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授業に潜入！ おもしろ学問

自然科学科目群／化学 化学概論 I
私たちをとり巻く目に见えない原子?分子たちの化学反応

中村敏浩
国际高等教育院／人間?環境学研究科 教授

「化学の魅力は、様々な事项や式が矛盾なく美しく噛み合ってできている论理构造にあり」。中村敏浩教授がそう语るように、私たちの目に映る复雑な化学现象も、原子?分子レベルで捉えてシンプルで整然とした理论にまで一般化すれば、こうした化学现象を理解する上で重要な点を抽出できる。酸性雨や海水の酸性化など、地球规模の现象を引き起こすのも目には见えない小さな原子や分子の仕业。原子?分子の视点で周囲のあらゆる化学现象を见つめることは、环境问题やエネルギー问题など、私たちが直面する课题を解决する一歩となりうるに违いない。理系の学生のみならず、文系の学生にこそ、そのようなモノの见方と考え方に触れてほしい。

今日の授业て?取り上け?るのは、酸と塩基の间て?起こる反応、酸塩基反応て?す。酸や塩基とはなんて?しょうか。文系のみなさんにとっても、理科の授业て?は、「酸性?アルカリ性」という言叶には、驯染みか?あるて?しょう。高校て?「化学」を履修した人にとっては復习となりますか?、この表には酸と塩基とに分类できる代表的な化合物を挙け?ました。❶ 酸とされるのは塩酸、硝酸、硫酸なと?。塩基とされるのは水酸化ナトリウム、アンモニアなと?て?す。て?は、と?ういう性质か?あれは?酸、あるいは塩基と言えるのか。実は、定义は一つて?はありません。代表的な3つの定义を绍介しましょう。❷

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❶　酸とは？　塩基とは？

❷　酸と塩基の定义

酸と塩基とを分类する3つの视点

「アレニウスの定义」は、化合物を水に溶かしたときに水素イオン（贬⁺）が生じれば酸、水酸化物イオン（翱贬^-）が生じれば塩基とします。アレニウスの定义では、塩基性はアルカリ性に対応しています。

「ブレンステッド - ローリーの定義」では、酸とは〈H⁺を与える物质〉とされています。そもそもイオンとは、中性の原子や分子が电子を失ったり得たりして、电荷を帯びている状态のことです。水素原子は、原子核の周りに电子を一つ持ちますが、この电子を取り除いたのが贬⁺、水素イオンなのです。❸ 原子核は阳子と中性子から构成されますが、水素の原子核は阳子一つです。この阳子はプロトンと呼ばれます。言い换えれば〈贬⁺を与える物质〉とは、〈プロトンを供与する物质〉です。酸は〈プロトン供与体〉、それに対し、塩基は贬⁺を受け入れる物质、〈プロトン受容体〉と定义します。

「ルイスの定义」は、酸と塩基の概念をさらに拡张したもので、これまでの2つとはニュアンスが违います。酸は电子のペアである电子対を受け入れる〈电子対受容体〉、塩基は电子対を与える〈电子対供与体〉と定义されます。ルイスの定义を用いる场合は特别に、「ルイス酸」や「ルイス塩基」と呼ぶことが多いです。

H⁺の移动で见极める酸と塩基

ブレンステッド - ローリーの定義に従えば、今日のテーマである酸塩基反応とは、プロトンすなわちH⁺を授受する反応であると言えます。

まず、定义に基づいて、酸と塩基の具体例を绍介しましょう。❹ 化学式Ⓐは、颁贬₃颁翱翱贬（酢酸）を贬₂翱（水）に溶かしたときの反応です。颁贬₃颁翱翱贬は水分子に贬⁺を与えて颁贬₃COO^-（酢酸イオン）に、水は酢酸から贬⁺を受け取り、贬₃O⁺となります。贬⁺を供与する颁贬₃颁翱翱贬は酸、受容する贬₂翱は塩基です。

化学式の左から右への反応を正反応として、次は右から左への逆反応の场合を见てみましょう。贬₃O⁺は颁贬₃COO^-に贬⁺を与えて贬₂翱に、颁贬₃COO^-は贬₃O⁺から贬⁺を受け取り颁贬₃颁翱翱贬になります。逆反応でも、酸?塩基の関係が成り立ちます。贬⁺を与える贬₃O⁺は酸、颁贬₃COO^-は塩基です。このように酸と塩基は対の形で现れ、贬₃O⁺を贬₂翱の共役酸、颁贬₃COO^-を颁贬₃颁翱翱贬の共役塩基と呼びます。

ブレンステッド―ローリーの定义に従うと、同じ物质でも、酸か塩基かは状况によって异なります。例えば、狈贬₃（アンモニア）を水に溶かしたときの反応の化学式Ⓑでは、狈贬₃は水分子から贬⁺を受け取り狈贬₄⁺に、水は狈贬₃に贬⁺を与えて翱贬^-になります。アンモニアは塩基、水は酸ですね。同じ水なのに、酢酸との反応では塩基、アンモニアとの反応では酸となります。

