脱炭素化を
脱炭素化を化学する
Ver.1.0.0

鹿島 長次(2022.10)

目次

1.

まえがき .................................................................................................................................. 4
地球大気中の二酸化炭素の存在感 ............................................................................................ 42.

二酸化炭素の状態 .................................................................................................................. 9二酸化炭素分子の構造 ................................................................................................................ 9
ドライアイスは二酸化炭素の固体 .......................................................................................... 14
将来性のある二酸化炭素の超臨界流体 .................................................................................. 18

3.

地球の歴史と二酸化炭素 .................................................................................................... 22
二酸化炭素は水の中で炭酸に .................................................................................................. 22
地球上には大量の水 .................................................................................................................. 23
大気中に二酸化炭素の少ない地球 .......................................................................................... 27
地中から湧き出す二酸化炭素 .................................................................................................. 31

4.

燃焼と二酸化炭素 ................................................................................................................ 34
周囲の電子の数で決まる原子の性質 ...................................................................................... 34
元素の酸化の状態を示す酸化数
元素の酸化の状態を示す酸化数 .............................................................................................. 38
火の本質は燃焼熱 ...................................................................................................................... 41

5.

生命活動と二酸化炭素 ........................................................................................................ 46
植物の葉っぱは緑色 .................................................................................................................. 46
太陽光で二酸化炭素をブドウ糖へ .......................................................................................... 49
生物はブドウ糖をゆっくり燃やして活力に .......................................................................... 55
酸素無しで棲息する太古の生物 .............................................................................................. 59

6.

日常生活と二酸化炭素 ........................................................................................................ 64
都市ガスと二酸化炭素 .............................................................................................................. 64
窒素肥料と二酸化炭素 .............................................................................................................. 66
セメントと二酸化炭素 .............................................................................................................. 69
水酸化ナトリウムと二酸化炭素 .............................................................................................. 71
パンや菓子と二酸化炭素 .......................................................................................................... 73

7.

人為的な二酸化炭素の排出と脱炭素運動.........................................................................
75
人為的な二酸化炭素の排出と脱炭素運動
近年の大気中の二酸化炭素の変化 .......................................................................................... 75
水素は脱炭素に有効？ .............................................................................................................. 80
電力は脱炭素に有効？ .............................................................................................................. 832

水に支配される地球の気候と自然 .......................................................................................... 84
二酸化炭素は温室効果ガス？ .................................................................................................. 86
8.

脱炭素で地球環境を守れる？ ............................................................................................ 90
二酸化炭素は地球を壊さない .................................................................................................. 90
地球の宿命に従うことこそ最善策 .......................................................................................... 92

索引 .................................................................................................................................................. 95

31. まえがき
地球大気中の二酸化炭素の存在感
地球大気中の二酸化炭素の存在感
日常の天気予報で 1020hPa（ヘクトパスカル）の高気圧とか台風の中心気圧が 980hPaという解説をしばしば耳にしますが、この気圧の値から地表上に約 1kg/cm2 の重さの大気が載っていると考えることができます。地球の表面積は約 5.1x108km2 と概算されていますから、5.1x1018kg の大気が地球の周囲を覆っていると見積もることができます。砂漠地帯
か海上か、都市部か森林地帯か、夏季か冬季か、あるいは昼か夜かなどの環境の違いにより多少の差異がありますが、気
温 20℃湿度 50％の時にはこのような大量の大気は平均的に表
1-1 に纏めた成分比の 10 種類以上の気体で構成されています。この表から明らかなように窒素（N2）と酸素（O2）が約
4：1 の割合で大気の大部分を占めており、水蒸気（H2O）とアルゴン（Ar）がそれぞれ約 1％で次いでいます。窒素とア
ルゴンはほとんど化学的反応性を示しませんから、有っても無くっても日常生活とは全く無縁の気体で注目を浴びない「空気のような存在」です。酸素も比較的多量に存在しているために日常生活では「空気のような存在」として取り扱われていますが、人間をはじめ多くの生物に常に必要で欠くこ

表 1-1 地球大気の成分
地球大気の成分(気温 20℃、℃、湿度％)℃、湿度 50％
物質
N2
O2
H2O
Ar
CO2
Ne
He
CH4
Kr
H2
N2O
Xe

成分(vol％)77.1867
20.70531.14030.92330.041710.001797
0.000518
0.00020.000113
0.00005
0.00005
0.0000086とのできない気体です。
水の融点と沸点はそれぞれ 0℃と 100℃を示しますから、地表の 70％を大量の水が液体の状態で海を形作り、気温の低い極地では固体の氷が分厚く覆っています。このように大量に存在する液体の水と固体の氷が温度に応じた蒸気圧を持っていますからそれぞれ大気
中に水蒸気として常に気化しています。水の蒸気圧は温度により大きく変化し、100℃以
上では蒸気圧は大気圧と同じ 1013hPa よりも大きくなりますから水は大気を押しのけて水蒸気が充満するように沸騰しますが、人間の生活環境では水蒸気が大気中の約 3％で飽和
してしまいそれ以上に多くなることはありません。上限の蒸気圧を飽和水蒸気圧と呼んでいますが、大気中の水蒸気圧がこの飽和水蒸気圧に近ければもはや水はあまり蒸発しませんが、飽和水蒸気圧よりも非常に小さければ水は容易に蒸発して水蒸気になります。そのため、水蒸気の飽和した状態では体温調節のためにかいた汗も蒸発できませんから非常に蒸し暑く感じられますし、ほとんど水蒸気を含まない乾燥した大気中では身体の表面からどんどん水分が蒸発してしまい皮膚はカサカサになり喉が渇きます。洗濯物の乾き方や喉の渇き具合など体感できる大気中の水蒸気圧（ew）が飽和水蒸気圧(Ew)に対する比率に密接に関係しますから、これを式 1-1 のように相対湿度（RH）と定義して気象庁では時々刻々測定しています。

ܴ‫= ܪ‬

ଵ଴଴∙௘ೢ

式 1-1

ாೢ

4

二酸化炭素は無色無臭の気体で産業革命以前の地球上ではわずかに大気中に約 0.03％（300ppm）しか含まれていませんから日常生活においてほとんど注目されませんでした
が、科学の進歩とともにその性質や挙動が次第に明らかになり、重要な気体と注目されるようになってきました。多くの植物は太陽光による 12 モルの水から 6 モルの酸素への分解
反応で生まれた還元する能力により、6 モルの二酸化炭素と 6 モルの水から、1 モルのブド
ウ糖を生産します。植物の中で起こる光合成あるいは炭酸同化反応と呼ばれる非常に複雑なこの反応で生産された 1 モルのブドウ糖が 6 モルの二酸化炭素と 6 モルの水に分解する
ときには 674kcal の化学エネルギーを放出します。この光合成の過程では太陽光のエネル
ギーの他に水と二酸化炭素が必須のブドウ糖の原料ですが、植物はブドウ糖と酸素を生産することにより太陽光のエネルギーを化学エネルギーの形に変換して蓄えています。
このように光合成で生産したブドウ糖を基本骨格に持つセルロースのかたちで植物は
幹や枝や葉などの組織を形作っていますし、でんぷんや糖類などの炭水化物としてエネルギーを備蓄しています。でんぷんや糖類やセルロースなどのブドウ糖を母核とする炭水化物を多くの植物や動物は大気中の酸素により二酸化炭素まで酸化分解し、その時発生するエネルギーが生命活動を維持するための活力に当てられています。人間などの哺乳類は呼吸することにより肺を通して、この酸化分解に必要な酸素を吸収し、同時に二酸化炭素を排出しています。植物を栄養源とする大部分の微生物や動物も植物の備蓄したでんぷんや糖類やセルロースを分解し、その時発生するエネルギーを活力にして生命活動を維持しています。光エネルギーで水を分解して二酸化炭素からブドウ糖を生合成し供給してくれる植物が全ての生物の食べ物を供給してくれる唯一の頼りなのです
しかし、でんぷんや糖類やセルロースなどのアルコール類までの分解が得意な酵母菌（イースト）のような生物や、晩酌を止められない親父のようなアルコール類の酸化を得意とする生物など得意とする化学反応は生物の種類により異なります。牛や羊などの草食動物はでんぷんや糖類やセルロースなどすべての炭水化物を酸化分解して生命活動を維持するための活力に当てることができますが、人類はセルロースを分解することができませんから、残酷に思われますが牛や羊に草を奮起して食べてもらい、成長したのちに人類の食べ物として犠牲になってもらっています。同じように果物や穀物に含まれるでんぷんや糖類を麹菌や酵母菌などの微生物に食べてもらい、食べ残しのアルコールや糖類やアミノ酸などを人類は横領します。小麦粉やブドウの果実を微生物に食べてもらい排泄する二酸
化炭素とアルコールを集めたビールやシャンパンは人類の最も好む飲み物です。また、小麦粉を酵母菌とともに水で練り酵母菌に奮起してもらいアルコールとともに二酸化炭素を排泄してもらいますと、小麦粉の塊の中に小さな二酸化炭素の泡が溜ります。この二酸化炭素を包み込んだ小麦の塊を 180～250℃の高温で焼きますと二酸化炭素が体積を急激に膨張させますから、塊は大きく膨張し焼結してパンになります。日本人は小麦粉が少なく二酸化炭素の泡だらけの軽いパンを好むように思います。
多くの生物はその体内で還元状態の物質を大気中の酸素で酸化して、そのとき発生す5

るエネルギーを活力にして生命維持をしていますが、高温に加熱しますと大気中に含まれる酸素とそれらの物質が急激に酸化分解反応して二酸化炭素を生成するとともに急激に熱エネルギーを発散します。この高温における酸化分解は燃焼と呼ばれて、人類はその制御の技術を会得し熱エネルギーを自由に利用できるようになりました。その後、でんぷんや糖類やセルロースなどを多く含む枯草や薪ばかりでなく木炭や石油や石炭などのより大きな熱エネルギーを容易に発散する物質まで燃焼するようになりました。
文部科学省が定めている学習指導要領の中の小学校理科の観察、実験の手引き詳細は、
6 年生が瓶の中に火の点いたろうそくを入れ，蓋をして燃える様子を観察して「燃焼の仕組み」を学ぶように取り上げています。著者も図 1-1 のように広口試薬瓶の中にろうそくを置き、図 1-1（A）のようにろうそくに点火しましたが、まもなく図 1-1（C）～（F）のようにろうそくの炎は小さくなり 1 分以内に図 1-1（G）のように鎮火してしまいました。
この現象はろうそくの燃焼により試薬瓶の中の酸素が消費され二酸化炭素が発生したためと説明されています。火を使うことは文明の発展の基礎となるものですが、図 1-1 の実験からも明らかなように酸素の存在が必須ですが大気中には 20 ％以上の酸素が含まれていますから、一般的な生活環境においてはあまり注目されず、二酸化炭素が燃焼において最も強力な邪魔物として注目されるようになりました。

A

B

C
D
E
F
図 1-1 密閉空間でのろうそく密閉空間でのろうそくの燃
でのろうそくの燃焼の燃焼実験
古生代カンブリア紀に発生した三葉虫などの節足動物は古生代を通じて広大な海水域を利して繫栄しましたが、2.5 億年前に地球が冷え込んだ折に海水面が極端に低くなり生活圏の縮小に連れて大絶滅に結び付いたと考えられています。恐竜は中生代三畳紀に地球上に現れ、中生代を通して進化し大きな身体を利して繁栄をしましたが、中生代白亜紀の自然環境の大きな変化に伴いその体の大きさが逆に不利に働いて滅亡に向かいました。
300 万年前からの氷河期には厳しい寒さに耐性の強い大きな身体のマンモス象が植物の生育も遅くなりユーラシア大陸からアメリカ大陸にかけて広がった草原の草を食べていまし
たが、氷河期の終焉とともに草原は針葉樹林に変化してしまい食物の草が減少したために大きな身体を保つことができず絶滅してしまいました。「祇園精舎の鐘の声、諸行無常の響きあり。沙羅双樹の花の色、盛者必衰の理をあらはす。奢れる者も久しからず、ただ春の夜の夢のごとし。猛き者もつひにはほろびぬ、ひとへに風の前の塵に同じ。」これは平家物語の冒頭の一節ですが、ある環境に適した能力を利して繁栄した生物が環境の変化とともにその能力が仇となって、滅亡に向かう傾向は自然の摂理と考えることができます。
森の中で木と木が擦れ合い摩擦熱により高温に達しますと木が煙を出して燻りますが、
6

さらに燃え易い木の枝や枯葉が近くにありますと炎を挙げて燃え始めます。このようにして自然界では山火事がしばしば発生しますが、多くの動物が山火事の折にはただ逃げ惑うのに対して、人類はこの山火事を恐れることなくその原因となる摩擦熱から人為的に火を熾す技術を習得しました。火傷や二酸化炭素による窒息死などの失敗経験をもとに、人類は火を熾して寒さを凌ぎ、襲ってくる動物の攻撃を防ぎ、山を焼いて農耕に利用してきました。焚火の火を利用して銅を製錬し、青銅製の精巧な道具を作ることができましたから、獰猛な獣も敏捷な鳥類も人類の餌食にすることができました。さらに、高温の火を利用することが工夫されて初めて鉄器が作られましたから、性能の高い道具や武器を利用できるようになりました。物を燃やして動力に変換する技術を Watt が開発して、産業革命を引き起こしました。Nobel が物を短時間に激しく燃やす技術の開発に成功しましたが、その強力な破壊力は土木技術の向上ばかりでなく武器弾薬の進歩に繋がりました。Siemens らの多くの発明は物を燃やすことにより電気を生み出し、あらゆる面で便利で豊かな日常生活を可能にしました。
人類が言語や文字や道具や農耕などの文明を持っているために霊長類と名乗って威張っていますが、小鳥の四十雀が言語を使って情報交換をしていると聞いたことがあります
し、猿は種々の道具を用います。しかし、人為的に物を燃やすことによって熱を自由に生活に利用できるようになりましたから、火を使いこなすことにより初めて人類は多くの動物から差別できる文明を供えたと思われます。物を燃やすことこそが他の生物から優位に立つことのできた知識であり技術であり、文明の発展の基礎となるものです。
このように人類の歴史の過程において、有効にしかも大量に火を使うことが天下を制し、生活の向上に繋がりましたから、人類は競って火遊びをするようになりました。結果
として地球を征服したと思いあがっている人類はその本来の身体能力を補うように、石油や石炭をどんどん燃やして地球狭しと動き回り、生活環境を快適にすべく夏は厚着をして冷房下に事務を執り、冬は暖房した部屋でアイスクリームを食べ、昼間のように煌々と灯りを点して昼夜の別なく活動しています。自然の摂理に反するようなこの人類の驕りと贅沢が気温の上昇をもたらし、ひいては度重なる天変地異を引き起こす原因となっているのかもしれません。もし人類の贅沢が気温の上昇、大気の汚染、自然の破壊などを引き起こ
し、これらの変化を原因とする天変地異が地球環境の破壊に繋がるものであれば、由々し
き問題と考えなければなりません。
盛者必衰の自然の摂理に従えば、火を使いこなすことにより霊長類と名乗って最も高等に進化した生物と思いあがっていますが、その火を使う技術と知見が人類を滅ぼす最も強力な仇として働くと考えられます。本書では化学的な知識や思考方法を基にして二酸化炭素の性質や地球上における挙動や人類との関係などについて独善的に考えてみようと思います。火を使うときに発生する二酸化炭素について化学的な知識を基にして考えることから、何か一つでも化学の研究や教育に役立つものが見つけ出せれば良いと思っております。また、化学に関係の深い二酸化炭素について考えることで世情を揺るがす脱炭素問題

7などを考える上で助けになれば、本書はさらなる意義を持つことになると思われます。

8

2. 二酸化炭素の状態
二酸化炭素の状態
二酸化炭素分子二酸化炭素分子の構造
分子の構造
地球上の万物は中性子と陽子と電子の 3 種の粒子からなり、それら 3 種の粒子の集合の仕方が変化すれば、原子やイオンが変りますからその性質が変化しますし、原子やイオンの集合の仕方が変化すれば分子の性質や機能が変化します。原子やイオンを結び付けている結合の組み替える変化を化学反応と呼んでいますが、分子を構成する原子の種類も結合の仕方も変化しますから、物質が変化し万物の組織や機能も変化します。さらに、分子が集合して形作られている物質も時間の経過や環境の変化により集合の仕方を変えてより安定な状態になりますから、物質の組織や機能も変化します。
原子が集合して分子を形成しますが、Coulomb によりますと距離ｒij 離れて電荷 Qi と Qjを持つ i と j の 2 つの粒子間には式 2-1 で示すような静電的な力 Fcoulomb が働き、そのエネル
ギーEij は真空中の誘電率を0 とするときに式 2-2 で示すことができますから、原子が互いに接近して距離ｒij が小さくなれば引力も斥力も大きくなります。原子核の大きさに比較して電子の分布する領域が格段に大きいために、2 つの原子の間に働く引力と斥力の大きさも原子間距離により変化します。

‫ܨ‬஼௢௨௟௢௠௕ =‫ܧ‬௜௝ = −ொ೔ ∙ொೕ

式 2-1

ସగఌబ ௥೔ೕ మ

ொ೔ ொೕ

式 2-2

ସగఌబ ௥೔ೕMorse は 2 つの原子が接近するときのこのような静電的な引力と斥力の関係を近似していますので、その関係式に基づいて計算した酸素原子と水素原子の間に働く引力と斥力の大きさを図 2-1 に示します。図の黄緑色の線で示すように原子間の距離が小さくなるほど
次第に一方の原子の原子核と他方の原子の電子の間に働く引力が大きくなり静電的なエネ
ルギーを放出して大きな安定化が起こります。また、原子が極めて接近する時に図の青色の線で 示すように原子核同士の 間に静電的に反発する斥 力が働きます。こ図 2-1 酸素－水素間距離と結合エネルギー
kcal/mol200の引力 と斥力が同時に働いて打 ち消し合いますか100

ら、図 の赤色の線で示す

0

ように 2 つの原子が接近す-100

原子核同士の斥力

るとき にある原子間距離までは式 2-1 で表されるよ-200

うな静 電的な引力が働く-300とともに式 2-2 で表される

原子核と電子の引力
原子間に働くの相互作用

0

0.2

9

0.4

nm 0.6

エネルギーを放出します。図 2-1 の赤色線が極小値となる原子間距離まで近付きますと、
静電的な引力と斥力が釣り合いエネルギーの放出が止まり最もエネルギー的に安定になります。この原子間距離よりも 2 つの原子が近付いても遠ざかってもエネルギー的に不安定になりますから、エネルギーの供給がなければ 2 つの原子はこの原子間距離を保って安定化します。結果として、2 つの電子が静電的な引力によりそれぞれ 2 つの原子核を引き付
け、両原子が共有結合と呼ばれる結合で結び付けられます。結合を形成するときに放出されたエネルギーに相当するエネルギーを逆に 2 つの原子を結び付けている結合に供給しま
すと、結合が開裂して原子がそれぞれ離れてゆきます。
この共有結合において、2 つの原子が相互作用を起こすことによって最も安定化した状態までのエネルギーの大きさを結合エネルギーと呼び、そのときの原子間距離を結合距離と呼んでおり、種々の原子間の結合の平均的な結合距離 R と結合エネルギーE を表 2-1 にまとめました。大きな結合エネルギーを持つ結合では大きなエネルギーの安定化を生じますから、結合を構成する原子が強く結ばれていますし、小さな結合エネルギーを持つ結合は容易に開裂して分解してゆきます。これらの結合は電子を挟んで 2 個の原子が静電的に引き合う力ですから、一般的には互いの距離が小さければそれだけ大きな結合エネルギーを示します。
表 2-1 共有結合の結合距離､nm)､kcal/mol))
共有結合の結合距離(の結合距離(R､nm)と結合エネルギー(と結合エネルギー(E､
結合
C-H
C-H
C-H
C-H
C-H
C-H
N-H
N-H
N-H
O-H
O-H
O-H
C-C
C-C
C-C
C-C
C=C
C≡C
C=C

化合物
CH3▬H
C2H5▬H
C6H5▬H
HOCH2▬H
CH3CO▬H
C6H5CO▬H
NH2▬H
CH3NH▬H
C6H5NH▬H
HO▬H
CH3O▬H
CH3COO▬H
CH3▬CH3CH2=CH▬CH=CH2
C6H5▬CH3C6H6（π結合）
CH2〓CH2
（π結合）
CH≡CH
（π結合）
CH2〓CHCH〓CH2
（π結合）

Ｒ
0.109
0.111
0.108
0.110
0.109
0.101
0.101
0.096
0.096
0.154
0.146
0.153
0.139
0.134
0.120
0.135

Ｅ
104
98
112
92
86
74
94
92
80
119
102
112
88
112
100
138
55
83
74
72
54
100
66

結合
C-O
C-O
C-O
C=O
C=O
C=O
C-N
C-N
C-F
C-Cl
C-Cl
C-Br
C-I
N-N
N=N
N≡N
O-O
O=O
10

化合物
CH3▬OH
C6H5▬OH
CH3O▬CH3
CH3CH〓O（π結合）（CH3）2C〓O
（π結合）
OC〓O
CH3▬NH2C6H5▬NH2CH3▬F
CH3▬ClCCl3▬Cl
CH3▬BrCH3▬I
H2N▬NH2
HN〓NH
（π結合）
N2
（π結合）
HO▬OH
O2
（π結合）

Ｒ
0.143
0.136
0.143
0.122
0.123
0.147
0.143
0.178
0.177
0.193
0.214

0.110
0.148
0.121

Ｅ
91
112
80
81
85
80
88
128
79
100
108
84
73
70
56
59
100
41
113
63
50
119
69

これらの共有結合にはそれぞれの原子の最外殻の軌道のうちの 1 つずつが相互作用する単結合、2 つずつの軌道が相互作用する 2 重結合、3 つずつが相互作用する 3 重結合の 3種類があります。単結合では図 2-2 (A)のように結合軸の上で相互作用してσ結合と呼ばれる結合を形成します。2 重結合では 1 つずつの軌道が結合軸上で相互作用するσ結合を作っていますが、残りの 1 つずつの軌道は軸上ではなく直交軸上に存在します。図 2-2(B)の褐色に示すようにこの直交軸上の軌道は側面で相互作用し、これをπ結合と呼んでいます。
3 重結合は 3 つずつの軌道のうち 1 つずつの軌道が結合軸上でσ結合し、残りの 2 つずつの電子は結合軸に対して直交した環状の軌道に存在していますから、相互作用により 2 つずつのπ電子が図 2-2(C)の褐色で示すように竹輪のような筒状に

C

C

C

C

Ａ

C

Ｂ

C

C

σ結合

重なり合って 2 本のπ結合を作ります。二酸化炭素の炭素原子は

C

C

C

図 2-3 に示すように 2 つの酸素原子とそれぞれ 1 本のσ結合と 1 本のπ結合で結ばれていますか

π結合

C

C

C
π 結合

ら、3 重結合の炭素原子のように

図 2-2 3 種の炭素－炭素結合

炭素原子のπ電子は結合軸に対して直交した環状の軌道に存在OCし、しかも 2 本のπ結合の面が互いに直交しています。

O

O

C

O

図 2-3 二酸化炭素の結合

共有結合に働く静電的な引力 FCoulomb は式 2-1 に示されるように原子核と電子が持つそれぞれの電荷 Qi と Qj の積に比例し、原子核と電子の間の距離 r に反比例します。水素分子（H2）のように同じ原子同士が共有結合する場合には、原子核の正電荷も原子半径も互いに同じですから、一方の原子の電子と他方の原子核の間に働く静電的な引力と一方の原子
核と他方の原子の電子に働く静電的な引力は等しくなります。そのため両者の原子核が電子を引き付ける力は等しく、原子間で電子の偏りは起こりません。
しかし、炭素－水素結合や炭素－酸素結合のように 2 つの異なる原子が共有結合する
場合には、それぞれの原子核の正電荷も原子半径も異なりますから、一方の原子に属する電子と他方の原子核の間に働く静電的な引力と一方の原子核と他方の原子の電子に働く静電的な引力は当然異なってきます。そのため両者の原子核が電子を引き付ける力にも差が生じて、原子間で電子の偏りが生まれます。2 つの異なる原子からなる塩化水素（HCl）の場合には、結合に関与する 2 個の電子は若干塩素の原子核に引き付けられますから、塩
素原子の近くに電子が偏ります。結果として、結合することにより水素原子は電子が若干減少して正電荷を帯び、わずかな陽イオンの性質を示すようになります。また、塩素原子
は電子が逆に増加して負電荷を帯びるようになります。これらの分子も気体や液体の状態
では自由に動き回れますから、分子はあらゆる方向に乱雑に向いていて図 2-4（A）の模式
11

図のように物質全体とし電荷の偏りを互いに打ち消します。
原子間に電子の偏りのない水素分子が正負の電位差のある電場の中に存在しても、分子の中に電荷の偏りがありませんから、水素分子は何の影響も受けません。しかし、原子間に電子の偏りのある塩化水素では、塩素原子が負の電荷を帯びるように分子には電荷の偏りがありますから、正負の電位差のある電場の中では塩化水素分子は塩素原子が正の電位の方向に、また水素原子が負の電位の方向に静電的な引力を受けて引き付けられます。
そのため、図 2-4（B）の模式図のように自由に動き回ることのできる気体や液体の塩化水
素の分子は分子の重心を中心に回転して、電場を打ち消すように分子が整列します。2 つの異なる原子で構成されている 2 原子分子は塩化水素のように電子の偏りを持っています(A)が、その偏りの大きさは構成する原子の種類
によりそれぞれ異なります。このような分子を電場の中に置きますと、電荷の偏りを持つ分子と電場の間には双極子モーメントと呼ばれる分子の重心を中心とする回転力が働きます。この双極子モーメントμは式 2-3 に示す(B)

