この１年間学んだことをもとにして，酸性雨について考えてみることにしましょう。
今日の勉強の具体的な内容は，次の通りです。
（１）二酸化炭素の溶解
（２）ヘンリーの法則
（３）酸性雨
では，二酸化炭素が水にどの程度溶けるか試してみましょう。
２００５年２月２３日（水） 04ko1-28 環境と化学
| この１年間学んだことをもとにして，酸性雨について考えてみることにしましょう。 今日の勉強の具体的な内容は，次の通りです。 （１）二酸化炭素の溶解 （２）ヘンリーの法則 （３）酸性雨 では，二酸化炭素が水にどの程度溶けるか試してみましょう。 |
 １９ 環境と化学 （１） 二酸化炭素の溶解 ＜実験＞ 注射器（１００ｍｌ ）を使う。  １．１本の注射器に５０ｍｌ の二酸化炭素を取る。 ２．もう１本の注射器に５０ｍｌ の水を入れる。 ３．２本の注射器をつなぐ。 ４．二酸化炭素の入った注射器のピストンを押す。 ５．水と二酸化炭素の入った注射器をよく振る。 ６．水と二酸化炭素全体の体積を調べる。 水の体積は変わらないとする。 ７．水と溶け残った二酸化炭素全体の体積を測定する。 ８．水の体積は５０ｍｌ のままである。 ９．全体の体積から水の体積を引く（これが溶け残った二酸化炭素の体積）。 10．５０ｍｌ から溶け残った二酸化炭素の体積を引く。  |
| よく振ると，結構二酸化炭素が水に溶けていきます。念のため，２００回くらいは注射器を振った方がよいみたいです。うまくいくと，水５０ｍｌ に二酸化炭素は４０ｍｌ 程度溶けます。ちなみに，二酸化炭素の溶解度は，２０℃，１ａｔｍ（１０１３ｈＰａ）のとき，水１ｌ に３．９０×１０−２molとなっています。これを体積に換算すると，約９４０ｍｌ で，水５０ｍｌ には４７ｍｌ 溶けることになります。 |
（２） ヘンリーの法則 ＜実験＞ 溶け残った二酸化炭素を捨て，かわりに空気を入れる。 １．注射器の中の水溶液（炭酸水）をこぼさないように注意して，溶け残った二酸化炭素をすべて出す。 ２．注射器のピストンを下げながら，空気を２０ｍｌ 入れる。 ３．体積の変化がなくなるまで注射器をよく振る。 ４．水と気体全体の体積を調べる。 
ヘンリーの法則…温度が一定で，溶解度の小さい気体が一定量の溶媒に溶けるとき，気体の溶解度（質量）はその圧力に比例する。 |
| 空気を入れてよく振ると，水に溶けていた二酸化炭素が出てきます。不思議ですね。では，実験結果を確認しましょう。 １では，二酸化炭素の体積と水の体積の和が６０ｍｌ になりました。溶け残った二酸化炭素は１０ｍｌ ですから，溶けた二酸化炭素の体積は４０ｍｌ となります。もちろん圧力は大気圧に等しいですから，約１．０ａｔｍです。 ２では，気体の体積と水の体積の和が８９ｍｌ になりました。水の体積は５０ｍｌ ，空気の体積は２０ｍｌ ですから，水溶液から１９ｍｌ の二酸化炭素が出てきたことになります。したがって，このとき水溶液中に溶けている二酸化炭素の体積は，４０−１９＝２１〔ｍｌ 〕となります。また，二酸化炭素の分圧は，１．０×１９/３９＝０．４９〔ａｔｍ〕です。 ３では，気体の体積と水の体積の和が７９ｍｌ になりました。水の体積は５０ｍｌ ，空気の体積は２０ｍｌ ですから，水溶液から９ｍｌ の二酸化炭素が出てきたことになります。したがって，このとき水溶液中に溶けている二酸化炭素の体積は，２１−９＝１２〔ｍｌ 〕となります。また，二酸化炭素の分圧は，１．０×９/２９＝０．３１〔ａｔｍ〕です。
 分圧/体積 の値は，ほぼ一定になりますね。 大気中には，０．０３４ ％の二酸化炭素が含まれていいます。二酸化炭素の溶解度と電離度，分圧の法則を用いて，雨水のｐＨを計算してみると，次のようになります。 ２０℃，１気圧の条件では，二酸化炭素は，水１ｌ に８７０ｍｌ 溶けます。２０℃，１気圧における二酸化炭素の密度は０．００１８ｇ/cm3だから，水１ｌ に約１．６ ｇの二酸化炭素が溶けることになります。しかし，空気中には二酸化炭素は体積で０．０３４％しか含まれていないため，分圧は０．０００３４ａｔｍです。したがって，大気中の二酸化炭素は水１ｌ に０．０００５４ ｇ溶けることになります。その水溶液の濃度は，約０．００００１２mol/ｌ です。 炭酸は，次の２段階で電離します。 Ｈ２ＣＯ３ → Ｈ＋ ＋ ＨＣＯ３− （電離定数：４．４×１０-7） ＨＣＯ３− → Ｈ＋ ＋ ＣＯ３２− （電離定数：５．６×１０-11） 近似的には第１段階の電離だけと考えてもいいので，水素イオン濃度は次のようになります。 水素イオン濃度［Ｈ＋］＝ｃα＝√ｃＫａ＝√（１．２×１０-５×４．４×１０-7）＝√（５．２８×１０-１２）≒２．３×１０-６〔mol/ｌ〕 したがって， ｐＨ＝−log（２．３×１０−６）＝−log２．３＋６＝−０．３６＋６≒５．６ となります。すなわち，大気中に含まれている二酸化炭素の影響で雨水のｐＨは，５．６ 程度であることがわかります。酸性雨の定義がｐＨ５．６以下の雨となっている理由です。  |
（３）酸性雨 大量の石油や石炭などの燃焼によって，大気中に排出される硫黄酸化物（ＳＯ２，ＳＯ３など）や窒素酸化物（ＮＯ，ＮＯ２など）が原因 ＳＯ３＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２ＳＯ４ ３ＮＯ２＋Ｈ２Ｏ→２ＨＮＯ３＋ＮＯ ｐＨ５．６以下の雨 土壌や湖沼の酸性化 生態系に影響 野外の建造物や彫刻が侵される被害 |
環境問題を論じるためには，まだまだ化学の勉強が必要ですね。化学は生活に関係しないと考えていた人が多くいたと思いますが，この１年間で考え方は変わりましたか。いろいろと便利になった生活を送る上で，基本的な化学の知識は不可欠になっています。また，環境問題を正しく判断するためにも，化学の知識は不可欠です。 では，今日の学習内容を確認しましょう。 １．温度が一定で，溶解度の小さい気体が一定量の溶媒に溶けるとき，気体の溶解度（質量）はその圧力に比例します。ｋの法則を何といいますか？→ヘンリーの法則 ２．酸性雨とは，どのような雨のことですか？→ｐＨ５．６以下の雨 ３．酸性雨の原因物質と考えれているものは何ですか？→硫黄酸化物や窒素酸化物 |