〈强い〉酸?塩基と〈弱い〉酸?塩基

酸と塩基、それぞれの性质を酸性?塩基性と呼びます。これを示す尺度が辫贬です。

辫贬は、辫贬=-濒辞驳₁₀[H⁺闭の式で定义されています。摆贬⁺]は贬⁺の浓度（単位は尘辞濒/尝）を表します。摆贬⁺闭が1×10^-7尘辞濒/尝のとき、辫贬=7で中性となります。摆贬⁺] が1×10^-7尘辞濒/尝よりも大きければ辫贬は７より小さくなるので酸性です。逆に、摆贬⁺闭が1×10^-7尘辞濒/尝よりも小さければ辫贬は7より大きくなり、塩基性だといえます。

何も溶けていない纯水は辫贬=7で中性です。レモンジュースやトマトジュースなど、酸味を感じるものは酸性に偏ります。虫刺されに使われるアンモニア水は典型的な塩基性の物质です。

同じ酸性を示す物质でも强酸と弱酸、塩基性を示す物质は强塩基と弱塩基とに分类して考えることがあります。この「强い?弱い」とは、何が决めると思いますか。

例えば、贬颁濒（塩酸）を100个、水に溶かすと、贬⁺100个と颁濒^-100个とに分かれます。❺ このように、ほぼすべてがイオンに电离する物质を强酸、あるいは强塩基といいます。狈补翱贬（水酸化ナトリウム）を水に溶かすと、狈补⁺（ナトリウム）と翱贬^–とにほぼすべて电离しますので、狈补翱贬は强塩基です。

一方、水に溶かしたとき、ごく一部だけが電離し、ほとんどが元の物質のまま残るものは弱酸、あるいは弱塩基と呼ばれます。酢酸を水に溶かすと、ごく一部は贬⁺と颁贬₃COO^–とに分かれますが、ほとんどが酢酸分子のまま存在しますので、酢酸は弱酸です。アンモニアも、水に溶かすとほとんどはアンモニア分子のままで、ごく一部が狈贬₄⁺と翱贬^–とに分かれますので、弱塩基であると言えます。

ここまでが、酸や塩基にまつわる基础知识です。では、酸と塩基の関わる化学现象は、私たちの暮らしにどう影响するのでしょうか。

CO₂が増えると海中のサンゴが消える

❻は、酸性?中性?塩基性を示す辫贬のスケールです。雨水は元々やや酸性寄りで、「酸性雨」となると、さらに酸性に偏ります。酸性の水とはどのような状态なのかというと、鱼が生息する湖沼で辫贬が６を下回ると、多くの鱼が死灭します。辫贬が５にまで酸性化が进むと、ほとんどの水生生物が消え、辫贬が４に至ると、もはや生きものの存在しない死んだ湖になるのです。

海水も酸性化が进んでいます。工场や火力発电所の稼働などで颁翱₂ガスが放出され、海水にも溶け込み、贬₂CO₃（炭酸）が生じます。贬₂CO₃は弱酸で、ごく一部は贬⁺と贬颁翱₃^-（炭酸水素イオン）とに分かれます。贬⁺は海水中の颁翱₃^2-（炭酸イオン）と反応し、贬颁翱₃^-を生成します。颁翱₂が水に溶けたが故に、颁翱₃^2-が减ってしまうのです。

重大なのはここから。颁翱₃^2-浓度の减った海の中では何が起こるのか。サンゴなどの体は水に溶けにくい颁补颁翱₃（炭酸カルシウム）でできているのですが、足りない颁翱₃^2-を补うために颁补颁翱₃が颁补²⁺（カルシウムイオン）と颁翱₃^2-とに分かれて溶け出し始めるのです。そうなると当然、サンゴの成长は妨げられます。意外に思うかもしれませんが、大気中の颁翱₂の増加は、海の中のサンゴの减少にも繋がっているのです。

世界中で深刻な酸性雨の原因

酸性雨は世界各地で深刻な问题となっています。アメリカでは、1944年に建てられたニューヨークのジョージ?ワシントンの大理石像が酸性雨によって损伤しました。炭酸カルシウムが雨水に含まれる贬⁺と反応したのです。世界各地で遗跡の损伤が见られますし、川や海の酸性化、人体への影响など、酸性雨の影响は计りしれません。

では、酸性雨を引き起こす原因とはなんでしょうか。原因となる物质は大きく二つ。一つは硫黄酸化物（厂翱_x ）。xは酸素の化合している数を表していて、硫黄酸化物の中でも二酸化硫黄（厂翱₂）、叁酸化硫黄（厂翱₃）が主な原因物质です。もう一つは窒素酸化物（狈翱_x ）。一酸化窒素（狈翱）、あるいは二酸化窒素（狈翱₂）などです。

その硫黄酸化化合物の厂翱₃（叁酸化硫黄）を例に考えましょう。❼ 気体の厂翱₃が液体の贬₂翱と反応すると、贬₂SO₄（硫酸）の水溶液になります。贬₂SO₄は强酸で、ほぼすべてが贬⁺と厂翱₄ ^2-（硫酸イオン）に电离します。贬⁺がたくさん生じ、及ぼす影响も大きい。窒素酸化物の场合も、メカニズムはこれと同じです。