ように電荷の偏りの原因となる正負の電荷を持つ原子の間の距離 r とそのそれぞれの電荷

図 2-4 誘電分極の模式図の大きさδに比例します。

ߤ =ߜ∙‫ݎ‬

式 2-3

このように電場の影響を受けて分子の整列した状態から電位差を 0 にして電場の影響を取り去りますと、整列していた分子は乱雑な方向に列を乱してゆき、そのとき電気エネ
ルギーを放出します。電場の中に置いた物質が電場を取り去ることにより放出するこの電気エネルギーとその物質の中に含まれる分子の数から双極子モーメントを実験的に求めることができます。原子間距離 r は X 線回折などの方法で別途実験的に求めることができま
すから、2 原子分子上にある電荷の大きさが求められます。
例えば、塩素陰イオンと水素陽イオンがイオン結合で結ばれて塩化水素ができていると仮定すると、陽イオンでは電子 1 個に相当する正電荷が存在し、陰イオンの上には電子1 個に相当する負電荷が存在します。電子の電荷は 4.80x10－10esu と報告されていますから､
イオン結合の場合の電荷の偏りは 4.80x10－18esu となります。しかし、塩化水素分子の双極子モーメントは 1.03ｘ10－ 18esu･cm と実測されていますし、水素と塩素の原子間距離は0.13nm（1.3x10－8cm）と報告されていますから、式 2-3 から原子上にある電荷の大きさは7.19ｘ10－11esu と算出することができます。この電荷の大きさとイオン結合で結ばれていると仮定した時の電荷の偏りの大きさの比較から、塩化水素の結合は 83.5％の共有結合と16.5％のイオン結合の混ざり合ったような性質を持っていると考えられます。言い換えれ12ば、塩化水素分子の結合は塩素原子が 16.5％負の電荷を持ち水素原子が 16.5％正の電荷を持って共有結合していることを示しています。
一般的に、物質は種々の原子が共有結合で結ばれていますから、塩化水素の結合が電子の偏りを持っているように、多くの物質を構成している結合には結合軸に沿った方向に多少の電荷の偏りを持っており、結合の双極子モーメントも方向性を持っています。しかし、多くの原子が集合した多原子分子中の原子の位置は 3 次元的な広がりを持っており、それぞれの結合も 3 次元的な方向を持っていますから、分子全体の双極子モーメントは各結合の双極子モーメントのベクトル和となります。当然、分子が自由に動き回ることのできる気体や液体の状態では、このような多原子分子が正負の電位差のある電場の中に存在するときには、その分子の結合の双極子モーメントをベクトル和した分子双極子モーメン･cm））
種々の分子の双極子モーメント（
表 2-2 種々の分子の双極子モーメント（x 10－18 esu･
物質名
ヘリウム
ネオン
アルゴン
酸素
窒素
水素
フッ化水素
塩化水素
臭化水素
ヨウ化水素
水
硫化水素

化学式

双極子モーメント

He
Ne
Ar
O2
N2
H2
HF
HCl
HBr
HI
H2O
H2S

0
0
0
0
0
0
1.98
1.03
0.78
0.38
1.85
0.95

物質名
アンモニア
メタン
四塩化炭素
フッ化メチル
塩化メチル
臭化メチル
ヨウ化メチル
アセトン
エタノール
フェノール
一酸化炭素
二酸化炭素

化学式

双極子モーメント

NH3
CH4
CCl4
CH3F
CH3Cl
CH3Br
CH3I
CH3COCH3
CH3CH2OH
C6H5OH
CO
CO2

1.49
0
0
1.81
1.87
1.80
1.64
2.70
1.69
1.70
0.10
0

トにより分子が整列してゆきます。電場の影響を受けて分子の整列した状態から電場の影
響を取り去り、放出される電気エネルギーと分子の数から実験的に求めた分子双極子モーメントを表 2-2 に掲げておきます。分子を構成する原子の 3 次元的な位置は別途求められますから、実験的に求められる分子双極子モーメントを 3 次元的にベクトル分解すれば、結合双極子モーメントと呼ばれる種々の 2 原子間の結合の双極子モーメントが求められま
表 2-3 結合の双極子モーメント（･cm、結合、結合双極子結合の双極子モーメント（ x 10－18esu･、結合双極子モーメント
双極子モーメント）
モーメント）
結合
H-P
H-I
H-C(sp3)
H-S
H-Br
H-Cl
D-Cl
H-N
D-N
H-O


0.36
0.38
0.30
0.68
0.78
1.08
1.09
1.31
1.30
1.51

結合
D-O
H-F
C-C
C-N
C-O
C-S
C-I
C-Br
C-F
C-Cl


1.52
1.94
0.0
0.22
0.74
0.9
1.19
1.38
1.41
1.46

結合
N-O
N-F
P-I
P-Br
PCl
As-Cl
Sb-Cl
S-Cl
Cl-O
Cl-F
13


0.3
0.17
0.0
0.36
0.81
1.64
2.6
0.7
0.7
0.88

結合
C=C
C=N
C=O
C=S
N=O
C≡C
N≡CC=NLi-C
Sn-Cl


0.0
0.9
2.3
2.6
2.0
0.0
3.5
3.0
1.4
>3.0

すので表 2-3 に掲げておきます。
二酸化炭素は 1 個の炭素原子に 2 個の酸素原子が結合していますから、電子の偏りを持ってそれぞれ結合していると思われますが、その分子は双極子モーメントを示しません。
このことは値を持つ結合双極子モーメントがベクトル和することにより打ち消されて分子双極子モーメントが 0 になっていることを意味しています。1 個の中心と 2 点を結び、全体にベクトル和が 0 になるためには、二酸化炭素の分子は中心原子に異種の 2 個の原子が直線状に結合して対称性を保っている構造でなければなりません。実際の二酸化炭素は図2-5 に示すように炭素＝酸素結合の結合距離と結合双極子モーメントがそれぞれ 0.116nm（1.16x10－10m）と 2.3x10－18esu･cm と求められていますから、炭素原子が若干正に帯電し、2 個の酸素原子がそれぞれ負に帯電していますが、炭素原O子を中心とする直線構造を取ると考えられています。同じ

2.3

ようにメタンは炭素原子に 4 個の水素原子が結合している

C 0 .11 6nmにもかかわらず、分子双極子モーメントが 0 を示すことか

2.3

ら、メタンの分子は中心原子に異種の 4 個の原子が正 3 角

18 0°形で縁取られた正 4 面体の重心に中心を置き、各頂点と結図 2-5 二酸化炭素の二酸化炭素の双極子モーメントと結合角合して対称性を保っている構造であることが分かります。

O

この表から分かるように酸素－水素結合は結合双極子モーメントが 1.51x10－18esu･cm
であり、結合距離が 0.0958nm(9.58x10－11m)ですから、水の酸素－水素結合は 67.2％の共有結合の性質と 32.8％のイオン結合の性質を持つものと算定されます。電気陰性度の値を考え合わせて算定された結果は水の水素原子がわずかに正の電荷を帯電し、酸素原子が負の電荷を帯電していることを意味しています。水はこのように電荷の偏りを持った結合で中心となる酸素原子に 2 個の水素原子が結合していますが、分子双極子モーメントが 1.85x10－18

esu･cm とかなり大きな値を示すことから、図 2-6 に示すように酸素－水素結合の結合

0.096nm

双極子モーメント 1.51x10－18esu･cm をもとにしたベクトル合成により水の結合角は104.45°と算出できます。二酸化炭素のように3 個の原子が直線状に結合して対称性を持った構造ではなく、水の分子はブーメランのようにくくの字型に水素 2 原子が酸素 1 原子と結合している非常に 簡単な構造を持ってい ることが、双極子モ ーメントから結論付け られます。

1.51 O 1.51
H
H
1.85

104.45°

図 2-6 水の双極子モーメントと結合角

ドライアイスはドライアイスは二酸化炭素の固体
二酸化炭素の固体
分子はそれぞれ固有のエネルギーを持って運動していますが、これらの分子も集合する時には互いに接近しますから相互作用するようになります。一般に、共有結合やイオン

14結合や金属結合により直接結合した原子の間には一定の結合距離が保たれ結合エネルギーの安定化が起こりますが、直接結合していない原子の間にも電子の交換に由来するファン
デルワールス力（EVW）と呼ばれる相互作用やわずかに原子上に存在する電荷による静電的な引力などの相互作用が起こります。この直接結合していない 2 個の原子間の相互作用
は分子間力と呼ばれ、原子間距離を r、原子により固有の定数を a、b とするときに、
Lenard と Jones によって式 2-4 のような関数として近似されています。この関係式から分かるように、分子間力は分子と分子の間の距離の 6 乗に反比例する相互作用ですから、分子の密度が高くなると、分子同士が近接して分子の間の距離 r が小さくなるため分子間力が大きくなります。分子が隙間なく集合して規則的に並びますと分子の表面が相互作用して、分子間力は最も大きくなりエンタルピー的に安定化します。しかし、僅かに距離が遠く離れますとその相互作用は格段に減少して分子間力は無視できるほどに小さくなります。
௔௕‫ܧ‬௏ௐ = ௥ భమ − ௥ ల

式 2-4

前節で見てきたように、異なる原子が結合する場合にはその結合上に生じる電子の偏りによりそれぞれの原子上に電荷が生じます。このように電荷をもった原子が結合した分子でも当然分子全体の電荷に偏りが残ります。このように電荷の偏りを持った分子同士には式 2-1 に示すように距離の 2 乗に反比例する相互作用が分子間力として働きます。この相互作用は距離の 6 乗で反比例するファンデルワールス力と比較して、距離が多少遠く離れても僅かしか減少せず、遠くまでその影響が残ります。
Newton の纏めた物体の運動エネルギーの式 2-5 に示す関係式から 1mol の分子の衝突で生まれる圧力は分子の質量 m と分子の運動の速度 v に比例します。1 モルの気体の分子の数 Na はアボガドロ数 6.02x1023mol-1 ですから、一定体積 V 中の n モルの気体分子の圧力 P
は式 2-6 の関係式に纏めることができます。さらに理想気体定数を R とするとき、式 2-7に示す n モルの理想気体の状態方程式を加味すると気体分子の運動の速度 v は式 2-8 のよ
うに表すことができます。この式を変形しますと気体の分子の平均速度はその分子量 Mwに反比例します。
ଵ‫ = ܨ‬ଶ ݉‫ ݒ‬ଶ

P=

式 2-5

௡ேೌ m௩ మ

式 2-6

3V

ܸܲ = ܴ݊ܶ
ଷோ்

式 2-7
ଷோ்

v = ටே ௠ = ට ெ
ೌ

式 2-8

ೢ

式 2-5 に示す運動エネルギーから 1mol の物質の持つ運動エネルギーは式 2-8 を代入して式 2-9 のように書き換えることができ、低温では小さく温度 T が高くなるほど大きくなり分子が激しく運動します。温度が低いために分子の運動エネルギーが分子間力よりはる
15

かに小さいときには、固体の状態になり、分子間距離が小さくなるように分子は整然と規則的に並んでほとんど動くことが出来なくなります。この状態では分子はその配列を崩す
ほどには動くことが出来ません。温度が少し高くなり分子間力とほとんど同じ程度まで分子の運動エネルギーが大きくなりますと、分子は整然としたその配列を保つことが出来な
くなり、液体となって物質の中を分子は自由に動き回るようになります。さらに温度が高くなり分子間力よりも分子の運動エネルギーがはるかに大きくなりますと、分子は物質の中の分子間力のしがらみから開放されて、自由な世界に飛び出してゆきます。この飛び出す現象を気化といい、分子が分子間力の影響をほとんど受けずに自由に運動できる状態を気体の状態といいます。
ଵଵଷ‫ = ܧ‬ଶ ܰ௔ ݉‫ ݒ‬ଶ = ଶ ‫ܯ‬௪ ‫ ݒ‬ଶ = ଶ ܴܶ

式 2-9

このように分子同士の間で相互に働く分子間力と、分子が持つ運動エネルギーの大きさの大小と、秩序を持って分子の集合するために要するエントロピーの 3 種のエネルギーが釣り合って、物質の固体と液体と気体の 3 つの状態（3 態）が決まってきます。気体分子の持つ運動エネルギーは式 2-9 から分かるように温度に比例しますが、分子の質量ある
いは分子量が大きな時にはたとえ温度が高くなってもゆっくりした速度で運動し、質量の小さな分子は低温においても非常に早く運動します。液体や固体は理想気体ではありませんからそれらの状態の運動エネルギーを正しく近似することはできませんが、運動エネル
ギーが温度により変化し、分子量の小さな分子は早く運動します。軽くて小さい分子は低い温度でも分子間力により束縛されるよりも早く動き回りますから、分子の間隔が大きくなり液体や気体になり易い性質を示します。逆に、大きな分子量の分子の動きは鈍くなりますから、分子間力に負けてしまい、固体の状態を取りやすくなります。しかも、分子に電荷の偏りのない分子では、分子間の距離が僅かに遠く離れますとその相互作用は格段に減少して分子間力は無視できるほどに小さくなりますから、温度の上昇に伴い固体から液体に変化する融点と液体から気体に変化する沸点の間の温度差が小さくなります。これに対して大きな電荷の偏りを持つ分子では、分子間距離が多少大きくなっても分子間力が僅かしか減少せずその影響が残りますから、融点よりかなり高い沸点を示す傾向があります。
希ガス元素は電荷をもたない球状の単原子で分子を構成していると思われますし、水素や酸素や窒素やハロゲン元素など同じ元素で構成された 2 原子分子や一酸化炭素や一酸
表 2-4 分子の形状と体積と表面積
分子の系列
単原子分子
2 原子分子二酸化炭素分子

分子の形

体積

4 ଷ
ߨ‫ = ݎ‬a‫ݓܯ‬
34 ଷߨ‫ ݎ‬+ 2r × 2πr = ܽ‫ݓܯ‬34 ଷߨ‫ ݎ‬+ 4r × 2πr = ܽ‫ݓܯ‬
3
16

表面積
ଵ

ଶ

ଵ

ଶ

ଵ

ଶ

3.30 × ߨ ଷ × ሺܽ‫ݓܯ‬ሻଷ
3.58 × ߨ ଷ × ሺܽ‫ݓܯ‬ሻଷ
3.93 × ߨ ଷ × ሺܽ‫ݓܯ‬ሻଷ

化窒素などの大きさの近い 2 原子分子は表 2-4（緑色）に示すようにほとんど電荷の偏りを持たず、球の間に円筒が挟み込まれた回転楕円体状をしていると思われます。前節で示したように二酸化炭素の分子は双極子モーメントが 0 を示すことから、大きさの近い 3 個の原子が直線状に結合して分子全体として電荷の偏りが打ち消され、表 2-4（赤色）で示
すように球の間に原子 2 個分に相当する円筒が挟み込まれた長い回転楕円体状をしていると思われます。これらの分子の大きさは分子量（Mw）にほぼ比例するものと思われ、比例定数を a とするとき分子の体積は表 2-4 に示すように仮定できますから、分子の表面積も分子量の 2 乗の 3 乗根に比例すると考えられます。分子間力が分子の表面で起こる相互作用ですから同じような分子間相互作用を持つ物質では、分子間力は分子の表面積に比例すると思われ、分子量が融点（Mp）や沸点（Bp）とそれぞれ式 2-10 と式 2-11 に示すような相関性を示すと思われます。球の表面積は相対的に最も小さく、表 2-4 からも単原子分子は表面積の係数が最も小さく、回転楕円体の 2 原子分子では約 10％、長い回転楕円体の二酸化炭素では約 20％表面積が相対的に大きくなることを示しています。この表面積の相対的な違いから単原子分子より 2 原子分子、2 原子分子より 3 原子分子の分子間力が大きくなり、同じ分子量の分子でもより高い融点や沸点を示すと考えられます。
మ‫ܽ = ݌ܯ‬ெ௣ ∙ ‫ ݓܯ‬య + ܾெ௣

式 2-10మ‫ܽ = ݌ܤ‬஻௣ ∙ ‫ ݓܯ‬య + ܾ஻௣

式 2-11

実際、分子相互作用の少ない単原子分子と 2 原子分子と 3 原子分子について、それぞ
れ分子量に対する融点と沸点の関係を図 2-7 のグラフに示しますが、総じて分子量が大きくなるほど融点も沸点も高くなり液体や気体になり難くなることを示しています。これらの分子について式 2-10 と式 2-11 に当て嵌めたときのそれぞれの系列の aMp と bMp と aBpと bBp と相関係数を図 2-7 に併せて示しました。単原子分子は電荷の偏りの全くない球状ですから、分子の間の距離が非常に近いときにのみ分子間力が働き、僅かに分子が離れますと分子間力が無視できるほど小さくなります。そのため、分子量と融点や沸点の間には相関係数が 0.95 以上に比較的高い比例関係が認められますし、融点と沸点の間の温度差がなくほとんど液体の状態で存在しません。図 2-7 に取り上げた一酸化炭素や一酸化窒素な
どの大きさの近い原子で構成された 2 原子分子や水素や酸素や窒素やハロゲン元素など同じ元素で構成された 2 原子分子は、電荷の偏りがほとんどなく相関係数が 0.95 以上に比較的高い比例関係が認められます。惰球状ですからそれらの分子の表面積は単原子分子より相対的に大きく、分子間力も相対的に強いと考えられますから、図 2-7 の緑色線に示すよ
うに表面積に対する融点や沸点が高めに現れています。図 2-7 の青色線に示すように 3 原子分子においても分子間力の影響の少ない沸点は分子の表面積との間に相関関係が認められます。しかし、3 原子分子は二酸化炭素や二硫化炭素のような棒状の他にオゾンや二酸
化硫黄のようにく
くの字に折れ曲がった形の分子があるために分子が近接し配列して結晶化

17図 2-7 気体分子の融点と沸点
300
℃

200
200

３原子分子の沸点
２原子分子の沸点
単原子分子の沸点
二酸化炭素の沸点

３原子分子の融点
２原子分子の融点
単原子分子の融点
二酸化炭素の融点

100
100

00

-100
-100

-200
-200

-300
-300
00
系列
単原子分子
2 原子分子
3 原子分子

5050
aMp
6.61
10.02
12.52

100
100
bMp
-182.2-295.2-273.6

150
150
相関係数

0.97220.96220.6703200 分子量
200
aBp
6.73
11.89
18.45

bBp
280.5
288.0
316.1

250
250
相関係数

0.97500.9511
0.9511

する挙動に差が生じるために、図 2-7 の水色線に示すように 3 原子分子の表面積と融点の間の相関関係はかなり希薄になっています。
二酸化炭素の沸点も分子間力の影響が少ないので表面積との間に類似の相関関係が認められ、単原子分子や 2 原子分子の沸点より高い沸点を示しています。前節で示したように二酸化炭素の分子は双極子モーメントが 0 を示すことから、大きさの近い 3 個の原子が直線状に結合して分子全体として電荷の偏りが打ち消され、表 2-4（赤色）で示すように球の間に原子 2 個分に相当する円筒が挟み込まれた長い回転楕円体状をしていると思われます。そのため二酸化炭素は単原子分子と比較して約 20％表面積が相対的に大きいので高い融点を示しており、大気圧（1013hPa）では固体の二酸化炭素の融点－56.5℃より低い－78℃の沸点で沸騰する逆転現象が見られます。このように固体の状態の物質が沸騰して気化する現象を昇華と呼んでいますが、二酸化炭素のこの冷たい固体が液体の状態を経ることなく気化してしまうことからドライアイス（乾いた氷）の呼び名でアイスクリームやワクチンなどの保管のための寒剤に利用されています。

将来性のある二酸化炭素の超臨界流体
多くの物質と異なるこの逆転した性質を調べる意味で、低温低圧から高温高圧までの18条件下での状態の変化

hPaを調べるために二酸化100000炭素の状態図を図 2-8

10000

超臨界流体
液体
固体

臨界点

に示します。この図の黄色で示す領域の条件

1000下では二酸化炭素が気100体で存在し、水色で示

三重点

気体

10

す領域では液体で存在しますから、この 2 つ

1-125の領域を分ける青色線-100 -75-50-250
図 2-8 二酸化炭素の状態図

25

50 ℃

は沸点を示します。同じように図 2-8 の淡赤色の領域では固体で存在しますから、ほぼ垂直に伸びた青色線は固体と液体の状態を分ける融点を示していますし、黄色と淡赤色の領域を分ける青色線は昇華点を示しています。これらの青色線の交点は三重点と呼ばれて気体と液体と固体が共存できる特殊な状態の温度と圧力です。大気圧（1013hPa）と気温20℃を表す赤色点線が交わる点が黄色の領域にありますから、通常の生活を営む環境では二酸化炭素が気体で存在していることを示していますし、大気圧を示す赤色点線が固体と気体の状態を分ける昇華点を横切っていますから、固体の二酸化炭素は液体になることなく気化するドライアイスとして働きます。
௡

௏

=

௉

式 2-12

ோ்

表 2-5 種々の物質の超臨界流体
物質名
メタン
アンモニア
水
エタン
メタノール
プロピレン
二酸化炭素
亜酸化窒素
プロパン
エタノール
アセトン
ヘキサン
トルエン

分子量
g/mol
16.04
17.03
18.02
30.07
32.04
42.08
44.01
44.02
44.09
46.07
58.08
86.18
92.14

臨界温度
℃
-82.8
132.0
374.1
32.1
239.4
91.7
30.9
36.0
96.6
240.7
234.9
234.0
318.0

臨界圧力
MPa
4.60
11.28
22.12
4.87
8.09
4.60
7.38
7.24
4.25
6.14
4.70
2.97
4.11

液体
0.415
0.817
1.000
0.548
0.791
0.519
1.101
1.226
0.585
0.789
0.790
0.660
0.872

密度 g/cm3
気体0.00072
0.000770.000800.001280.001430.001880.00198
0.00198
0.002020.00206
0.00259
0.003850.00411

超臨界流体

0.162
0.240
0.348
0.203
0.272
0.232
0.469
0.450
0.217
0.276
0.278
0.230
0.290

理想気体は分子間の相互作用の全くない状態と定義され、式 2-7 に示す状態方程式の関係が成り立ちます。分子間力よりも分子の運動エネルギーがはるかに大きくなりますと、
分子は物質の中の分子間力のしがらみから開放されて、自由な世界に飛び出してゆき気体
19の状態になりますから、現実の多くの気体もほぼ理想気体として取り扱うことができます。
式 2-7 は式 2-12 のように書き換えられますが、この式の左辺はある体積の中に存在する物
質の量で密度を表していますから、ある温度における気体の圧力を高くすれば密度が高くなり分子と分子の間の距離が小さくなり縮まります。気体ですから分子は充分に運動エネ
ルギーを持って動き回っていますが、気体の密度が高くなり分子間の距離が縮まりますと
式 2-4 に示すように再び分子間力が無視できなくなってきます。このように大きな運動エ
ネルギーを持って動き回っている気体でありながら分子間力による相互作用が大きくなる
点を臨界点と呼んでおり、この臨界点を超えた特殊な状態を超臨界流体と呼んでいます。
超臨界流体の研究がなされている代表的な物質を表 2-5 に纏めましたが、中でも比較的に温和の温度と圧力の臨界点を持ち、不燃性でほとんど毒性や化学反応性も示さないために取り扱いの容易な二酸化炭素の超臨界流体について多くの研究がなされています。第一
薬科大学の山本博志博士が電子計算機を用いて、二酸化炭素の圧力に対する密度の変化を外挿した結果について報告していますので図 2-9 に引用させていただきました。二酸化炭
素が理想気体と仮定するときの40 ℃ に お け る 密度の変化を黄色

40℃（二酸化炭素）
40℃（二酸化炭素）
60℃（二酸化炭素）
60℃（二酸化炭素）
80℃（二酸化炭素）
80℃（二酸化炭素）
40℃（理想気体）
40℃（理想気体）

ｇ/ｍ
ｍL

0.6

線で併せて示しましたが、5MPa0.3以下の圧力では
赤色線で示した

臨界圧

0
0
5
10
15
20
図 2-9 二酸化炭素の圧力に対する密度の変化

外挿線と一致しています。しかし、赤色点線で示した臨界圧力超臨界流体
密度付近から急激に0.6

MPa

密度が大きくなり、分子間力の大きく影響して0.4いることが伺えます。また、手y = 0.3448x + 0.0081
R² = 0.9458

0.2

元の資料に記載された 83 種の物
質の液体と超臨
界流体の密度を点で結びます

0
0

0.5

1

1.5

図 2-10 液体と超）の関係
液体と超臨界流体の密度（g/mL）の関係
臨界流体の密度（20

液体密度と、図 2-10 に示すように比率が 0.34、その相関係数が 0.94 以上の比例関係が認められます。これらのことから、気体の圧力が高くなり気体の密度が液体の密度の約 34％に達しま
すと、気体のような激しい分子運動を保ちつつ液体のように分子間で相互作用する液体と気体の両方の性質を持った超臨界流体の状態になります。その密度は液体と気体の中間的な密度を持っていますが気体のように分子運動が激しいので、拡散係数が大きく粘性が低
いために非常に容易に攪拌します。しかも、通常の液体のように種々の物質を溶かし込む
性質を示しますから、化学反応を促進させる優れた反応溶媒として働きます。
分子間相互作用の少ない水素や一酸化炭素などの気体は通常の溶媒に対して溶解度が小さくほとんど溶けませんから、特殊な触媒が無ければ水素化反応やヒドロホルミル化反
応などの反応はほとんど進行しませんが、気体と液体の中間的な性質を持っていますから
固体と液体と気体のすべての状態の物質を均一によく溶かしますので超臨界流体の中では非常に速やかに反応が進行します。その上、反応後は、溶媒の働きをしていた超臨界流体
は反応容器内の圧力を下げることにより気化しますから簡単に分別して再利用できますし、反応生成物を容易に濃縮することができます。特に、二酸化炭素の超臨界流体は生活環境に近い 31℃/7MPa に臨界点があり、不燃性で毒性や化学反応性も低いために種々の反応に対して極めて将来性のある溶媒と考えられています。

21

3. 地球の歴史と地球の歴史と二酸化炭素
の歴史と二酸化炭素
二酸化炭素は水の中で炭酸に二酸化炭素は水の中で炭酸に第 2 章の「二酸化炭素分子の構造」の節で見てきたように、2 重結合では 1 つずつの軌道が結合軸上で相互作用するσ結合を作っていますが、残りの 1 つずつの軌道は図 2-2(B)の褐色に示すように結合軸に対して直交軸上にあり、軌道の側面で相互作用するπ結合を作っています。炭素=炭素 2 重結合の結合エネルギーは 146kcal/mol と見積もられています
が、これはσ結合で結ばれた炭素―炭素単結合の結合エネルギーとして見積もられている
83kcal/mol の 2 倍にははるかに及ばないものです。このことから 2 重結合の 2 本目のπ結合エネルギーは 1 本目のσ結合エネルギーよりもはるかに小さく、2 本目の結合は容易に反応することを意味します。付加反応は図 3-1 に示す左から右方向への反応例のように、エチレンなどの 2 重結合の 2 本目の結合が切断してわずかに発熱しながら代わりに水などの分子が付く反応です。同じように 2 重結合に水素、アンモニア、塩化水素、酢酸、塩素、臭素など種々の分子が容易に付加します。脱離反応は図 3-1 に示す右から左方向への反応
ように付加反応の逆反応と考えることが出来ます。当然、付加反応のときのエネルギー変化と同じように、脱離反応のエネルギー変化も小さなものですから、付加反応と脱離反応はしばしば平衡状態にあり、反応条件の僅かな違いにより生成物が付加生成物に偏る場合と脱離生成物に偏る場合があります。

H
H

C

C

H

H

C

H

R

炭素=炭素 2 重結合と

R

OH

C

H

H

H

H
H

C

C

H

R

OH

H

図 3-1 付加反応・脱離反応とその中間体

同じようにアルデヒド類
やケトン類の炭素＝酸素 2 重結合にも水やアルコール類が付加し、図 3-2 に示すように 2つの酸素原子が一つの炭素原子に結合したアセタールと呼ばれる付加物を生成します。酸
素原子は炭素原子に比べて大きな電気陰性度を持つ元素ですから、炭素－酸素結合は僅か
OH
H
R

H
C

O

-H

H
R

CH3O
C

OH
-CH3O

アルデヒド

H
R

-OH
C
OCH3

OH

H
R

CH3O
C

OCH3
-CH3O

ヘミアセタール

OCH3
H
R

C
OCH3

アセタール

図 3-2 アルデヒドの付加反応・脱離反応
アルデヒドの付加反応・脱離反応
表 3-1 炭素=酸素）
炭素 酸素 2 重結合の付加反応
重結合の付加反応の生成熱（の付加反応の生成熱（kcal/mol）
の生成熱（
基質 1

