二酸化炭素（CO2）とは？性質・発生源・光合成・温室効果を解説

二酸化炭素（CO2）の性質・主な発生源・光合成の役割・温室効果と気候変動への影響を図解でわかりやすく解説。基礎から対策まで学べる入門ガイド

著者: Leandro Alegsa

二酸化炭素（CO2）は、化学物質の一種です。室温では気体で、無色・無臭・非可燃です。分子は1つの炭素原子と2つの酸素原子からなり、水に溶けて炭酸（薄い酸性）を作ります。人や動物は呼吸で二酸化炭素を放出し、息に含まれるCO2濃度は大気よりはるかに高くなります。また、有機物を燃やすと（火をつけると）、必ず二酸化炭素が発生します。植物は二酸化炭素を吸収して食物を作り、このプロセスは光合成と呼ばれます。二酸化炭素の性質は、1750年代にスコットランドの科学者ジョセフ・ブラックらによって初めて系統的に研究されました。

主な性質

  • 物理的性質：無色・無臭の気体で、空気よりやや重い。常温常圧で気体、低温では固体（ドライアイス）になります。
  • 化学的性質：還元性は弱く、単独では燃えませんが燃焼に伴って生成します。水に溶けると炭酸（H2CO3）を形成し、pHを下げます。
  • 大気中濃度：産業革命前は約280 ppm（体積比）でしたが、化石燃料の燃焼などにより20世紀以降急増し、2020年代には約420 ppm前後に達しています。

発生源（どこから来るか）

二酸化炭素は自然起源と人為起源の両方があります。自然起源には、火山活動、土壌や森林の微生物による有機物分解、動植物の呼吸などがあります。人為起源では、石炭・石油・天然ガスなど化石燃料の燃焼、セメント製造などの産業プロセス、森林伐採による炭素放出が主要な原因です。日常生活では、車の排気、発電所、暖房、工場の排出などがCO2の主な供給源になります。

光合成と炭素循環

植物や藻類・シアノバクテリアは、大気中のCO2を取り込み、光エネルギーを使って有機物（グルコースなど）を合成します。簡略化した化学式は次のとおりです：
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2。
このプロセスにより大気中の二酸化炭素は陸域・海洋の生物や土壌に一時的・長期的に固定され、地球規模の炭素循環を形成します。

温室効果と気候変動

二酸化炭素は温室効果ガスの一つであり、熱エネルギー（地表から放射される赤外線）を吸収・再放射することで大気中に熱を閉じ込めます。温室効果ガスは、私たちの惑星、地球の気候や天候を変化させる要因となり、これを一般に気候変動と呼びます。大気中CO2の増加は地表面の平均温度を上昇させる主要因で、結果として海面上昇、極端な気象の頻度増加、生態系や農業への影響などを引き起こします。こうした地球規模の気温上昇は地球温暖化と表現されます。

影響と安全性

  • 低濃度（大気濃度レベル）では毒性はほとんどありませんが、閉鎖空間で高濃度になると酸素欠乏を招き、めまい・頭痛・意識喪失などを引き起こします。
  • 人間の呼吸で排出されるCO2は室内換気の指標にもなり、室内のCO2濃度が上がると換気が必要です。

対策と削減方法

気候変動を抑えるためにCO2排出を減らすことが重要です。主な対策には以下があります：

  • 化石燃料から再生可能エネルギーへの転換（太陽光、風力、地熱など）
  • 省エネルギー・効率化（建物の断熱、電力使用の最適化、低燃費車の普及）
  • 森林の保全・植林による自然の吸収源の強化
  • 技術的手法としての炭素回収・貯留（CCS）や直接空気回収（DAC）
  • 消費者レベルでのライフスタイル変化（肉の消費抑制、公共交通の利用など）

二酸化炭素は本来、地球にとって重要な成分ですが、その濃度を急激に増やすことは気候や生態系、社会に大きな影響を与えます。持続可能な社会を目指すためには、個人・企業・国際社会が連携して排出削減と適応策を進めることが求められます。

二酸化炭素の構造式。Cは炭素、Oは酸素です。二重線は原子間の二重化学結合を表す。Zoom
二酸化炭素の構造式。Cは炭素、Oは酸素です。二重線は原子間の二重化学結合を表す。

