ドライアイスによる酸欠とｐＨ

密閉した小部屋で、大量のドライアイスを昇華させた場合、部屋が酸欠になると聞いています。人が倒れる酸欠時の酸素濃度から逆算して、その部屋で何kgのドライアイスまで、自然昇華しても大丈夫でしょうか。
また、流し台にドライアイスを捨てたところ、常時流れている水道水と混ざって、排水ｐＨ値が６．０を切ってしまいました。何kgのドライアイスと何リッターの水を混ぜると、ｐＨがいくつになるのか、いずれも計算式を教えて下さい。おそれいりますが、まったく化学系が苦手なものですから、解りやすくお教え願います。よろしくお願いいたします。

No.1 回答者： myeyesonly 回答日時： 2004/03/15 15:32

こんにちは。

まず酸欠についてですが、かなり誤解があるように見受けます。
二酸化炭素による酸欠の特徴は、比重が重いため、低い方に高濃度に貯まることです。
特に温度が低いドライアイスではこの現象が顕著に表れる事でしょう。
ですので、全部の空気を攪拌して均等濃度にして計算した安全値は全く使えません。
ちなみに、７％程度の濃度の二酸化炭素で、意識を失います。

http://ja.wikipedia.org/wiki/二酸化炭素

例えば、部屋の床３０ｃｍ程度まで、７％の二酸化炭素が貯まっただけでも、床に寝れば窒息死しますが、同じ量の二酸化炭素で天井までの高さが２ｍ位の部屋だったら攪拌して均等の濃度にしてしまえば窒息する事はありません。気持ち悪くなったり頭痛とかはしますが。

排水のｐHですが、炭酸水（二酸化炭素の水溶液）は、ｐＨ４以上では炭酸が電離しなくなります。
つまり最も低いｐＨは４までは炭酸だけで達しえます。

この回答への補足

ありがとうございます。完全に攪拌したと仮定して計算できますでしょうか。よろしくお願いいたします。

補足日時：2004/03/15 19:15

この回答へのお礼

ありがとうございました。お礼を申し上げます。

お礼日時：2004/03/30 07:32

No.2 回答者： Julius 回答日時： 2004/03/15 17:21

酸欠については回答が出ているようですので、

pHについて簡単に計算してみました。

CO2は水に溶けると一部がH2CO3となり、
更にその一部がHCO3^-に、更にその一部がCO3^2-になります。
25℃における酸解離定数は以下の通りです。

[H+]*[HCO3^-]/[CO2 + H2CO3] = 10^-6.35 (pKa = 6.35,
　　　　CO2の状態を除いた真のpKaは3.92)
[H+]*[CO3^2-]/[HCO3^-] = 10^-10.33 (pKa = 10.33)
[H2CO3]/[CO2] = 0.0037 (つまり酸解離していない炭酸は、
　　　　圧倒的にCO2の形で水に溶けている。)

酸性条件ではCO3^2-の濃度はほぼ無視できますので、
[H+] = 10^-6 mol/L (pH = 6)とすると、

[H+] ≒ [HCO3^-] = 10^-6 mol/L
[CO2] + [H2CO3] = 10^-5.65 mol/L

これらから水に溶け込んでいる全てのCO2由来種は、

[CO3^2-] + [HCO3^-] + [CO2] + [H2CO3] ≒ 3.24 x 10^-6 mol/L

CO2の分子量は44.01ですので、これは0.143 mg/Lに相当し、
pH = 6では余りCO2が溶けていないことになります。

CO2は水に0.0370 mol/L (1.62 g/L相当)も溶解しますが、
上式を使って若干複雑な計算を解くと、
飽和炭酸水のpHは3.89になります。

[H+] ≒ [HCO3^-] = 1.28 x 10^-4 mol/L
[CO2] = 3.67 x 10^-2 mol/L
[H2CO3] = 1.36 x 10^-4 mol/L

この回答への補足

ありがとうございます。質問の「何kgのドライアイスと何リッターの水を混ぜると、ｐＨがいくつになるのか」という答えが欲しいのですが、後半の[H+] ≒ [HCO3^-] = 1.28 x 10^-4 mol/L
[CO2] = 3.67 x 10^-2 mol/L
[H2CO3] = 1.36 x 10^-4 mol/Lという答えに、それが出ているのでしょうか。よろしくお願いいたします。

補足日時：2004/03/15 19:17

No.3 ベストアンサー 回答者： Julius 回答日時： 2004/03/15 19:45

答えは文中に書いたつもりですが...

1 Lの水にCO2 0.143 mgでpH = 6.00
1 Lの水にCO2 1.62 g(飽和炭酸水)でpH = 3.89

1 Lの水に対してはkgスケールのドライアイスは溶けません。

ついでに7 %の致死量に達するドライアイスの量は、
仮に10 m^3の小部屋で、致死量分圧が0.07 atmとするなら、
CO2は常圧換算で約700 L (約31 mol, 1.4 kg相当)です。

この回答への補足

ありがとうございました。＃３を投稿いただいてからすぐに拝見しましたが、大変難しくて何回見ても私には難解です。あとでまた追加質問があると発生するといけませんので、締めるのはもう少しお待ち下さい。大変ありがとうございました。

補足日時：2004/03/17 07:30

この回答へのお礼

長く引き延ばしまして、大変すみませんでした。お陰様で問題解決しました。ありがとうございました。

お礼日時：2004/03/30 07:34