脱炭素化を脱炭素化を化学する
Ver.1.0.0

鹿島 長次(2022.10)

目次

1.

まえがき .................................................................................................................................. 4
地球大気中の二酸化炭素の存在感 ............................................................................................ 42.

二酸化炭素の状態 .................................................................................................................. 9二酸化炭素分子の構造 ................................................................................................................ 9
ドライアイスは二酸化炭素の固体 .......................................................................................... 14
将来性のある二酸化炭素の超臨界流体 .................................................................................. 18

3.

地球の歴史と二酸化炭素 .................................................................................................... 22
二酸化炭素は水の中で炭酸に .................................................................................................. 22
地球上には大量の水 .................................................................................................................. 23
大気中に二酸化炭素の少ない地球 .......................................................................................... 27
地中から湧き出す二酸化炭素 .................................................................................................. 31

4.

燃焼と二酸化炭素 ................................................................................................................ 34
周囲の電子の数で決まる原子の性質 ...................................................................................... 34
元素の酸化の状態を示す酸化数
元素の酸化の状態を示す酸化数 .............................................................................................. 38
火の本質は燃焼熱 ...................................................................................................................... 41

5.

生命活動と二酸化炭素 ........................................................................................................ 46
植物の葉っぱは緑色 .................................................................................................................. 46
太陽光で二酸化炭素をブドウ糖へ .......................................................................................... 49
生物はブドウ糖をゆっくり燃やして活力に .......................................................................... 55
酸素無しで棲息する太古の生物 .............................................................................................. 59

6.

日常生活と二酸化炭素 ........................................................................................................ 64
都市ガスと二酸化炭素 .............................................................................................................. 64
窒素肥料と二酸化炭素 .............................................................................................................. 66
セメントと二酸化炭素 .............................................................................................................. 69
水酸化ナトリウムと二酸化炭素 .............................................................................................. 71
パンや菓子と二酸化炭素 .......................................................................................................... 73

7.

人為的な二酸化炭素の排出と脱炭素運動.........................................................................
75
人為的な二酸化炭素の排出と脱炭素運動
近年の大気中の二酸化炭素の変化 .......................................................................................... 75
水素は脱炭素に有効？ .............................................................................................................. 80
電力は脱炭素に有効？ .............................................................................................................. 832水に支配される地球の気候と自然 .......................................................................................... 84
二酸化炭素は温室効果ガス？ .................................................................................................. 86
8.

脱炭素で地球環境を守れる？ ............................................................................................ 90
二酸化炭素は地球を壊さない .................................................................................................. 90
地球の宿命に従うことこそ最善策 .......................................................................................... 92

索引 .................................................................................................................................................. 9531. まえがき
地球大気中の二酸化炭素の存在感
地球大気中の二酸化炭素の存在感
日常の天気予報で 1020hPa（ヘクトパスカル）の高気圧とか台風の中心気圧が 980hPaという解説をしばしば耳にしますが、この気圧の値から地表上に約 1kg/cm2 の重さの大気が載っていると考えることができます。地球の表面積は約 5.1x108km2 と概算されていますから、5.1x1018kg の大気が地球の周囲を覆っていると見積もることができます。砂漠地帯か海上か、都市部か森林地帯か、夏季か冬季か、あるいは昼か夜かなどの環境の違いにより多少の差異がありますが、気温 20℃湿度 50％の時にはこのような大量の大気は平均的に表1-1 に纏めた成分比の 10 種類以上の気体で構成されています。この表から明らかなように窒素（N2）と酸素（O2）が約4：1 の割合で大気の大部分を占めており、水蒸気（H2O）とアルゴン（Ar）がそれぞれ約 1％で次いでいます。窒素とアルゴンはほとんど化学的反応性を示しませんから、有っても無くっても日常生活とは全く無縁の気体で注目を浴びない「空気のような存在」です。酸素も比較的多量に存在しているために日常生活では「空気のような存在」として取り扱われていますが、人間をはじめ多くの生物に常に必要で欠くこ

