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二酸化炭素と石灰水
問題
石灰水に二酸化炭素を通じると生成する物質として、適切なものは、次のうちどれか。
奈良県
解 説
石灰水は、消石灰とも呼ばれる白色粉末「水酸化カルシウム」$\ce{Ca(OH)2}$の飽和水溶液です。
石灰水と二酸化炭素の中和反応を、酸性酸化物$\ce{CO₂}$と塩基$\ce{Ca(OH)₂}$の中和反応と考えます。
$\ce{ CO₂+H₂O→H₂CO₃} \tag{1}$
$\ce{H₂CO₃+Ca(OH)₂→CaCO₃+2H₂O } \tag{2}$
(1)＋(2)
$\begin{align*} \require{cancel} \mathrm{ CO_₂ + \cancel{H_{₂}O} \hspace{31pt} → \bcancel{H₂CO₃ } \\ \\ \bcancel{ H_{₂}CO_{₃} } + Ca(OH)_{₂} → CaCO_{₃} + \cancel{ 2} H_{₂}O \\ \\ ゆえに\\ CO_2 + Ca(OH)_2 → CaCO_3 + H_2 O } \end{align*} $
選択肢(3)$\ce{CaCO3}$が適切となります。
端的に申し上げますと、炭酸$\ce{CaCO3}$とは水に二酸化炭素を溶かしたものです。
細かく言うと、解けている$\ce{CO2}$分子の一部に水分子が付加し、炭酸$\ce{H2CO3}$となります。$\ce{CO2}$のまま水に溶けている分子もあります。
下の式で示すように炭酸はとても不安定な化合物で、軽い衝撃や温度が高くなるとすぐに水$\ce{H2O}$と二酸化炭素$\ce{CO2}$に分解されてしまいます。
典型的な例として、コーラなどのペットボトルの炭酸飲料は落としたり衝撃を与えてからすぐ開けると勢いよく飛び出してしまいます。
$\ce{H2CO3 → H2O + CO2}↑$
特に一般的に、炭酸$\ce{CaCO3}$が分解されて出てきたガスのことを、炭酸ガス$\ce{CO2}$と呼びます。
化学初心者の当web_site管理人は、炭酸と炭酸ガスの違いが何のことかわからなくて混乱しました。
【余談です。】
$\ce{CO2}$は、無極性分子ですが、$\ce{O^{δ-} = C^{δ+} = O^{δ-} }$のように部分的な極性をもつので、水に少し溶けます。
またその一部が反応して、炭酸$\ce{H2CO3}$を生じます。
ただし、炭酸$\ce{H2CO3}$は水溶液中のみに存在する弱酸で、ある濃度以上になると、必ず$\ce{CO2}$と$\ce{H2O}$に分解してしまい、空気中に取り出すことはできません。
$\ce{CO2}$を石灰水に通じると、水に不溶性の炭酸カルシウムを生じて白濁します。
$\begin{align*} \mathrm{ CO_2 + Ca(OH)_2 → CaCO_3 ↓ + H_2 O } \end{align*} $
重要なので繰り返しますが、石灰水（$\ce{Ca(OH)2}$の飽和水溶液）は強いアルカリ性（強塩基）を示し、二酸化炭素がとけ込むと炭酸カルシウムができて白濁します。
この性質を利用して、二酸化炭素の有無を調べることができます。
さらに二酸化炭素を通じ続けると、水に可溶性の炭酸水素カルシウムを生じて白濁は消えます。
$\begin{align*} \mathrm{ CaCO_3 + CO_2+ H_2 O → Ca(HCO_3 )_2 } \end{align*} $
- 用途
建築用、肥料、サラシ粉、豆炭、練炭、非鉄金属、パルプ、製紙、食品添加物、農薬化粧品原料（清浄用化粧品、頭髪化粧品、基礎化粧品、メークアップ化粧品、芳香化粧品、日焼け・日焼け止め化粧品、爪化粧品、口唇化粧品、口腔化粧品、入浴用化粧品） - 形状
結晶又は粉末 - 色
無色又は白色 - 溶解度
水に微溶 - 化学的安定性
大気中で炭酸ガス＊を吸収し、漸次炭酸カルシウムとなる。 加熱すると分解し、酸化カルシウムを生じる。
＊炭酸ガスは気体の二酸化炭素を意味します。二酸化炭素の固体がドライアイスで、二酸化炭素の液体が液化炭酸ガスです。
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