ドライアイスカラーショー
左のフラスコにはpH 指示薬と水が入っており、右のフラスコにはドライアイスが加えられています。ドライアイスによって溶液中に炭酸が発生し、pH が下がり酸性度が上がります。

ドライアイスの色のショーは、炭酸（H2CO3）ドライアイス（二酸化炭素の固体または凍結形態- CO）の溶解によって2）水中（H2O ）。ドライアイスカラーショーは、酸と塩基の性質、それらがpH指示薬に与える影響、そしてドライアイスの昇華を実演するために、通常、教室で行われます。セットアップは簡単で、一般的に危険性は軽微ですが、主な危険性はドライアイスの低温で、皮膚に触れると凍傷を引き起こす可能性があることです。実演で生成される炭酸は弱酸であり、トニックウォーター、ソーダ、ビールなど、多くの消費者製品に含まれており、有害ではありません。

説明

この実験では、酸、塩基、pH指示薬、そして二酸化炭素の性質を示します。[ 1 ]まず、溶液のpHの変化を視覚的に検出しやすくするために、大量の万能指示薬を水に加えます。次に、アンモニア（NH3 ）または水酸化ナトリウム（NaOH）を数滴溶液に混ぜると、溶液の色が変わります。使用するpH指示薬の種類によって、見える色が決まります。[ 1 ] [ 2 ]次に、ドライアイスを加えて炭酸を形成し、溶液のpHを塩基性から酸性に変化させます。[ 2 ] これにより、溶液の色が再び変化します。[ 2 ] [ 3 ]同時に、空気中の水蒸気の凝縮によりドライアイスが昇華し、二酸化炭素の雲が発生します。 [ 4 ]

化学的説明

アンモニアは水と可逆的に反応し、溶液のpHを塩基性に変える 弱アルカリです

NH 3(g) + H 2 O (l) ⇌ NH 4 + (水溶液) + OH − (水溶液) [ 1 ] [ 5 ]

一方、水酸化ナトリウムを加えて溶液のpHをアルカリ性に調整すると、水酸化ナトリウムは反応性の高い化合物であるため、アンモニアを加えたときよりも色の変化が早く起こります。[ 1 ]

NaOH (水溶液) ⇌ Na + (水溶液) + OH − (水溶液)

ドライアイスを水に加えると、溶液の温度がドライアイスよりも高い（-78.5℃または-109.3°F）ため、急速に二酸化炭素ガスに昇華します。二酸化炭素ガスは溶液の上に泡や雲として観察されます。ガスの温度が非常に低いため、水面上の空気中の水蒸気は凝縮して小さな水滴、つまり二酸化炭素ガス中に浮遊する雲になります。[ 2 ] [ 4 ]

CO2 (s) ⇌ CO2 (g)

しかし、ドライアイス分子の一部は溶液中に残り、水分子と可逆的に反応して水素イオンを生成し、酸性溶液を形成する。[ 1 ]

CO 2(水溶液) + H 2 O (l) ⇌ HCO 3 − (水溶液) + H + (水溶液) [ 1 ] [ 5 ]

酸性溶液が溶液中に存在するアルカリと混合されると、溶液全体としては中性になります。

HCO 3 − (aq) + H + (aq) + NH 4 + (aq) + OH − (aq) ⇌ NH 4 + (aq) + HCO 3 − (aq) + H 2 O (l) （アンモニアの添加）[ 1 ]
HCO 3 − (aq) + H + (aq) + Na + (aq) + OH − (aq) ⇌ Na + (aq) + HCO 3 − (aq) + H 2 O (l) (水酸化ナトリウムの添加) [ 1 ]

NaOH と炭酸の水溶液の中和に関する全体的な化学式は次のように表されます。

2 NaOH (水溶液) + CO 2 (g) ⇌ Na 2 CO 3 (水溶液) + H 2 O (l) [ 6 ]

溶液の色はpH指示薬によるものです。実験開始時のアンモニア水の色は、溶液がアルカリ性であることを示しています。しかし、ドライアイスを加えると中和が起こり、溶液のアルカリ性は低下します。炭酸から水素イオンが継続的に生成されるため、色はゆっくりと変化します。 [ 3 ]

注意事項

ドライアイスは-78.5℃（-109.3℉）で昇華し、極低温の危険性があります。取り扱いには適切な手袋、ゴーグル、エプロンなどの個人用保護具（PPE）を着用し、素肌との接触を避けてください。[ 2 ] [ 4 ]ドライアイスは周囲の空気中で自然に昇華しますが、二酸化炭素ガスの危険な蓄積や酸素の置換を防ぐため、常に換気の良い場所に保管してください。二酸化炭素への過剰曝露の症状には、めまい、頭痛、息切れ、過呼吸、不安、そして特定の個人ではパニック発作などがあります。[ 7 ] [ 8 ]

参考文献

  1. ^ a b c d e f g h「指示薬とドライアイスのデモンストレーション - 化学を学ぶ」 www.rsc.org 。 2017年5月25日閲覧
  2. ^ a b c d e「ドライアイスカラーショー」（PDF） . flinnsci . Flinn Scientific. 2016. p. 2.
  3. ^ a b「水溶液中のCO2の酸性特性」（PDF）。MIT OpenCourseWare。2012年。p. 4。 2020年10月25日時点のオリジナル（PDF）からのアーカイブ。
  4. ^ a b c「二酸化炭素の特性」（PDF）ヴァンダービルト大学。2012年。
  5. ^ a bシャカシリ、バッサム・Z. (1985).化学実験第2巻. ウィスコンシン州、アメリカ合衆国. pp.  118– 119. ISBN 0-299-10130-4。{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク)
  6. ^ 「デモ24：水中のドライアイスの酸性度変化」 www-chem.ucsd.edu 2017年5月26日閲覧
  7. ^ 「CDC - NIOSH化学物質ハザードポケットガイド - 二酸化炭素」 www.cdc.gov . 2023年7月31日閲覧。
  8. ^ Shilpa, Gowda (2007年11月10日). 「パニック発作に関する新たな知見：原因は二酸化炭素」 . JYI . Journal of Young Investigators . 2021年6月25日閲覧。
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