表 1-1 地球大気の成分
地球大気の成分(気温 20℃、℃、湿度％)℃、湿度 50％
物質N2O2H2OArCO2NeHe
CH4Kr
H2N2OXe

成分(vol％)77.1867
20.70531.14030.92330.041710.001797
0.000518
0.00020.000113
0.00005
0.00005
0.0000086とのできない気体です。
水の融点と沸点はそれぞれ 0℃と 100℃を示しますから、地表の 70％を大量の水が液体の状態で海を形作り、気温の低い極地では固体の氷が分厚く覆っています。このように大量に存在する液体の水と固体の氷が温度に応じた蒸気圧を持っていますからそれぞれ大気中に水蒸気として常に気化しています。水の蒸気圧は温度により大きく変化し、100℃以上では蒸気圧は大気圧と同じ 1013hPa よりも大きくなりますから水は大気を押しのけて水蒸気が充満するように沸騰しますが、人間の生活環境では水蒸気が大気中の約 3％で飽和してしまいそれ以上に多くなることはありません。上限の蒸気圧を飽和水蒸気圧と呼んでいますが、大気中の水蒸気圧がこの飽和水蒸気圧に近ければもはや水はあまり蒸発しませんが、飽和水蒸気圧よりも非常に小さければ水は容易に蒸発して水蒸気になります。そのため、水蒸気の飽和した状態では体温調節のためにかいた汗も蒸発できませんから非常に蒸し暑く感じられますし、ほとんど水蒸気を含まない乾燥した大気中では身体の表面からどんどん水分が蒸発してしまい皮膚はカサカサになり喉が渇きます。洗濯物の乾き方や喉の渇き具合など体感できる大気中の水蒸気圧（ew）が飽和水蒸気圧(Ew)に対する比率に密接に関係しますから、これを式 1-1 のように相対湿度（RH）と定義して気象庁では時々刻々測定しています。

