福島県教育センター所報ふくしま　No.43（S54/1979.10） -006/034page

　図1の関係からわかるように，リトマス紙はPH4.5以下のとき青リトマス紙が赤変し，PH8.0以上のとき赤リトマス紙が青変する。PHが4.5と8.0の間の溶液は，青，赤いずれのリトマス紙も変色しないので「リトマス紙に対して中性」の溶液になる。小学校ではこのような溶液を中性であると教えている。このように，リトマス紙の変色範囲は広いので大まかな分類にはよいが，細かな測定には不向きなので他の試験紙を用いる。

2　ニ酸化炭素（CO ₂ ）を溶かした溶液のPH

　小学校では炭酸水（二酸化炭素を溶かした溶液）の液性が酸性を示すことをリトマス紙で調べている。中学校では，二酸化炭素の化学的性質の1つとしてリトマス紙との反応を挙げている。
　二酸化炭素の水溶液はどの程度の酸性を示すのだろうか。例えば，20℃で1気圧の二酸化炭素を吹き込むと，気体の溶解度から考えて1l中に880mlが溶解する。溶解したCO ₂ は次式の平衡状態をとり，溶液中にH ^＋ を出すので酸性を示す。
　CO ₂ ＋H ₂ 0　⇔　H ⁺ ＋HCO ₃ ^-
（またはCO ₂ ＋H ₂ 0　⇔　H ₂ CO ₃ 　⇔　H ⁺ ＋HCO ₃ ^- ）
　HCO ₃ ^- 　⇔　H ⁺ ＋CO ₃ ^2-
　溶解したCO ₂ は，ほとんど気体のままで存在し，ごく僅かしかH ⁺ を出さないので弱酸性である。CO ₂ を飽和させた溶液のPHは約3.92である。

　　　　　　　　図2　CO ₂ の溶解とPHの関係
激しく発生するCO ₂ を純水（PH＝6.40）50mlに吹き込むと図2のような変化をとって約4〜5分で過飽和になりPH＝3.87位の一定値を示す。発生を止めると2〜3分でPH＝3.93位になり，その後，徐々にPH値が上って来る。
　二酸化炭素が水に溶けて酸性を示す実験は，石灰石に20％（約6M）塩酸（濃塩酸と水をほぼ同体積混合した塩酸）を加えて発生するCO ₂ を水に吹き込み，2分位経過してから青色リトマス紙を入れれば十分観察できる。
　市販の炭酸水のPHは王冠を取った直後は約4.17（気泡が激しく発生している状態）を示すが，30分後には，4.55位になってしまうので，リトマス紙の変色範囲から考えて，出来るだけ開封直後に測定する。
　PH値が大きくなっていくのは，溶解しているCO ₂ が空気中に逃げてしまうからである。空気中の二酸化炭素の含量は約0.03％なので，大気圧が1気圧の時二酸化炭素による圧力は，成分の体積比に比例するので，3×10 ^-4 気圧になり，溶液中のCO ₂ はどんどん空気中に逃げて，20℃で1lに0.26mlしか溶けない。このときのPHは約5.73である。従って，PH4.6位の炭酸水は，過飽和状態なので，かきまぜたりすると更にCO ₂ が出て来る。
　空気と接触している水は，二酸化炭素が溶解している。従って，純水を空気中に放置しておくと，PH5.73位の弱酸性を示すようになる。純水がそれ以下の酸性を示すときは，CO ₂ 以外の溶解が考えられる。
　二酸化炭素の溶解によるPHの変化は次式によって〔H ⁺ 〕を求め，その値を（1）式に代人して計算する。
〔H ⁺ 〕 ³ ＋K ₁ 〔H ⁺ 〕 ² −〔CO ₂ 〕K ₁ 〔H ⁺ 〕−K ₁ ・K _w 　＝　0　（2）
　但し，
　　　K ₁ はCO ₂ の第一電離定数　3.5×10 ^-7
　　　K _w は水のイオン積　　　1.0×10 ^-14
　　〔CO ₂ 〕は溶解するCO ₂ のモル濃度
　例えば，
　　　CO ₂ の吸収係数0.88　（20℃）
　　　空気中のCO ₂ の分圧　3×10 ^-4 気圧
とすると，空気と接触している水のCO ₂ の濃度は次の値をとる。
〔CO ₂ 〕＝　0.88／22.4×3×10 ^-4 　＝　1.18×10 ^-5 　M／l
（2）に代入して，〔H ⁺ 〕＝　1.86×10 ^-4 が求まり
（1）式から　PH＝5.73となる。