原子がどのように空間を埋めていくのかを簡単に示すための絵です。黒が炭素、赤が酸素です。Zoom
原子がどのように空間を埋めていくのかを簡単に示すための絵です。黒が炭素、赤が酸素です。

生物学的役割

二酸化炭素は、生物が代謝の一環として、糖や脂肪、アミノ酸を酸素で分解してエネルギーを得る際の最終産物である。これは「細胞呼吸」と呼ばれるプロセスです。すべての植物、動物、多くの菌類、一部の細菌がこれに該当する。高等動物では、二酸化炭素は血液に乗って体の組織から肺に移動し、そこで息を吐き出します。植物は大気中の二酸化炭素を取り込み、光合成に利用する。

ドライアイス

ドライアイス（固体二酸化炭素）とは、CO2ガスが-109.3°F（-78.5°C）以下で固体状態になったものです。ドライアイスは地球上に自然に存在するものではなく、人工的に作られたものである。ドライアイスは無色です。ドライアイスは、物を冷やしたり、飲み物を発泡させたり、ゴキブリを殺したり、イボを凍らせたりするのに使われます。ドライアイスの蒸気は窒息を引き起こし、最終的には死に至ります。ドライアイスを使用する際には、注意と専門家の助けが必要です。

通常の圧力では、固体から液体に溶けることはなく、固体から気体に直接変化します。これを「昇華」という。ドライアイスは、極寒の地よりも高い温度であれば、固体から気体へと直接変化します。ドライアイスは、通常の空気の温度で昇華します。ドライアイスを通常の空気にさらすと、色のない炭酸ガスが発生します。炭酸ガスは5.1気圧以上の圧力で液化します。

ドライアイスから発生する炭酸ガスは非常に冷たく、空気と混ざると空気中の水蒸気が冷やされて霧となり、濃い白煙のように見えます。演劇では、霧や煙のように見せるためによく使われます。

水の中に入れるとドライアイスZoom
水の中に入れるとドライアイス

単離と生産

化学者は空気を冷やすことで二酸化炭素を得ることができる。これを「空気蒸留」と呼んでいる。この方法は、少量の二酸化炭素を取り出すために、大量の空気を冷やさなければならないので、効率が悪い。化学者は、いくつかの異なる化学反応を利用して二酸化炭素を分離することもできる。二酸化炭素は、ほとんどの酸とほとんどの金属の炭酸塩との反応で作られる。例えば、塩酸と炭酸カルシウム（石灰石やチョーク）の反応では、二酸化炭素が発生します。

2   H C l + C a C O 3Ⅹ C a C l +2 H C 2O {\\3HCl+CaCO_{3}\longrightarrow CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}}}}}。} {\displaystyle \mathrm {2\ HCl+CaCO_{3}\longrightarrow CaCl_{2}+H_{2}CO_{3}} }

炭酸（HCO23）は、水とCO2に分解される。このような反応は、発泡や泡立ち、あるいはその両方を引き起こす。産業界では、廃酸を中和するためにこのような反応が何度も行われている。

石灰石を約850℃に加熱することで、広く使われている化学物質である生石灰（CaO）を作ることができる。この反応ではCO2も作られる。

C a C O .3.....................C a O + C O {2˶ˆ꒳ˆ˵}} {CaCO_{3}˶ˆ꒳ˆ˵} {CaO+CO_{2}}}}}。} {\displaystyle \mathrm {CaCO_{3}\longrightarrow CaO+CO_{2}} }

二酸化炭素は、メタン（天然ガス）、石油留分（ガソリン、ディーゼル、灯油、プロパン）、石炭、木材など、炭素を含むすべての燃料の燃焼でも発生する。ほとんどの場合、水も放出されます。メタンと酸素の化学反応を例に挙げると

C H +4 O2 2Ⅹ C O +2 H 2O2 {˶‾᷄ -̫ ‾᷅˵} {CH_{4}+2_O_{2}˶‾᷅˵} CO_{2}+2_H_{2}O} } Ⅹ C H + O Ⅹ C O + H O} {\displaystyle \mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\longrightarrow CO_{2}+2\ H_{2}O} }

二酸化炭素は製鉄所で作られる。鉄は高炉でコークスを使って酸化物から還元され、銑鉄と二酸化炭素が作られる。

F e O 2+3 C 3O ⎡ F 2e + C3 O ⎡2 Fe_{2}O_{3}+3 CO\ CO} {\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\ CO\longrightarrow 2\ Fe+3\ CO_{2}} }

