Dwutlenek węgla, ditlenek węgla, , – nieorganiczny związek chemiczny z grupy tlenków, w którym węgiel występuje na IV stopniu utlenienia.
W temperaturze pokojowej jest to bezbarwny i niepalny gaz o kwaskowatym smaku, rozpuszczalny w wodzie (1,7 l /l ) i cięższy od powietrza (ok. 1,5 raza). Pod normalnym ciśnieniem przechodzi ze stanu stałego do gazowego (sublimuje) z pominięciem fazy ciekłej w temperaturze −78,5 °C. Można go jednak skroplić pod zwiększonym ciśnieniem, np. pod ciśnieniem 34 atm skrapla się w temperaturze 0 °C.
Występuje w organizmie człowieka i jest w nim wytwarzany, odgrywa ważną rolę w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej organizmu, jego zbyt małe, jak i zbyt duże stężenie jest szkodliwe dla organizmu. W większych stężeniach w powietrzu dwutlenek węgla uniemożliwia usuwanie dwutlenku węgla z organizmu, przez co jest szkodliwy dla zdrowia, a nawet zabójczy, a jego działanie powoduje powstawanie hiperkapni, a co za tym idzie kwasicy oddechowej i w następstwie obrzęku mózgu.
Występowanie Na Ziemi w naturze występuje w stanie gazowym w atmosferze, a także jako składnik gazów wulkanicznych i innych gazów podziemnych. Jest rozpuszczony i związany w wodzie oraz związany w skałach (np. jako składnik ). Jest częścią obiegu węgla w przyrodzie, jest produktem spalania i oddychania. Tworzy się przy utlenianiu i fermentacji substancji organicznych, powstając w dużych ilościach w: gorzelniach, wytwórniach win, silosach zbożowych, browarach, biogazowniach.
Jest wykorzystywany przez rośliny w procesie fotosyntezy.
W atmosferze Ziemi thumb|Zależność stężenia dwutlenku węgla od czasu, zwane krzywą Keelinga Dwutlenek węgla występuje w powietrzu w śladowych ilościach (około 0,04%), ale odgrywa ważną rolę w efekcie cieplarnianym i jako źródło węgla do fotosyntezy. Całkowita masa dwutlenku węgla w atmosferze wynosi około 3 kg, tj. 3 biliony ton. Stężenie zmienia się sezonowo i w zależności od szerokości geograficznej, a także lokalnie, szczególnie w pobliżu ziemi. Koncentracja jest na ogół większa nad lądami niż nad oceanami, na półkuli północnej większa niż na południowej, na obszarach miejskich i w pobliżu miejsc spalania paliw kopalnych jest większa niż średnia. Koncentracja w pomieszczeniach może być nawet 10 razy większa niż średnia.
Dane z rdzeni lodowych ujawniły, że poziom w atmosferze w ciągu ostatnich 420 tys. lat do początku industrializacji w połowie XVIII wieku wahały się między 190 ppm podczas szczytów lodowcowych a 280 ppm w okresach ciepłych. Pierwsze systematyczne pomiary wykonywane od 1958 roku przez Charlesa Davida Keelinga, określiły stężenie objętościowe na 315 ppm. Kolejne pomiary wykazują wzrost ilości dwutlenku węgla w atmosferze. Średnioroczne stężenie dwutlenku węgla w 2018 r. osiągnęło 407,8 ppm, co stanowi nowy rekordowy poziom, który jest o 47 procent wyższy niż wartość sprzed okresu przemysłowego. Główną przyczyną wzrostu stężenia jest spalanie paliw kopalnych do produkcji energii oraz w sektorze przemysłowym.
Stężenie dwutlenku węgla w ciągu ostatnich 10 000 lat pozostawało względnie stałe około 300 ppm. Obieg węgla w atmosferze był w pobliżu warunków równowagi. Wraz z początkiem industrializacji w XIX wieku wzrosła zawartość dwutlenku węgla w atmosferze. Obecna koncentracja jest prawdopodobnie najwyższa od 15 do 20 milionów lat. W latach 1999–2018 zawartość dwutlenku węgla wzrosła średnio o 2,1 ppm rocznie z tendencją wzrostową o 0,05 ppm na rok
Człowiek w wyniku swej działalności wytwarza (w 2018 r.) około 0,0371 bilionów ton rocznie, co stanowi jedynie niewielką część dwutlenku węgla dostarczanego do atmosfery, głównym źródłem są procesy naturalne dostarczające około 0,55 biliona ton rocznie. Jednak naturalne pochłaniacze węgla pochłaniały, taką samą ilość , stężenie dwutlenku węgla pozostało względnie stałe przed industrializacją. Dodatkowy dwutlenek węgla nie pozostaje w całości w atmosferze, jest pochłaniany około w połowie przez biosferę i oceany, które pochłaniają teraz więcej dwutlenku węgla niż uwalniają, co powoduje ich zakwaszenie. Druga połowa wyemitowanego dwutlenku węgla pozostaje w atmosferze, co prowadzi do obserwowanego wzrostu koncentracji.
