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コメント(21)
● 二酸化炭素などの気体は水に溶け込みます
気体の分子は、水に溶け込みます。魚が水中でえら呼吸できるのは、水に酸素が溶け込んでいるからだし、ビールやサイダーから出る泡は二酸化炭素です。海水にも二酸化炭素が溶け込んでいます。
じつは、水には、ほっといても空気の気体成分が一定量溶け込んでいます。溶け込む量は、水と接している空気に含まれるそれぞれの成分の分圧で決まります。つまり、空気に含まれるその気体の濃度に応じて水に溶け込み、濃度が高くなれば水に溶け込む量も増える。つねに平衡状態を保つわけです。
・ヘンリーの法則
「一定温度のもとで液体に溶解する気体の量（質量）は，その液体と平衡状態にあるその気体の分圧に比例する」
気体の分子は、水に溶け込みます。魚が水中でえら呼吸できるのは、水に酸素が溶け込んでいるからだし、ビールやサイダーから出る泡は二酸化炭素です。海水にも二酸化炭素が溶け込んでいます。
じつは、水には、ほっといても空気の気体成分が一定量溶け込んでいます。溶け込む量は、水と接している空気に含まれるそれぞれの成分の分圧で決まります。つまり、空気に含まれるその気体の濃度に応じて水に溶け込み、濃度が高くなれば水に溶け込む量も増える。つねに平衡状態を保つわけです。
・ヘンリーの法則
「一定温度のもとで液体に溶解する気体の量（質量）は，その液体と平衡状態にあるその気体の分圧に比例する」
● 二酸化炭素は水に溶けるとどうなるか？
水に溶けた二酸化炭素は、
1.ガスとしての二酸化炭素が溶け込んだ形で、
2.水と結びつき水素イオンと炭酸水素イオンに解離した形として、 さらに
3.水素イオンと炭酸イオンに解離した形として、 存在します。
水に溶けたガスとしての二酸化炭素が、水素イオンと炭酸水素イオンや炭酸イオンに解離する反応、あるいは逆に水素イオンと炭酸水素イオンから二酸化炭素と水が生成される反応は、下記のように表せます。これは可逆の反応です。
ＣＯ2（二酸化炭素）＋ Ｈ2Ｏ（水）・・・・・・・・・・・・・（1）
⇔
Ｈ^+（水素イオン）＋ ＨＣＯ^3-（炭酸水素イオン）・・・・・・（2）
⇔
２Ｈ^+（水素イオン）＋ ＣＯ3^2-（炭酸イオン）・・・・・・・・（3）
水に溶けた二酸化炭素が、どんな形でどれぐらいの比率で存在するかは、水のpHによります。アルカリ性の水では炭酸の比率が多くなり、pH8.3以上で100％炭酸の形となります。pHが酸性になると二酸化炭素として溶ける比率が多くなり、pH5.3以下になると100％二酸化炭素の形になります。つまりpHに応じた化学平衡が成り立っているわけです。
これは、海水中の二酸化炭素が、海水のpHと化学的に関連していることを意味します。地球温暖化問題では、大気中二酸化炭素の増加によって海水が酸性化していると言われますが、個人的には逆の見方つまり海水が酸性化したので大気中二酸化炭素濃度が増えた、という見方もできなくもないという気がします。
海水のpHは、8.1ぐらいで、弱アルカリ性です。なので、海水には炭酸水素イオンや炭酸イオンが存在します。その割合は、炭酸水素イオン：炭酸イオン：ガスとして溶け込む二酸化炭素が、100：10：1ぐらいだそうです。
水に溶けた二酸化炭素は、
1.ガスとしての二酸化炭素が溶け込んだ形で、
2.水と結びつき水素イオンと炭酸水素イオンに解離した形として、 さらに
3.水素イオンと炭酸イオンに解離した形として、 存在します。
水に溶けたガスとしての二酸化炭素が、水素イオンと炭酸水素イオンや炭酸イオンに解離する反応、あるいは逆に水素イオンと炭酸水素イオンから二酸化炭素と水が生成される反応は、下記のように表せます。これは可逆の反応です。
ＣＯ2（二酸化炭素）＋ Ｈ2Ｏ（水）・・・・・・・・・・・・・（1）
⇔
Ｈ^+（水素イオン）＋ ＨＣＯ^3-（炭酸水素イオン）・・・・・・（2）
⇔
２Ｈ^+（水素イオン）＋ ＣＯ3^2-（炭酸イオン）・・・・・・・・（3）