ܴ‫= ܪ‬

ଵ଴଴∙௘ೢ

式 1-1ாೢ

4二酸化炭素は無色無臭の気体で産業革命以前の地球上ではわずかに大気中に約 0.03％（300ppm）しか含まれていませんから日常生活においてほとんど注目されませんでしたが、科学の進歩とともにその性質や挙動が次第に明らかになり、重要な気体と注目されるようになってきました。多くの植物は太陽光による 12 モルの水から 6 モルの酸素への分解反応で生まれた還元する能力により、6 モルの二酸化炭素と 6 モルの水から、1 モルのブドウ糖を生産します。植物の中で起こる光合成あるいは炭酸同化反応と呼ばれる非常に複雑なこの反応で生産された 1 モルのブドウ糖が 6 モルの二酸化炭素と 6 モルの水に分解する
ときには 674kcal の化学エネルギーを放出します。この光合成の過程では太陽光のエネルギーの他に水と二酸化炭素が必須のブドウ糖の原料ですが、植物はブドウ糖と酸素を生産することにより太陽光のエネルギーを化学エネルギーの形に変換して蓄えています。
このように光合成で生産したブドウ糖を基本骨格に持つセルロースのかたちで植物は幹や枝や葉などの組織を形作っていますし、でんぷんや糖類などの炭水化物としてエネルギーを備蓄しています。でんぷんや糖類やセルロースなどのブドウ糖を母核とする炭水化物を多くの植物や動物は大気中の酸素により二酸化炭素まで酸化分解し、その時発生するエネルギーが生命活動を維持するための活力に当てられています。人間などの哺乳類は呼吸することにより肺を通して、この酸化分解に必要な酸素を吸収し、同時に二酸化炭素を排出しています。植物を栄養源とする大部分の微生物や動物も植物の備蓄したでんぷんや糖類やセルロースを分解し、その時発生するエネルギーを活力にして生命活動を維持しています。光エネルギーで水を分解して二酸化炭素からブドウ糖を生合成し供給してくれる植物が全ての生物の食べ物を供給してくれる唯一の頼りなのです
しかし、でんぷんや糖類やセルロースなどのアルコール類までの分解が得意な酵母菌（イースト）のような生物や、晩酌を止められない親父のようなアルコール類の酸化を得意とする生物など得意とする化学反応は生物の種類により異なります。牛や羊などの草食動物はでんぷんや糖類やセルロースなどすべての炭水化物を酸化分解して生命活動を維持するための活力に当てることができますが、人類はセルロースを分解することができませんから、残酷に思われますが牛や羊に草を奮起して食べてもらい、成長したのちに人類の食べ物として犠牲になってもらっています。同じように果物や穀物に含まれるでんぷんや糖類を麹菌や酵母菌などの微生物に食べてもらい、食べ残しのアルコールや糖類やアミノ酸などを人類は横領します。小麦粉やブドウの果実を微生物に食べてもらい排泄する二酸化炭素とアルコールを集めたビールやシャンパンは人類の最も好む飲み物です。また、小麦粉を酵母菌とともに水で練り酵母菌に奮起してもらいアルコールとともに二酸化炭素を排泄してもらいますと、小麦粉の塊の中に小さな二酸化炭素の泡が溜ります。この二酸化炭素を包み込んだ小麦の塊を 180～250℃の高温で焼きますと二酸化炭素が体積を急激に膨張させますから、塊は大きく膨張し焼結してパンになります。日本人は小麦粉が少なく二酸化炭素の泡だらけの軽いパンを好むように思います。
多くの生物はその体内で還元状態の物質を大気中の酸素で酸化して、そのとき発生す5るエネルギーを活力にして生命維持をしていますが、高温に加熱しますと大気中に含まれる酸素とそれらの物質が急激に酸化分解反応して二酸化炭素を生成するとともに急激に熱エネルギーを発散します。この高温における酸化分解は燃焼と呼ばれて、人類はその制御の技術を会得し熱エネルギーを自由に利用できるようになりました。その後、でんぷんや糖類やセルロースなどを多く含む枯草や薪ばかりでなく木炭や石油や石炭などのより大きな熱エネルギーを容易に発散する物質まで燃焼するようになりました。
文部科学省が定めている学習指導要領の中の小学校理科の観察、実験の手引き詳細は、6 年生が瓶の中に火の点いたろうそくを入れ，蓋をして燃える様子を観察して「燃焼の仕組み」を学ぶように取り上げています。著者も図 1-1 のように広口試薬瓶の中にろうそくを置き、図 1-1（A）のようにろうそくに点火しましたが、まもなく図 1-1（C）～（F）のようにろうそくの炎は小さくなり 1 分以内に図 1-1（G）のように鎮火してしまいました。
この現象はろうそくの燃焼により試薬瓶の中の酸素が消費され二酸化炭素が発生したためと説明されています。火を使うことは文明の発展の基礎となるものですが、図 1-1 の実験からも明らかなように酸素の存在が必須ですが大気中には 20 ％以上の酸素が含まれていますから、一般的な生活環境においてはあまり注目されず、二酸化炭素が燃焼において最も強力な邪魔物として注目されるようになりました。

A

BCDE
F
図 1-1 密閉空間でのろうそく密閉空間でのろうそくの燃でのろうそくの燃焼の燃焼実験
古生代カンブリア紀に発生した三葉虫などの節足動物は古生代を通じて広大な海水域を利して繫栄しましたが、2.5 億年前に地球が冷え込んだ折に海水面が極端に低くなり生活圏の縮小に連れて大絶滅に結び付いたと考えられています。恐竜は中生代三畳紀に地球上に現れ、中生代を通して進化し大きな身体を利して繁栄をしましたが、中生代白亜紀の自然環境の大きな変化に伴いその体の大きさが逆に不利に働いて滅亡に向かいました。
300 万年前からの氷河期には厳しい寒さに耐性の強い大きな身体のマンモス象が植物の生育も遅くなりユーラシア大陸からアメリカ大陸にかけて広がった草原の草を食べていましたが、氷河期の終焉とともに草原は針葉樹林に変化してしまい食物の草が減少したために大きな身体を保つことができず絶滅してしまいました。「祇園精舎の鐘の声、諸行無常の響きあり。沙羅双樹の花の色、盛者必衰の理をあらはす。奢れる者も久しからず、ただ春の夜の夢のごとし。猛き者もつひにはほろびぬ、ひとへに風の前の塵に同じ。」これは平家物語の冒頭の一節ですが、ある環境に適した能力を利して繁栄した生物が環境の変化とともにその能力が仇となって、滅亡に向かう傾向は自然の摂理と考えることができます。
森の中で木と木が擦れ合い摩擦熱により高温に達しますと木が煙を出して燻りますが、6