W wodzie + Forma występowania dwutlenku węgla w zależności od odczynu wody o temperaturze 20 °C pH Forma dwutlenku węgla % wolny 2 99,99 0,01 4 99,6 0,40 6,38 50,00 50,00 8 2,3 97,7 9 96,0 4,0 10,38 50,0 50,0 12 2,3 97,7
Dwutlenek węgla jest rozpuszczalny w wodzie, reaguje także z nią tworząc kwas węglowy, który ulega dysocjacji elektrolitycznej częściowej lub całkowitej tworząc jon wodorowęglanowy () lub węglanowy ().
Dwutlenek węgla zawarty w atmosferze rozpuszcza się w kroplach deszczu i jest rozpuszczony w wodzie opadowej nadając jej lekko kwaśny odczyn. Woda przesiąkając do głębszych warstw gleby rozpuszcza zawarty w glebie dwutlenek węgla, jak i inne substancje, głównie związki wapnia. W wodzie zawierającej dwutlenek węgla i wapń, w zależności od pH dwutlenek węgla występuje jako wolny, wodorowęglanowy i węglanowy. Dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie jako wolny wywołuje korozję metali i betonu, jego działanie jest dwustronne, poprzez reakcję z metalem jako kwas oraz przez niszczenie warstw węglanów na powierzchni konstrukcji w wyniku reakcji tworzenia kwaśnych węglanów, które są lepiej rozpuszczalne w wodzie. Korozyjności dwutlenku węgla sprzyja tlen rozpuszczony w wodzie.
Jony te reagują z jonami dodatnimi tworząc elektrolity bądź związki chemiczne nierozpuszczalne lub słabo rozpuszczalne w wodzie. W wodach naturalnych reaguje głównie z jonami wapnia, magnezu. Stan równowagi, zależny od temperatury i ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla nad wodą oraz stężenia innych jonów w wodzie określa stężenie wszystkich możliwych związków tworzonych z dwutlenku węgla i innych rozpuszczonych związków. Rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie spada wraz ze wzrostem temperatury.
Ponieważ zimna woda ma większą gęstość, woda bogata w dwutlenek węgla opada w głębsze warstwy. Tylko przy ciśnieniach powyżej 300 bar i temperaturach powyżej 120 °C (393 K) jest odwrotnie, co zachodzi blisko głębokich kominów hydrotermalnych.
Oceany zawierają około 50 razy więcej dwutlenku węgla niż atmosfera. Obecnie wody powierzchniowe oceanów zawierają mniejsze stężenie dwutlenku węgla niż wynikałoby to z równowagi dla 400 ppm w powietrzu. Ocean działa jak duży pochłaniacz dwutlenku węgla z atmosfery i pochłania około jednej trzeciej dwutlenku węgla uwalnianego w wyniku działalności człowieka. W górnych warstwach oceanów jest częściowo wiązany przez fotosyntezę. Wraz ze wzrostem stężenia dwutlenku węgla zmniejsza się alkaliczność wody, co nazywa się zakwaszeniem oceanów i może mieć negatywny wpływ na ekosystemy morskie. Wiele stworzeń morskich jest wrażliwych na zmiany kwasowości oceanów. Zdarzenia zakwaszenia w historii Ziemi doprowadziły do masowego wymierania i gwałtownego spadku proliferacji gatunków w oceanach. W szczególności wpływa to na organizmy, które budują struktury z węglanu wapnia, ponieważ rozpuszcza się on wraz ze wzrostem kwasowości wody. Szczególnie wrażliwe są korale, muszle i szkarłupnie, takie jak rozgwiazdy i jeżowce.
Wody podziemne zawierają dwutlenek węgla. Wody mineralne o dużej zawartości dwutlenku węgla zwane szczawami ( > 1000 mg/dm³) lub wodami kwasowowęglowymi są butelkowane lub wykorzystywane jako źródło dwutlenku węgla. W wodzie przeznaczonej do konsumpcji i technologicznej dwutlenek węgla usuwa się z niej w procesie zwanym odkwaszaniem realizowanym poprzez kontakt wody z powietrzem. Woda w jeziorze może być nasycana od dołu pochodzącym z działalności wulkanicznej lub z rozkładu materiału organicznego, jeżeli w jeziorze nie zachodzi konwekcyjne mieszanie wody, to dolne warstwy wody mogą znacznie nasycić się dwutlenkiem węgla. Tak nagromadzony dwutlenek węgla może nagle wydostać się na powierzchnię, co jest zwane erupcją limniczną powodując drastyczny wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze aż do poziomu śmiertelnego dla ludzi i zwierząt. Zjawiskiem takim była katastrofa nad jeziorem Nyos.