基質 2

ホルムアルデヒド

ギ酸
酢酸
プロピオン酸
ブタン酸
ブドウ糖
果糖

メタノール
18.7
1.1
1.7
2.7
4.9

エタノール メチルアミン
-4.3
0.6
2.1
-0.2

17.2

アンモニア

ブドウ糖

9.7
11.0
12.7
13.7
-4.2
-0.1

22

ながら炭素原子が陽イオン性を持ち、酸素原子は僅かに陰イオン性を帯びます。炭素＝酸
素 2 重結合に付加反応が起こるときに、生成物のアセタールは非常に近くに位置する 2 つの陰イオン性の酸素原子が反発をして不安定になるために、容易に脱離反応が進行します。
現在までに化学者が約 5000 万種類の化合物の性質を明らかにしてきましたが、その中でアセタールの構造を持つ安定な化合物は極めて少なく、速やかに脱離反応が進行して分解
してゆきます。そのため、あまり良い実験結果は見つけられませんでしたが、ホルムアル
デヒドにメタノールの付加したジメトキシメタン（メチラール）への変化が表 3-1 の赤色地に掲げたように発熱反応と報告されています。しかも、如何なる割合でも水と溶け合ってしまうホルムアルデヒドとメタノールの反応により生成したこのジメトキシメタンは表3-1 に掲げたように溶解度が 29g/100g まで水に溶け難くなります。
二酸化炭素は図 2-3 で示したように炭素原子を中心に 2 本の炭素＝酸素 2 重結合が直線状に結合した構造を持っていますから、アルデヒドやケトンと同じように付加反応すると思われます。実際、図 3-3 に示すように二酸化炭素は水を付加して炭酸を生じますが、炭OH酸から水が脱離して二酸化炭素に戻る逆反応と可逆平衡にあります。生じた炭酸が pKa 6.35 と10.33 を示す弱い酸の性質を持っていますから、

H2O
O

C

O

O

二酸化炭素

-H2O

C
炭酸
OH

炭酸はわずかながら水の中で炭酸イオンや炭酸
H+

水素イオンに解離します。大気圧の下 20℃におO

いて 1cm3 の水に空気の主成分の窒素と酸素はそ
れぞれ 0.016 と 0.031cm3 程溶けますが、水の中で炭酸に変化しますから二酸化炭素は見掛け上
酸素の 28 倍に相当する 0.88 cm3 溶けます。

-H+
O

H+
O

C

O

C

-H+
O
炭酸イオン

OH
炭酸水素イオン

図 3-3 二酸化炭素と炭酸
二酸化炭素と炭酸の平衡反応と炭酸の平衡反応

地球上には
地球上には大量の水
林檎の実ばかりでなく、投げ上げた石も飛ぶ鳥も必ず地上に落ちてきますが、永遠に月が地球の周りを回り、地球が太陽の周りを回っているという小さな疑問を整理して、Newton は地球の半径を r、地球の質量を M、物質の質量を m とするときに地球上の全ての物質を地球に捕らえている万有引力 U が式 3-1 のような関係にあることを導きました。ただし万有引力定数 G は 6.67x 10-11m3/s2kg と見積もられています。また、物質の質量 m と速度 v に比例する運動エネルギーF が式 2-5 のような関係で表されます。物
質の運動エネルギーが地球の持つ万有引力より大きくなるときには、式 3-2 に示す不等式
から物質は地球の重力による束縛から解放されますから、地球外へ物質が飛び去るために要する地球からの脱出速度 v （第 2 宇宙速度）は式 3-3 により 11.2km/s と算出できます。
マリナー2 号が金星へ、バイキング 2 号が火星へ、パイオニア 11 号やボイジャー2 号が木星や土星へ飛んでゆきましたが、これらの人工衛星は 11.2km/s 以上の猛烈な速度で地球の重力圏から脱出しました。これと同じように、万有引力に優る力を持つ物質はしがらみか23

ら開放されて地球の影響の及ばない宇宙へ飛び出してゆきます。

ܷ=−

ீெ௠

式 3-1

௥

ଵ

‫ ݒ݉ = ܨ‬ଶ >
ଶ

ீெ௠

式 3-2

௥

ଶீெ

‫>ݒ‬ට ௥式 3-3

1966 年に Cameron が見積もった宇宙に存在する元素の割合を表 3-2 に抜粋しましたが、最も多い元素は水素で次に多いヘリウムと合わせて 99％以上に達し、それ以外の 90 種類の元素は合計 1％にも届きません。当然太陽系の惑星も例外ではありませんから太陽系が誕生した時には、この表に示される元素組成で出来ていたと思われます。水素もヘリウムも気体になり易い元素ですから、それぞれの惑星の大気の主成
分は水素とヘリウムで構成されていたと考えられます。

表 3-2 宇宙における元素存在比
元素
水素
ヘリウム
炭素
窒素
酸素
ネオン
マグネシウム
けい素
硫黄
アルゴン
鉄

H
He
C
N
O
Ne
Mg
Si
S
Ar
Fe

存在比(％)
92.2190
7.49280.04780.00860.08360.00840.00300.00290.00170.00070.0024

太陽系には 9 個の惑星が太陽を中心に公転しており、我々の地球は内から 3 番目の軌道を公転しています。この 9 個の惑星のうち、最も外側の軌道を公転している惑星は近年その存在を発表されたばかりで、その真偽のほどが確かではありません。また、体積が極端に小さく非常に太陽に近い軌道を周回しているため、水星も余り性質がはっきりしていません。表 3-3 に示すように、地球に近い金星と火星は大きさも密度も地球と類似していますが、それらの外側に公転している木星と土星と天王星と海王星の 4 つの惑星は体積が大きく、太陽と同じようにかなり小さな密度を持っています。このことから、内側の軌道を公転している金星と地球と火星の 3 つの惑星
は、45 億年前に同じように誕生した兄弟星と考えられます。地球の脱出速度と同じように
式 3-3 により算出した太陽系の惑星の脱出速度を表 3-3 に掲げておきますが、木星や土星や天王星や海王星は比較的大きな脱出速度を持っています。これに対して金星と地球と火星は軽く小さい惑星のために脱出速度も小さく、比較的に遅く運動している物質でも惑星外に飛び去ってゆきます。
太陽はほぼ一定のエネルギーを輻射し続けていますが、各惑星により太陽からの距離が異なりますから、各惑星が受ける輻射エネルギーの量は異なります。表 3-3 には地球で受ける輻射エネルギーの量を 1 としたときに、それぞれの惑星が同じ面積当たり受け取れる輻射エネルギーの量を掲げました。当然この値の小さな惑星では大気は温められません
から温度が低くなってゆきます。近年になり人工衛星などで太陽系の惑星の大気の温度と24表 3-3 惑星の性質と大気組成（％）
大気成分 分子式 分子量
水素
H2
2
ヘリウム
He
4
メタン
CH4
16
アンモニア NH3
17
水
H2O
18
窒素
N2
28
酸素
O2
32
アルゴン
Ar
40
二酸化炭素 CO244
二酸化硫黄 SO264
惑星半径（km）
惑星質量(x1023kg)
密度(g/cm3)
脱出速度（km/s）
大気圧(atom)
平均軌道半径(x108km)
太陽からの輻射量
大気温度（K)
脱出分子量

金星

0.14
3.4
0.00690.0019
96
0.019
6052
48.7
5.24
10.36
90
1.08
1.91
735
0.1729

地球

火星

2.8
78
21
0.93
0.032

0.03
2.7
0.13
1.6
95

6378
59.7
5.52
11.18
1
1.50
1.00
295
0.0596

3397
6.39
3.93
5.02
0.006
2.28
0.43
250
0.2505

木星

土星

天王星

海王星

89
11
0.2
0.02
0.0001

96
4
0.5
0.02

85
15
0.6

81
17
2
0.0003

71398
19000
1.33
59.57

60000
5680
0.70
35.56

25560
868
1.27
21.29

24760
1020
1.64
23.49

7.78
0.037
124
0.0009

14.29
0.011
94
0.001928.75
0.002759
0.003345.04
0.001159
0.0027

成分比がかなり詳細に調べられましたので表 3-3 に掲げます。第 2 章の「ドライアイスは二酸化炭素の固体」の節で見てきたように、気体の状態になって自由に動き回る分子は温度に比例し分子量に反比例する式 2-8 に示す速度で運動しています。ここに掲げた大気の温度と脱出速度を式 2-8 に代入しますと脱出速度を持つ分子の分子量を式 3-4 のように算出することができますから、天体から脱出できる気体分子の分子量を脱出分子量 Me として表 3-3 にあわせて掲げておきます。ただし、天体の半径を r、天体の質量を M、大気温
度を T、万有引力定数を G、理想気体定数を R とします。
ଷ௥ோ்‫ܯ‬௘ < ଶீெ

式 3-4

式 2-8 で算出される分子の運動の速度はあらゆる分子の平均値で、個々の分子の速度は電磁気学に大いに貢献した Gauß が統計的に処理することにより数式化した正規分布になっていると考えられていますから、非常にわずかながらその平均値から大きく異なり非常に早く運動する分子も非常に遅く運動する分子も含まれています。脱出速度を超えるほどに早く運動する分子は大きな偏差値を示しますから、極めて少量しか含まれていませんが、惑星の誕生以来 45 億年の間には大気中から宇宙の彼方に飛び去ってゆきます。
なお参考のために宇宙に存在すると思われる分子量が 50 以下の比較的小さな分子量の物
質を表 3-4 に纏めて掲げておきます。
大きな脱出速度を持ちしかも大気の温度 T が低い木星や土星や天王星や海王星では脱出分子量 Me が極めて小さな値ですから、分子量がそれぞれ 2 と 4 の水素とヘリウムの分子25

表 3-4 気体分子の分子量でもほとんど惑星から脱出することがなく、宇宙の元素組成をほぼ維持してきました。結果として現在でもそれぞれの惑星の大気は少量のヘリウムと共に主成分として水素を 約 90％ 含 ん
でいます。これ
らの惑星に対して、惑星の質量M が小さく大気の温度 T の高い

分子名
水素
ヘリウム
メタン
アンモニア
水
フッ化水素
ネオン
アセチレン
シアン化水素
ジボラン
一酸化炭素
窒素
エチレン
一酸化窒素
ホルムアルデヒド

エタン
メチルアミン
酸素

分子式
H2
He
CH4
NH3
H2O
HF
Ne
C2H2
HCN
B2H6
CO
N2
C2H4
NO
CH2O
C2H6
CH5N
O2

分子量
2.0
4.0
16.0
17.0
18.0
20.0
20.2
26.0
27.0
27.7
28.0
28.0
28.1
30.0
30.0
30.1
31.0
32.0

分子名
メタノール
シラン
ホスフィン
硫化水素
塩化水素
フッ素
アルゴン
メチルアセチレン

シクロプロパン
プロピレン
亜酸化窒素
二酸化炭素
アセトアルデヒド

酸化エチレン
プロパン
エチルアミン
二酸化窒素
エタノール

分子式
CH4O
SiH4
PH3
H2S
HCl
F2
Ar
C3H4
C3H6
C3H6
N2O
CO2
C2H4O
C2H4O
C3H8
C2H7N
NO2
C2H6O

分子量
32.0
32.1
34.0
34.1
36.5
38.0
40.0
40.1
42.1
42.1
44.0
44.0
44.1
44.1
44.1
45.0
46.0
46.1

金星と火星では脱出分子量 Me が比較的大きいために、水素やヘリウムばかりでなく表 3-4の水色地や緑色地に掲げた分子量の小さなメタンとアンモニアと水まで惑星外に飛び去ってゆきました。そのため、現在では分子量の大きな二酸化炭素が大気の主成分として残りました。ちなみに、月の脱出速度は 2.38km/s に過ぎませんし、太陽に面するときにはかな
り高温に達しますので、全ての気体が脱出してしまい現在では全く気体を検知できなくなっています。9 個の惑星の他に多くの小惑星が太陽を中心に公転していますが、月のように質量の小さな小惑星では脱出速度が小さいためにすべての気体分子はその天体の万有引力に打ち勝って飛散してしまいました。
金星と同じ程度の脱出速度を持っている地球は、わずかに大きな半径の軌道を周回していますから、太陽から受ける熱や光などの輻射エネルギーが半分ほどしかなく、大気の温度が低いために、金星や火星より小さな脱出分子量 Me を示しています。地球が太陽からの適当な距離と惑星質量を持っていることから、水素やヘリウムなどの小さな分子量の分子は宇宙の彼方に飛び去ってしまいましたが、表 3-4 の緑色地に掲げた分子量がそれぞれ 28 と 32 と 27 の酸素や窒素やシアン化水素は宇宙に脱出することなく地球に残存して大気の主成分を構成しました。さらに、表 3-4 の水色地に掲げた水もほとんど脱出することなく地球に残りましたが、地表の環境では水は液体の状態で主に存在しますから、海が地
球の 70％を覆う豊かな水の惑星になったと思われ、太陽からの適当な距離と適当な質量を持つという 2 つの偶然が大量の水に恵まれた地球を形作りました。
誕生間もない 45 億年前には地球上も水素分子で被われた非常に高い還元状態の環境で、
26

図 3-4 に示す右方向の反応により酸素分子は水に還元

2H2 + O2

されてしまい大気中にはほとんど存在していません

図 3-4 水素と酸素と水の関係

2H2Oでした。しかし、長い時間の間に軽くて拡散し易い水素は地球から次第に宇宙の彼方に飛散してゆきました。水素が無くなるとともに、図 3-4 に示す水の分解する平衡反応が左方向にわずかながら進行しましたが、このような分解で生じた水素分子まで宇宙に散逸してゆき徐々に大気中の酸素分子の割合が高くなって地球は次第に酸化状態の環境になってきました。このような過程を経て、現在の地球の大気は約 80％の窒素分子と約 20％の酸素分子で構成され、水素分子は非常に微量しか含まれていません。

大気中に二酸化炭素の
大気中に二酸化炭素の少ない地球
少ない地球
前節の「地球上には大量の水」で取り上げましたように、表 3-3 に掲げた 7 個の太陽系の惑星の中で、外側を公転している木星と土星と天王星と海王星の 4 つの惑星と異なり、3 番目の軌道を公転している地球は比較的大きな密度の小さな天体で軌道の近い金星と火星が類似しています。惑星質量の小さなこれらの金星と地球と火星は式 3-3 により比較的大きな脱出分子量 Me を示しますから、早く動き回る小さな分子量の物質は惑星外に飛び去ってしまい、遅く運動する分子量の大きな物質だけが残っています。表 3-3 に示すように金星と火星の大気は 95~96%の二酸化炭素で構成されていますが、兄弟星の地球の大気にはわずかに 0.03%しか二酸化炭素が含まれていません。現在までに得られた情報を総合しますと、火星に過去の水の痕跡が確認されたのみで、現在の金星と火星には液状の水はほとんど存在していません。これに対して、地球の大気が金星や火星のものと大きく異なる成分になった原因は地球を覆っている大きな海を形作っている多量の水の存在にあると思われます。
太陽系の惑星が誕生してからの 45 億年の間に、兄弟星でありながら地球だけが水の影
響を受けて独自の変化を

表 3-5 地殻中の主な化合物組成（％）

続けてきたものと考えられます。地球の誕生からまもなく固化して地殻が出来上がりましたが、その後も内部に液状で残ったマグマが世界各地の火山から噴出してきました。本来の地球の成分が固化してできた岩石は火成岩と呼ばれ、表 3-5 に示すような成分を含んでいます。この火成岩は機

酸化けい素
二酸化チタン
酸化アルミニウム
酸化第二鉄
酸化第一鉄
酸化マンガン
酸化マグネシウム
酸化カルシウム
酸化ナトリウム
酸化カリウム
五酸化燐
水
二酸化炭素

27

SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
FeO
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
H2O
CO2

火成岩

堆積岩

全地殻

59.12
1.05
15.34
3.08
3.80
0.12
3.49
5.08
3.84
3.13
0.30
1.15
0.10

57.95
0.57
13.39
3.47
2.08
0.00
2.65
5.89
1.13
2.86
0.13
3.23
5.33

58.87
0.95
14.92
3.16
3.43
0.10
3.31
5.26
3.25
3.07
0.26
1.60
1.24

械的風化により礫や砂に破砕され、土にま

表 3-6 海水中の元素組成で微細化されて、水や風に流されて移動してゆきますが、そのとき、水に溶け易いナトリウムやカリウムやマグネシウムやカルシウムの塩類は水に洗い流されてゆき、酸化ケイ素や酸化アルミニウムなどを多く含む砂礫は水に溶けずに残って層をなして積もり、種々の変性を受けて堆積岩に固化してゆきます。このように火成岩は次第に堆積岩に変化してゆきますが、そのときに水によく溶ける成分が溶出してしまうため、若干岩石の組成が変化します。また、溶け出した種々のイオンが海に流れ込み、表 3-

元素名
塩素
ナトリウム
マグネシウム
硫黄
カルシウム
カリウム
臭素
炭素
ストロンチウム
珪酸
ホウ素
アルミニウム
フッ素

元素記号
Cl
Na
Mg
S
Ca
K
Br
C
Sr
Si
B
Al
F

組成（％）
1.89801.05600.12720.08840.04000.03800.00650.00320.00130.00110.00050.00020.00016 に掲げたように世界中の海はナトリウムやマグネシウムやカルシウムやカリウムの陽イ
オンと塩素や臭素や硫酸の陰イオンを多く含み塩辛くなってしまいました。
宇 田 川 榕 菴 が 江 戸 時代に 始 め た 化 学 の 教 科書と し て 翻 訳 し た 舎 密開宗 の 原 本 のElements of Experimental Chemistry の著者 Henry は気体が水に溶ける現象を研究したことでも知られています。地球に大量にある液状の水は大気を構成する全ての気体を溶かしますが、その溶け易さは気体の種類や水の温度や気圧により大きく異なります。気体の圧力を p 気体の溶けた溶液の水のモル数を

表 3-7 気体溶解度とヘンリー定数定数
気体溶解度とnwater、溶け込んだ気体のモル数を ngas、とすると
き式 3-5 に示すヘンリーの法則を見出しました。
表 3-7 には種々の気体のヘンリー定数と大気圧(1013hPa)の下 0℃における溶解度を纏めました。
表 3-7 に白地で示した気体はいずれも水にほとん
ど溶け込まず、大気圧の下 0℃において酸素は窒素よりも若干多く溶けますが、それでも 100g の
水に 0.007g 程しか溶けません。同じように黄色地で示した炭化水素類もあまり高い溶解度を示しません。これに対して青色地で示した硫化水
素や二酸化硫黄や塩化水素やアンモニアの気体が水に溶け込みますと、それぞれ硫化水素水や亜硫酸や塩酸や水酸化アンモニウムなどの酸や塩基性を示す化合物を形成してイオンに解離しますから非常によく溶けます。

28

気体
He
H2
Ne
N2
CO
O2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO2
H2S
SO2
HCl
NH3

溶解度

ヘンリー定数g/100g H2O

Kh・10—7

0.000170.000190.001100.00290.00440.00700.00400.0132
0.028
0.200
0.335
0.71
22.8
84.2
87.5

10.00
4.39
7.68
4.02
2.69
1.95
1.71
0.962
0.421
0.055
0.05560.02040.00130.000260.00016‫＝݌‬௄೓ ∙௡೒ೌೞ

式 3-5

௡೒ೌೞ ା௡ೢೌ೟೐ೝ

これらの水に溶けてイオン性を示す気体と同じように、二酸化炭素は水の中で炭酸に変化するため見掛け上酸素の 48 倍に相当する水 100g 当たり 0.33g 溶けますから、かなり良く溶ける気体と考えることが出来ます。第 2 章の「二酸化炭素分子の構造」の節で見てきたように双極子モーメントの測定などから、二酸化炭素は炭素原子を挟んで 2 つの酸素原子が炭素=酸素 2 重結合で結合した直線状の分子構造をしており、水に溶けた時には水がこの 2 重結合に付加反応して図 3-3 のように炭酸となりますから、水素陽イオン、炭酸
水素イオン、炭酸イオンに一部解離して酸性を示します。
ヘンリーの法則からも分かるように水に溶ける気体の量はその圧力に比例しますから、圧力が高いときには水に大量の二酸化炭素が溶け込み、炭酸の濃度が高くなります。この
水と二酸化炭素の反応は完全な可逆平衡反応ですから、溶け込む二酸化炭素が増大すれば炭酸の濃度は高くなり、炭酸の濃度が低くなれば二酸化炭素を溶かし込むようになります。
また、溶け込む二酸化炭素が減少すれば炭酸の濃度は低くなり、炭酸の濃度が高くなれば二酸化炭素として水から発泡して行きます。ビールやシャンパンのような発泡酒は高い圧力で二酸化炭素を溶かし込んで高い濃度の炭酸として存在していますから、栓を開けて圧力を下げますと二酸化炭素が一気に気体になり泡となって逃げてゆき炭酸の濃度が低下します。しかし、栓を開けて数時間を経過したビールでも僅かずつは発泡を続けることからも分かるように、この可逆反応はゆっくりした変化で、平衡に達するまでに時間がかかります。
種々の金属の塩化物や硝酸塩は表 3-8 に示すように水によく溶けますが、炭酸水素塩はかなり溶け難く、炭酸塩はさらに溶解度の低いことが明らかです。特に、カルシウムイオンと炭酸が反応して生成する炭酸水素カルシウムは 0.2％しか水に溶けませんし、炭酸カルシウムは 0.004％しか溶けません。塩化カルシウムは水によく溶けますから、カルシウ
ムイオンのかなり濃い溶液を調整することが出来ます。この溶液に二酸化炭素を吹き込
みますと、図 3-3 に示す付加反応により炭酸水素イオンと炭酸イオンが生成しますが、カルシウムイオンが溶液

表 3-8 水に対する金属塩の物質の溶解度 (g/100g)

中に存在しますから、
図 3-5 の反応により水

Cl－

NO3－

OH－

CO32－

HCO3－

SO42－

に対する溶解度の低い

Na+

36

88

63.5

21.5

9.6

19.8

炭酸水素カルシウムと

K+

34

31.6

112

52.5

24.9

107

炭酸カルシウムが白濁

Mg

2+

54.5

42.1

して沈殿を始めます。

Ca2+

74.5

56.39

この白濁する反応は鋭

Al3+

47.3

73

敏ですから、二酸化炭

3+

91.9

46.6

Fe

素の存在を確かめる呈

29

26.2
0.17
－4

9x10

4x10－3

0.17

0.208
26.7

色反応としてしばしば利用されています。
火成岩の風化により溶け出したイオンは海に流れ込み、世界中の海はナトリウムやカリウム

CO2 + CaO

CaCO3

CO2 + H2O
H2CO3
CaO + H2O
Ca(OH)2
H2CO3 + Ca(OH)2
CaCO3 + 2H2O
図 3-5 水中で二酸化炭素の沈殿する反応やマグネシウムやカルシウムの陽イオンと塩素や臭素や硫酸の陰イオンを多く含み塩辛くなってしまいました。兄弟星の金星や火星の大気と同じように、生まれたての地球の大気中に多量に含まれていたと考えられる二酸化炭素がカルシウムイオンを含む海に溶け込んでくれば、溶解度の低い炭酸水素カルシウムと炭酸カルシウムが沈殿します。炭酸よりカ
ルシウムイオンが過剰に存在するときはより溶解度の低い炭酸カルシウムが沈殿しますか
ら、炭酸の濃度が低下し、図 3-3 の平衡が偏り、さらなる二酸化炭素の水に対する溶解が進みます。結果として、カルシウムイオンが海に溶けて存在する間は、海は二酸化炭素を吸収し、炭酸カルシウムを沈殿し続けます。沈殿した炭酸カルシウムは種々の変性を受けて石灰石や大理石などの堆積岩に成長します。火成岩が風化して堆積岩に進化する過程で、海の中ではカルシウムイオンが二酸化炭素を吸収して、石灰石や大理石として堆積岩に進化してゆきました。大気中に含まれている二酸化炭素の総量が 1.8 x 1015 kg、堆積岩の平均的な成分として地殻中に固定化されている二酸化炭素の総量が 1.8 x 1020 kg と見積もることができますから、表 3-5 に見られる大気中から地殻中へ移動して酸化カルシウムと二酸
化炭素の増加したことがこの化学反応により合理的に説明できますし、同時に地球の大気中における二酸化炭素の割合が低いことも説明できます。
大理石や石灰石の主成分である炭酸カルシウムは水に極めて溶け難い物質ですが、ごく一部炭酸イオンとカルシウムイオンに解離して水に溶けます。二酸化炭素の溶けた水溶液に炭酸カルシウムを加えると、水の中ではカルシウムイオン、炭酸イオン、炭酸水素イ
オン、水素イオンの 4 種のイオンが平衡状態で共存します。炭酸カルシウムより炭酸水素
カルシウムの方が水に溶けやすいため、炭酸カルシウムは少しずつ水に溶け出してゆきま
す。すなわち、二酸化炭素が存在するときには炭酸カルシウムの溶け出す反応が進行します。小川は森の中を流れる間に、二酸化炭素を水の中に溶かし込み、二酸化炭素を溶かし込んだ水が石灰石や大理石などの上を流れるとき、主成分の炭酸カルシウムを溶かしてゆき、長年の間には石灰岩や大理石の塊に大きな穴が開いてしまいます。この穴を鍾乳洞と呼んでいますが、この鍾乳洞の中には穴を開けていった川が必ず流れています。石灰石や大理石の多い地中海に面した国々や山口県の秋吉台には大きな鍾乳洞が点在しています。
このように地球誕生から 45 億年の間に大気中の二酸化炭素は石灰石や大理石などの堆積岩として固定化され、大気中に含まれている二酸化炭素の濃度は総量が一定値の 1.8 x 1015
kg に止まって平衡に達しています。

30

地中から湧き出す二酸化炭素
カメルーン共和国のオク山山頂にあるニオス
湖と呼ばれる火口湖から 1986 年に突然有毒ガスが噴出して近隣の 1800 人の住民と 3500 頭の家畜が犠牲になりました。アメリカやフランスの研究者と協力して岡山大学の日下部実教授らがガス噴出
災害の実態の解明に当たりました。噴出した有毒ガスは地下のマグマで発生した二酸化炭素で、湖底部から湖の水の中に放出されて溶け込み、わずかずつ次第に湖底部の水の中に蓄積されてきたという調査の結果を日下
図 3-8 ニオス湖の地理的位置
ニオス湖の地理的位置

