二酸化炭素（CO₂）の水への溶解度は、地球環境に大きな影響を与える重要な物理化学的性質である。本記事では、室温における二酸化炭素の溶解度の基本的な特性から、海洋酸性化や温暖化との関連について詳しく解説する。
二酸化炭素の溶解度：基本的な性質
室温での溶解度は約0.83 cm³
二酸化炭素の水中への溶解度は室温で約0.83 cm³である。この値は、100 cm³の水に溶ける二酸化炭素の体積を示している。つまり、一定温度・一定圧力下で100 cm³の水が吸収可能なCO₂は約83 cm³となる。溶解度は温度に依存し、温度が上昇するほど低下するという特徴を持つ。
二酸化炭素の溶解と化学反応
CO₂が水に溶けると、一部は以下の化学反応を経て炭酸（H₂CO₃）を形成する。
反応式： CO₂ + H₂O → H₂CO₃
炭酸は不安定で、速やかに以下のような電離を起こす。
電離反応： H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻（炭酸水素イオン）
さらに、HCO₃⁻が部分的に分解してCO₃²⁻（炭酸イオン）が生成する。
これらの反応により、溶解したCO₂は水中のpHを低下させ、酸性化が進行する。
海洋酸性化：CO₂の溶解が引き起こす問題
海洋中での反応とその影響
海水中では、CO₂が水と反応して炭酸水素イオン（HCO₃⁻）と炭酸イオン（CO₃²⁻）を生成する。この過程で生じる水素イオン（H⁺）が海水の酸性化を促進する。以下は海水中での主要な化学反応である。
反応式： CO₂ + H₂O + CO₃²⁻ → 2HCO₃⁻
この反応は、炭酸イオンを消費することで、炭酸塩の形成を妨げる。炭酸イオンは、サンゴや貝殻の形成に必要不可欠な物質であり、その減少は海洋生態系に大きな影響を及ぼす。
酸性化の進行とその結果
現在、大気中のCO₂濃度が急速に増加しており、その一部が海洋に吸収されている。これにより、海水のpHが産業革命以前の約8.2から現在は約8.1に低下している。この変化は一見わずかに思えるが、pHスケールは対数スケールであるため、水素イオン濃度は約30%も増加している。
酸性化が進行すると、以下のような問題が生じる：
- サンゴ礁の白化現象の加速
- 二枚貝やプランクトンの殻形成阻害
- 海洋生物の食物連鎖の崩壊
特に、翼足類（画像参照）は酸性化に敏感な生物であり、これらの生物が影響を受けると、生態系全体に波及する恐れがある。
温暖化と二酸化炭素の溶解度の関係
温度上昇と溶解度の低下
二酸化炭素の溶解度は温度が上昇するにつれて低下する。この性質が、地球温暖化におけるフィードバックループを形成する原因となっている。具体的には、以下のようなサイクルが考えられる：
- 温暖化により海水温が上昇
- 海洋によるCO₂の吸収能力が低下
- 大気中のCO₂濃度がさらに上昇
- 温暖化が加速する
この正のフィードバックが、温暖化をさらに進行させる要因となる。
練習問題：二酸化炭素の溶解と海洋酸性化
問題1
室温（25℃）で、100 cm³の水に溶解するCO₂の体積は約何cm³か。
解答：
83 cm³。
解説：
文中の情報を利用し、室温でのCO₂の溶解度が0.83 cm³/cm³であることから計算する。
問題2
以下の反応で生成されるイオンはどれか。
CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → ?
解答：
H⁺（水素イオン）とHCO₃⁻（炭酸水素イオン）。
解説：
CO₂は水に溶解後、炭酸を形成し、これが電離してH⁺とHCO₃⁻を生成する。
問題3
海洋酸性化が進行すると、海洋生態系にどのような影響が及ぶか。
解答例：
サンゴや貝類の炭酸カルシウム形成が妨げられ、生態系のバランスが崩れる。
解説：
酸性化により炭酸イオンが減少し、石灰質を必要とする生物が影響を受ける。
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