一氧化碳

一氧化碳 (Carbon Monoxide)
國立臺灣師範大學化學研究所周煜翔碩士生/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

一氧化碳是一種無色無味無臭的高毒性的氣體，分子包含一個碳原子和一個氧原子，以共價鍵三鍵碳—氧鍵連結，是一種最簡單氧化態的碳。

含碳化合物主要生成為常見的二氧化碳（carbon dioxide，CO₂），一氧化碳來自於部分氧化的含碳化合物，當減少氧氣的供應，如在密閉空間中操作爐灶或內燃機，則會有一氧化碳的產生。一氧化碳具有顯著的燃料價值，在空氣中燃燒時產生藍色火焰，產生二氧化碳。儘管一氧化碳有劇毒，卻能廣泛使用（作為主要的組成部分，煤氣）為照明，做飯和取暖，以及鎳的生產。一氧化碳仍然在現今科技中占有重要的地位，在工業上，如煉鐵和作為各種產品的前驅物。

分子模型
一氧化碳分子由一個碳原子和一個氧原子所組成，鍵結為共價鍵三鍵。它的鍵長是0.1128奈米。原子的形式電荷和電負度的作用，導致鍵偶極矩較小，分子負端為碳原子。因此，儘管氧的電負性大於碳，最高佔據分子軌道的能量非常接近於碳的P軌道，表示有較大電子密度在碳原子附近。此外，碳的低電負度能分散較多電子雲，增強其極化，也是之所以有關於一氧化碳的化學，都發生在碳原子，而不是氧原子的原因。

一氧化碳的鍵長約與氮中的氮－氮三鍵鍵長相似，而且分子可以由三種共振結構表示。

在這個模型，最左邊結構的貢獻最大。因此，一氧化碳分子與氮氣相似，幾乎相同的分子質量。事實上，它們的物理性質（沸點，熔點等）非常相似。

危險性
在許多國家，一氧化碳中毒是致死中毒裡最常見的類型。由於一氧化碳是無色，無味，但毒性極強：它在血液中與血紅蛋白結合產生一氧化碳血紅素（HbCO），這是無法有效傳送氧氣到人體的組織（一種被稱為缺氧血症）。濃度低至667 ppm可能會導致高達50 %的血紅蛋白轉化為HbCO。在美國，職業安全與健康管理局限制長期工作場所暴露層級為50 ppm。最常見的症狀一氧化碳中毒可以類似於流感，包括頭痛，噁心，嘔吐，頭暈，嗜睡和虛弱的感覺

一氧化碳的存量
僅有微量一氧化碳存在大氣中，一氧化碳主要存在火山運動發生時，還有來自於自然和人為火災（如：森林大火，焚燒作物秸稈，甘蔗進行加熱提煉）和燃燒化石燃料。另外，在地函高壓下的熔岩也會產生一氧化碳。火山氣體中一氧化碳的含量取決於火山活動的變化，含量最少低於0.5 %，最高可達2 %。由於天然來源的一氧化碳隨著逐年變化而不同，不易準確偵測到氣體的排放量。

一氧化碳具有間接輻射作用，藉著高濃度的甲烷與其他大氣成分，例如：羥基自由基（˙OH）和對流層臭氧的化學反應，進而破壞臭氧層。透過大氣中自然氧化作用，一氧化碳最終經由氧化形成二氧化碳，一氧化碳存在大氣中的時間是相當短。

一氧化碳的製備
一般在實驗室中，製造一氧化碳的方法，是將甲酸進行脫水作用即可獲得一氧化碳，例如：加入硫酸。另一種方法，則是加熱鋅和碳酸鈣混合物粉末，反應中會釋放一氧化碳。

Zn+CaCO₃→ZnO+CaO+CO

工業上的製備
一氧化碳主要在工業上的來源是發生氣（producer gas）發生氣主要成分是一氧化碳和氮氣，以過量的碳在空氣中高溫下進行燃燒即可產生。通常爐灶加熱時，加熱至800 °C以上，一氧化為主要的產物。

O₂ + 2C → 2CO₂ ΔH = –221 KJ/mole

另外，一個重要的來源是水煤氣，藉由水蒸氣和碳的吸熱反應，產生氫氣和一氧化碳的混合物。其它相似的合成氣可以從天然氣和燃料獲得。

H₂O + C → H₂ + CO ΔH = 131 KJ/mole

含有金屬氧化物的礦石與碳進行還原反應時，可以得到還原後的金屬，則一氧化碳為副產物，通式如下：

MO + C → M + CO ΔH = 131 KJ/mole

在高溫下所進行的還原反應，一氧化碳會比二氧化碳容易形成。