部教授は論文で報告されました。

教授の論文から引用させていただいた図 3-6 の地図に示すように、オク山はアフリカ大
陸の南西のくびれた部分に位置し、その山頂にあるニオス湖は深さ 209m のバケツ状の形をした火口湖です。オク山に近いカメルーンの第 2 の都市ヤウンデの平均気温は 24℃です
が、ニオス湖の水面は標高 1140m ですから、ニオス湖の付近の平均気温は約 15℃と見積もることができ表面 部
分の水温は 10～15℃と思われます。前節のKh

y = 199.34x2 + 21932x + 554138
R² = 0.9997

2000000「何故、地球の大気 中に二酸化炭素が少な

1000000

い？」で見てきたよ うに、ヘンリーの法則 は0

圧力と水に対する気 体0の溶解度が圧力に比 例

10

20

30

40

50 ℃ 60

図 3-6 二酸化炭素のヘンリー
二酸化炭素のヘンリー定数の温度変化
ヘンリー定数の温度変化する関係を表してい ます。図 3-7 に示す二酸化g/100g炭素のヘンリー定数 の80

温度変化から、ニオ ス

60

湖の表面部分の水温 におけるヘンリー定数 が930000 と 外 挿 さ れ ます。この値から表面 部
分の 100g の水に溶ける
二酸化炭素が約 2g と見積もられます。

40
20
0
0

0.5

1

1.5

2

2.5

図 3-7 圧力に対する二酸化炭素の圧力に対する二酸化炭素の溶解度
二酸化炭素の溶解度変化
溶解度変化

31

MPa

永年にわたり大量の二酸化炭素が蓄積されていたことから、ニオス湖の湖底部分は水の比重が最も大きい約 4℃の水温で対流などによる水の循環も少なく、しかも水深が 209m
ですからニオス湖の湖底部分の水圧は約 2MPa（20 気圧）と考えられます。図 3-7 に示す
曲線から水温 4℃におけるヘンリー定数が 645000 と外挿されます。ヘンリーの法則が湖底部の 2MPa の高い水圧の条件まで適用できるか多少疑問も残りますが、傾向は反映していると考えられますので、ヘンリーの法則にこの値を代入しますと図 3-8 の赤色点線で示すように、ニオス湖の湖底では水 100ｇに対して約 56g の二酸化炭素が溶け込むと算出されます。これらの概算から湖底部の水の中には水面部分に溶け込んでいる二酸化炭素の約 28 倍の大量の二酸化炭素が永年の間に溶け込んで、密封されたシャンパンやビールのように湖底部の水は多量の二酸化炭素の溶け込んだ炭酸水の状態になっていたと思われます。
さらに、湖底部は表 2-5 に掲げた二酸化炭素の臨界点の温度や水圧より低い温度と水圧の環境ですから、遊離した二酸化g/mL

炭素は気体にはならず液体の状態

1を取りますが、図 3-9 に示すよう

0.8に液体の二酸化炭素の密度が 4℃

0.6では水の密度とほぼ等しい
0.98g/mL を示していますから、2層には分かれ難く懸濁した状態になって蓄積されると思われます。

0.4
0.2
0
-20

0

20

40

60

80 ℃

図 3-9 温度に対する液体二酸化炭素の密度温度に対する液体二酸化炭素の密度変化
液体二酸化炭素の密度変化

プロ野球のチームや F1 のプロレーサーが優勝した折にビールやシャンパンを開栓して振り回して発泡させて馬鹿騒ぎをしますが、ニオス湖に地震などの小さな振動あるいは過飽和によるわずかな発泡により湖底部に水の攪拌が起こります。二酸化炭素が一度気化しますとその体積が 500 倍ほどに膨張しますから、泡が湖面に向けて浮き上がり湖の水は激しく攪拌します。この激しい攪拌が連鎖的に二酸化炭素の発泡を一気に誘発して、突沸現
象が起こったと考えられました。二酸化炭素は密度が空気の約 1.5 倍でかなり重い気体ですから、吹き上げた大量の二酸化炭素は湖面から地を這うように山を流れ下ってゆきました。谷あいの土地はこの大量に二酸化炭素に覆われてしまい、生活していた人間も家畜も窒息により即死したと思われます。二酸化炭素による中毒者は意識障害を起こしますが、CT 検査による頭部異常所見が認められず、血液や尿の毒物検査や血液検査も陰性で代謝性疾患も確認できません。
日本の国内でも二酸化炭素が地中から湧出しているところがありますが、ニオス湖のような危険な事故を起こすことはありません。国内の 3 万ヶ所以上の温泉源には硫酸や硫化水素や食塩を含む硫酸泉や硫黄泉や塩類泉の他に炭酸や炭酸水素イオンを含むいくつかの炭酸泉があります。代表的な温泉の兵庫県の有馬温泉や大分県の別府温泉や愛媛県の道後温泉にも、炭酸泉があり地中に含まれる炭酸塩や炭酸水素塩が溶け出しています。地上32

に湧出したこれらの炭酸泉は徐々に二酸化炭素を放出しますから、湯質が若干塩基性で入浴中に肌に泡が付着してきます。そのため入浴により切り傷や末梢循環障害や冷え性などに効能を表し、飲用により胃腸機能を向上させます。

33

4. 燃焼と二酸化炭素
燃焼と二酸化炭素
周囲の電子の数で決まる原子の性質
周囲の電子の数で決まる原子の性質
第 2 章の「二酸化炭素分子の構造」の節で示したように、電荷を持つ 2 個の粒子の間に働く静電的な力 FCoulomb は真空中の誘電率をε0 とするとき、それぞれの電荷の大きさ Qiと Qj に比例し距離 rij に反比例する式 2-1 に示す Coulomb の関係式で表されます。この式は同じ符号の電荷であれば反発力に、異なる符号の電荷であれば引力として働くことを意味しています。また、粒子がクーロン力と呼ばれる静電的な力を振り切って無限の彼方へ引き離されるときに要するエネルギーEij はクーロンエネルギーと呼ばれ式 2-2 で表されます。
原子核は正電荷を持っていますから、原子核の半径の 10000～100000 倍の半径の広い空間に負電荷を持つ電子をクーロン力で結び付けています。このように、原子は質量の重い中性子と陽子が原子核を構成して中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布していますが、原子核に近いほど距離 rij が小さくなり
ますからこれらの電子と原子核の間に働くクーロン力は大きくなります。

‫ܧ‬௡ = −௠௓ మ ௘ ర଼ఌబమ ௛మଵଵ∙ మ = ܴஶ ܼ ଶ ∙ మ
௡

௡

式 4-1

概念的には Newton 力学や Coulomb の関係式で理解できますが、原子核も電子も非常に小さく早い速度で運動していますので量子力学に支配されていますから、それらの軌道の 電 子を 原子 核 から

表 4-1 種々の元素のイオン化ポテンシャル（）
種々の元素のイオン化ポテンシャル（kcal/mol）

引 き 離す ため に 要す
最外殻軌道
る ク ーロ ンエ ネ ルギ 元素
主量子数 電子数
ー は イオ ン化 ポ テン
H1
1
シャル En といい、電
He
1
2
Li
2
1
子の主量子数 n、そのBe22原子の陽子の数を Z、
B
2
3
C
2
4
電子の電荷を e、電子N25の質量を m、プランO26クの定数を h とすると
F
2
7
Ne
2
8
きに式 2-2 を変形した
Na
31
式 4-1 で表されます。 Mg
3
2
Al
3
3
ただし、h は 9.537ｘSi
3
410－14s·kcal/mol と見積
P
3
5
S
3
6
も ら れて いま す が、Cl
3
7
Rydberg は m や e や hAr38
な ど の定 数の 項 を一
K
4
1
Ca
4
2
括して R とし、実験
∞

34

M→M+
319
577
127
219
195
265
342
320
409
507
121
180
141
191
258
243
306
370
102
144

M+→M2+ M2+→M3+ M3+→M4+
0
1272
1769
426
563
570
692
821
813
958
1106
352
440
382
465
547
557
652
744
278

0
0
2863
3597
887
1121
1108
1289
1363
1485
1661
1873
665
782
706
820
932
957
1092
1197

0
0
0
5094
6063
1508
1727
1809
1994
2281
2326
2558
2804
1056
1200
1106
1249
1433
1433
1637

的に 1.0973x107m－1 と定めました。原子核に近い内側からこれらの電子は不連続な 7 段階の電子の入ることの出来る軌道におおよそ順番に詰り、外側には電子の入りうる主量子数の大きな軌道が存在します。式 4-1 から明らかなように、主量子数 n の小さな内側の軌
道の電子は原子核に強く引き付けられており、主量子数 n の大きな外側の軌道の電子は弱い力で結び付けられています。最も外側の主量子数の軌道に分布する最外殻電子は小さなエネルギーで原子から引き離されてしまい、陽イオンとして正電荷を帯びてきます。
種々の元素のイオン化ポテンシャルを表 4-1 および図 4-1 に掲げておきますが、この値が小さいほど元素は陽イオンになり易いことを意味します。1 価の陽イオンからさらに電子を引き離して 2 価の陽イオンにするために要するイオン化ポテンシャルも表 4-1 に併せて掲げました。式 4-1 から明らかなように、主量子数が同じ元素では陽子数 Z の小さな元
素ほどクーロン力が小さくなりますが、この陽イオンになり易い傾向が図 4-1 にも現れています。表 4-1 に掲げた元素の中でアルカリ金属と呼ばれる Li と Na と K と Rb は最外殻電子を 1 個しか持たない元素で非常に小さなイオン化ポテンシャルを示し、最も陽イオンになり易いことが分かります。Mg や Ca などのアルカリ土類金属では最外殻にある 2 つの電子は小さなイオン化ポテンシャルで 2 価陽イオンになりますが、3 つ目の電子は主量子数の小さな軌道にありますから、大きなイオン化ポテンシャルを要し 3 価陽イオンには容易にはなりません。アルカリ金属とは反対に、同じ主量子数の元素の中で最も最外殻電子を多く持つ希ガス元素では陽子数 Z が大きいために非常に大きなイオン化ポテンシャルを示
し、陽イオンになり難いことが分かります。
図 4-1 元素のイオン化ポテンシャル

図 4-2 元素の電子親和力
元素の電子親和力kcal/molkcal/mol

500

80

400

60

300

40

200
20

100

0

0
0

20

40

60

0

80 陽子数

20

40

60

80陽子数

元素から最外殻電子を引き離して陽イオンになるときにはイオン化ポテンシャルを要しますから、逆に陽イオンが外から電子を受け取って元素に戻るときにはイオン化ポテン
シャルに相当するエネルギーを放出します。同じように元素が外から電子を受け取りますと陽子の数よりも電子の数が多くなりますから負電荷を持つ陰イオンになり、そのとき式4-1 に相当する電子親和力と呼ばれるエネルギーを放出します。種々の元素の電子親和力
を表 4-2 および図 4-2 に掲げておきますが、この値が大きいほど放出するエネルギーが大きいので陰イオンになり易すい性質を持っています。式 4-1 から明らかなように、主量子数が小さな元素ほど発生するエネルギーが大きくなりますから、陰イオンになり易い傾向を示します。アルカリ金属は同じ主量子数を持つ元素の中では最も陽子数が少ないので発35

生するエネルギーが小さく、陰イオンにな

表 4-2 元素の電子親和力)
元素の電子親和力(
親和力(kcal/mol)

り難い性質を示します。最外殻電子を 7 個持つ F や Cl や Br や I などのハロゲン元素
は同じ主量子数を持つ元素のなかで陽子数が大きいために大きなエネルギーを放出しますから、陰イオンになり易い性質を示します。8 個の最外殻電子を持つ希ガス元素
はその軌道に入れる電子の許容量を満たしていますから、新たに外から電子を受け取る場合には主量子数が増加してしまい、電子親和力が負の値を示します。このことは希ガス元素が陰イオンになるためには逆にエネルギーを要しますから、ほとんど陰イ

元素
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si

電子親和力
17.4
-12.2
14.3
-4.4
5.5
29.4
1.2
33.7
78.4
-6.9
12.7
-4.6
11.9
28.7

元素
P
S
Cl
Ar
K
Ca
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Rb
I

電子親和力
17.7
48.0
83.1
-8.4
11.5
-37.3
8.6
27.7
18.4
46.6
77.4
-9.3
11.0
70.5

オンにならないことを意味しています。
ある原子あるいはイオンを Mn+、電子を e－、イオン化ポテンシャルを En とすると、原子と陽イオンの間の変化を n=0 のときの図 4-3 で表すことができますし、n が正の整数のときには価数の異なる陽イオンの間の変化を表すことができます。電子親和力も本質的に式4-1 で近似されるイオン化ポテンシャルと同じですから、さらに n が－1 のときには原子と陰イオンの間の変化が図 4-3 で表されますし、n が－1 より小さいときには価数の異なる陰イオンの間の変化まで総括することができます。酸化反応は原子あるいはイオンから電子を放出する反応と定義されていますから、この一般式の左辺から右辺への変化で表すことができますし、酸化反応の逆反応と考えられる還元反応は原子あるいはイオンが電子を取り込む反応と定義されていますから、右辺から左辺への変化で表されます。

Mn+ + En

酸化還元

M(n+1)+ + e-

図 4-3 酸化還元反応

例えば、多くの金属に酸（HX）を作用させますと金属は電子を放出しながら陽イオンに変化しますが、水中では酸が一般的に H+と X－に解離していますから、放出された電子を水素イオンが取り込む還元反応が同時に進行して水素を発生します。水素イオンが電子を取り込むときには電子親和力の発熱がありますが、金属が電子を放出して陽イオンに変化するときにはイオン化ポテンシャルに相当するエネルギーを要します。代表的な金属の亜鉛に塩酸を作用させますと図 4-4 のように変化して水素と塩化亜鉛が生成しますが、実線の下に示したように亜鉛の酸化する反応と水素イオンが還元する反応が起こっていることが分かります。亜鉛金属から亜鉛イオン(Zn2+)へのイオン化ポテンシャ

Zn + 2H+ + 2Cl-

Zn2+ + H2 + 2Cl-

ルと水素から水素イオンへの電Zn + 641kcal/mol
2H+ + 2e-Zn2+ + 2eH2 + 638kcal/mol

子親和力がほぼ等しいために系

図 4-4 亜鉛と塩酸の反応全体としてエネルギーの損得が36ほとんどなくこの反応は容易に進行します。また、鉄道の線路や日本刀の刃は銀色に光る
金属鉄ですが、廃線になって使われなくなった線路も、古墳から出土される鉄の刀も雨露に晒され土中の水に触れて赤褐色に錆びています。この鉄錆は鉄の原子が電子を放出して鉄陽イオンとなり、水がわずかに解離して生じる水酸化物イオンと反応し、さらに脱水して生成した酸化鉄ですから、鉄が錆びる変化は酸化反応と考えることができます。同時に水素イオンの還元により水素が放出されます。
原子を構成する電子は式 4-1 で近似されるようなエネルギーで原子核に結び付けられて
表 4-3 周期表
族
1

2

3

4

5

6

7

1
1
H
1
3
Li
1
11
Na
1
19
K
1
37
Rb
1
55
Cs
1
87
Fr
1

2

4
Be
2
12
Mg
2
20
Ca
2
38
Sr
2
56
Ba
2
88
Ra
2

*1

*2

3

21
Sc
2
39
Y
2

4

5

6

7

8

9

10

22
Ti
2
40
Zr
2
72
Hf
2

23 24 25 26
V Cr Mn Fe21
2
2
41 42 43 44
Nb Mo Tc Ru
1
1
2
1
73 74 75 76
Ta W Re Os
2
2
2
2

27
Co
2
45
Rh
1
77
Ir
2

104

105

106

107

108

109

*2

Rf
2

Db
2

Sg
2

Bh
2

Hs
2

Mt
2

57
La
2
89
Ac
2

58
Ce
2
90
Th
2

59
Pr
2
91
Pa
2

60
Bd
2
92
U
2

63
Eu
2
95

64
Gd
2
96

Am

Cm

2

2

*1

61

62

Pm

Sm

2
93
Np
2

2
94
Pu
2

28
Ni
2
46
Pd
2
78
Pt
1

11

29
Cu
1
47
Ag
1
79
Au
1

12

13

14

15

16

17

30
Zn
2
48
Cd
2
80
Hg
2

5
6
B
C
3
4
13 14
Al Si
3
4
31 32
Ga Ge
3
4
49 50
In Sn
3
4
81 82
Tl Pb
3
4

7
N
5
15
P
5
33
As
5
51
Sb
5
83
Bi
5

8
O
6
16
S
6
34
Se
6
52
Te
6
84
Po
6

9
F
7
17
Cl
7
35
Br
7
53
I
7
85
At
7

18
2
He
2
10
Ne
8
18
Ar
8
36
Kr
8
54
Xe
8
86
Rn
8

陽子数
元素記号
外郭電子数

65
Tb
2
97
Bk
2

66
Dy
2
98
Cf
2

67 68 69 70 71
Ho Eｒ Tm Yb Lu
2
2
2
2
2
100
101
102
103
99
Es Fm Md No Lr
2
2
2
2
2

いますから、同じ主量子数を持つ元素では陽子数が小さく最外殻電子の数が少ない元素ではイオン化ポテンシャルも電子親和力も小さく、陽イオンになり易い性質を示します。また、陽子数が大きく最外殻電子の数が多い元素ではイオン化ポテンシャルも電子親和性も37

大きいので、陰イオンになり易い性質を示します。さらに、希ガス元素ではイオン化ポテ
ンシャルが極端に大きく、電子親和力が負の値を示しますから、陽イオンにも陰イオンにもなりません。まとめますと、元素のイオンへのなり易さは中心の原子核ではなく、主に周囲に広く分布する電子の状態に影響されますから、酸化され易さや還元され易さなどの原子やイオンの重要な化学的性質も原子核の周囲に分布する電子の状態に影響されます。
特に最外殻電子の数が元素の性質を決定付けますから、Mjendjeljejev が見出した元素の性
質と最外殻電子の数の相関性から導いた表 4-3 の周期表が合理的に説明できます。

元素の酸化の元素の酸化の状態を示す酸化数状態を示す酸化数
火を熾すことは人類以外の動物には真似のできない知識と技術で、人類が霊長類と自称して差別してきた文明の根幹をなすものと思われます。この文明の根幹となる燃焼の反応は化学的には酸化剤が還元される反応を伴い燃料が激しく酸化する反応と考えることができます。ろうそくも薪もプロパンガスもガソリンも燃焼すると、激しく発熱しながら酸化して構成している炭素と水素の元素は二酸化炭素と水にそれぞれ変化してゆきます。主成分が炭素の木炭の燃焼により二酸化炭素を生成する反応では、関与するすべての物質が共有結合で結ばれており、見掛け上全くイオンが関与していませんからこの反応が図 4-3に示すような電子の遣り取りによる酸化反応と還元反応で進行すると理解することは容易
ではありません。このように共有結合で原子の結ばれた物質が酸化する変化では、反応の前後でイオンの状態を取りませんから、酸化と還元の反応が明確に分かりません。そのため共有結合で結ばれた物質の酸化反応も金属やイオン性の物質の酸化反応も統一的に理解できるように、元素の酸化状態を示す酸化数という概念で酸化反応と還元反応を理解し易くしています。
表 4-3 に示した周期表で、対象とする元素より左側の元素との結合数を負の数字で、より右側の元素との結合数を正の数字で表し、それらの総和を対象とする元素の酸化数とします。また、元素単体の酸化数は 0 とし、陽イオンと陰イオンはその価数をそのまま酸化数と定義します。例えば 3 価の鉄陽イオンの酸化数は+3、純粋な金の酸化数は 0、メタン（CH4）とメタノール（CH3OH）とホルマリン（CH2(OH)2）とギ酸（HCO2H）と二酸化炭素（CO2）の炭素原子の酸化数はそれぞれ-4 と-2 と 0 と+2 と+4 と求められます。また、酸
2H2 + O2
2H2O
素とその 2 倍の体積の水素の混合気体に点火しますと、図 4-5 の右方向の反応で示すよう

2O2- + 4H+に一瞬にして爆発的に燃焼し水を生成します
が、酸化数の概念によればこの水の生成反応

4e- + O22H2は水素原子上では酸化数が 0 から+1 に増加し

図 4-5

2H2O

2O24H+ + 4e水の酸化・還元反応

ますから酸化反応、酸素原子上では酸化数が 0 から-2 に減少しますから還元反応が同時に進行しています。このように酸化反応と還元反応は電子の遣り取りにより同時に進行しま
すが、水素原子の酸化で取り込まれるエネルギー量より酸素原子の還元で放出されるエネ

38

ルギー量が多いために、1mol の水の生成反応においては 68.38kcal のエネルギーが放出されます。対象とする原子の酸化数の増加する変化は酸化反応、減少する変化は還元反応と考えることができ、大きな酸化数の原子は高い酸化の状態にあると考えることができます。
この酸化数の算出により、二酸化炭素から飽和炭化水素まで多くの酸化の状態を持つ炭素原子の存在が見えてきますし、アンモニアや窒素ガスや硝酸など窒素原子には多段階の酸化状態の存在が見えてきます。
例えば、気体の塩素の中で細管から水素を吹き出して点火しますと高温を発しながら図 4-6 に示す反応が進行しますから、純粋な塩化水素を製造する方法として工業的に用いられています。塩
素分子と塩化水素の塩素原子の酸化数がそれぞれ

H2 + Cl2

2HCl

水素

塩化水素

塩素

2H+ + 2eCl2 + 2e2Cl2HCl
2H+ + 2Cl図 4-6 塩化水素製造法
塩化水素製造法H2

0 と-1 ですからこの反応は塩素原子の酸化数の減少する還元反応で、水素分子と塩化水素の水素原子の酸化数がそれぞれ 0 と+1 ですから水素原子の酸化数が増加する酸化反応であることが分かります。この反応は燃料となる水素と酸化剤の働きをする塩素と高温の 3 つの要素を揃えていますから、空気中で細管からプロパンガスを吹き出して点火し高温を発しながら二酸化炭素と水を生成する反応と同じように明らかに燃焼反応と考えられます。
激しく燃焼する完全燃焼の条件で木炭が熱を発生しながら二酸化炭素に変化するときには、炭素原子の酸化数は 0 から+4 へ変化しますからこの酸化数の概念を用いますと酸化反応であり、同時に起こる酸素原子の酸化数は 0 から-2 に変化していますから還元反応と容易に考えることができます。酸素の不十分な供給による不完全燃焼などのように反応条件が異なりますと、酸化数—4 のメタンガスからそれぞれ異なる燃焼熱を発しながら酸化数がそれぞれ-2、0、0、+2、+2 のメタノールやホルムアルデヒドや煤や一酸化炭素やギ酸など種々の酸化数の異なる酸化物が生成します。これらの生成物は燃焼熱を発しながらさらに最も大きな酸化数を持つ二酸化炭素まで酸化反応します。見方を変えれば二酸化炭素は炭素原子の最も酸化が進んだ状態の物質ですから、炭素原子を含むすべての物質が完全に燃焼すれば行き着く先はすべて二酸化炭素ということになります。
火を熾すことが人類以外の動物には真似のできない知識と技術で、文明の根幹をなすものと思われますが、人類はこの燃焼による還元反応を利用して地球上に広く分布している酸化鉄から堅牢で硬い金属の鉄への製鉄を成功させ、鉄器を用いる文明を展開してきました。古くは良く燃え盛る木炭の火の中に酸化鉄を多く含む鉄鉱石を入れて、燃え残った灰の中から金属の鉄の塊を取り出していましたが、現代では高温の熔鉱炉の中に鉄鉱石とともに石炭ある
いは炭素の純度を高めたコークスを入れて燃焼させ金属の鉄を生産しています。図 4-7 に示す石炭に含まれる炭素の燃焼する反応で炭素原子の酸化数が 0 から＋4 へ増加する酸化反応が進行し、同時に酸化数＋2 あるいは＋3 の酸化鉄や水酸化鉄の鉄原子が酸化数 0 の金属鉄に還元されます。この図 4-7 から明らかなように、工業的に行われている製鉄では原料を高温の反応温度に加熱するときに生ずる二酸化炭素の他に酸化鉄を還元するときにも二酸化炭素が39

生じてきます。
このように酸化反2Fe2+4/3Fe3+

応 と 還元 反応 は電 子の 遣 り取 りに より 進

4OH4OH2Fe2+
4/3Fe3+
C

行 し ます から 、発 電
所 の 力を 借り て電 位
差 V に相当する電圧

4H+

C
C

2Fe
4/3Fe

CO2
CO2

2Fe
4e4e4/3Fe
O2
CO2
4H+
2H2O
O2
4H2O
4OH図 4-7 製鉄の反応

2H2O
2H2O

4e-

で原子やイオンの間で電子の遣り取りさせれば電気分解とよばれる酸化・還元反応を強制的に進行させることができます。酸素とその 2 倍の体積の水素の混合気体に点火しますと、
図 4-5 の右方向の変化のようにエネルギーを放出しながら酸化・還元反応が進行して水が生成します。水の分解反応は水の生成反応の逆反応ですから、エネルギーを加えれば進行して水素と酸素を生成すると思われます。実際には純粋の水はあまり電導性がよくありま
せんが少量の硫酸を電解質として加えた希硫酸は電流をよく通すようになりますので、この希硫酸に電極を装着して発電所で発電した電流を 1.23V 以上の直流に変換して通電しま
すと、陽極では水の酸素原子から電子を放出させて水素陽イオンとともに酸素の発生する酸化反応が進行しますが、陰極では生成してきた水素陽イオンに電子を強制的に取り込ませて水素ガスの発生する還元反応が進行します。結果として希硫酸に電流を流すことにより陽極と陰極でそれぞれ酸素と水素が 1：2 の割合で発生する水の電気分解が進行し、硫酸は触媒として働き全く反応の収支には関与しないことが分かります。このように強制的にエネルギーを加えて酸化・還元反応を進行させますと、酸化数の小さな還元状態の高い物
質を生成することができエネルギーが蓄積されます。
酸化・還元反応する全ての物質は酸化する能力を示す固有の還元電位をそれぞれ持っており、大きな還元電位の値を持つ物質ほど還元されやすく高い酸化状態を示します。また、小さな還元電位を持つ物質は高い還元状態を示し、逆方向の酸化反応が容易に進行します。ある還元電位 VO を持つ物質の酸化反応と、より大きな還元電位 VR の物質の還元反応の組み合わせでは、式 4-2 のように還元反応の還元電位 VR から酸化反応の還元電位 VOを差し引いた値の電位差 V で電子が移動して、発熱を伴って容易に反応が進行します。逆に、ある還元電位を持つ物質の酸化反応と、より小さな還元電位の物質の還元反応の組み合わせは、電位差 V が負の値を示しますからそれに見合った電圧の電気エネルギーを加えなければ進行しない吸熱的な反応です。例えば、銅イオンから金属銅への変化の還元電位は 0.3402V ですし、亜鉛イオンから金属亜鉛への変化の還元電位は－0.763V を示しますから、銅イオンと金属亜鉛の間には酸化・還元反応が電位差 1.1V で発熱的に容易に進行して金属銅と亜鉛イオンを生成します。逆に、亜鉛イオンと金属銅の間の酸化・還元反応は1.1V 以上の電圧の電気エネルギーを加えなければ進行しません。
V = Vୖ − V୓