さらに燃え易い木の枝や枯葉が近くにありますと炎を挙げて燃え始めます。このようにして自然界では山火事がしばしば発生しますが、多くの動物が山火事の折にはただ逃げ惑うのに対して、人類はこの山火事を恐れることなくその原因となる摩擦熱から人為的に火を熾す技術を習得しました。火傷や二酸化炭素による窒息死などの失敗経験をもとに、人類は火を熾して寒さを凌ぎ、襲ってくる動物の攻撃を防ぎ、山を焼いて農耕に利用してきました。焚火の火を利用して銅を製錬し、青銅製の精巧な道具を作ることができましたから、獰猛な獣も敏捷な鳥類も人類の餌食にすることができました。さらに、高温の火を利用することが工夫されて初めて鉄器が作られましたから、性能の高い道具や武器を利用できるようになりました。物を燃やして動力に変換する技術を Watt が開発して、産業革命を引き起こしました。Nobel が物を短時間に激しく燃やす技術の開発に成功しましたが、その強力な破壊力は土木技術の向上ばかりでなく武器弾薬の進歩に繋がりました。Siemens らの多くの発明は物を燃やすことにより電気を生み出し、あらゆる面で便利で豊かな日常生活を可能にしました。
人類が言語や文字や道具や農耕などの文明を持っているために霊長類と名乗って威張っていますが、小鳥の四十雀が言語を使って情報交換をしていると聞いたことがあります
し、猿は種々の道具を用います。しかし、人為的に物を燃やすことによって熱を自由に生活に利用できるようになりましたから、火を使いこなすことにより初めて人類は多くの動物から差別できる文明を供えたと思われます。物を燃やすことこそが他の生物から優位に立つことのできた知識であり技術であり、文明の発展の基礎となるものです。
このように人類の歴史の過程において、有効にしかも大量に火を使うことが天下を制し、生活の向上に繋がりましたから、人類は競って火遊びをするようになりました。結果として地球を征服したと思いあがっている人類はその本来の身体能力を補うように、石油や石炭をどんどん燃やして地球狭しと動き回り、生活環境を快適にすべく夏は厚着をして冷房下に事務を執り、冬は暖房した部屋でアイスクリームを食べ、昼間のように煌々と灯りを点して昼夜の別なく活動しています。自然の摂理に反するようなこの人類の驕りと贅沢が気温の上昇をもたらし、ひいては度重なる天変地異を引き起こす原因となっているのかもしれません。もし人類の贅沢が気温の上昇、大気の汚染、自然の破壊などを引き起こし、これらの変化を原因とする天変地異が地球環境の破壊に繋がるものであれば、由々しき問題と考えなければなりません。
盛者必衰の自然の摂理に従えば、火を使いこなすことにより霊長類と名乗って最も高等に進化した生物と思いあがっていますが、その火を使う技術と知見が人類を滅ぼす最も強力な仇として働くと考えられます。本書では化学的な知識や思考方法を基にして二酸化炭素の性質や地球上における挙動や人類との関係などについて独善的に考えてみようと思います。火を使うときに発生する二酸化炭素について化学的な知識を基にして考えることから、何か一つでも化学の研究や教育に役立つものが見つけ出せれば良いと思っております。また、化学に関係の深い二酸化炭素について考えることで世情を揺るがす脱炭素問題

7などを考える上で助けになれば、本書はさらなる意義を持つことになると思われます。

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