Na innych planetach Dwutlenek węgla jest głównym składnikiem atmosfery Wenus i Marsa. Atmosfera Wenus składa się z 96,5% dwutlenku węgla, ma około 90 razy większą masę i ciśnienie niż atmosfera ziemska. Duża zawartość dwutlenku węgla oraz duża masa atmosfery jest przyczyną bardzo silnego efektu cieplarnianego, co w połączeniu z mniejszą odległością od Słońca niż Ziemia daje temperaturę powierzchni około 480 °C. Dwutlenek węgla stanowi również 96% masy marsjańskiej atmosfery, z powodu niskiego ciśnienia atmosferycznego wynoszącego około siedmiu milibarów, efekt cieplarniany, pomimo wysokiej zawartości dwutlenku węgla, prowadzi jedynie do wzrostu temperatury o około 5 K. W pobliżu biegunów Marsa atmosferyczny dwutlenek węgla zestala się w zimie tworząc czapy polarne (Planum Australe i Planum Boreum). Czapy częściowo sublimują latem, a resublimują zimą.
Atmosfery planet zewnętrznych i ich satelitów zawierają dwutlenek węgla.
Właściwości fizyczne Dwutlenek węgla pod ciśnieniem atmosferycznym, poniżej −78,5 °C jest ciałem stałym, zwanym suchym lodem. Ogrzewany, nie topi się, ale ulega sublimacji, przechodząc bezpośrednio w stan gazowy. W tych warunkach nie ma zatem topnienia ani temperatury wrzenia.
Punkt potrójny dwutlenku węgla, w którym trzy fazy: stała, ciekła i gazowa są w równowadze termodynamicznej, jest w temperaturze −56,6 °C (216,58 K) i ciśnieniu 5,19 bar. Poniżej tego ciśnienia dwutlenek węgla nie występuje jako ciecz.
Temperatura krytyczna wynosi 31,0 °C, ciśnienie krytyczne wynosi 73,8 bar, a gęstość krytyczna wynosi 0,468 g/cm³. Poniżej temperatury krytycznej można skompresować dwutlenek węgla, zwiększając ciśnienie do bezbarwnej cieczy. W temperaturze pokojowej wymagane jest ciśnienie ok. 60 bar.
Stały dwutlenek węgla krystalizuje w układzie regularnym w grupie przestrzennej (grupa nr 205), z parametrem sieci .
Rozpuszczalność w wodzie jest stosunkowo wysoka. W temperaturze 20 °C pod normalnym ciśnieniem nasycenie jest w równowadze z fazą czystego dwutlenku węgla przy 1688 mg/l.
thumb|300px|Wykres fazowy dwutlenku węgla. 1: ciało stałe, 2: ciecz, 3: gaz, 4: płyn nadkrytyczny, A: punkt potrójny, B: punkt krytyczny + Właściwości dwutlenku węglaIndywidualna stała gazowa0,18892kJ/(kg·K)Potencjał niszczenia warstwy ozonowej ODP0Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP1 Właściwości dla temperatury nasycenia −20 °C:Ciśnienie nasycenia16,831barGęstość właściwa cieczy1057,29kg/m³Gęstość właściwa pary44,31kg/m³Entalpia parowania(Ciepło parowania)289,75kJ/kgCiepło właściwe cp cieczy2,154kJ/kgKCiepło właściwe cp pary1,292kJ/kgKWspółczynnik przewodności cieplnej cieczy0,0394W/(m·K)Współczynnik przewodności cieplnej pary0,0164W/(m·K)Lepkość dynamiczna cieczy124,4μPa·sLepkość dynamiczna pary13,64μPa·sLepkość kinematyczna cieczy0,1202μm²/sLepkość kinematyczna pary0,261μm²/sLiczba Prandtla cieczy6,808Liczba Prandtla pary1,073Stała Poissona1,725Wykładnik izentropy1,292Napięcie powierzchniowe8,81mN/m
W kowadle diamentowym pod ciśnieniem rzędu 40–48 GPa (ok. 400–480 tys. atm) uzyskano dwutlenek węgla w postaci amorficznej. Postać amorficzną mają tlenki pierwiastków tej samej grupy układu okresowego: (por. szkło kwarcowe) i , dla których faza taka może istnieć przy dowolnie niskim ciśnieniu, przeciwnie do dwutlenku węgla.
Budowa cząsteczki thumb|Drgania normalne cząsteczki