式 4-2

物が燃える燃焼や鉄の道具が赤褐色に錆びることなど身の回りには多くの酸化反応が40

起こっていますし、逆に製鉄などの還元反応と呼ばれる多くの変化も起こっています。木
炭や水素が燃えるときには木炭や水素分子がそれぞれ二酸化炭素や水に変化する酸化反応が進行したと考えられますが、同時に起こっている酸素分子の還元反応は見過ごされがちです。逆に、水の電気分解反応は一般に水素を生成する還元反応に着目するために、水の酸素原子の酸化反応を見過ごしてしまいます。これらの種々の反応例からも分かるように、構成している元素の酸化の状態を数値化した酸化数の総和が原系と生成系の間で常に一定に保たれています。このことは酸化反応により構成元素から放出された電子が還元反応により別の元素に必ずすべて取り込まれるときに反応が完結していることを意味しています。
このように、燃焼も金属の錆びる変化も電気分解もある一面を見れば酸化反応ですが、酸
素分子や水の分解などの還元反応が必ず同時に起こっており、多くの変化を酸化と還元という概念で統一的に整理することができます。

火の本質は燃焼熱
多くの子供達が学ぶ小学校の昼休みを考えてみてください。生まれつきの体格や運動能力や興味が違いますし、寝不足や体調も異なりますから、個々の小学生の持つ元気さは皆違います。先生が何もしなくても、給食が終わると元気な小学生は運動場に飛び出してゆき遊び始めます。昼休みが終わると先生は始業のチャイムを鳴らして子供達を教室に呼び集めます。そして大きな声を張り上げて勉強が出来るように席に着かせます。それでもだめならば、先生は子供達の注意を引くような話や行動をとるでしょう。このようにして、子供達を教室という秩序の中に纏めて行きます。大人しく静かな小学生は直ぐに教室の秩序に従いますが、やんちゃで元気な小学生はなかなか授業を受ける気になりませんから、先生はチャイムを鳴らしたり、声を張り上げたり、注意を引くような行動をとりますが、この時先生はかなりの精力を使わなければなりません。
小学生が教室に集うように分子も集合して物質が形作られていますが、それぞれの分子は固有のエネルギーを持って運動しています。このような分子が秩序を持って集合する
ときには、昼休み後の小学生のように分子は集合のためのエネルギーを必要とします。逆に、給食後の小学生も物質も放って置けば少しずつエネルギーを放出して次第に分子や小学生の秩序を乱して散り散りばらばらに拡散してゆきます。個々の小学生が持っている元
気さのように分子が個々に持つ固有のエネルギーをエンタルピー（H）と呼び、それらの分子を秩序高く集合させて物質を組織させるために必要であり、秩序なく拡散する際に放出されるエネルギーをエントロピー（S）と呼んでいます。一般に分子が個々に持つエンタルピーに比較してこの秩序を維持するためのエントロピーは小さなエネルギーと思われます。

41

物理学の基礎となる熱力学の 3 法則のなかには、外界から独立し遮断された閉鎖系では、エネルギーも物質も形態は変化してもその総量を不変とするエネルギー不滅と物質不滅の法則が含まれています。また閉鎖系の中では、エネルギーを発散しながら秩序の失われる方向に変化が起こり、逆に秩序高く組織し集合させるためにはエネルギーを必要とすることが、エントロピーの増大するように変化が起こるという法則として認められています。このようなエンタルピー（H）とエントロ

エネルギー

ピー（S）の 2 種類は物理現象を始め宇宙のすべての現象を支配するエネルギーの関係として、
Gibbs が式 4-3 に数式化して纏めました。ただし、この系の絶対温度を T とするときに、この

ΔG‡
AB

ΔG‡
BA

系の持つエネルギーの合計を自由エネルギー(G)と定義しています。また、系 A と系 B の両系と自由エネルギーの関係を図 4-8 に模式化した反応座標に示しますが、両系におけるエンタルピ

系A

ΔG
系B

ーとエントロピーと自由エネルギーのそれぞれの変化を式 4-4 と式 4-5 と式 4-6 のように定義しています。このとき反応の起こる前の系 A から

反応座標

図 4-8 反応座標と自由エネルギー遷移状態と呼ばれる比較的エネルギー的に不安定な中間の状態を越えて、反応は進行してゆくと考えられます。両系と活性化自由エネルギーの関係を示す図 4-8 において、系 A から系 B への反応が進行するときに乗り越えなければならないエネルギー的に不安定な中間ஷ）と呼んでいます。この障壁あるいは峠と考えられる障害を活性化自由エネルギー（߂‫ܩ‬஺஻

の黒線の山が高ければ高いほど大きなエネルギーを必要としますから、系 A から系 B への変化は遅くなり反応は進行し難くなりますが、反応は峠を越えた後は安定な系 B に進行しஷて行きます。系 B から系 A への反応も同じように活性化自由エネルギー（߂‫ܩ‬஻஺
）の峠を越えて進行します。さらに、自由エネルギー変化（ΔG）が式 4-6 のように定義されていますから、図 4-8 の反応座標で示すように両系のそれぞれの活性化自由エネルギーの差となり、両系のエンタルピー変化（ΔH）とエントロピー変化（ΔS）の間に式 4-7 のような関係を見ることができます。

‫ ܪ = ܩ‬− ܶܵ

式 4-3∆‫ܪ‬஺஻ = ‫ܪ‬஺ − ‫ܪ‬஻

式 4-4∆ܵ஺஻ = ܵ஺ − ܵ஻

式 4-5∆‫ܩ‬஺஻ = ‫ܩ‬஺ − ‫ܩ‬஻

式 4-6

ஷ
ஷ
∆‫ܩ‬஺஻ = ∆‫ܩ‬஻஺− ∆‫ܩ‬஺஻= ∆‫ܪ‬஺஻ − ܶ∆ܵ஺஻

42

式 4-7

このような系 A から系 B への変化の速さ（速度定数）k1 と活性化自由エネルギーஷஷ（∆‫ܩ‬஺஻
）の関係を Arrhenius は式 4-8 に纏めました。逆反応の活性化エネルギー（∆‫ܩ‬஻஺
）と反応速度定数 k2 の関係も式 4-8 で表すことができます。ただし、R は理想気体定数、χ
χは頻度因子、T は絶対温度で示す反応温度を意味しています。平衡反応は原系（系 A）か
ら生成系（系 B）への反応とその逆反応が相互に容易に進行する反応であり、その平衡定
数 K はそれぞれの反応速度定数の比で表すことができますから、式 4-7 および式 4-8 より
式 4-9 のような関係を導くことが出来ます。ここで系 A から系 B までの自由エネルギー変
化ΔGAB が負の値の場合には系 A よりも系 B の持つ総エネルギーが小さいことを意味しますから系 A から系 B への変化はエネルギーを放出しながら容易に進行する発熱反応であり、逆にΔGAB が正の値の場合にはエネルギーを加えなければ反応の進行しない吸熱反応と考えられます。

݇ଵ = ߯݁
‫=ܭ‬

௞మ
௞భ

∆ಸಯ
ಲಳ
ೃ೅

ି

= ߯݁

݇ଶ = ߯݁ಯ∆ಸಯಳಲ ష∆ಸಲಳ
ೃ೅

ି

∆ಸಯ
ಳಲ
ೃ೅

ି

式 4-8
೩ಸ

= ߯݁ ିೃ೅

式 4-9

燃料が燃える燃焼の変化は燃料と呼ばれる燃える物質と空気あるいは酸素などの酸化剤の共存する点火前の状態の系 A から、遷移状態の峠を越えるために要するエネルギーを与える高温による二酸化炭素などの生成物の状態の系 B への変化と考えることができます。
燃料と空気あるいは酸素と高温の 3 つの要素が揃ったときに燃焼が始まります。燃焼はその前後における自由エネルギー変化ΔGAB が負の値を示す発熱反応ですから、この時の自由エネルギー変化ΔGAB に相当する発熱量を燃焼熱と呼んでいます。一般にエンタルピー
変化ΔHAB に比較してエントロピー変化ΔSAB は非常に小さいために、結合エネルギーや分子の歪エネルギーなど燃料分子が固有に持つ安定化エネルギーの総和の変化を意味するエンタルピー変化ΔHAB が燃焼熱にほぼ等しくなります。
例えば日常生活に密接な関係のある燃料の主成分を占める飽和炭化水素や 1 ないし 2 個の酸素を含む化合物について、報告されている燃焼熱の実測値を表 4-4 掲げました。これ
らの化合物は炭素原子と酸素原子と水素原子が炭素-炭素結合や炭素—水素結合や炭素—酸素結合や酸素—水素

2CnH2mOp + (2n+m-p)O2

2nCO2 + 2mH2O

図 4-9 含酸素有機化合物の燃焼
含酸素有機化合物の燃焼反応
有機化合物の燃焼反応

結合で結合した構造を持っていますから、空気中で燃焼しますと図 4-9 のような化学反応
により二酸化炭素と水のみを生成します。種々の原子間の結合エネルギーは表 2-1 に纏めましたが、その中のダイヤモンドの炭素-炭素結合、メタンの炭素-水素結合、炭素－酸素
結合、酸素分子の結合、炭素=酸素 2 重結合、酸素-水素結合のそれぞれの結合エネルギー
83、99、91、118、192、111kcal/mol と水の気化熱 10 kcal/mol を最も標準的な結合エネルギーと考え、図 4-9 の反応で関与する 5 種類の結合の結合エネルギーがこれらの標準的な結合エネルギーに等しいと仮定して積算した総結合エネルギーの計算値を表 4-4 に併せて掲
43

げました。図 4-9 の反応のエンタルピー変化に相当する結合ネルギーの計算値ΔHAB が燃焼熱の実測値ΔGAB に対して誤差範囲でよく一致していますから、酸素が充分に供給される燃焼環境ではエントロピー変化ΔSAB はほぼ 0 と見積もることができます。
表 4-4 直鎖炭化水素の燃焼
直鎖炭化水素の燃焼熱
の燃焼熱
化合物名
水素
メタン
エタン
プロパン
ブタン
ペンタン
ヘキサン
ヘプタン
オクタン
デカン
ドデカン
ヘキサデカン
エイコサン
メタノール
エタノール
ホルムアルデヒド
アセトアルデヒド
ギ酸
酢酸

分子式

分子量

H2
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
C6H14
C7H16
C8H18
C10H22
C12H26
C16H34
C20H42
CH4O
C2H6O
CH2O
C2H4O
CH2O2
C2H4O2

2
16
30
44
58
72
86
100
114
142
170
226
282
32
46
30
44
46
60

計算値
燃焼熱実測値
kcal/mol kcal/mol
kcal/g kcal/mL
69
68
34.0
2.4
216
211
13.2
7.3
374
368
12.3
7.0
532
526
12.0
7.0
690
688
11.9
7.1
848
833
11.6
7.2
1006
990
11.5
7.6
1164
1150
11.5
7.9
1322
1303
11.4
8.0
1638
1610
11.3
8.3
1954
1933
11.4
8.5
2586
2562
11.3
8.8
3395
3187
11.3
8.9
167
171
5.3
4.2
325
328
7.1
5.6
207
134
4.5
3.6
365
279
6.3
5.0
59
63
1.4
1.7
217
209
3.5
3.7

地球上には万遍なく空気が存在していますから、通常は空気の供給は自然に行われます。また、燃焼により熱が発生し、近接した燃料と空気の温度を上げますから、一度着火
しますと燃料の供給が続く限り燃料と酸化剤と高温の 3 つの要素が揃った状態を保つことができ燃焼が続きます。しかし、これらの 3 要素の一つでも不足すれば燃焼が抑えられ鎮火します。先の「元素の酸化の状態を示す酸化数」の節で見てきたように、炭素原子の酸
化数は 0 から+4 へ変化しますが、二酸化炭素の炭素原子は酸化数が∔4 ですから最も酸化された状態でこれ以上酸化されることがなく、二酸化炭素は燃料とはなり得ません。図 4-9において二酸化炭素は n=1、p=2 で酸素による酸化反応が進行しませんから燃焼熱も 0 となり、近接した物質の温度を全く上げませんから、一度着火しても燃焼を持続することができません。また、分子量が 44 の二酸化炭素は空気や酸素の約 1.5 倍の比重を持つ重い気体ですから、かなり強い対流が起こらなければ空気や酸素を押し退けて下の方に沈み込んで澱みます。燃料と空気あるいは酸素と高温の 3 つの要素の一つでも供給が閉ざされれば燃焼が抑えられ鎮火しますが、二酸化炭素はこれら 3 つの要素の供給を抑えますから燃焼を中断させる消火剤になります。

44

火消し壺と呼ばれる壺は図 4-10 に示すような燃え盛る炭や薪を入れて蓋をし、空気の供給を断ち切る窒息消火法で火を消す道具です。燃料は多くの場合に酸素の存在で二酸化炭素を排出しながら燃えますが、そのとき発生する高温による対流で局部的に空気の流れが生まれ、排出した二酸化炭素が飛散するとともに新鮮な空気が供給されて燃焼を拡大します。しかし、火消し壺の蓋をすることにより酸素の供給が不足するうえに、壺の中に残ったわずかな火により発生する二酸化炭素が火を覆う形になって鎮火します。さらに高圧で二酸化炭素を充填した消火器が各所に用意されています。この二酸化炭素消火器は燃え盛る炎に二酸化炭素の気流を吹き付けて炎を吹き消すとともに燃焼の 3 要素の供給を抑えて消火する
方法で油火災でも効率的に鎮火させます。しかも二酸化炭素が非常に安定な気体でほとんど変性しませんから、消火器の劣化が少なく保守が容易なため家庭などでの設置に適しています。

45

図 4-10 使い慣れた火消し壺

5. 生命活動と二酸化炭素
植物の葉っぱは緑色
光のエネルギーに対して Newton は式 2-9 に示す粒子の運動による運動エネルギーの関係式を適用して説明を試みましたが、後に明らかになったのですが光の粒子が質量を持たず、式 2-9 で ｍ＝0 になるために Newton 力学では表現することができませんでした。
Einstein はフォトン（光子）と呼ばれる粒子が波の運動をしながらエネルギーを伝播してゆくと仮定し、式 5-1 のようにそのフォトン 1 つの持つエネルギーが Plank の定数 h を比例定数とした電磁波の振動数νに対して比例することを導きました。電磁波の振動数は真空中では波長に反比例しますから、真空中の光の速さと波長をそれぞれ c およびλとしますと式 5-1 が書き換えられ、電磁波の持つエネルギーが波長の短いほど大きいことも導かれます。多くの物質を構成する原子や分子は光エネルギーを吸収しますとその原子の中の電子が励起しますが、共有結合が 200 nm～600nm（2x10-7～6x10-7m）の波長の紫外線や可視光線の光を吸収する場合には、共有結合の電子はその光エネルギーにより結合軌道から反結合性の軌道に励起しますが非常に反応性の高い励起状態で容易に励起した電子を放出しますから、吸収した光エネルギーを利用して高い還元状態の物質に変化して行きます。

‫ = ܧ‬ℎߥ =

௛௖

式 5-1

ఒ

太陽は非常に短波長のγ線から赤外線まで広い波長領域の電磁波を放射していますが、地球は磁界を持っていますからγ線や宇宙線は屈折して地表に達しませんし、窒素や酸素やオゾンを含む大気に包まれていますから非常に短波長の紫外線は大気に吸収されてしま
い、地表には長い波長の紫外線や可視光線などの光エネルギーの比較的小さな長波長の電磁波だけが到達してきます。太陽から地表に届く光のスペクトルは気候や環境により若干変化しますが、平均的には 460nm で最も大きな強度を持ち波長が長くなるに連れて強度が小さくなっています。水が吸収する短波長の紫外線は地表には届きませんし、光エネルギ
ーの小さな赤外線の領域の吸収は吸光係数が極めて小さいために、このような太陽光を長時間にわたり直接照射しても水から酸素への反応はほとんど進行しないと思われます。
高い還元状態の物質の生産に太陽の光エネルギーを利用するためには、太陽光の強度が大きく光エネルギーの大きな 400～500nm の領域の紫色から青色の光を吸収する物質が効率的です。この領域の色の光を吸収しますとその補色に相当する緑色から橙色の光が透過したり反射したりしてきますから、太陽の光エネルギーを効率的に利用する物質は緑色
から黄色の色調を呈すると思われます。共役した 9～10 個の炭素＝炭素 2 重結合を含む物
質では 400～500nm の領域に吸収極大が現れますから、紫色から青色の光を効率よく吸収します。長く共役する炭素＝炭素 2 重結合は同じ平面を共有するほどそれぞれの炭素＝炭素 2 重結合が強く共鳴してエネルギー的に安定化しますが、逆に多くの原子を同一平面上に保つことがエントロピー的な不安定化をもたらします。共役した 9～10 個の炭素＝炭素46

2 重結合の系が安定に平面を保つように固定されますと、気候や環境の変動にも安定な状態で太陽の光が吸収できるよう保つことが出来ます。
植物の中では図 5-1 に示すように水が酸化されて酸素と共に水素陽イオンと電子を生成しますが、同時にここで生成した水素陽イオンと電子が NADP 陽イオンと反応して高い還元状態の NADPH に変化します。NADP 陽イオンはベンゼンと同じような芳香族の性質を持つ安定な物質ですが、NADPH は芳香族の共鳴安定化エネルギーを失いますから高い反応性を持つ物質です。水の酸化による NADPH への還元反応には多くのエネルギーを要しますが、植物は葉緑素を利用して効率よく太陽からの光エネルギーを吸収しています。しかし、水の酸化と NADP 陽イオンの還元と太陽からの光エネルギーの吸収が簡単な 1 段階の反応で進行するわけではなく、多くの物質が介在して進行する極めて複雑な連鎖的反応と考えられています。
H

植物は葉緑素と呼ばれる緑色の

H

O

C

NH2
+

NADP

C
N

+

C

+ 2e

C

C

H

H

O

H
CH2

く吸収して高いR:

OH
O

還元状態の栄養

O

CH2
OH

H

R

N

O

NH2

N

H

H

OH

O

H

H

H

物質を生産して

P
O

NADPH

N

O

P
HO

OH

O

NH2

C

H

R

ルギーを効率よ

C

C

-

+ H

O

H

H

C

C
H

H

C

C

物質を用いて太陽からの光エネ

0.5O2 + 2H+ + 2e-

H2O

実際、多くの

N
N

H
P

HO

OH
O

図 5-1 水の酸化と NADPH への還元
O

Chla*
H2O

光

O

Mn3+

OH

Chla

1.51V
Mn2+

酸素発生
複合体

OH

Chla

Fe2+

0.05V

O2 0.82V

+

クロロ
フィルa
図 5-2

Cu2+

0.21V

Chlb*

FeS

光

-0.97V

Chlb

0.37V

Fe3+

+

Cu
プラスト シト
Chlb+
ク
ロ
ム
f
プラスト クロロ
キノン
シアニン フィルb

フェレド
キシン

Fe

-0.32V NADPH
NADP+

葉緑素による水の酸化と電子伝達系
葉緑素による水の酸化と電子伝達系

います。図 5-2 には水の酸化による NADPH への還元反応の複雑な過程を模式的に示し、そのそれぞれの素反応の還元電位も赤字で示しています。式 4-2 のように還元反応の還元電位 VR から酸化反応の還元電位 VO を差し引いた値の電位差 V が正の時には発熱を伴って容易に反応が進行しますが、負の値を示す時にはそれに見合った電圧の電気エネルギーを加えなければ進行しない吸熱的な反応です。酸素発生複合体の中の第 1 段階の反応では、1.51V の還元電位 VR を持つ高い酸化状態の Mn3+が弱塩基性の水と反応して 0.82V の還元電
位 VO を持つ酸素を発生すると共に水素陽イオンと Mn2+を生成します。このとき水の酸化により放出された電子は赤い矢印の47

ように受け渡しされて Mn2+に還元されます。
植物が用いている葉緑素はいくつかの化合物の複合体ですが、その中心となるクロロ
フィル a とクロロフィル b は図 5-3 で赤色の太線で示すように 9 本の 2 重結合が環状に共役した 18π系の芳香族性を持つ構造を持っています。このクロロフィル a には共役した 9 つの 2 重結合が環状に結合していますから、428、530、575、615、661nm に極大吸収を持っCH2ています。さらに、図 5-3 の青色で示すようにこの

R

HC

ポルフィリン環に含まれる 4 個の窒素原子とマグネ

H
C

C
H3C

シウム原子の間を結ぶ配位結合により、全ての 2 重結合を同一平面に固定する構造を持っていますか

H2C
Oに、赤血球の中核色素のヘムも同じようなポルフィリン環を含む構造になっています。

C
C

C

CH

C

C

O
O

CH2

CH3

C

CH
O

H3C

CH

C

CH2

C
O

持つ吸収極大が 446nm に移動しています。ちなみCCHていれば、太陽からの 428nm の光エネルギーを 99%

CH3
C

N

N

CH

H3C

0.001mol/L の葉緑素が厚さ 0.2mm の葉の中に含まれ干共役系が異なるために、非常に大きな吸光係数を

N

H2
C

C

Mg
C

ることができます。この吸光係数から濃度がは同じ母核を持っていますが、R=CHO ですから若NHCら、約 105L/mol･cm の分子吸光係数を持つと見積もまで定常的に効率良く吸収します。クロロフィル b

C

C
C

C

C

CH3

CH3

CH

H2C

CH

H2C

CH2

H2C

H
3

R=CH3: クロロフィルa
R=CHO: クロロフィルb

図 5-3 クロロフィルの構造

水と高い酸化状態の Mn3+の反応で生成した Mn2+はクロロフィル a の陽イオンに電子を受け渡して酸化され、元の状態の Mn3+に戻りますが、同時に電子を受け取ったクロロフィ
ル a の陽イオンも還元されてクロロフィル a に戻ります。Mn イオンが介在する 2 段階の反応により水の酸化で放出された電子はクロロフィル a に次々に受け渡しされてゆきます。
このような次々に電子を受け渡して行く変化は発熱反応ですから容易に進行しますが、還元電位が大きくなりますから、クロロフィル a の陽イオンは還元されやすく高い酸化状態を示します。そのため還元されたクロロフィル a にはもはや還元する能力がなく電子の受け渡しが容易には進行しません。
葉緑素に含まれる色素物質は長く共役した炭素＝炭素 2 重結合の電子が太陽の光エネ
ルギーを吸収して反結合性の軌道に励起し、反応性が高くなった電子を近接する分子に与えて、色素分子は陽イオンに変化します。クロロフィル a が太陽の光エネルギーを吸収して炭素＝炭素 2 重結合の電子が反結合性の軌道に励起し、0.05V の還元電位 VR を持つプラ
ストキノンに電子を与えてハイドロキノン型に還元されますが、同時にクロロフィル a は陽イオンに戻ります。さらに、ハイドロキノン型のプラストキノンからシトクロム f とプ
ラストシアニンが介在して、クロロフィル b の陽イオンまで電子が受け渡されます。電子を受け取ったクロロフィル b の陽イオンは還元されてクロロフィル b に戻りますが、かな
り高い酸化状態を示します。クロロフィル a と同じようにクロロフィル b も太陽の光エネ
48

ルギーを吸収して炭素＝炭素 2 重結合を励起しますから、小さな還元電位を持つフェレド
キシンに電子を受け渡します。この高い還元状態のフェレドキシンは酸化・還元反応により NADP 陽イオンに電子を受け渡して NADPH を生成します。
地表に届く太陽の光は 460nm で最も大きな強度を持ち波長が長くなるに連れて強度が小さくなっており、太陽の光の強度の大きな 400～500nm 領域の紫色から青色の光を吸収することにより、植物は太陽の光エネルギーを効率的に利用しています。この領域の色の光を吸収しますとその補色に相当する緑色から橙色の光が透過したり反射したりしてきま
すから、地球の植物が太陽の光エネルギーを効率的に利用するために用いている葉緑素は緑色から黄色の色調を呈すると思われます。また、水が長波長の赤色の光を吸収してしまいますから、水深の深い所では波長の短い紫色の光をより効率的に吸収できるように褐色の物質が用いられている褐藻類が繁茂しています。言い換えれば、地表に届く太陽光のス
ペクトルの影響を受けて地表の植物が緑色になっていると考えられます。

太陽光で二酸化炭素をブドウ糖へ
太陽光で二酸化炭素をブドウ糖へ
植物の中では図 5-3 に示すように葉緑素が太陽の光を効率よく吸収して得た光エネルギ
ーで水を酸素まで酸化し、NADP 陽イオンを NADPH に還元します。この NADP 陽イオン
は図 5-1 に示すようにベンゼンと同じような芳香族の性質を持つ安定な物質ですが、NADPH は芳香族の共鳴安定化エネルギーを失いますから高い反応性を持つ物質です。表5-1 に掲げたように NADP 陽イオンの還元電位が－0.32V ですから、NADPH は高い還元状態にあり、水素陽イオンと電子を放出して多くの物質を還元する働きをします。
先の「大気中に二酸化炭素の少ない地球」の節で見てきたように、地球誕生から 45 億
年の間に大気中の二酸化炭素は水に溶けて炭酸イオンや炭酸水素イオンになりましたが、地表を被っている海の中には大量のカルシウムイオンが溶けていますから、炭酸カルシウ
ムとして沈殿し石灰石や大理石などの堆積岩となって固定化されました。その結果、大気中に含まれている二酸化炭素の濃度も水の中に溶けている二酸化炭素や炭酸イオンや炭酸
表 5-1 二酸化炭素と簡単な生体関連化合物の還元電位
二酸化炭素と簡単な生体関連化合物の還元電位
反応NADP+ + H+ + 2e－→ NADPH
CO2 + 2H+ + 2e－→HCOOH－

6CO2 + 24H+ + 24e →C6H12O6 + 6H2O
2CO2 + 12H+ + 12e－→CH3CH2OH + H2O－

CO2 + 6H+ + 6e →CH3OH + H2O
CO3－2 + 8H+ + 6e－→CH3OH + 2H2O

CO2 + 8H+ + 8e－→CH4 + 2H2O
CO3－2 + 6H+ + 4e－→HCHO + 2H2O
CO2 + 4H+ + 4e－→C + 2H2O
CO3－2 + 8H+ + 6e－→CH3OH + 2H2O
CO3－2 + 3H+ + 2e－→ HCO2－ + H2O

還元電位

-0.32
-0.20
-0.02
-0.09
0.01
0.04
0.16
0.20
0.21
0.21
0.31

反応
CH3CO2H + 2H+ + 2e－→CH3CHO + H2O
CH3CO2H + 4H+ + 4e－→CH3CH2OH + H2O

HCO2H + 2H+ + 2e－→HCHO + H2O
HCO2H + 4H+ + 4e－→CH3OH + H2O
CH3CHO + 2H+ + 2e－→CH3CH2OH
CH3COCO2H + 2H+ + 2e－→CH3CHOHCO2H

HCHO + 2H+ + 2e－→CH3OH
C + 4H+ + 4e－→ CH4
HO2CCH=CHCO2H + 2H+ + 2e－→(-CH2CO2H)2

CH3OH + 2H+ + 2e－→CH4 + H2O
49

還元電位

-0.17
0.01
0.03
0.05
0.21
0.23
0.23
0.13
0.44
0.59

水素イオンの濃度も一定値に止まって平衡に達しています。このように地球上には常に二酸化炭素や炭酸イオンや炭酸水素イオンが万遍なく存在しています。この二酸化炭素に水
素イオンと電子が作用しますと還元状態の異なるギ酸（HCO2H）やホルムアルデヒド（HCHO）やメタノール（CH3OH）やメタン（CH4）に還元されますが、それらの化合物の還元電位を表 5-1 の黄色地の中に掲げました。この表からも明らかなように何れの化合物も還元電位が NADP 陽イオンの還元電位よりも大きな値を示していますから、NADPHの働きで容易に二酸化炭素や炭酸イオンから生成すると考えられます。さらに、これらの化合物が縮合したと考えられるエタノール（CH3CH2OH）やブドウ糖（C6H12O6）への変化も進行することが示されます。表 5-1 にはこれらの縮合に関係すると思われる代表的な化合物の反応の還元電位を緑色地の中に併せて掲げました。これらの化合物と NADP 陽イオンの還元電位の比較から、NADPH は二酸化炭素を含めて炭素=酸素 2 重結合や炭素=炭素 2 重結合を還元する能力を持っていることがわかります。
生物が生命活動を維持するために用いている多くの物質は有機物あるいは有機化合物と呼ばれ、炭素原子を中心に水素や酸素や窒素などの原子が共有結合で結ばれた構造の分
表 5-2 簡単な生体関連化合物の燃焼熱
簡単な生体関連化合物の燃焼熱子で構成されています。
炭素や水素や窒素などのNADPH 必要量

