教養の化学 第2週：２０１3年9月30日　　 担当　　杉本昭子

お知らせ 講義で使ったファイルを講義終了後に毎回掲載する予定です。 http://www5f.biglobe.ne.jp/~akksugimoto/

お知らせ 周期表 「一家に１枚周期表：第７版」：文部科学省 周期表　 「一家に１枚周期表：第７版」：文部科学省 http://www.pcost.or.jp/_src/sc556/8EFC8AFA955C82A082E8.pdf 周期表のｐｄｆファイルを各自で検索・ダウンロードし、必要な時にいつでも各自の「iPad mini」で見ることができるようにしておくと便利です。

問題の解答 強酸、弱酸はどのよう理由で分類されているか? 塩酸（HCｌ）、酢酸（CH3CO2H)を例にして説明せよ。 酸、アルカリ（塩基）の話は、溶液（主に水溶液）中での状態を前提としている。 ｐHの話も水溶液中の問題である。

問題の解答 強酸、弱酸はどのよう理由で分類されているか? 塩酸（HCｌ）、酢酸（CH3CO2H)を例にして説明せよ。

問題の解答 HCl　+ H2O H3O+ + Cl- CH3CO2H　+ H2O H3O+ + CH3CO2- 同じ濃度 H2Oを省略

問題の解答 塩酸 ほぼ100％　H+とCl-として存在する　 酢酸 大部分がCH3COOHとして存在する　

問題の解答 HCl + H2O H3O+ + Cl- CH3CO2H + H2O H3O+ + CH3CO2- オキソニウムイオン HA　+ H2O H3O+ + A- 酸 + + H-O-H 　 H + H-O-H H-Cl Cl-

問題の解答 HA + H2O H3O+ + A- 電離した電解質の物質量 電離度（α）＝ 溶けている電解質全体の物質量 酸 電離した電解質の物質量 電離度（α）＝ 溶けている電解質全体の物質量 電離度は電解質の種類によって異なる。 電離度は同じ物質の溶液でも、濃度や温度によって値は変化し、一般に濃度が小さく、温度が高くなるほど大きくなる。

問題の解答 強酸、弱酸はどのよう理由で分類されているか? 塩酸（HCｌ）、酢酸（CH3CO2H)を例にして説明せよ。 HCl　+ H2O H3O+ + Cl- CH3CO2H　+ H2O H3O+ + CH3CO2- 酸 HA　+ H2O H3O+ + A- 電離度（α）＝ 電離した電解質の物質量 溶けている電解質全体の物質量 電離度（α）が大きい酸（1に近い）程強酸となる．

問題の解答-まとめ- 酸（Acid) H+（水素イオン＝プロトン）を与える化学種のこと。 強酸（Strong acid) 　水溶液中で平衡に達したとき、プロトンを近似的に 　完全に電離する電解質のこと 弱酸（Weak acid) 　水溶液中で平衡に達したとき、プロトンを一部だけ 　電離する電解質のこと　 電離度に関しては教科書ｐ９７を参照　

物質の分類 第２週講義 教科書ｐ１～１１

物質の分類 物質の成り立ち 物質の基本成分を元素（Ｅｌｅｍｅｎｔ）という。 現在、１１４種の元素が知られている。 　現在、１１４種の元素が知られている。 ９2種が自然界にある。他は人工的に作られたもの。各元素は，ラテン語名などの頭文字から採った記号=元素記号で表わされる。（教科書：表紙の裏） ２０１０年２月1９日に正式名称が発表された元素 　　　　Cn　コペルニシウム(copernicium)　原子番号１１２番の元素 1996年2月9日　ドイツ重イオン科学研究所　　亜鉛70の原子核を重イオン加速 　　　　器で鉛208に衝突させてコペルニシウム277の原子核を合成 Zn + Pb Cn Cn + 　n 70 30 208 82 278 112 277 1