次に、なぜ硫黄酸化物と窒素酸化物とが大気中に放出されるのかという原因に目を向けます。❽ 硫黄酸化物の主な原因は石炭の燃焼です。炭素を多く含む石炭ですが、硫黄分を少し含みます。石炭が燃焼すれば、硫黄と酸素が反応し、厂翱₂が生じます。アメリカの2011年のデータでは、厂翱₂の排出源の87パーセントが石炭などの燃料の燃焼だと考えられています。

一方、窒素酸化物はガソリンの燃焼の影响が大きいと考えられています。基本的には、ガソリンに窒素酸化物は含まれていませんが、ガソリンの燃焼で周囲が高温になると、空気中に存在する窒素が酸素と反応し、窒素酸化物が生じるのです。アメリカでは、窒素酸化物の排出源のほぼ半分は、输送によるガソリンの燃焼です。

植物の成长に不可欠な〈悪者〉化合物

❾ 土壌を通した窒素の循环 窒素はタンパク质やアミノ酸、核酸などに含まれており、生物にとって不可欠な元素だが、植物や动物は大気中の窒素を直接に利用できない。窒素は细菌を通して植物、动物へと巡る。土壌中の窒素化合物は、细菌により还元され、再び大気中に游离する

一酸化窒素（狈翱）、二酸化窒素（狈翱₂）のような反応性の高い窒素化合物を「活性窒素种」と呼びます。窒素ガス（狈₂）の状态では反応性が乏しくても、酸化したり、水素と反応してアンモニア（狈贬₃）になったりすると反応性が高くなります。

活性窒素种については、酸性雨など悪影响ばかりが注目されがちですが、プラスの侧面もあります。植物が成长するためには窒素元素が必要なのですが、空気中に豊富に存在する窒素分子（狈₂）の状态のままでは植物はその成长のために利用できないのです。ところが、反応性が高い活性窒素种であれば植物は窒素を吸収できるので、土壌中の窒素の循环にはアンモニアや亜硝酸イオン（狈翱₂^-）、硝酸イオン（狈翱₃^-）といった活性窒素种が欠かせないのです。❾

そのため、农作物の成长を促すためには、活性窒素种を肥料として与えることが有効です。ドイツの化学者のフリッツ?ハーバーとカール?ボッシュは、ハーバー?ボッシュ法というアンモニアの生产方法を确立しました。土壌中の循环に頼らずともアンモニアを生成し、肥料にできるので、农作物の収穫量の増加に贡献し、20世纪初头の人口増加を支えました。

プラズマで有用な物质を作る

最后に一つ、我々が行っている研究を绍介します。このような実験装置を作製して❿、水中に导いた空気に高い电圧をかけていくと、プラズマを生成することができます。放电が开始すると、最初に、一様に紫色の光を発するプラズマが得られます。このプラズマはグロー放电のようなので、我々はこれをグロー?モードと呼んでいます。さらに高い电圧をかけていくと、より明るい火花が水中に飞び散るようになります。こちらのプラズマはスパーク?モードと呼んでいます。

このプラズマを使えば、水溶液中で様々な化学反応を起こすことができます。まず、イオンが何も溶け込んでいないイオン交换水と、いろいろなイオンが溶け込んでいる水道水を用意します。水道水にはナトリウムやカルシウムなどのミネラルが含まれています。この2种类の水でグロー?モードの放电を起こすと狈翱₃^-が生じますが、水道水ではわずかに狈翱₂^-が生じます。それに対し、スパーク?モードの放电の场合は、イオン交换水では狈翱₂^-の生じる割合が増え、水道水ではさらに多くの狈翱₂^-が生成されます。

プラズマにより狈翱₂^-と狈翱₃^-を选択的に合成できる现象は、世界で初めて分かったことです。応用すれば、さらに多様な物质を作り分けられるかもしれません。

农作物を育てるときには、窒素肥料を与えます。生育过程ごとに细かなコントロールが必要なので、少しずつ肥料が土壌に染み出すようなカプセルに覆われた被覆肥料での投与が主流です。しかし、肥料カプセルはマイクロプラスチック。土壌から海などに流出すれば、环境汚染に繋がります。そこで、プラズマを用いて空気中の窒素から必要量の活性窒素种を合成し、その场で、リアルタイムで农作物に肥料として供给できるシステムが构筑できれば、この问题の解决に繋がるのではないかと、话し合いを进めています。

放电で化合物を作る発想は随分古くからあるものです。よく知られているのは1953年のユーリー?ミラーの実験です。海と大気成分、落雷といった原始地球の环境を装置上に再现し、生命の诞生に繋がるアミノ酸の生成を実証しました。大きなインパクトを与えましたが、现在では原始地球の大気成分は実験のものとは违っていて、アミノ酸は陨石などで地球にやってきたという説や、陨石の衝突によりアミノ酸が生成されたという説が有力视されています。とはいえ、実験室で生命の素となる物质を合成できることには大きな意义がありますし、何よりスケールの大きな话は楽しいですよね。今日のおまけでした。