原子で構成するこれらの化合物

多くの有機化合物を完全有効に利用し得るエネル

酢酸
ブタン酸
プロピオン酸プロパン
メタン
エタン
プロパノールエタノール
アセトアルデヒド
ブドウ糖

ギーの量を表す尺度です

グリセルアルデヒドに燃やしてそれぞれ二酸
化炭素や水や窒素分子などに変化させるときに発生する燃焼熱が測定されています。このように燃焼熱は有機化合物の持つから、生体に関連する有機化合物の燃焼熱を表 5-2に纏めました。例えばプロパンガス（C3H8 ）を完

果糖
メタノール
ギ酸
ホルムアルデヒド

CO2 + H2O + 134.1 kcal/mol

CH2O + O2

全に燃やして二酸化炭素

ホルムアルデヒドと水に変化させるときのC3H6O3 + 3O2

燃焼熱が 530.57kcal/mol とグリセルアルデヒド

報告されていますから、

C6H12O6 + 6O2

20℃の水 1L を薬缶に入れ

mol
4
10
7
10
4
7
9
6
5
12
6
12
3
1
2

燃焼熱
kcal/molkcal/NADPH
208.7
52.2
522.2
52.2
365.8
52.3
530.6
53.1
212.8
53.2
372.8
53.3
482.2
53.6
326.7
54.4
278.6
55.7
673.0
56.2
338.1
56.4
676.3
56.4
173.6
57.9
62.9
62.9
134.1
67.1

3CO2 + 3H2O + 338.1 kcal/mol
6CO2 + 6H2O + 673.0 kcal/mol

ブドウ糖

図 5-4 アルデヒド類とブドウ糖
アルデヒド類とブドウ糖の燃焼
類とブドウ糖の燃焼熱の燃焼熱て熱効率 50%のコンロで50

6.8L(13g)以上のプロパンガスを燃やせば沸騰すると予想できます。同じように、ホルムア
ルデヒドとグリセルアルデヒドとブドウ糖が 134.1 と 338.1 と 673.0 kcal/mol の燃焼熱を発生するという報告から、これらの化合物と二酸化炭素の関係をそれぞれ図 5-4 のように表すことができます。この図が示すようにアルデヒド類やブドウ糖から二酸化炭素への右方向の反応は発熱反応ですから容易に進行します。
さらに、それらの化合物の生成に要する NADPH の量を基に、1mol の NADPH で作られる化合物が発熱し得る燃焼熱も算出して併せて表 5-2 に掲げました。二酸化炭素を原料にしますと、この表で示すようにホルムアルデヒドやギ酸やメタノールは NADPH を介して太陽からの光エネルギーを効率よく蓄える化合物ですが、これらの分子は小さく生体内に貯蔵することが難しいと考えられます。これらに次いで果糖やグリセルアルデヒドやブドウ糖などのホルムアルデヒドの縮合した化合物は NADPH を介して太陽からの光エネル
ギーを効率よく蓄えますし、生体内で貯蔵することも容易ですから植物が利用したと考えられます。
同じ方向に走行中の自動車同士の追突事故、反対方向に走行する自動車の正面衝突事
故、交差点での出会い頭の事故など自動車の数の増加とともに自動車同士の衝突事故が多くなります。交通量が多くなりますと交差点などでは複数台の自動車の巻き込まれる多重衝突事故が起こることもありますが、このような多重事故を詳細に調べますと、2 台の自動車が始めに衝突して進路上を塞ぐために、別の方向から進入してきた自動車が巻き込まれるように連鎖的に衝突事故を起こしています。3 台の車が衝突する三重衝突でも、完全に同時に交差点に進入して三重衝突を起こす確率はほとんど皆無で、玉突き事故のように
2 つの衝突が短時間に複合的に起こるものと考えられます。基質 A に対して基質 B の関与する出会いの反応においては互いに衝突の機会が多いほど反応が速やかに進行しますから、
この 2 種の基質がそれぞれ多ければ多いほど、その衝突する機会は多くなり反応は早く進行します。しかし、3 種以上の基質が同時に衝突して進行する反応は自動車の衝突事故と同じように全く起こり得ないと考えられます。表 5-1 の還元電位の値から、NADPH の働き
で容易に二酸化炭素や炭酸イオンからブドウ糖（C6H12O6）が生成すると考えられますが、そのとき 6 分子の二酸化炭素と 12 分子の NADPH が多重衝突する出会いの反応が進行しなければなりません。自動車の多重衝突の過程を考えれば二酸化炭素からブドウ糖が同時に多重衝突するとは考えられませんから、非常に複雑な多くの反応が連鎖的に進行してブドウ糖が生成してくるものと考えられます。
お酒は全く酸っぱくありませんが、お酢はかなり酸っぱく感じます。分子の構造を調べてみますと、お酒の中のエタノール（CH3CH2OH）もお酢の中の酢酸（CH3COOH）も炭素原子に水酸基（-OH）が結合していますが、酸味の物差しとなる酸性度には大きな違いがあります。Brønsted の定義によれば酸の解離反応は可逆平衡ですから、小さな自由エ
ネルギー変化の違いで酸の強さが影響します。酸が解離して生成する陰イオンが安定であればあるほど解離し易くなり、強い酸性を示します。図 5-5 に示すように 2 重結合と電子51H対あるいは 2 重結合同士は側面で相互作用をしま

H

H

C
H3C

H

+ H

C
OH

H3C

O

す。このような相互作用

エ タノ ール

エト キシ基を共鳴といい、僅かながO

O

らも結合エネルギーに安C

C定化が起こります。カル
ボン酸が解離して生成す

H3C

OH

H3C

酢酸

H3C
C

+ H

O

O

O

アセ トキ シ基

図 5-5 酢酸の解離とアセトキシ陰イオンの安定化

るカルボキシルラート（カルボン酸陰イオン）は、炭素＝酸素 2 重結合と陰イオンになった酸素の電子対との間の共鳴により大きく安定化します。そのため、酢酸などのカルボン酸類は比較的解離し易く、小さな pKa を示します。それに対して、アルコール類が解離して生成するアルコキシラートではこのような安定化の要因はほとんどありませんから、エタノールなどのアルコール類では弱い酸性しか示しません。炭素＝酸素 2 重結合と陰イオンになった酸素の電子対との間の共鳴により大きく安定化しているために、カルボン酸は解離し易く比較的強い酸性を示しています。つまり、この共鳴による安定化がお酒とお酢の味の違いを引き起こしていることになりま
O

す。

O

C
H

炭素＝酸素 2 重結合の隣の炭素に水素が

C
CH3

H

ア セト アル デヒ ド

結合している場合にも、共鳴による安定化が同じように起こりますから、僅かながら水素

C
C

O

C

H
H

H
O

になった 2 重結合の隣の炭素が近くにうろう
Hし、2 分子の炭素＝酸素 2 重結合化合物から

CH3
OH

C

ろしている炭素＝酸素 2 重結合に付加反応

H

H
O

H

陽イオンを解離します。結果として陰イオン

H
C

CH
C
H2

CH3

ア ルドール

図 5-6 アルドール反応の機構

炭素－炭素結合が新たに結ばれ 2 量化します。炭素＝酸素 2 重結合を持つアセトアルデヒドにおいてこの反応が進行しますと、図 56 ようにアルドールが生成しますので、この炭素－炭素結合の形成反応をアルドール反応と呼んでいます。水素を持った炭素が隣接して結合する炭素＝酸素 2 重結合化合物であれば、このようなアルドール反応は酸性条件でも、塩基性条件でも容易に進行します。このアルドール型の反応は極めて小さな自由エネルギー変化の容易に進行する平衡反応で、反応条件が極めて温和なため、生物体を構成する多くの物質はこの反応で生産されています。
二酸化炭素からブドウ糖への反応の過程でも、アルドール型の縮合反応とその逆反応が複雑に組み合わされていることが知られています。植物中でブドウ糖が生産される時に経過すると考えられる多段階の複雑な反応過程を図 5-7 にまとめました。第 2 章の「二酸化炭素は水の中で炭酸に」の節で見てきたように二酸化炭素の炭素＝酸素 2 重結合に水が付加して炭酸になったように、5 炭糖の 2 重結合の隣の炭素が陰イオンになって二酸化炭
素の炭素＝酸素 2 重結合に付加反応し、二酸化炭素を系内に取り込みます。特に赤色字と
52

CH2
O

C

OH

CH

二酸化炭素

OH

CH

OH

CH2

OH

CH2
OH

C

OH

C

異性化反応

OH

CH

OH

CH2

OH

5a

CH2
CH

O

C

異性化反応

CH

OH

CH2

OH

5b

5c
縮合反応

六炭糖6a
CH2

OH

CH

OH

NADPH

CH

O

還元反応

三炭糖3a-c

五炭糖5a-c

OH

OH

CH2

OH

CH

CO2H

3a

グリセルアルデヒド3b
O

CH

O

NADPH

三炭糖3a-c

CH

OH

CH2

OH

C

OH

CH

OH

CH2

OH

グリセルアルデヒド3b

CO2

CH2

OH

OH

C

CO2H

O

C

H2O

CH

OH

CH2

OH

加水分解反応

還元反応

二炭糖

OH

6a

3a

異性化反応

六炭糖6b

七炭糖

O

CH2

OH

CH2

OH

CH

O

C

O

C

O

CH

OH

CH2

OH

CH

OH

CH

OH

CH

3c

CH

OH

CH2

OH

OH

縮合反応

CH
CH

OH
OH

異性化反応

CH
CH

OH

CH2

OH

四炭糖
ブドウ糖

図 5-7 炭酸同化反応
炭酸同化反応の概略
同化反応の概略

CH2

グリセルアルデヒド3b

OH

6b

ブ ドウ糖

図 5-8 炭酸同化反応
炭酸同化反応の一部分
同化反応の一部分

赤色線で表した五炭糖に二酸化炭素が取り込まれて、三炭糖のグリセルアルデヒドの 2 分子への変化を経てブドウ糖を生成する過程を図 5-8 に示しておきます。その過程においてカルボン酸の部分が NADPH によりアルデヒドに還元されてゆきます。この概略の一連の反応が 6 周する間に 6 分子の二酸化炭素が取り込まれて 1 分子のブドウ糖が生合成されます。結局、6 分子の二酸化炭素がブドウ糖に変化するためには 12 分子の NADPH による還元が必要であり、全て太陽光による水の酸素への酸化反応により供給されています。
果糖やグリセルアルデヒドやブドウ糖などのホルムアルデヒドの縮合した化合物はNADPH を介して太陽からの光エネルギーを効率よく蓄えますが、生体内では主にブドウ糖や果糖などの炭水化物として植物はエネルギーを貯蔵していますから、ブドウ糖の構造と性質を調べてみましょう。ブドウ糖は C6H12O6 の分子式を持つ化合物で、通常は酸素を含む 6 元素からなる環の炭素上に水酸基が結合した構造をしています。その構造式から明らかなように、ブドウ糖は 5 本の炭素－炭素結合、5 つの水酸基、7 本の炭素－水素結合でできていますが、1 つの炭素原子だけはブドウ糖の 5 つの水酸基の一つが分子内にあるアルデヒドの性質を持つ炭素＝酸素 2 重結合に付加反応したアセタール構造をとっています。
このとき 6 原子で構成される環構造になるため、炭素の最も安定な 109.5°の結合角を保ちながら、隣接する種々の置換基の相互反発が最小になります。一般的にアセタール構造を53

持つ化合物の性質を考えると不安定で脱離反応が進行すると予想されますが、ブドウ糖は同一炭素上に 2 つの陰イオン性の酸素が結合することによる不安定化が、6 員環構造による安定化により打ち消されます。そのためブドウ糖はアセタール構造を持ちながら、極めて安定なグルコピラノースと呼ばれる構造が優先します。
ブドウ糖においては非常にアセタール型に偏ってはいますが、炭素＝酸素 2 重結合構造とアセタール構造の間には付加反応と脱離反応の平衡が存在しますから、炭素＝酸素 2重結合を持つアルデヒド型との平衡が考えられ、図 5-9 に示すようにブドウ糖は 5 つの水酸基を持つ鎖状のアルデヒドと平衡状態にあります。アルデヒド部分と隣接する炭素原子を結び付けている結合は単結合ですから、自由に回転できます。アセタール型の結合がアルデヒド型に開環した後に、H再び付加反応が起こってアセ

CH
C 2C

タール型になるときに、アルデヒド平面の右側から付加す

H2
C

OH

HO
HO

H O
C

C H

H
C
OH
OH

H
α-グルコ
ピラノース

るか左側から付加するかにより 2 種類の化合物が生成します。アセタール部分の水酸基の結合方向によるα-型とβ型の 2 種類のグルコピラノー
スが、アルデヒド型を中間に付加脱離反応で相互に平衡に存在しています。

HO
H

HO

OH

H
OH
CH
H
C 2C
C
C
HO
OH
HO C H
O
H
H

H
C

H

H

O

C OH
C

H C
C

OH

OH
H
α-グルコ
フラノース

OH

H
OH
CH
O
C 2C
C
C
HO
OH
H2
H
C
HO
H
OH
H
C
H
C
H O
OH
H
HO
CH2
O
OH
HO
C
C C
C
OH
H C
C
HO
OH
HO C H
C
H C
H
H
H
OH
H
β-グルコ
β-グルコ
ピラノース
フラノース

図 5-9 ブドウ糖の互変異性
ブドウ糖の互変異性

ブドウ糖は 5 つの炭素原子にそれぞれ水酸基が結合していますから、何れの水酸基がアルデヒドの炭素＝酸素 2 重結合と結合してもアセタールに変換することができます。6つの原子で構成される環状のアセタールのほかに、7 つの原子、5 つの原子、4 つの原子、
3 つの原子で構成される環状のアセタールが理論上は考えられます。グルコビラノースは
6 つの原子で環を構成していますが、5 つの原子で構成されるグルコフラノースもエネルギ
ー的に安定で、相互に変換する異性体です。7 つの原子で構成される環状のアセタールは
ピラノースやフラノースに比べて若干不安定なために、ブドウ糖ではほとんど確認できません。3 つや 4 つの原子で構成される環状のアセタールは結合角が 109.5°より極端に小さくなりますから、極めて不安定な構造となり、全く存在することはありません。図 5-9 に示すように、ブドウ糖はアルデヒド型のほかにピラノース型とフラノース型にそれぞれα-型とβ-型の異性体があるために、合計 5 種類の異性体間の平衡状態にありますが、中でもβ-グルコビラノースが最も安定な異性体です。水溶液中ではブドウ糖の 64%がβ-グル
コピラノース、36%がα-グルコピラノースの割合で存在しています。
植物の中では太陽の光を吸収して、水が酸化され、NADP 陽イオンが NADPH まで還元されます。高い還元状態にあり高い反応性を持つこの NADPH が炭酸同化反応の一連の反
54

応のうちでカルボン酸をアルデヒドに還元する還元剤として働き、地球上に常に広く存在している二酸化炭素が還元されて固定化されてゆきます。ホルムアルデヒドの縮合した果糖やグリセルアルデヒドやブドウ糖などが NADPH を介して太陽からの光エネルギーを効率よく蓄えますから、植物は NADPH を介してブドウ糖や果糖などのホルムアルデヒドの縮合した炭水化物と呼ばれる化合物として多くの太陽からの光エネルギーを蓄えます。特にブドウ糖は 6 員環構造により安定化していますから、太陽からの光エネルギーを蓄える
最適の物質と考えられ、生合成された沢山のブドウ糖を鎖状に長く繋げてゆくことによりセルロースの形で植物は幹や枝や葉を作り、でんぷんとして栄養を芋や種子などの形で貯蔵しています。

生物はブドウ糖をゆっくり燃やして活力に生物はブドウ糖をゆっくり燃やして活力に沢山のブドウ糖が長い鎖状に結合したセルロースと呼ばれる物質でできた枯葉や薪は高温を発し赤色の炎を上げて燃えます。角砂糖はブドウ糖と果糖が縮合した化合物の砂糖をサイコロ状に固めたものですから、枯葉や薪と同じように点火すれば高熱を発しながらユラユラと赤い炎を上げて燃えて、炭素と水素の元素は二酸化炭素と水にそれぞれ変化してゆくと思われます。大学時代に著者が煙草を燻らせながら友人とバーでお酒を飲んでいるときに、座興で友人が角砂糖に火を点けてみろよと持ち掛けてきました。当時のバーには必ず角砂糖が置いてありましたから、マッチ 10 本ほどで試してみましたが全く燃え付きませんでした。友人は少量の煙草の灰を擦り付けてマッチ 1 本で見事に点火させ、図 510 のように薄暗いバーの中でユラユラと赤い炎を上げながら角砂糖を燃やしてみせました。
お酒を飲みながらの座興とはかくの如きものかと大いに感心しつつ、少しのおまじないで炭素と水素と酸素の元素からなる純粋の砂糖もよく燃えることを改めて知りました。

図 5-10 角砂糖を燃やす実験
前節の「太陽光で二酸化炭素をブドウ糖へ」で見てきたように、植物の中では吸収された太陽の光エネルギーで水が酸化分解され、二酸化炭素がブドウ糖に変換されて光エネ
ルギーを蓄えます。生合成されたブドウ糖を鎖状に長く繋げてゆくことによりセルロースの形で植物は幹や枝や葉や根を作り、でんぷんとして栄養を芋や種子などの形で貯蔵しています。枯葉や薪や角砂糖が高温を発し、赤色の炎を上げて燃えることからも分かるように、沢山のブドウ糖が結合したセルロースや糖類やでんぷんと呼ばれる物質は効率よく蓄えた太陽光のエネルギーを酸化反応により放出します。しかし、森の木樹が生命活動を維55

持するためにブドウ糖を単位とするこれらの炭水化物を単に酸化すれば山火事になってし
H H

まいますし、人間がご飯を食べて消化

H H

HO

して栄養として摂取したブドウ糖を単に酸化すれば、体温を 36℃に維持す

H

O

H2O3P

H O
C C
C
HO H
C
HO
C H
C
OH

H

H O
C C
C
HO H
C
HO
C H
C
OH

ATP
-ADP

H

OH

ぶ どう糖

ATP/-ADP

ることはできず火傷してしまいます。

H2O3P

H

O

H

H

PO3H2

H
H

C
HO

乳酸

O

H

H

H2O3P

H

C

ADP/-ATP

O

C

ピルビン酸

O

OH

C

OH

H
H

C

A（ アセチル -S-CoA）を形成した 後

C H
HO

H

C
C
H

エタノール

H

C

NADP+
-NADPH

C

PO3H2

H

C

H

C
O

OH

酢酸

アセトアルデヒド

H

H

HS-CoA

C
O

O

H

H

H

H

C

O

O

H

H

NADPH
-NADP+OH
C

PO3H2 O

O

CO2
H

H

O

OH -H2OO

NADP+/-NADPH

ADP/-ATP
C

C

C

O

H

H

C

応、分解反応、酸化反応などの複雑なに、さらに二酸化炭素に酸化分解しま

H

NADP+/-NADPH
C

O

H

C

H

H

PO3H2
H

H C

NADPH/-NADP+

一連の反応によりブドウ糖が異性化反

PO3H2

OH

C

は、図 5-11 に示す解糖反応と呼ばれる化炭素を放出しながらアセチル補酵素

H

H
OH

C

OH

C

化とともに進化してきた生物の体内で

C

H

O

C

利用することができません。地球の進

C
HO

H

O

C
O H
OH C

C H

動を維持するためのエネルギーとして反応経路でピルビン酸に変化し、二酸H
H

C

動物も植物も複雑な酸化過程を経てブドウ糖を酸化分解しなければ、生命活

H

OH

CoA

S

ア セチル補酵素A

図 5-11 解糖反応の機構

す。

生物はこのブドウ糖から二酸化炭素まで酸化する複雑な反応過程で、表 5-2 に掲げたよ
うにブドウ糖の燃焼熱に相当する 673.0kcal/mol のエネルギーを徐々に発生させ、生命活動の維持に必要なエネルギーに利用しています。図 5-12 に示すように ADP（アデノシン二リン酸）はリン酸との 7.29kcal/mol の吸熱的な反応により ATP（アデノシン三リン酸）に変化しますが、この反応は平衡反応ですから ATP から ADP へ戻るときに 7.29kcal/mol のエ
ネルギーを放出します。図 5-12 に示すように 2 モルの ATP と反応してブドウ糖が ADP とブドウ糖のリン酸エステルに変化するときに、エネルギーを放出するとともに分解反応を活性化します。分解した 3 炭糖は NADP 陽イオンを NADPH まで還元するとともに、脱水を伴い 2 モルの ADP と反応して ATP とピルビン酸を生成します。図 5-11 に示すこの一連NH2の反応により 1 モルのブドウ糖から 2 モルのN

N

ピルビン酸を生成していますが、同時に 2 モ
O

ルの ADP と NADP 陽イオンからそれぞれ 2 モ

HO

ルの ATP と NADPH を生成します。

N

O

P

O

OH

P

O

O

OH
H

ADP

生物体内では、ブドウ糖を分解して生成

N

H

H

+ 7.29kcal/mol

OH

H
OH

NH2

N

したピルビン酸は酵素の働きでアセトアルデ

H2O
O

ヒドと二酸化炭素に分解されますが、アセト
HO

アルデヒドは 1 モルの NADP 陽イオンによりNADPH の生成とともに酢酸に酸化され、補酵
56

O

P

O

OH

N

O

P

O

OH

ATP

P

N

H3PO4

O

N

O

OH
H

H

H

OH

H
OH

図 5-12 ADP-ATP 間の反応

素 A と結合して図 5-13 に示すようなチオエス
テル結合を持つ複雑な構造のアセチル補酵素 A（アセチル-S-CoA）に変換されます。この
アセチル補酵素 A は縮合反応を加速する働きを持っていますから、オキザロ酢酸と縮合反応をしてクエン酸を生成します。このクエン酸は脱水反応、水の付加反応、酸化反応、脱炭酸反応などを経てオキザロ酢酸に戻ります。クエン酸サイクルと呼ばれるこの一連の反応では図 5-13 に示すように、本質的にはオキザロ酢酸に酢酸が反応しますが、加えられた酢酸は度重なる酸化反応により二酸化炭素まで酸化してゆき、オキザロ酢酸が触媒として回収されます。
O

このクエン酸サイクルの反応ではC酢酸が酸化して 2 モルの二酸化炭素をH3 C生成しますが、同時に 3 モルの NADP
陽 イ オ ン と 1 モ ル の ビ タ ミ ン B2
（FAD）がそれぞれ NADPH と還元型

OH
H2
C
S

C
H2

C
O
H2
C

N
H2N

O

N

N

ビ タミ ン B2 （ FADH2 ）ま で還 元さ

H
N
C
H2
O

O

CH

CH3

C

C

O O

CH2

O

O

CH3

P

P

CH

CH
N

H2
C

H
N

CH CH

O

O

P

HO

OH
OH

OH

ア セチ ル補 酵 素A

OHれ、発生するエネルギーは 1 モルの-HS-CoA

ADP とリン酸を縮合させて ATP とし
O
H2
C C

て蓄えられます。結局、ブドウ糖の分解によるピルビン酸への変化、アセチル補酵素 A への脱炭酸反応、クエン酸サイクルを経由する二酸化炭

HOOC

HOOC

オキ ザロ酢酸 COOH

クエ ン酸

NADP+/-NADPH

HOOC

モルのブドウ糖から 6 モルの二酸化炭

リンゴ酸素に酸化される過程で、4 モルの ATP

OH
HOOC

COOH

フマル酸

COOH

C
H

C
H

COOH

HOOC

H2 H
C C

C

COOH

COOH
FAD/FADH2に必要なエネルギーをそれぞれ 3 モル
から、ブドウ糖の二酸化炭素への酸

C
H
COOH

O
HOOC

と還元型ビタミン B2 はその還元反応と 2 モルの ATP の形で含んでいます

H2 H
C C

NADP+/-NADPH

H2Oと 10 モルの NADPH と 2 モルの還元型ビタミン B2 を生成します。NADPH

COOH-H2O/H2O

OH
H2
C CH

素までの分解過程を総括しますと、1

OH
H2
H2
C C C COOH

HOOC

CO2

H2 H2
C C COOH

HOOC

O
H2 H2
C C C

COOH

コハク酸

化反応で発生するエネルギーは合計

NADP+/-NADPH

ADP/-ATP38 モルの ATP を生成することに費やCO2

図 5-13 クエン酸サイクルされます。

ここで生成する NADPH と還元型ビタミン B2 は還元能力を持つ物質で生体内の物質を還元しますが、NADPH の生成により 10 モルの NADP 陽イオンが消費されますから、生命活動を維持するエネルギーを供給するときには NADP 陽イオンが生体内に不足し NADPH
が過剰になります。人間もでんぷんやタンパク質や脂肪を栄養として摂取し、肺から吸収

57

した酸素による酸化分解で発生するエネルギーを利用して生きています。肺などで吸収した酸素は図 5-14 の赤字で示す還元電位を持っていますが、より小さな還元電位を持つヘモ
グロビンの第 1 鉄イオンは高い還元状態を示しますから、赤色の矢印で示すように第 2 鉄
イオンに容易に酸化します。さらに酸化された鉄イオンはユビキノール（還元型ビタミンQ）を酸化してユビキノン（ビタミン Q）に変化させます。ユビキノンからビタミン B2（FAD）の酸化・還元過程を経て、NADPH から NADP 陽イオンへの変化まで酸化状態を伝達してゆきます。図 5-14 に示すように酸素分子から水への還元反応と NADPH からNADP 陽イオンへの酸化反応の還元電位と酸化電位がそれぞれ 0.82V と -0.32V ですから反応が自働的に進行します。図 5-14 に示す反応により過剰になった NADPH は酸素を水に還元して NADP 陽イオンを補給します。酸化能力を持つ NADP 陽イオンが充分に供給されない還元状態では、ピルビン酸からアセチル補酵素 A に変化する反応は進行せず、図 5-11 の青線で示すように炭素=酸素 2 重結合が NADPH により還元されて乳酸に変化します。急激な運動などで充分な酸素の供給がないまま体内で ATP を大量に必要とする場合には、酸化能力を持つ NADP 陽イオンが充分に供給されませんから、ブドウ糖が消費されて生成するピルビン酸は還元され、筋肉の中に乳酸が溜まり疲労を感じます。
O