物質の分類 純物質と混合物（教科書ｐ2） 純物質 物質 混合物 機械的、物理的操作で2種類以上に分離できない物質 固有の融点（凝固点）、沸点、密度などを示す。 2種類以上の純物質が様々な割合で混合している物質

物質の分類 純物質と混合物 単体 純物質 物質 化合物 混合物 単一の構成元素からなる 2種類以上の構成元素が、一定の割合で化学的に結合 機械的、物理的操作で2種類以上に分離できない物質 固有の融点（凝固点）、沸点、密度などを示す。 物質 化合物 2種類以上の構成元素が、一定の割合で化学的に結合 混合物 2種類以上の純物質が様々な割合で混合している物質

物質の分類 ＞ 純物質と混合物 単体 純物質 物質 化合物 混合物 同素体 通常1元素　　1単体だが、一部の元素には複数の単体が存在する。同じ元素からできているが、性質の異なる単体を互いに同素体という 純物質 物質 炭素C,　酸素O,　リンP,　硫黄Sなどが知られている （教科書ｐ３参照） 化合物 混合物 2種類以上の純物質が様々な割合で混合している物質

同素体 炭素Cの同素体 鉛筆の芯は黒鉛と粘土を練り合わせ焼き固めたもの。黒鉛の含有量が多いと柔らかく濃い 教科書Ｐ1、４ 1996年度のノーベル化学賞！ 1985年に発見

ダイヤモンド 実験で確かめられている中では天然で最も硬い物質である。金剛石（こんごうせき）ともいう。結晶構造は多くが8面体で、12面体や6面体もある。宝石や研磨剤として利用されている。ダイヤモンドの結晶の原子に不対電子が存在しないため、電気を通さない。 ダイヤモンドの硬さは、炭素原子同士が作る共有結合に由来する。ダイヤモンドでは1つの炭素原子が正四面体の中心にあるとすると、最近接の炭素原子はその四面体の頂点上に存在する。頂点上の炭素原子それぞれが sp3 混成軌道によって結合しており、幾何学的に理想的な角度であるため全く歪みが無い。

同素体 酸素Oの同素体 O2 オゾン：O3 融点：－193℃ 沸点：－111℃ 融点：－218℃ 沸点：－183℃ 融点：－193℃　沸点：－111℃ 気体は青色、液体は深青色・特異臭 融点：－218℃　沸点：－183℃ 無色（液体は淡黄色）・無臭 オゾンO3は高層大気で、酸素分子が紫外線によって分裂した酸素原子と、別の酸素分子が結合することで生成する

同素体 硫黄Ｓの同素体 単斜硫黄（Ｓ8） 斜方硫黄（Ｓ8） ゴム状硫黄（Ｓｎ） 天然の硫黄はＳ原子8個（Ｓ8）が環状に結合している。 教科書ｐ4 単斜硫黄（Ｓ8） 斜方硫黄（Ｓ8） ゴム状硫黄（Ｓｎ） ｍp 119.6℃ ｍp 112.8℃ 天然の硫黄はＳ原子8個（Ｓ8）が環状に結合している。 常温、常圧でＳ8の個体には2つ結晶形がある。 96℃以下では、斜方硫黄が安定。それ以上では単斜硫黄が安定。250℃以上になるとゴム状硫黄となる。

物質の分類 単体 同素体 (2) 純物質 先週考えた身近なものを例に分類してみよう！ 物質 化合物 (3) 混合物 (1)

ようこそ化学の世界へ 台所を眺めれば・・・・ 　　　　物質が，化学が溢れている 湯気が立ち上っている空気　 空気：　N2 　　　　　　　　O2 　　　　　CO2 　　　　H2O

物質の分類 単体 > 純物質 物質 化合物 空気 窒素 混合物 酸素 二酸化炭素 水 同素体 (2) (3) 1 2 2 (1) 3 2　　　　　　 2　　　　　　 3 3

