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2004年2月の記事

2004.02.11

石灰石はなぜ水に溶けるのか

子どもの頃から洞窟の中を探検する物語が大好きだった。特に流れる水の奥に潜む白く輝く鍾乳洞の広場を発見したいという欲求はかなり本格的なものだった。それは大人になっても続き、各地の鍾乳洞は結構行っている。
そこで、不思議に思ったのは、なぜ、石灰岩は水に溶けるのかということだ。そもそも石灰岩とは何なのだろうか。
調べてみた。

石灰岩とは・・・
石灰岩の主成分は炭酸カルシウムだ。
CaCO3だ。
ようするに貝殻等と同じ成分。
石灰岩の中には多くの化石が含まれている。
アンモナイトや三葉虫、珊瑚の化石が出てくる。
そう、石灰岩の本体は珊瑚の骨格部分だったのだ。
過去の長い地球の歴史の中で、珊瑚は多くの二酸化炭素を取り込んで自らの骨格を創り上げていった。
これ以外に無機的に作り上げられた石灰岩もあるが、主な石灰岩は珊瑚等の系統と見られるそうだ。
すごい量が存在するのだから、それだけ長い地球の歴史を感じますね。

ところで、本題ですが、石灰岩がなぜ溶けるのだろうか。
石灰岩は純粋の水と自然界の水では溶け方が違うとのこと。
秘密はなんと「二酸化炭素」にあった!

水に二酸化炭素が多く含まれると石灰岩をより多く溶かせるとのこと。
しかも水の温度は低い方が溶かす力が強いとのこと。
理由は、CO2は水の温度が低い方が多く溶けるからだそうだ。

自然界には空気中にも、地中にも多くの二酸化炭素が存在している。
バクテリアの活動によるものや動物タンパクの分解、植物根の活動などで豊富に存在している。
それを溶かし込みながら水は地中に伝わっていく。
さらにphが低くなればなるほど、溶かす力が強くなる。
ということで、水は石灰質の岩を溶かす力を増していくそうです。
自然界の不思議な連鎖が石灰岩を溶かしているのですね。

溶ける仕組みの化学式をのせておきます。
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CaCO3(固体)←→Ca2++CO32‐・・・・(1)
炭酸カルシウム  カルシウムイオン+炭酸イオン

土中や水中で気体としてのCO2が水のなかに溶けると・・・
 
CO2+H2O←→H2CO3・・・・(2)
H2CO3←→H++HCO3-・・・・(3)

(1)で生成した炭酸イオンと(3)で生成した水素イオンが結合して炭酸水素イオンを形成する.

H++CO32-←→HCO3-・・・・(4)

(4)式が右へ進行したために減少した,炭酸イオンと水素イオンを供給するために,(1)及び(3)式で示される平衡反応が右へ進み,炭酸カルシウムの溶解が起こる.

山口大学洞窟研究会より
http://sty.cc.yamaguchi-u.ac.jp/~speleo/
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