水に溶けた二酸化炭素が、どんな形でどれぐらいの比率で存在するかは、水のpHによります。アルカリ性の水では炭酸の比率が多くなり、pH8.3以上で100％炭酸の形となります。pHが酸性になると二酸化炭素として溶ける比率が多くなり、pH5.3以下になると100％二酸化炭素の形になります。つまりpHに応じた化学平衡が成り立っているわけです。
これは、海水中の二酸化炭素が、海水のpHと化学的に関連していることを意味します。地球温暖化問題では、大気中二酸化炭素の増加によって海水が酸性化していると言われますが、個人的には逆の見方つまり海水が酸性化したので大気中二酸化炭素濃度が増えた、という見方もできなくもないという気がします。
海水のpHは、8.1ぐらいで、弱アルカリ性です。なので、海水には炭酸水素イオンや炭酸イオンが存在します。その割合は、炭酸水素イオン：炭酸イオン：ガスとして溶け込む二酸化炭素が、100：10：1ぐらいだそうです。
● 海中では、炭酸カルシウムが生成される
海水にはカルシウムイオンが溶け込んでおり、サンゴなどの海中生物は、カルシウムイオンと炭酸水素イオンによって炭酸カルシウムの骨格をつくります。この化学反応は下記のように表せます。
Ca^2+（カルシウムイオン） ＋ ２ＨＣＯ^3-（炭酸水素イオン）・・・・・（4）
⇔
CaCO3（炭酸カルシウム） ＋ H2O（水） ＋ CO2（二酸化炭素）・・・・・（5）
これも可逆の化学反応で、pHに応じて化学平衡が成り立ちます（言い方を変えれば、化学平衡によって一定のpHが保たれていると言えます）。
ここで、上記の（5）式で、CO2（二酸化炭素）が生成されていることに着目してください。1モルの炭酸カルシウムの生成過程では、1モルの二酸化炭素が放出されます。 よく、サンゴなどにより海水中に炭酸カルシウムを生成されることで、大気中二酸化炭素が減ると考えがちですが、それは誤りです。
海水にはカルシウムイオンが溶け込んでおり、サンゴなどの海中生物は、カルシウムイオンと炭酸水素イオンによって炭酸カルシウムの骨格をつくります。この化学反応は下記のように表せます。
Ca^2+（カルシウムイオン） ＋ ２ＨＣＯ^3-（炭酸水素イオン）・・・・・（4）
⇔
CaCO3（炭酸カルシウム） ＋ H2O（水） ＋ CO2（二酸化炭素）・・・・・（5）
これも可逆の化学反応で、pHに応じて化学平衡が成り立ちます（言い方を変えれば、化学平衡によって一定のpHが保たれていると言えます）。
ここで、上記の（5）式で、CO2（二酸化炭素）が生成されていることに着目してください。1モルの炭酸カルシウムの生成過程では、1モルの二酸化炭素が放出されます。 よく、サンゴなどにより海水中に炭酸カルシウムを生成されることで、大気中二酸化炭素が減ると考えがちですが、それは誤りです。
● 海水のカルシウムイオンは、どこから供給されるのか？
海水中の化学反応で生成された炭酸カルシウムは、やがて地殻変動で地表に移動し石灰岩となるわけですが、それでは、海水中のカルシウムイオンはいったいどこから供給されるのでしょう？
雨水には大気中二酸化炭素が溶け込んでいます。
雨水に溶け込む二酸化炭素も大気中濃度と化学平衡が成り立ちます。二酸化炭素の分圧P=350×10^-6[atm]として、ヘンリーの法則から平衡状態となる溶解度を求めると、11.9×10^-6[mol/L]。これより解離する水素イオン濃度を求めると、2.3×10^-6[mol/L]。これをpHで表すと5.6となります。つまり、自然の状態では（大気汚染の影響が無ければ）、雨はpH5.6の弱酸性となります。
この二酸化炭素が溶け込んだ雨が、岩石を風化させ炭酸カルシウムを溶かす、つまりカルシウムイオンと炭酸水素イオンに解離させます。このカルシウムイオンが河に流れて海に運ばれる。海水のカルシウムイオンは、地表の岩石の風化によって供給されるのです。
つまり、雨が地表の岩石を風化させる過程で、雨水に溶け込んだ大気中の二酸化炭素が使われています。このように、石灰岩の生成と風化を総合的に捉えることで、二酸化炭素の循環を理解することができるのだと思います。
海水中の化学反応で生成された炭酸カルシウムは、やがて地殻変動で地表に移動し石灰岩となるわけですが、それでは、海水中のカルシウムイオンはいったいどこから供給されるのでしょう？