ようこそ化学の世界へ 2.　台所で使うエネルギー 天然ガス：成分の１つはプロパン 3.　お料理をおいしくするお酒：アルコール

物質の分類 単体 > 純物質 物質 化合物 天然ガス 混合物 プロパン アルコール （エタノール） 同素体 (2) (3) 1 3 (1) (2) (3) > 物質 天然ガス 1 プロパン 3 アルコール （エタノール） 3

ようこそ化学の世界へ 4.　料理に欠かせないお酢：酢酸 5.　化学調味料の王様：グルタミン酸

ようこそ化学の世界へ 6. みんな大好き: お砂糖(sucrose) + グリコシド結合 グルコース(glucose) フルクトース(fructose) グリコシド結合

物質の分類 物質 純物質 混合物 単体 化合物 同素体 (1) (2) (3) グルタミン酸 スクロース 酢酸 3 3 3

物質の分類 単体と元素の違いは何か？ 単体 純物質 物質 化合物 混合物 身近な合金 単一の構成元素からなる純物質 単体と元素は通常同じ名称で呼ばれる。物質そのものを指す場合は単体。物質の構成成分を指す場合は元素を表す。 物質 単体と元素の違いは何か？ 化合物 混合物 2種類以上の純物質が様々な割合で混合している物質 身近な合金

物質の分類 元素と単体の区別の仕方 単体と元素は通常同じ名称で呼ばれる。Ｐ３ 物質そのものを指す場合は単体。物質の構成成分を指す場合は元素を表す。元素は抽象的な概念。 元素(Element)：物質の最小構成要素で、実際に存在する物質 の構造を表わしている訳ではない。 単体(Elemental substances)：実際に存在する物質の構造を 念頭において表現している ちょっと練習！ 教科書ｐ1０、問１・２

混合物：身近な合金 合金 合金は複数の金属、または金属と非金属の単体を混合し、凝固させた混合物。純粋な金属に、他の金属などを添加すると、融点、磁性、機械強度、耐食性などが変化する。 18－8ステンレス鋼　　　　　Ｆｅ，Ｃｒ（18％）、Ｎｉ（8％） 13－クロムステンレス鋼　　Ｆｅ，Ｃｒ（13％） 黄銅（真鍮） Ｃｕ，Ｚｎ 青銅(ブロンズ） Ｃｕ，Ｓｎ はんだ Ｓｎ，Ｐｂ　　　　　　　　　　　　　　 ニクロム　　　　　　　　　　　　 Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ 他　　　　　　　　　　　　　　　　教科書ｐ６参照 厨房設備 5円玉、ドアのノブ 電熱線

混合物の分離 分離（単離）、精製 純物質の性質を知り、特性を評価して利用するために、混合物中の成分物質の性質に基づき物理的・化学的に分離する重要な操作。 １．蒸留 ２．ろ過 ３．抽出 ４．昇華 ５．再結晶 ６．クロマトグラフィー

蒸留（Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ） 物質の沸点の違いを利用した精製法 複数の液体や液体と固体が混ざった溶液から液体成分を分ける。 蒸留（Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）　 　　　 物質の沸点の違いを利用した精製法 複数の液体や液体と固体が混ざった溶液から液体成分を分ける。 例：石油の精製など（教科書ｐ8参照）

ろ過（Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ） 物質の粒子の大きさの違いを利用した精製法 液体と固体、を分ける ろ過（Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）　 物質の粒子の大きさの違いを利用した精製法 液体と固体、を分ける 化学実験用ろ紙 ろ紙の顕微鏡写真 溶媒に可溶な物質をろ紙などのフィルター（細かい穴がたくさんあいた多孔質の目）を通過させ、不溶な物質と分離する。

抽出（Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ） 溶媒に対する溶解度の差を利用し、混合物から特定の物質を溶かし出す方法 例：ヨウ素はヨウ化カリウム水溶 （ヘキサン） （KI+I2+H2O） 例：ヨウ素はヨウ化カリウム水溶 　　液（ＫＩ）に溶けるが、これ 　　にヘキサンを加え振ると、ヨ 　　ウ素はヘキサンの層に移動し、 　　ヨウ化カリウムと分離するこ 　　とができる。