Fe2+

1/2O2

H3CO

R

H3C

H
N

H3CO

CH3

H3C

N

1

ユビキノン O

0.82V

0.46V

0.49-0.80V

R1:

C
H2

C
H

C

C
H2

H
6-10

R2:

1

R

H3C

N

H3CO

CH3

H3C

N
FAD

HO

HO

OH

CH2

O
O
O
O P O P O CH2
OH OH

O

N
H

N

NH2
+

O NADPH-0.32V
R3

NH
N

N
NH2

O

R2

H H

OH
N

N

O

O

H3CO

CH3

NH

0.41V

ユビキノール OH

H2
C

R

OH

Fe3+

H2O

FADH2

2

R3

O

O NADPH

HO
N

O
O
O
H2C O P O P O CH2
O
OH OH

R3:
N

NH2

HO

OH

OPO3H2
N
N

N
N
NH2

図 5-14 酸素による NADPH の酸化反応
ADP とリン酸から ATP を生成するために要する自由エネルギー変化は 7.29kcal/mol と見積もられていますから、ブドウ糖の分解による 38 モルの ATP の生成は生物が活力として利用しうる 277.0kcal のエネルギーを生み出すことを意味しています。表 3-7 に掲げたよ
うにブドウ糖を燃焼して 6 モルの二酸化炭素と 6 モルの水に分解するときに発生する燃焼
熱は 674.0 kcal/mol と見積もられていますから、生体内における極めて複雑な一連のブドウ糖の分解反応が約 41％の熱効率でなされていることになります。ちなみに、現在使用されているガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、火力発電、軽水炉型原子力発電の熱効率はそれぞれ 20~30、28~34、41.8、34%と報告されています。発電の熱効率が発電機の出力部での値であり、長い送電の間の熱効率の低下や、エネルギーの需要に応じた出力制御などを考えると、この生物体内のエネルギー変換は驚異的な機構と考えられます。
58

植物はブドウ糖を鎖状に長く繋げることによりセルロースの形で幹や枝や葉を作り、でんぷんとして栄養を芋や種子などの形で貯蔵しています。人間はセルロースを直接消化する機構を持ち合わせていませんから、バラバラにブドウ糖に加水分解することが出来ま
せんが、米や麦や芋などのでんぷんや砂糖を食べ物として摂取し、消化器官の中で消化酵素の援けを借りてブドウ糖に分解し、腸から体内に吸収しています。栄養として吸収されたブドウ糖は赤血球に結合したタンパク質に包み込まれ、脳や筋肉などのエネルギーを必要とする器官まで赤血球と共に配送されます。配送先でブドウ糖は酸化されて、還元能力を持つ NADPH や高い化学エネルギーを内蔵する ATP を生成します。このようにして生成した NADPH は還元反応により生命活動に必要な種々の物質を生成しますし、過剰になった NADPH は肺から体内に吸収した酸素を水に還元して NADP 陽イオンとして回収します。
このように NADP 陽イオンと NADPH は生物体内で水の酸化分解で生まれた還元する能力
や酸素分子の持つ酸化する能力を生体内の各所へ伝達する役目を担っていますし、ATP は体内の各器官が支障なく機能するためのエネルギーを配送する運び屋の働きをします。
植物は太陽の光エネルギーを吸収して、水を酸素に酸化分解し還元する能力を持つ
NADPH を生じますが、この NADPH が二酸化炭素を還元してブドウ糖に変換します。このように二酸化炭素から生合成されたブドウ糖をさらにセルロースまで重合して葉や枝や幹や根を形作っていますが、また砂糖やでんぷんなどの別の物質にも変換し植物の生命活
動の活力として貯蔵しています。これらのブドウ糖を構成単位とするセルロースや砂糖やでんぷんを糖質と呼んでいますが、この糖質が酸素と反応しますと大量の発熱を伴い水と二酸化炭素に戻ります。植物自体は太陽光の光エネルギーを用いて生合成したブドウ糖を二酸化炭素まで酸化するときに発生するエネルギーを活力に生命活動を維持しています。
微生物も植物の作ってくれたブドウ糖などの糖質を摂取して、体内でエタノールや酢酸や二酸化炭素まで分解することによりそれぞれの生命活動を維持するための活力にしています。人間をはじめすべての動物は生命活動を維持するための活力の源として、植物の作ってくれたブドウ糖などの糖質が水と二酸化炭素に変化する時に放出するエネルギーを利用しています。ブドウ糖から二酸化炭素への酸化により発生するエネルギーを利用する人間
は大気に約 25％含まれている酸素を酸化剤として吸い込み、太陽のエネルギーを蓄えたブ
ドウ糖を二酸化炭素へ酸化分解して、二酸化炭素を排出する呼吸をしています。このように動物や植物などすべての生物は植物が太陽光のエネルギーを使って二酸化炭素から生産したブドウ糖などの糖質を分解するときに発生するエネルギーを活力にして生命活動を維持しています。二酸化炭素は生物が生命活動を維持するために要する活力を太陽光から取り込み蓄えるときに欠くことのできない物質です。

酸素無しで棲息する太古の生物
酸素無しで棲息する太古の生物
宇宙を構成する元素の 90％以上は水素ですから、誕生間もない 45 億年前には地球上も水素で被われた非常に還元性の高い環境で、酸素分子は還元されて水になり大気中にはほ59

とんど酸素分子が存在していませんでした。太陽からの宇宙線や紫外線が吸収されることなく地表に降り注いでいましたから、当時の陸上は生物の棲息できる環境ではありませんでした。しかし、第 3 章の「地球上には大量の水」の節で考えたように軽い水素は地球の脱出速度より早く動き回り拡散し易いために、長い時間の間に水素は地球から次第に宇宙の彼方に飛散してゆきましたから、徐々に酸化状態の環境になり大気中の酸素の割合が高くなってきました。酸素分子は生物に有害な宇宙線や紫外線を吸収しますから、光合成に有利な強い太陽光が降り注ぐ陸上も生物の棲息できる環境になり、約 4 億年前に初めて生物が上陸してきました。植物は光合成でブドウ糖を生産していますから当然そのブドウ糖を基本としたでんぷんや糖類などの炭水化物を分解して生命の維持をしていますが、植物の生産したでんぷんや糖類を動物も摂取し分解して生活しています。
しかし、地球環境が現代とは大きく異なって還元性の高い環境の太古の昔から生き延びてきた微生物は大気中の酸素の有無など環境の変化に徐々に適応してきましたから、多少異なった反応過程により生命活動を維持するための活力を生み出しています。活力を生み出す過程の違いから、微生物は酸素が生命維持を阻害し死滅する偏性嫌気性生物と酸素の存在が生命維持に影響を与えない耐気性生物と酸素を生命の維持に利用できる通性嫌気性生物と生命活動を維持するために酸素の存在が必須な偏性好気性生物に大別されます。
多くの茸や黴や菌などは偏性嫌気性生物や通性嫌気性生物で、生命維持のための活力を得るために酸素を必要としない機構や組織を持っています。
図 5-12 に示すように ADP(アデノシン二リン酸)はリン酸との 7.29kcal/mol の吸熱的な反応により ATP(アデノシン三リン酸)に変化しますが、この反応は平衡反応ですから ATP から ADP へ戻るときに 7.29kcal/mol のエネルギーを放出します。図 5-11 に示すように 2 モルの ATP と反応してブドウ糖が ADP とブドウ糖のリン酸エステルに変化するときに、エネ
ルギーを発生するとともに分解反応を活性化します。分解した 3 炭糖は NADP 陽イオンを
NADPH まで還元するとともに、脱水を伴い 2 モルの ADP と反応して ATP とピルビン酸を生成します。図 5-11 に示すこの一連の反応により 1 モルのブドウ糖から 2 モルのピルビン酸を生成していますが、同時に 2 モルの ADP と NADP 陽イオンからそれぞれ 2 モルの ATPと NADPH を生成します。
漬物やヨーグルトを作るために利用している乳酸菌も図 5-11 に示したようにブドウ糖の分解する過程で、1 モルのブドウ糖と 2 モルの ADP と 2 モルの NADP 陽イオンからピルビン酸と ATP と NADPH をそれぞれ 2 モルずつ生産します。乳酸菌は酸素の酸化に頼らない嫌気性生物ですから NADP 陽イオンが組織内に不足しており、ブドウ糖が消費されて生成するピルビン酸は図 5-11 の青色で示すように還元されて、乳酸が代謝されますから糠味
噌の古漬けもヨーグルトも若干酸味を示します。ブドウ糖は酸化数-1 と 0 と+1 の炭素原子がそれぞれ 1 個と 4 個と 1 個で構成されていますから、分子全体としてはブドウ糖の炭素原子の酸化数は 0 と考えることができます。他方、乳酸は 1 個ずつの酸化数-3 と 0 と+3 の炭素原子で構成されていますから、分子全体としては乳酸の炭素原子の酸化数も 0 と考え60

ることができます。乳酸菌は生命活動を維持するために 1 モルのブドウ糖から 2 モルの乳酸を生産していますが、ブドウ糖の分解の過程で消費された NADP 陽イオンはピルピン酸から乳酸への還元反応の過程で再生補給されますから、この変化の前後で酸化数の変化がなく、一部の過程では酸化・還元反応が含まれていますが経過する一連の変化が酸化・還元反応の関わらない分解反応で活力を得ていることになります。ブドウ糖の分解によるピルビン酸への変化を経由して乳酸への還元までの分解過程を総括しますと、1 モルのブドウ糖から 2 モルの乳酸に変化する過程で、2 モルの ATP を生成しますから、乳酸発酵する
生物は活力として利用しうる 14.58kcal のエネルギーを生み出すことを意味しています。このエネルギーを活力として乳酸菌の生命活動が維持されています。このように酸素の無い
太古の昔から酸素に覆われた現代まで大きく変化する環境の中を生き永らえてきた乳酸菌
は酸素を必要とせずに生命活動を維持できる機構を持つ組織になっています。
お酒やお酢を造る技術は有史以前から人間が身に付けていた文明で、穀類のでんぷん
や果物の糖類などを微生物の助けを借りてエタノールや酢酸に変化させてきました。地球上に広く棲息している酵母 (イースト)はブドウ糖を図 5-11 の赤色で示すようにエタノー
ルと二酸化炭素に分解して生命活動を維持しています。酵母菌も図 5-11 の赤色で示すようにブドウ糖の分解する過程で、1 モルのブドウ糖と 2 モルの ADP と 2 モルの NADP 陽イオンからピルビン酸と ATP と NADPH をそれぞれ 2 モルずつ生産します。さらに生成したピルビン酸は酵素の働きでアセトアルデヒドと二酸化炭素に分解されますが、副生したNADPH が過剰に存在しますからアセトアルデヒドと反応して NADP 陽イオンを再生するとともにエタノールに還元します。嫌気性生物は酸素を生命の維持に利用できませんから、乳酸菌の場合と同じように経過する一連の変化の一部の過程では酸化・還元反応が含まれていますが、分子全体としてブドウ糖から分解生成物への炭素原子の酸化数に変化がないと思われます。アルコール発酵と呼ばれるこの一連の変化は、1 モルのブドウ糖から酸化数-3 と-1 の炭素原子を持つエタノール 2 モルと酸化数+4 の二酸化炭素 2 モルへの分解反応ですから、酸化数の総和が 0 となり総合的には酸化・還元反応の関わらない分解反応です。
1 モルのブドウ糖から 2 モルの二酸化炭素の発生を伴い 2 モルのエタノールを生産していますが、ブドウ糖からピルビン酸への分解の過程で消費された NADP 陽イオンはピルピン酸からエタノールと二酸化炭素への分解の過程で再生補給されますから、この変化の前後
で酸化数の変化がなく、一部の過程では酸化・還元反応が含まれていますが経過する一連の変化が酸化・還元反応の関わらない分解反応で活力を得ていることになります。ブドウ糖の分解によるピルビン酸への変化を経由してエタノールと二酸化炭素への分解過程を総括しますと、1 モルのブドウ糖から 2 モルずつのエタノールと二酸化炭素に変化する過程
で、2 モルの ATP を生成しますから、アルコール発酵する生物は活力として利用しうる
14.58kcal のエネルギーを生み出すことを意味しています。このエネルギーを活力として酵母菌の生命活動が維持されています。
酢酸菌も図 5-11 の緑色で示すようにブドウ糖の分解する過程で、1 モルのブドウ糖と 2
61

モルの ADP と 2 モルの NADP 陽イオンからピルビン酸と ATP と NADPH をそれぞれ 2 モ
OC OH
C6H12O6
2 H3C
C
6CO2 + 6H2O + 227.0kcal/mol
ブドウ糖
O
H OH
ピルビン酸
C OH
2 H3C
+ 14.6kcal/mol
C
乳酸 O

2C2H5OH + 2CO2 + 14.6kcal/mol
エタノール

2CH3CO2H + 2CO2 + 102.0kcal/mol
酢酸

図 5-15 乳酸発酵とアルコール発酵
乳酸発酵とアルコール発酵と酢酸発酵とアルコール発酵と酢酸発酵の反応と酢酸発酵の反応熱の反応熱
ルずつ生産します。次いで生成したピルビン酸は酵素の働きでアセトアルデヒドと二酸化炭素に分解されますが、アセトアルデヒドは 1 モルの NADP 陽イオンにより NADPH の生成とともに酢酸に酸化されます。酢酸菌は人間などと異なり補酵素 A が作用しませんから、
図 5-13 に示すクエン酸サイクルが進行しません。酢酸発酵と呼ばれるこの一連の変化は、
1 モルの酸化数 0 のブドウ糖から酸化数-3 と∔3 の炭素原子を持つ酢酸 2 モルと酸化数+4 の二酸化炭素 2 モルへの分解反応ですから、総合的には酸化数の総和が∔8 増加する酸化反応です。1 モルのブドウ糖から 2 モルの二酸化炭素の発生を伴い 2 モルの酢酸を生産していますが、ブドウ糖からピルビン酸への分解の過程の他にピルピン酸から酢酸と二酸化炭素への分解の過程でも NADP 陽イオンが消費されて NADPH が生成します。ブドウ糖の分解によるピルビン酸への変化を経由して酢酸と二酸化炭素への分解過程を総括しますと、1
モルのブドウ糖から 2 モルずつの酢酸と二酸化炭素に変化する過程で、2 モルの ATP と 4
モルの NADPH を生成しますから、酢酸発酵する生物は活力として利用しうる 102.0kcal のエネルギーを生み出すことを意味しています。このエネルギーを活力として酢酸菌の生命活動が維持されています。
地球誕生から長い年月にわたり非常に還元性の高い環境で、酸素分子は還元されて水になり大気中にはほとんど酸素分子が存在していませんでした。そのような環境の下で生息してきた生物は、活力の源となるブドウ糖を酸化反応以外の化学的変化で生ずる僅かな生成熱で生命活動を維持していました。還元性の高い環境の太古の昔から環境の変化に徐々に適応して生き延びてきた微生物は、大気中に 20％以上の酸素を含む酸化性の環境においても従来の様式で生命活動の維持をしています。現に乳酸菌はブドウ糖の分解の一部の過程では酸化・還元反応が含まれていますが、一連の全変化では酸化・還元反応の関わらない乳酸への分解反応で活力を得ています。そのため図 5-15 の青色文字で示すように、乳酸菌はブドウ糖が持つ 674kcal/mol の結合エネルギーの僅か 2%に相当する 14.6kcal/mol
しか生命活動を維持するための活力として利用せずに大部分を食べ残しています。同様に
図 5-15 の赤色文字で示すように、酵母菌がアルコール発酵するときにもブドウ糖が持つ674kcal/mol の結合エネルギーの僅か 2%に相当する 14.6Kkcal/mol しか生命活動を維持する

62

ための活力として利用せずに大部分を美味しいエタノールの形で食べ残しています。また、
図 5-15 の緑色文字で示すように、酢酸菌が酢酸発酵するときにはお寿司に欠かせない酢酸の形で食べ残していますが、ブドウ糖の持つ 674kcal/mol の結合エネルギーの 15%に相当する 102.0kcal/mol を生命活動の維持のための活力として利用しています。このように太古の昔から生き続けてきた微生物が美味しいものを食べ残して生活しているのに対して、図5-15 の黒色文字で示すように酸化的な環境の現代に生きる大多数の生物は二酸化炭素しか排出せずにブドウ糖を余すところなく食べ尽くして 227kcal/mol のエネルギーを生命活動の維持する活力にしています。生物は環境に順応しながら徐々に効率よくなるように進化していることが見えてきます。

63

6. 日常生活と二酸化炭素
日常生活と二酸化炭素
都市ガスと二酸化炭素
都市ガスと二酸化炭素
暖炉の中で燃え盛る薪の写真を図 6-1 に掲げましたが、薪に含まれる燃える成分が高温により気体になって噴き出しているために、薪からは盛んに青色や赤色の炎が上がっています。燃え続けますと発生する気体は尽きますから、炭のように橙色の高温の塊となって燃焼を続けます。最後には白色の少量の灰が燃え残ります。火を熾すことは人類以外の動物には真似のできない知識と技術で、人類が霊長類と自称して差別してきた文明の根幹をなすものと思われます。この文明の根幹となる燃焼の反応は燃料と空気あるいは酸素と高温の 3 つの要素が揃わなければ起こすことができません。昔々、農業で生活を営んでいたお爺さんは山へ芝刈りに行って燃料となる枯れ枝などを集めてきました。商工業の発達とともに人が都市に移り住むようになってきましたが、都市には芝刈りをする十分な山がありませんから、照明や暖房や調理などの生活を営むための燃料の供給が難しくなりました。薪や木炭は着火と火勢の調節が難くしかも火勢と比較して炎が小さいために照明用の燃料としてあまり適していませんか
ら、魚油や菜種油などの液状の油と、ろうそくなどの固形の脂が用いられていました。

図 6-1 暖炉で燃え盛る薪

第 5 章の「太陽光で二酸化炭素をブドウ糖へ」の節で見てきたように、太陽の光エネ
ルギーを使って生産したブドウ糖を繋ぎ合わせたセルロースで植物は葉や枝や幹を作り上げていますから、燃料とする枯れ枝も太い幹も(C6H10O5)n のような炭水化物の組成式を持った物質です。図 6-1 に示すように、薪の燃え初めには盛んに青色や赤色の炎が上げて気体を蒸発させますが、その後は炎がほとんど立たなくなり橙色の高温の塊となって高温を発し続けます。薪が燃えるときのこのような変化は高温により炭水化物が分解して水やアンモニアや分子量の小さな炭化水素などの比較的揮発しやすい物質が蒸発し、炭素だけが炭となって残ったと考えることができます。空気が十分に供給されていればさらにすべて
二酸化炭素まで酸化が進みますが、炎が収まった状態で消火しますと消し炭と呼ばれる黒色の塊が残ります。燃焼しないように空気を遮断した乾留と呼ばれる条件で加熱しますと、薪は高温により炭水化物が分解して水やアンモニアや分子量の小さな炭化水素などの比較的揮発しやすい物質を発生し、炭素を主成分とする木炭になります。非常に木目が細かく硬い樫の木を炭焼き窯の中に隙間なく詰めてあまり空気が入らないように小さな口だけにして点火しますと中の樫の木が一部燃えて高温になり乾留が進みます。水やアンモニアな
どの揮発性な物質が留去して、燃え残った樫の木は完全に炭化して非常に火持ちの良い備
長炭になります。

64

生物や水や酸素などの影響を受けない場合には、炭水化物からこのように揮発しやすい物質が蒸発しながら分解する変化は低温でも非常にゆっくりと進行して炭素だけが炭となって残ります。樹木などが 2 億年以上の長期間地中に埋もれていますと、構成する炭水化物は完全に脱水してほとんど炭素からなる石炭に変化します。産業革命がおこったイギ
リスでは容易に入手できる燃料として石炭が用いられていましたが、照明用にはあまり適していませんでした。18 世紀の末に石炭を乾留して石炭ガスと呼ばれる気体とタールと呼ばれる液状の物質とコークスと呼ばれるほぼ純粋の炭に分けることに成功しました。気体の部分には分子量の小さな炭化水素や一酸化炭素を含んでおり、容易に点火し調節も容易
な明るい炎で燃えますから、照明用のガス灯の燃料として用いられるようになりました。
石炭の乾留の系に水を加えますと石炭が効率よく可燃性の石炭ガスに変換する技術が開発されましたので、1812 年にはロンドンの街中にガス管が埋設され、各戸に石炭ガスが燃料として供給されるようになり、多くのガス灯が街を照らすようになりました。
この石炭に水を加えながら乾留して可燃性気体に変換する方法は水蒸気改質法と呼ばれ、図 6-2（m=0）の青色文字で示したようにコークスを構成する炭素原子が酸化反応により一酸化炭素に変化するとともに、水の水素原子と酸素原子の結合が切断して水素分子に変化したので水は還元されたと考えることができます。街中に埋設したガス管で配送された気体燃料の主成分は非常に引火しやすい水素と非常に強い毒性を示す一酸化炭素でしたから、しばしば爆発事故や中毒事故が起こりました。図 6-2（m=0）の赤色文字で示したように多くの水を反応させるように改良しますと、一酸化炭素が還元剤として働き二酸
化炭素と水素に酸化・還元反応が進行します。高温の金属触媒の働きで図 6-2（m＞0）で示したように、炭化水素も水と反応して水素と一酸化炭素を生成し、さらにこの一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生成します。この水蒸気改質により炭素を含む化合物と水
nH2O
CnHm
nCO
(n+0.5m)H2
蒸気から水素を生成する反応
は吸熱的な平衡反応で、水が水素まで還元されるとともに

CO
CnHm

炭素は二酸化炭素にまで酸化

H2O

CO2

H2

2nH2O

nCO2

(2n+0.5m)H2

図 6-2 水蒸気改質による水素の合成
水蒸気改質による水素の合成されます。
このように高温に加熱された炭素あるいは炭化水素が水のような還元し難い物質まで還元できる能力を持っていますから、古来多くの物質を還元するときにこの能力が利用されてきました。すでに紀元前 3000 年以前には硫化銅や酸化錫の形で天然に存在している
黄銅鉱や錫石などの鉱石を焚火で焼くことにより銅や錫を金属まで製錬していました。さらに銅に錫を加えて焚火で溶かし銅よりも固く細工し易い青銅を作る技術が確立され、それまでの石器より格段に精巧で扱いやすい青銅製の道具や武器が容易に作られるようになり、メソポタミアや中国に青銅器文化が開花しました。現在流通している 10 円硬貨が青銅製ですから本来赤銅色をしていますが、この銅と錫の合金は錆びて青緑色の炭酸銅になるために青銅と呼ばれています。

65

さらに炭素や炭化水素の燃焼による還元反応を利用する技術が進歩して、人類は地球上に広く分布している酸化鉄から堅牢で硬い金属の鉄への製鉄を成功させ、鉄器を用いる文明を展開してきました。古くは良く燃え盛る木炭の火の中に酸化鉄を多く含む鉄鉱石を入れて、燃え残った灰の中から金属の鉄の塊を取り出していましたが、現代では高温の溶鉱炉の図 2-7 中に鉄鉱石とともに石炭あるいは炭素の純度を高めたコークスを入れて燃焼させ金属の鉄を生産しています。図 4-7 に示す石炭に含まれる炭素が燃焼して二酸化炭素まで炭素原子の酸化反応が進行し、同時に酸化鉄や水酸化鉄が金属鉄に還元されます。工業的に行われている製鉄では原料を高温の反応温度に加熱するときに生ずる二酸化炭素の他に酸化鉄を還元するときにも二酸化炭素が生じてきます。鉄鉱石の種類にもよりますが反応温度を維持するため以外に、10t の鉄を製鉄するときに 4～6t の二酸化炭素を排出しなければなりません。

窒素肥料
窒素肥料と二酸化炭素
肥料と二酸化炭素
赤色の銅に銀色の亜鉛をそれぞれ 80%未満と 5~40%の割合で加えて熔融しますと金に似た黄金色の真鍮になりますから装飾品としても価値を持っていますが、銅と亜鉛の価格から考えますと材料費が金の 0.2%しか掛かりません。そのため「貧者の黄金」と呼ばれて、まさに金を生む錬金術師の極意ですから、金儲けのもとになる父子相伝の秘術として種々の物質から価値のあるものを作り出す技術や知識が次第に蓄積されてきました。19 世紀になりますと錬金術師の手を離れて、研究者や技術者による学問としての化学に次第に進展するようになり、優れた物質が作り出され、有用な性質が見出されて日常生活が非常に豊かになってきました。19 世紀の初めには、生物を構成しあるいはそれらが生み出す種々の物質は有機物と呼ばれ、生命を持たない石や金属や塩などあるいはそれらから作り出される無機物と呼ばれる物質から区別されていました。神が創造する有機物を人間が作ることは恐れ多いことで、作り出せないと思われていました。当時、尿素は哺乳類や両生類などの尿の中から採り出されていましたから有機物に分類されていましたが、1826 年に Wöhler
は無機塩類のシアン酸アンモニウムから図 6-4 に示す反応で合成しました。この結果は無機物から有機物を合成した最初の例で、無機

O

物と有機物の間の境目がなくなった化学の歴史の一つの曲がり角になりました。

NH4 N

C

O

熱

シアン酸アンモニウム

図 6-3

第 5 章で見てきたように、植物は太陽光

H2N

C
尿素

NH2

ヴェーラー尿素合成
ヴェーラー尿素合成法
尿素合成法のエネルギーを使って合成した炭水化物を酸化して生命活動を維持していますが、動物や微生物も植物の作ってくれた炭水化物を酸化して生命活動を維持しています。すべての生物にとって活力となるブドウ糖などの炭水化物の原料は二酸化炭素ですから二酸化炭素は水とともに最も大切な物質ですが、他にもリンやカリウムや窒素を含む物質も生命活動を維持する上で欠くことのできない大切な物質です。リン酸は図 5-1 に示した NADP 陽イオ
ンと NADPH の間の反応や図 5-13 に示した ADP と ATP の間のエネルギーの伝達反応や図66