雨水には大気中二酸化炭素が溶け込んでいます。
雨水に溶け込む二酸化炭素も大気中濃度と化学平衡が成り立ちます。二酸化炭素の分圧P=350×10^-6[atm]として、ヘンリーの法則から平衡状態となる溶解度を求めると、11.9×10^-6[mol/L]。これより解離する水素イオン濃度を求めると、2.3×10^-6[mol/L]。これをpHで表すと5.6となります。つまり、自然の状態では（大気汚染の影響が無ければ）、雨はpH5.6の弱酸性となります。
この二酸化炭素が溶け込んだ雨が、岩石を風化させ炭酸カルシウムを溶かす、つまりカルシウムイオンと炭酸水素イオンに解離させます。このカルシウムイオンが河に流れて海に運ばれる。海水のカルシウムイオンは、地表の岩石の風化によって供給されるのです。
つまり、雨が地表の岩石を風化させる過程で、雨水に溶け込んだ大気中の二酸化炭素が使われています。このように、石灰岩の生成と風化を総合的に捉えることで、二酸化炭素の循環を理解することができるのだと思います。
4で、海中で生成する炭酸カルシウムのことを書きましたが、海洋には大気の60倍もの炭素があって、海面では、海水と大気の二酸化炭素は平衡状態にあります。
「大気に排出された人為起源の二酸化炭素は、半分が大気に残留して蓄積する」という話を眼にすることがありますが、これは、毎年増加する二酸化炭素の量は、人為的二酸化炭素の排出量の半分量に相当するという意味なので注意が必要です。
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
「二酸化炭素は大気、海洋、陸上生物圏の間を循環しており、それぞれ異なる時間スケールのさまざまな過程を通じて、大気中から除去される。大気中の二酸化炭素の滞留時間は、その吸収放出のメカニズムによって変わるため、単一に定めるのが困難である。大気と陸上生物圏及び海洋との間の交換量から見積もられる大気中の二酸化炭素の滞留時間（寿命）は約5年であるが、大気に二酸化炭素が付加されたときに大気・海洋表層間で平衡に近づくには、付加された炭素が海洋表層水から中深層に移動するために最大200年の応答時間を要するとみられている。そのため、IPCC（2001）によると大気中での二酸化炭素の滞留時間は5〜200年とされている。
（気象庁 大気・海洋環境観測報告第8号 2008）より
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
大気中の二酸化炭素の滞留時間は約5年だが、大気・海洋間で平衡に近づくには最大200年の応答時間 を要する、とあります。
「大気に排出された人為起源の二酸化炭素は、半分が大気に残留して蓄積する」という話を眼にすることがありますが、これは、毎年増加する二酸化炭素の量は、人為的二酸化炭素の排出量の半分量に相当するという意味なので注意が必要です。
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「二酸化炭素は大気、海洋、陸上生物圏の間を循環しており、それぞれ異なる時間スケールのさまざまな過程を通じて、大気中から除去される。大気中の二酸化炭素の滞留時間は、その吸収放出のメカニズムによって変わるため、単一に定めるのが困難である。大気と陸上生物圏及び海洋との間の交換量から見積もられる大気中の二酸化炭素の滞留時間（寿命）は約5年であるが、大気に二酸化炭素が付加されたときに大気・海洋表層間で平衡に近づくには、付加された炭素が海洋表層水から中深層に移動するために最大200年の応答時間を要するとみられている。そのため、IPCC（2001）によると大気中での二酸化炭素の滞留時間は5〜200年とされている。
（気象庁 大気・海洋環境観測報告第8号 2008）より
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大気中の二酸化炭素の滞留時間は約5年だが、大気・海洋間で平衡に近づくには最大200年の応答時間 を要する、とあります。
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