抽出（Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ） 水溶液 ＫＩ Ｉ2 Ｈ2Ｏ ヘキサン Ｉ2のみが溶ける ヨウ素は純水には溶けないが、ヨウ化カリウム水溶液には良く溶ける 水溶液 ＫＩ　Ｉ2　Ｈ2Ｏ ヘキサン Ｉ2のみが溶ける ＫＩ　Ｈ2Ｏ Ｉ2 ヘキサンと水は混ざりあわない！ ヘキサン層にＩ2のみが移動する！

抽出（Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ） 単純にはコーヒーやお茶！ ソックスレー抽出器 固体からの成分を抽出したい場合、一般的には試料を溶媒に浸し、可能であれば加熱・攪拌する。成分によっては抽出剤としてキレート剤や酸・アルカリなどを加える。試料が少ない場合は、ソックスレー抽出器を用いれば、より少ない溶媒で、短時間で効率よく抽出することができる。 天然物（果物）中の化学成分を抽出している例 溶媒に溶ける成分だけが、下のフラスコに濃縮される。 固液抽出

昇華(Sublimation) 昇華 元素や化合物が液体を経ずに固体から気体、または気体から固体へと相転移する現象。この性質を利用して、混合物から昇華性物質を精製する方法が昇華法。 昇華性物質の例 ドライアイス ナフタレン（防虫剤） ヨウ素

再結晶(Recrystallization) 物質の温度による溶解度の差を利用した精製法 粗結晶を溶媒に溶かし、溶媒の蒸発、温度差や溶媒の混合比の変化による溶解度の差などを利用し結晶を析出させる方法。 　ただし、再結晶化には、ある程度目的物の純度が高い必要がある。

クロマトグラフィー (Chromatography) クロマトグラフィー はロシアの植物学者ミハイル・ツヴェットが発明した、物質を分離・精製する技法。物質の大きさ・吸着力・電荷・質量・疎水性などの違いを利用して、物質を成分ごとに分離する。 固定相または担体と呼ばれる物質の表面あるいは内部を、移動相と呼ばれる物質が通過する過程で物質が分離されていく。

クロマトグラフィー (Chromatography) 種々の化合物を含む溶液をろ紙やシリカゲルなどの吸着剤中に流すと各化合物は溶媒とともに吸着剤中を移動する。 吸着剤との親和力の大きい物質ほど移動速度が遅くなる。 各物質は異なる位置に分離される。

混合物の分離の考え方 １. 混合物の状態をイメージする 2. 混合物のうち、純物質として取り出す 混合物は液体か固体か 成分の状態を考える 　　成分の状態を考える 液体か固体か

混合物の分離の考え方 混合物の状態（固体、液体）を考える 混合物のイメージ図 Ａ Ｂ Ｃ 溶液に溶ける物質と溶けない物質の混ざり 溶液に溶けている物質どうしの混ざり 固体どうしの混ざり

混合物の分離の考え方 Ａ ろ過 蒸留 抽出 複数の方法がある場合は最も効率の良い方法を選択 水に溶けない分子（物質）がろ紙の上に残る。 水（溶媒）に溶ける分子（物質） Ａ 水（溶媒） 複数の方法がある場合は最も効率の良い方法を選択 水（溶媒）に溶けない分子（物質） ろ過 水に溶けない分子（物質）がろ紙の上に残る。 蒸留 水に溶ける分子が低沸点分子の場合蒸留できる。 抽出 水に溶けない分子が（水と混ざらない）有機溶媒に溶ける時抽出操作で分離可能。