酵母は糖を代謝して二酸化炭素とエタノール（アルコール）を生成し、ワインやビールなどの蒸留酒のほか、バイオエタノールの製造にも利用されています。

C  H  6O126  ⟶    C 2O  +    2C  2H  2O 5H {\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow 2\ CO_{2}+2\ C_{2}H_{5}OH}} {\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow 2\ CO_{2}+2\ C_{2}H_{5}OH} }

すべての好気性生物は、細胞内のミトコンドリアで糖質や脂肪酸、タンパク質を酸化する際にCO
2は、細胞内のミトコンドリアで糖質、脂肪酸、タンパク質を酸化する際に発生する。その反応は非常に複雑で、簡単には説明できない。(細胞呼吸、嫌気性呼吸、光合成などがある）。光合成を行う植物や藍藻類は、別の反応を行う。植物は空気中のCO
2を吸収し、水と一緒に反応させて炭水化物を生成します。

n C O +2 n H O2 ≒ ( C H O 2) n + n O {\\\\} {2nCO_{2}+nH_{2}O\longrightarrow (CH_{2}O)n+nO_{2}}}。} {\displaystyle \mathrm {nCO_{2}+nH_{2}O\longrightarrow (CH_{2}O)n+nO_{2}} }

二酸化炭素は水に溶け、水の中では自然にCO2とHに変換されます。
2CO
3(炭酸）に自然に変換される。CO
2, H
2CO
3と脱プロトン化したHCO−
3（重炭酸塩）およびCO2−
3（炭酸塩）の相対的な濃度は、酸性度（pH）に依存する。中性または弱アルカリ性の水（pH > 6.5）では、重炭酸塩の形態が優勢（50％以上）で、海水のpHでは最も優勢（95％以上）になりますが、非常にアルカリ性の水（pH > 10.4）では、炭酸塩の形態が優勢（50％以上）になります。重炭酸塩と炭酸塩の形態は非常に溶けやすい。そのため、空気で平衡化された海水（典型的なpH=8.2-8.5の弱アルカリ性）には、1リットルあたり約120mgの重炭酸塩が含まれています。

鉱工業生産

工業用の二酸化炭素は、主に6つのプロセスで発生します。

  • 石灰岩やドロマイトに酸性水が作用して発生する天然の二酸化炭素泉を取り込むことで
  • メタンをCO2に変換する水素製造プラントの副生成物として。
  • 化石燃料や木材の燃焼によるもの。
  • ビールやウイスキーなどのアルコール飲料の醸造において、糖分を発酵させる際の副産物として。
  • 石灰石の熱分解から、CaCO
    3    を熱分解し、石灰（酸化カルシウム、CaO）を作る。

化学反応

二酸化炭素は簡単な化学反応で作ることができます。

C + O .2.....................C O {C+O_{2}\grightarrow CO_{2}}} {2displaystyle ˶˙º̬˙˶}}。} {\displaystyle \mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}} }

炭素＋酸素 → 二酸化炭素

質問と回答

Q: 二酸化炭素とは何ですか?


A:二酸化炭素は、炭素原子1個と酸素原子2個からなる酸性の化合物で、常温では気体です。

Q: 二酸化炭素はどのように大気中に放出されるのですか?


A: 人間や動物が息を吐くときや、有機物を燃やしたり火をつけたりするたびに二酸化炭素を放出します。

Q: 光合成とは何ですか?


A: 光合成とは、植物が二酸化炭素を利用して食物を作るプロセスのことです。

Q: 二酸化炭素の性質を研究したのは誰ですか?


A: スコットランドの科学者ジョセフ・ブラックが、1750年代に二酸化炭素の性質を研究しました。

Q: 温室効果ガスとは何ですか?


A: 温室効果ガスとは、熱エネルギーを閉じ込め、地球の気候や天候を変化させる気体のことです。

Q: 二酸化炭素はどのように気候変動に寄与するのですか?


A: 二酸化炭素は温室効果ガスの一種で、熱エネルギーを閉じ込め、地球の表面温度を上昇させる地球温暖化を引き起こすことにより、気候変動に寄与しています。

Q: 地球の大気中の二酸化炭素の濃度はどのように調節されてきたのですか?


A: 地球の大気中の二酸化炭素濃度は、先カンブリア時代末期から光合成生物と火山を中心とした地質現象によって調節されてきました。


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