1][3][7]

在高温的条件下，一氧化碳可以从很多金属氧化物中夺取氧，使金属还原。^[17]

在常温下，一氧化碳还可以使一些化合物中的金属离子还原。例如：一氧化碳能使二氯化钯溶液、银氨溶液变黑，反应非常灵敏，因此可以用于检测微量一氧化碳的存在。^[17]

在高温下，一氧化碳可以与氧气发生剧烈反应，生成二氧化碳。^[17]

一氧化碳能与许多过渡金属加合生成金属羰基化合物，例如Fe(CO)5、Ni(CO)4、Cr(CO)6。^[17][18]

一氧化碳很容易与氧、氢、硫以及卤素氟、氯、溴相化合。

一氧化碳在空气中燃烧，生成二氧化碳。^[17]

一氧化碳与氢气反应，生成甲醇或某些有机化合物。^[17]

一氧化碳与硫反应，生成硫化碳酰。^[17]

一氧化碳可以与卤素氟fú、氯、溴反应，生成卤化碳酰xiān，卤化碳酰很容易被水解，并与氨作用生成尿素。^[17]

一氧化碳的酸性非常微弱，在一定压力和受热条件下与碱反应，生成甲酸盐。^[4]

在较高的压力下，一氧化碳与水反应生成甲酸，由此可认为一氧化碳是甲酸的酸酐。^[4]

与醇反应

一氧化碳与醇反应可用来制取羧酸。在工业上一氧化碳与甲醇反应制取羧酸是一氧化碳化工应用中重要的反应之一。^[18]

与不饱和烃反应

合成气与不饱和烃及其衍生物的氢甲酰化反应是一氧化碳另一类重要的羰基化合成反应。^[18]

例如：

一氧化碳、水（或醇）与不饱和烃的反应成为雷佩反应，或称氢羧基化反应，以醇代水的反应则称之为氢酯zhǐ基化反应。^[18]

一氧化碳、氧气与不饱和烃反应生成羧酸或酯。^[18]

一氧化碳可以在空气或氧气中燃烧，释放出大量热，与燃煤相比，一氧化碳具有热值高、清洁卫生、污染少和使用方便等优点。所以一氧化碳是很好的工业燃气和民用生活燃气。^[6]

燃料电池不但能用氢气作燃料，还可利用一氧化碳等作燃料。如在工作温度为650℃的熔融碳酸盐燃料电池（MCFS），是用煤气作负极燃气，空气与二氧化碳的混合气为正极助燃气，用一定比例的碳酸锂和碳酸钠，低熔点混合物作电解质，以金属镍（燃料极）为催化剂制成的。有关电极和电池反应式为：^[6]

负极（燃料极）：

正极（空气极）：

总反应式：

一氧化碳是重要的碳基合成有机化工产品原料，如从一氧化碳出发可合成出甲醇、甲酸、醋酸、醋酸酐、二甲基甲酰胺、碳酸二甲酯、聚碳酸酯、光气、聚氨酯、草酸酯和金属羰基化合物等多种高附加值产品。^[6]

一氧化碳在冶金工业精炼中是一种重要的还原剂。例如钢铁生产中，常用焦炭作还原剂，焦炭在高炉中主要发生下列反应：

故实际最后起还原铁矿石作用的主要是一氧化碳而不是焦炭。同时冶金工业上为了减少燃煤时产生的硫的氧化物对空气和水质的污染，常用氨水、熟石灰的乳浊液或生石灰等吸收二氧化硫。有时也利用一氧化碳来还原烟道气中的二氧化硫，并回收得到硫。^[6]

据英国广播公司2007年10月份报道，英国谢菲尔德大学的研究人员发明了使用一氧化碳帮助器官移植的新方法。该方法提高移植器官的成活率，克服了传统的一氧化碳吸入法有导致患者和医务人员意外吸入高剂量一氧化碳而中毒的风险。实验室试验显示这种方法前景良好。^[6]

CO对脱氧肌红蛋白的亲和力远远大于O2，故生成比氧合肌红蛋白更加稳定的碳氧肌红蛋白，使肉产生吸引人的樱桃色。在无氧混合气体中充入少量CO（≤0.4%）形成的CO气调（CO-MAP）有非常好的护色效果但是当碳氧肌红蛋白暴露在无CO的气氛中，CO将会从肌红蛋白中分解出来，成为游离状态。CO的毒性及所生成的碳氧肌红蛋白的稳定性导致其在食品包装的运用过程中存在争议。^[8]

①甲酸滴入热的浓硫酸溶液中进行脱水，生成一氧化碳。^[5]化学反应方程式如下：

②草酸晶体和浓硫酸共热，生成一氧化碳和二氧化碳的混合气体，其中的二氧化碳可以通过固体氢氧化钠除掉，从而得到纯的一氧化碳气体。^[5]化学反应方程式如下：

③锌粉和碳酸钙在加热的条件下生成一氧化碳。^[19]化学反应方程式如下：

工业上制备一氧化碳的主要来源为水煤气、发生煤炉气和煤气。^[5]

①水煤气是氢气和一氧化碳的混合气体，由空气和水蒸气交替通过赤热的碳层反应得到。^[5]化学反应方程式如下：

②发生煤炉气是一氧化碳和氮气各占二分之一的混合气体，由有限量的空气通过赤热的碳层反应得到。^[5]化学反应方程式如下：

③煤气是一氧化碳、氢气、甲烷和二氧化碳的混合气体。^[5]

在CO分子中，碳原子采用sp杂化与氧原子成键。碳原子两个p轨道上的电子可以与氧原子两个成单p轨道上的电子形成一个键和一个键，氧原子上成对的p电子还可以与碳原子上的一个空的2p轨道形成一个配位键。故一氧化碳的结构式可表达为^[20]：

C原子核外有4个价电子，其电子结构式为2s22p2；氧原子核外有6个价电子，其电子结构式为2s22p4。由于碳原子和氧原子的相应原子轨道能量很近，因此互相重叠形成CO分子的分子轨道。一氧化碳的分子轨道式为^[20]：

由此可以得出一氧化碳分子中有两个键和一个键，是三重键结合的。

象形图^[1]

GHS分类^[1]

GHS危险说明危险等级H220极易燃气体易燃气体H331吸入有毒急性毒性，吸入H360D可能会损害未出生的孩子生殖毒性H372长期或反复接触会对器官造成损害特定靶器官毒性，反复暴露

当一氧化碳发生泄露与火灾时，人员需撤离至上风处，并立即隔离150m。切断火源时，应急处理人员需戴自给正压式呼吸器，穿消防防护服。尽可能切断泄漏源，合理通风，加速扩散，喷雾状水稀释、溶解，构筑围堤或挖坑收容产生的大量废水。将漏出气用排风机送至空旷地方或用管路导至炉中、凹地梵之。漏气容器要处理，修复、检验后再用。切断气源。若不能立即切断气源，则不允许熄灭正在燃烧的气体。喷水冷却容器，可能的话将容器从火场移至空旷处。灭火剂：雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉。^[21]

将病人移到空气新鲜的地方，松解衣服。对呼吸心跳停止者立即行人工呼吸和胸外心脏按压，并肌内注射呼吸兴奋药，洛贝林或二甲弗林等，同时给氧。昏迷者针刺人中、十宣、涌泉等穴。病人自主呼吸、心跳恢复后方可送医院。^[21]