混合物の分離の考え方 Ａ：ろ過 水（溶媒）に溶ける分子（物質） 水（溶媒）に溶けない分子（物質） 水（溶媒） ろ過

混合物の分離の考え方 Ａ：蒸留 水（溶媒）に溶ける低沸点分子 水（溶媒）に溶けない分子 水（溶媒） 蒸留 水に溶けている低沸点分子

混合物の分離の考え方 蒸留の例 実際に今も作られている酒造法

混合物の分離 Ａ：抽出 特定の物質を溶解させる 抽出 ＝有機溶媒 もし有機溶媒に溶ける物質なら 水（溶媒）に溶ける低沸点分子 水（溶媒） 水（溶媒）に溶けない分子 水（溶媒） 抽出 ＝有機溶媒 もし有機溶媒に溶ける物質なら

混合物の分離の考え方 Ａ：抽出：もう一つの例 特定の物質を溶解させる 抽出 混合物 昆布 昆布 ろ過　etc.

混合物の分離の考え方 Ｂ ろ過 蒸留 抽出 複数の方法がある場合は最も効率の良い方法を選択 水に溶けない分子（物質）がろ紙の上に残る。 2種類以上の分子が溶媒に均一に溶けている ろ過 水に溶けない分子（物質）がろ紙の上に残る。 蒸留 沸点に差があれば、沸点の低い分子から順に蒸留（分留）できる。 抽出 混ざり合っている分子の有機溶媒に対する溶解度に差があれば抽出によって分離可能。

混合物の分離の考え方 Ｃ ろ過 蒸留 昇華 再結晶 例えばゴマ塩：塩は水に可溶、ゴマは不溶 2種類以上の個体が混ざっている場合 ろ過 混ざっている固体に、水（溶媒）に対する溶解度に明らかな差がある場合は可能。 蒸留 沸点に差があれば、沸点の低い分子から順に蒸留（分留）できる。 昇華 混ざっている固体に昇華性物質が含まれていれば、分離可能。 再結晶 混ざっている固体の溶解度の差がある場合、再結晶で分離可能。

混合物の分離の考え方 再結晶 純物質にならないときれいな結晶にならない 不純物の混ざった結晶物質を一度溶媒に溶かし、溶解度の差を利用して純粋の物質のみを結晶化させる方法 温度、濃度による溶解度の差 純物質にならないときれいな結晶にならない

混合物の分離の考え方 再結晶 再結晶 赤が多い固体の混ざり 一度このように全部の固体を熱を加えて溶かす その後冷やすと赤のみ結晶として析出する

混合物の分離の考え方 非常によく似た性質を持つ複数の小分子物質を 　　分ける クロマトグラフィー　　　

物質の分類 第2週講義 まとめ 1. 物質を構成する基本成分は元素である。 2. 物質は、以下のように分類できる。 単体 純物質 物質 1.　物質を構成する基本成分は元素である。 2. 物質は、以下のように分類できる。 単体 同素体 純物質 物質 化合物 混合物

物質の分類 まとめ 第2週講義 純物質は固有の融点（凝固点）、沸点、密度などを示す。 4.　混合物から目的の純物質を取り出す操作を分離操作という。 　　蒸留、ろ過、抽出、再結晶、昇華、クロマトグラフィー　等 第2週講義

演習（1回目） １．以下の物質を混合物、化合物、単体に分類せよ ２．次の混合物から（ ）に示した物質を分離する方法 ア：海水　　イ：水　　ウ：水素　　エ：アルゴン　　オ：空気 カ：二酸化炭素　　キ：金　　ク：塩化マグネシウム　　ケ：塩酸 コ：ダイヤモンド ２．次の混合物から（　）に示した物質を分離する方法 　　（ろ過、再結晶、昇華、蒸留、抽出）を答えよ 石灰水　　（水） 少量のガラスの破片が混じったヨウ素　（ヨウ素） ゴマと塩が混ざっているゴマ塩　（ゴマ） 少量の硫酸マグネシウムの結晶が混じった硝酸カリウム　（硝酸カリウム）