5-14 に示したブドウ糖の酸化過程におけるアセチル補酵素 A の反応の他に生物の遺伝情報を担う DNA においても欠くことのできない物質です。カリウムは陽イオンとして細胞液の中に存在しナトリウムイオンとの均衡により、タンパク質や炭水化物の合成や移動や蓄積などの調節や葉からの水分蒸散など植物体内の様々な化学反応の促進や抑制などをしています。窒素原子は葉緑素や NADPH や ATP や FDA（ビタミン B2）の分子内で重要な働きをしているほかに DNA やタンパク質に含まれる不可欠な元素ですが、大気の 75％を占める窒素分子が非常に低い反応性のために多くの生物の生命活動において有効に用いられず、アンモニアや硝酸の形でしか植物組織の中に取り込むことができません。二酸化炭素と水は地球上の大部分の地域に満遍なく存在していますから容易に供給されますが、リン酸とカリウムと窒素の供給は困難を伴うことがありますから、植物を繁茂させて高い収穫量を求める農業では肥料として人為的に供給します。
現在用いられている主な窒素肥料には Wöhler が始めて合成した尿素（NH2CONH2）や硫安（硫酸アンモニウム、(NH4)2SO4）や塩安（塩化アンモニウム、NH4Cl）があり、それぞれの性質により使用が異なります。塩安は水によく溶けますから水溶液として田んぼなどで多用されますが、硫安も塩安も強酸の硫酸や塩酸をアンモニアで中和して合成される塩ですから、アンモニウムイオンが肥料として消費されたあとには硫酸や塩酸が残り、土壌が酸性になる欠点を持っています。尿素は炭酸アンモニウムに分解してアンモニウムイ
オンとして作物に吸収され、肥料として消費された後に炭酸が残りますが大気中に二酸化炭素として飛散してしまいますから土壌の酸性度は変化しません。しかも尿素は窒素含有
量が約 50％と高いために優れた窒素の肥料として広く用いられています。
第 3 章の「二酸化炭素は水の中で炭酸に」の節で見てきたように、二酸化炭素は水を付加して炭酸を生じます
が、炭酸から水が脱離して

O

C

O

二酸化炭素

NH3

HO

-NH3

H2N

C

O

カルバミン酸-H2O
H2O

二酸化炭素に戻る逆反応と
H 2N

ように二酸化炭素はアンモH 2Nニアを付加してカルバミン酸を生じますが、カルバミ

OH
C
OH

C

OH

シアン酸
NH3

-NH3 NH3

可逆平衡にあります。同じN

ヴェーラー反応

-H2O

H2N

H2O

H2N

C

O

尿素

図 6-4 工業的な尿素合成法

ン酸からアンモニアが脱離して二酸化炭素に戻る逆反応と可逆平衡にあります。同時にカルバミン酸とシアン酸の間にも脱水反応と加水分解反応が可逆平衡にあります。中間に生じるカルバミン酸は図 6-5 に示すようにアンモニアを付加し、脱水して尿素を生成します。
Wöhler が始めてシアン酸アンモニウムから尿素を合成した反応も図 6-5 から納得されます。
二酸化炭素も尿素も非常に安定な物質ですが、中間体のカルバミン酸もシアン酸も不安定で反応性が高いため二酸化炭素とアンモニアの混合物を 120℃、15MPa の超臨界状態に加圧して尿素を合成しています。
肥料の他にも火薬など多くの日常生活に極めて重要な物質が窒素原子を含んでいます67

が、大気の 75％以上を占める窒素分子が非常に低い反応性のために 19 世紀には工業的に利用することができませんでした。従来、窒素を含む物質の原料として用いていた硝石は鶏や家畜の排泄物を発酵熟成して製造していましたが、エジプトや中国やインドやチリなどの乾燥した地域に偏在する硝石やチリ硝石が鉱物として地中から産出していました。硝石やチリ硝石は製造し難い非常に貴重な資源ですが、黒色火薬や綿火薬やニトログリセリ
ンなどの火薬製造に欠くことのできない物質ですから、これらの硝石類無くしては植民地戦争や覇権戦争などをすることはできませんでした。スペインやイギリスやフランスなどに比べて近代化の遅れたドイツや日本などは植民地や強力な海軍力を持ち合わせていなかったために、硝石やチリ硝石の充分な供給がままならず、大量の武器や弾薬による強力な軍備を供えることができませんでした。
20 世紀になり Haber や Ostwald などのドイツの研究者は図 6-6 にまとめた反応により空気中の窒素からアンモニアを合成し、さらに空気中の酸素との反応CnHm + 2nH2O
3H2 + N2
2NH3 + 4O2
2NH3 + CO2

高温
Ni
高温高圧
Fe3O4
Pt
高温高圧

nCO2 + (2n+0.5m)H2 水蒸気改質法
2NH3 + 22kcal/mol ハーバー法
2HNO3 + 2H2O + 198kcal/mol オストワルド法
NH2-CO-NH2 + 2H2O + 104kcal/mol

図 6-5 ハーバー法と尿素合成法
ハーバー法と尿素合成法

による硝酸の製造に成功しました。Haber は図 6-2 にも纏めた水蒸気改質法で発生させた水
素と大気中の窒素を 20～100MPa と 400～600℃の非常に過酷な高温高圧条件下で酸化鉄を触媒にして反応させ、反応後の混合気体を－33℃以下に冷却してアンモニアだけを液化して分離し、残った水素と窒素を反応容器に戻す方法により 1906 年にアンモニアを合成することに図 6-6 の緑色文字で示すように成功しました。ハーバー法と呼ばれるこのアンモニア合成法はその後触媒などが改良されて、現在では 25MPa と 500℃の高温高圧条件で効率よく合成されています。さらに合成されたアンモニアを空気中の酸素で酸化して図 6-6の赤色文字で示すような硝酸を製造するオストワルド法が開発されました。世界に遍在する貴重な硝石やチリ硝石が入手できなくても、この一連の反応における原料は世界の各地で容易に入手できる石炭や石油と水と空気ですから、黒色火薬や綿火薬やニトログリセリ
ンなどの火薬類の製造を容易に可能にしました。この硝酸を製造する方法を持つことができ、充分な弾薬の供給が可能になりましたから、植民地戦争の一環として 1914 年にはイ
ギリスやフランスを相手にドイツは第 1 次世界大戦の開戦を決断することができました。
この図 6-6 に示すように水蒸気改質法とハーバー法とオストワルド法と尿素合成法は原料と生成物が互いに交錯するように関係しており、これらの一連の反応の原料の中で、石炭や石油以外の水と窒素と酸素は地球の至る所に満遍なく存在する非常に廉価な物質で、その反応条件ではすべて気体の状態で取り扱うことができます。そのため石炭や石油や天然ガスを取り扱う港や製油所に隣接して、水素やアンモニアや硝酸や尿素に関連した工場が建設され、相互にパイプラインで結ばれた石油コンビナートを形成しています。

68セメントとセメントと二酸化炭素
第 3 章の「何故、地球の大気中に二酸化炭素が少ない？」の節で見てきたように、原始地球の大気中には大量の二酸化炭素が存在していました。岩石中のカルシウム化合物は比較的に水に溶けやすいために、海を形作っていた大量の水の中にカルシウムイオンとして移動しました。海の中では図 3-5 に示す反応が左から右に進行して白色の炭酸カルシウ
ムを生成して沈殿し、長年の間に石灰岩や大理石などの堆積岩に変形しましたが、同時に大気中の二酸化炭素は減少しました。そのため地球の歴史上で過去に海底であった履歴を持つ地中海沿岸など多くの地域では炭酸カルシウムを成分とする石灰岩や大理石が地層を形成しています。日本国内でも山口県の秋吉台や埼玉県の武甲山や福岡県の平尾台などは山全体が大きな石灰岩層になっています。
大気中にわずかに残った二酸化炭素は雨に洗われますから、雨水の中にはわずかながら炭酸が生成してきます。表 3-8 に示したように炭酸カルシウムの約 43 倍も炭酸水素カル
シウムは水に溶け易い性質を持っていますから、この極めて希い炭酸水が石灰岩層の上を流れますと図 6-7 の右方向の反応が進み、生成した炭酸水素カルシウムは水溶液となって石灰岩を流し出します。長い年月の間には雨水の流れが石灰岩層に穴を穿ち鍾乳洞を作りますから、洞内には必ず地下水流が流れています。この水流により洞内の湿度は高く鍾乳
洞の天井の各所からは水滴が滴り落ちています。このように石灰石や大理石の主成分の炭酸カルシウムは水と二酸化炭素の働きで図 6-7 に示した右方向の反応に

CaCO3 + H2O + CO2

Ca(HCO3)2

図 6-6 鍾乳洞の反応
鍾乳洞の反応より炭酸水素カルシウムとして溶かし出しますが、風などによる二酸化炭素の脱気により図 6-7 に示した左方向の反応が進行
して炭酸カルシウムに再変換し析出してきます。この平衡反応は非常に遅く長時間を要しますが、中間に生成する炭酸水素カルシウムは水に溶けますから、溶液の移動に伴い炭酸カルシウムも移動し変形します。結果としてわずかながら水滴から炭酸カルシムが析出してきますから、非常に長い年月の間に水の滴り落ちる部分に鍾乳石と呼ばれる炭酸カルシ
ウムがつらら状に垂れ下がりますし、水滴の落ちる部分にはタケノコのような石筍と呼ばれる炭酸カルシウムが積もってきます。さらに長い時間の経過とともに鍾乳石が下方向に
石筍が上方向に成長して、両者が繋がった柱のような石柱になります。
図 3-5 に纏めた二酸化炭素とカルシウムイオンから炭酸カル

(1)
(2)
(3)

CaCO3
CaO + H2O
Ca(OH)2 + CO2

39kcal/mol
CaO + CO2
Ca(OH)2 + 16kcal/mol
CaCO3 + H2O + 23kcal/mol

図 6-7 炭酸カルシウム
炭酸カルシウムの脱炭酸反応
カルシウムの脱炭酸反応

シウムを生成する反応の発熱量を考えますと図 6-7 のようになります。この図の青色文字で表された（（ 1））の右向きの反応から、炭酸カルシウムは非常に安定な化合物で分解は吸熱反応で大きなエネルギーを要することが分かります。炭酸カルシウムを主成分とする貝殻や石灰石を焚火などの火で激しく加熱しますと、図 6-7 の（（1））の右向きの分解反応が進69

行して、二酸化炭素を発生しながら酸化カルシウム（生石灰）を生成します。図 6-7 に緑（ 2））の右向きの酸化カルシウムと水の反応は発熱反応ですから、酸化カル
色文字で示す（シウムに水を加えますと激しい発熱を伴い容易に進行して強い塩基性を示す水酸化カルシ
ウム（消石灰）に変化します。
古代メソポタミアや古代ギリシャや古代ローマでは、石を積み上げた遺跡の石を繋ぎ合わせるためにこの酸化カルシウムと砂を混ぜて水で練った漆喰を用いていたと思われます。日本でも高松塚の古墳の石棺を密封するために漆喰が用いられていました。また、酸化カルシウムと砂と麻の繊維と海藻糊を混ぜて水で練った漆喰を多くの寺院や城や蔵の壁に使いました。このとき酸化カルシウムは図 6-7 の（2）の右向きの反応が進行して水酸化カルシウムを生成しますが、粘着性がありませんから麻の繊維で絡ませ海藻糊で固めて仮設的な壁にしますが、大気中にも水の中にも二酸化炭素が含まれていますから、図 6-7 の（ 3））の右向きの発熱反応が徐々に進行して炭酸カルシウムが次第に表面から形成されてゆきます。表面を覆っている炭酸カルシウムは水に非常に溶け難い安定した物質で石灰岩のように固く結晶化しますから耐火性や耐水性に富んだ堅牢な白壁になります。
イギリスのレンガ職人の Aspdin はこの漆喰の技術を改良して、石灰石（CaCO3）と粘土（Al2O3・Fe2O3）と珪石（SiO2）を混合し粉砕し焼成し、焼き固まった塊を粉砕してセメントと通称されているポートランドセメントを作りました。焼成の過程で図 6-7 の青色文字で表された（1）の右向きの反応が進行して石灰石は二酸化炭素を放出して酸化カルシウムに変化しますから、このセメントは主に 3CaO・SiO2 と 2CaO・SiO2 と 3CaO・Al2O3と 4CaO・Al2O3・Fe2O3 の 4 種の成分で構成されています。石灰石を多く調合しますと漆喰と同じように図 6-7 の（2）と（3）の右向きの反応の進行する割合が高くなりますからセ
メントの強度が向上しますが、焼成時間が長くなり多くの燃料を消費するため経済的に不利になります。また、珪石を多く調合しますとセメントを水で練った時の発熱が抑えられますからセメントの強度が向上しますが、高い焼成温度を必要としますから焼成設備の耐久性が短くなり経済的に不利になります。粘土を多く調合しますとポーランドセメントを水で練ってから短時間に固まります。このようにセメントの性能と取り扱い易さと経済性を考慮に入れて、多くのセメント会社は粘土と珪石を合わせて 1 に対して石灰石を約 2 の割合にしています。
このセメントに砂を混ぜて水で練ったモルタルはレンガなどの目地に使い接着剤として用いたり、漆喰のように壁に塗り付けて使います
が、乾燥が進むと若干縮まりますから亀裂が入ります。コンクリートは

強度比
100
80
60
40
20
0
日

セメントと砂と砂利を混ぜて水で練0ったものですから、モルタルのよう

図 6-8 コンクリートの経日強度変化
コンクリートの経日強度変化(20℃の経日強度変化 ℃)

50

70

100

150

に耐火性耐水性に優れていますが、体積が縮まり亀裂が入りやすい欠点を持っています。
そのため鉄筋と組み合わせて亀裂の生じることを防いでいます。図 6-7 の赤色文字で示した右向きの反応（3）も化学変化ですから温度の影響を受けます。図 6-8 のグラフで凡そ表される 20℃における施工後のコンクリートの強度の経日変化から、約半年で本来期待される強度に達すると考えられています。
このように漆喰もセメントを使ったモルタルやコンクリートも炭酸カルシウムを主成分とする石灰石の焼成により、二酸化炭素の放出を伴う脱炭酸反応が進行して生成する酸
化カルシウムを粉砕して用いています。この酸化カルシウムの粉末に水を加えますと、発熱を伴い水酸化カルシウムに変化しますので、この水を含んだ水酸化カルシウムの塊を放置しますと形状を保ちつつ次第に乾燥します。この塊は長期間大気中に放置しますと、水
酸化カルシウムが徐々に大気中に含まれる二酸化炭素を吸収して、脱炭酸反応の逆反応が進行して炭酸カルシウムに戻ってゆきます。結果として漆喰やセメントを使ったモルタルやコンクリートの工程は図 6-3 に要約した二酸化炭素の放出と吸収の反応を利用して石灰岩を意図する形に変形したことになり、炭酸カルシウムの持つ耐火性や耐水性や堅牢性などの極めて安定な性質を有効に利用することが可能になります。

水酸化ナトリウムと二酸化炭素
水酸化ナトリウムと二酸化炭素
生産量が国力の尺度と見なすことのできるほどに水酸化ナトリウムは工業的に重要な化成品ですが、その主な製造方法は食塩水の電気分解で水酸化ナトリウムと水素と塩素が遊離してきます。食塩水の電気分解では図 6-9 の赤色文字で示した（（1））の反応のように陽極に単体の塩素と陰極に単体の金属ナトリウムが遊離してきますが、陰極の単体金属ナト
リウムは青色文字で示した（（ 2））の反応のように溶媒の水と即座に反応して水酸化ナトリ
ウムと水素になりますから、食塩 58.5g の水溶液を電気分解すると、40g の水酸化ナトリウ
ムと 35.5g の単体塩素と 1g の水素ガスが生成します。単体塩素は水

2NaCl
2Na + 2H2O
2NaOH + Cl2に多量に溶け込んでし

2Na + Cl2
2NaOH + H2
NaClO + NaCl + H2O

(1)
(2)
(3)

図 6-9 食塩水の電気分解反応
食塩水の電気分解反応

まい、水酸化ナトリウム水溶液と混合しますと緑色文字で示した（（ 3））の反応のように次亜塩素酸ナトリウムに変化してしまいます。そのため、ナトリウムイオンと水だけが通り抜け出来るような隔膜で、食塩水の入った陽極槽と水酸化ナトリウムを生成する陰極槽を隔離する隔膜法で食塩の電気分解が行われています。これにより陽極槽に食塩水を供給して通電すると単体塩素が遊離してきます。隔膜を通り抜けてきたナトリウムイオンは陰極で水素ガスを発生しながら水酸化ナトリウムを生成します。この製造法は電解槽に隔膜で仕切りを作り生成してくる単体塩素と水酸化ナトリウムを混合することなく取り出す方法
で、経済的にも効率の良いものです。
ソーダ工業会がまとめた統計資料によりますと日本国内の単体塩素の消費量の 30％は71

塩化ビニルの製造に用いられており、ポリウレタンの原料となるトルエンジイソシアナー
ト（TDI）およびメチレンジフェニルイソシアナート（MDI）、酸化プロピレンの調製にも単体塩素が用いられています。このようにプラスティック製造で消費されるほかに、調味料、無機薬品、染料などの合成中間体製造に広く単体塩素が用いられています。総需要の 15％に相当する単体塩素が消費されてポリハロメタンやポリハロエタンなどが低分子量の炭化水素から合成されており、塩素系有機溶媒あるいは冷媒として広く用いられていました。また、古くから DDT、BHC、パラジクロロベンゼンなどの塩素系の殺虫剤や農薬が広く用いられており、単体塩素が原料として消費されてきました。さらに、単体塩素が強い酸化作用を示すことから、漂白剤や殺菌剤として広く用いられており、紙やパルプの漂
白、上水道の水質維持のために用いられています。このように多種多様の用途に用いられているため、1990 年代には水酸化ナトリウムの需要に対して約 13％単体塩素が不足し、国外から輸入されていました。
しかし、医薬や農薬は強い毒性のために使用が制限される傾向にあります。塩化ビニ
ルは廃棄処理の折に PCB の発生の危険があり、利用が敬遠されつつあります。オゾン層の破壊の原因がハロメタンやハロエタンと考えられていることから製造も利用も極端に制限されるようになっています。さらに、オゾン層の破壊などに関連して水道水の殺菌も近い
将来オゾン殺菌に変更されるのではないかと思われます。このように種々の問題から、急激に単体塩素の需要が減少してきました。今後も単体塩素の消費量が減少する傾向は益々顕著になってくると思われますが、単体塩素は海水中や大気中への廃棄や長年にわたる貯蔵などのできない極めて毒性の強い危険な工業製品です。単体の塩素の消費量の減少する傾向に対して、最近 30 年間の日本国内における水酸化ナトリウムの消費量は年率平均で1.3％増加しています。食塩水の電気分解では水酸化ナトリウムと単体の塩素は常に同時に生成してきますから、水酸化ナトリウムと単体塩素の消費量の釣り合うことが望まれ、日本の化学工業における大きな問題になりつつあります。この大問題の解決策としては、多少効率が悪く経済的に不利ではあっても、食塩の電気分解によらず、炭酸ナトリウムの熱分解など別途の方法により水酸化ナトリウムを製造してゆくことが考えられます。
Solvay は 1861 年にガラスの原料として炭酸ナトリウムを製造するソルベイ法を考案しました。漆喰やセメントを作るときに図 6-5 の（（1））の右向きの分解反応として示した炭酸カルシウムの脱炭酸反応で二酸化炭素を製造します。この二酸化炭素をアンモニアと食塩を溶かした水溶液に吸収させますと、図 6-10 の（（2））式で示す反応が進行して塩化アンモ
ニウムとともに炭酸水素ナトリウムが生成しますが、水に対する溶解度があまり高くない
炭酸水素ナトリウムは沈殿してきます。分け採った炭酸水素ナトリウムは加熱することにより図 6-10 の（（3））式に示すように二酸化炭素を発生しながら乾燥して炭酸ナトリウムが合成されます。炭酸水素ナトリウムを分け採った塩化アンモニウムの水溶液に図 4-15 の（ 1））で生成した酸化カルシウムを加えますとアンモニアが気体となって遊離してきますから、図 6-10 の（（3））式で発生してきた二酸化炭素とともに図 6-10 の（（2））で示す母液に72

吸収させてアンモニアと二酸化炭素を再利用します。Solvay の考案したこの一連の反応で中間に用いられる二酸化炭素やアンモニアや水は触媒や溶媒の働きをしており、図 6-10 の青色文字で示した（（5））式の反応に要約されます。
CaCO3
2NaCl + 2H2O + 2NH3 + 2CO2
2NaHCO3
CaO + 2NH4Cl
2NaCl + CaCO3
Na2CO3 + H2O

CaO + CO2 - 38kcal/mol
2NH4Cl + 2NaHCO3 + 68kcal/mol
Na2CO3 + H2O + CO2 - 24kcal/mol
CaCl2 + 2NH3 + H2O - 22kcal/mol

(1)
(2)
(3)
(4)

Na2CO3 + CaCl2 - 16kcal/mol
2NaOH + CO2 - 41kcal/mol

(5)
(6)

図 6-10 ソルベイ法による水酸化ナトリウムソルベイ法による水酸化ナトリウムの合成法
による水酸化ナトリウムの合成法
このソルベイ法では図 6-7 の（（5））式で明らかなように炭酸ナトリウムと塩化カルシウ
ムがほぼ 1：1 の割合で製造されますが、古くは洗剤として用いられていた炭酸ナトリウ
ムはガラスの原料として工業的に大量に用いられています。経済的に有利に利用されるた
めに食塩の電気分解において水酸化ナトリウムと単体塩素の消費量の釣り合うことが望まれると同じように、ソルベイ法において炭酸ナトリウムと塩化カルシウムの消費量の釣り合うことが望ましいことですが、現況では塩化カルシウムは融雪剤などで用いられている程度で需要が比較的に少なく廉価で販売されています。貯蔵の難しい塩素が過剰生産される問題の解決策として、食塩の電気分解によらず炭酸ナトリウムの熱分解など別途の方法
により水酸化ナトリウムを製造してゆくことが考えられます。ソルベイ法により炭酸ナト
リウムを合成し、その後図 6-10 の（（6））式ように熱分解などで水酸化ナトリウムを製造す
ると、2.5 倍以上の経費が掛かり経済的に不利になりますが、極めて毒性の強い危険な単体塩素を副生しませんから、塩素が過剰生産される問題は回避されます。

パンや菓子と二酸化炭素
パンや菓子と二酸化炭素
水に二酸化炭素が溶けて生じる炭酸の金属塩から二酸化炭素を放出する脱炭酸反応は漆喰やセメントばかりでなく料理や製菓の世界でも広く利用されています。兵庫県有馬温泉で小麦粉と砂糖に温泉水を加えて練って煎餅のように焼いたものがはじめとされる鉱泉
煎餅あるいは炭酸煎餅は図 6-11 のように薄焼きの独特の味を持つ軽いクッキーです。現在
では有馬温泉ばかりでなく愛媛県の道後温泉や長崎県の雲仙温泉や群馬県の磯部温泉などの炭酸泉で類似の鉱泉煎餅が販売されていますが、その成分表には小麦粉と砂糖の他に炭酸水素ナトリウムが列記されています。これらの鉱泉煎餅が炭酸水素ナトリウムを単独で用いていますから、図 6-12 の青色文字で示（ 1））の熱化学方程式から明らかなように膨らした（し粉の反応は大きな吸熱を伴う脱炭酸反応です。そのため完全な反応の進行にはかなりの困難を伴いま73

図 6-11 NaHCO3 で作る鉱泉煎餅

（1）
）の脱
すから、熱を効率的に加えられるように非常に薄く焼かれています。図 6-12 の（炭酸反応では二酸化炭素の放出とともに強い塩基性の水酸化ナトリウムを副生しますから、若干の苦味が生まれて鉱泉煎餅に独特の味を与えています。
近年、若者の間でいろいろなパンケーキを食べることが流行っているようですが、パンケーキは基本的には小麦粉と砂糖と卵と牛乳それぞれ約 100g と 30g と 50g と 100g を 5gのベーキングパウダーとともに良くかき混ぜて一様にし、熱した鉄板の上で両面を狐色になるまで焼き上げたパンとケーキの中間的な食べ物です。膨らし粉の働きをするベーキン
グパウダーはパンやクッキーのよく膨らむように種々の物質が調合されていますが、炭酸
水素ナトリウム（NaHCO3）とリン酸二水素ナトリウム（NaH2PO4）とリン酸水素二ナトリウム（Na2HPO4）とでんぷんをそれぞれ 25％と 15％と 10％と 25％ずつ主成分として含んでいます。これらの成分の中で膨らし粉の働きをする物質は加熱したときに脱炭酸反応が進行して二酸化炭素を放出する炭酸水素ナトリウムです。しかし、鉱泉煎餅のように膨らし粉として炭酸水素ナトリウムを単独で用いる場合には大きな吸熱を伴いますから、パンケーキのように厚みのあるものでは熱が通り難く完全な反応の進行にはかなりの困難を伴います。（（ 1））の脱炭酸反応では二酸化炭素の放出とともに強い塩基性の水酸化ナトリ
ウムを副生しますから、若干の苦味を生じて折角のケーキのようなパンケーキの円やかな味をかなり阻害します。リン酸二水素ナトリウムとリン酸水素二ナトリウムを加えて材料を常にほぼ中性の pH6.5 に保つように緩衝溶液の状態を作って脱炭酸反応により副生する
水酸化ナトリウムを中和しています。しかも、図 6-12 の赤色文字で示した（
（2）
）の脱炭酸
反応の熱化学方程式から明らかなように、リン酸二水素ナトリウムを加えますと反応に伴う吸熱量が格段に小さくなりますから、非常に穏やかな加熱の条件で容易に反応が完遂します。
(1)
32kcal/mol
CO2 + NaOHNaHCO3
2kcal/mol(2)
NaHCO3 + NaH2PO4
CO2 + Na2HPO4 + H2O
図 6-12 炭酸水素ナトリウムの脱炭酸反応
炭酸水素ナトリウムの脱炭酸反応
ベーキングパウダーに含まれる炭酸水素ナトリウムの脱炭酸反応は図 6-12 に赤色文字
で示した（
（2）
）の反応ですから、1 モルの炭酸水素ナトリウムから 1 モルの二酸化炭素が発生します。炭酸水素ナトリウムの分子量が 84.01 ですから、良くかき混ぜてドロドロになった 2 人前のパンケーキの材料中に含まれる 5g のベーキングパウダーから発生する二酸化炭素は 0.0148 モルと見積もることができます。n モルの気体分子の圧力を P、温度を T、理想気体定数を R とするとき、その体積 V は式 2-7 に示す理想気体の状態方程式で示されますから、1 気圧(1013hPa)、100℃ではパンケーキの中に 455ｍL の二酸化炭素が放出されることになります。焼き上げる前のパンケーキの材料の比重が約 1 と見做すことができますから体積が約 300mL と概算でき、その材料がパンケーキに焼き上げられるとき、455mLの二酸化炭素が含まれることになり体積は約 2.5 倍に膨れます。大量の二酸化炭素の泡で膨らんだ海綿状のパンケーキはふわふわと軽くやわらかな噛み心地になります。

74

7. 人為的な二酸化炭素の
人為的な二酸化炭素の排出な二酸化炭素の排出と脱炭素
排出と脱炭素運動と脱炭素運動
近年の大気中の二酸化炭素
近年の大気中の二酸化炭素の変化の大気中の二酸化炭素の変化
第 3 章の「地球上には大量の水」の節で見てきたように、太陽系の地球は金星と同じ程度の脱出速度を持っていますが若干大きな半径の軌道を周回していますから、太陽から受ける熱や光などの輻射エネルギーが半分ほどしかなく、大気の温度が低いために、金星や火星より小さな脱出分子量 Me を示しています。地球が太陽からの適当な距離と惑星質量を持っていることから、水素やヘリウムなどの小さな分子量の分子は宇宙の彼方に飛び去ってしまいましたが、表 3-4 の緑色地に掲げた分子量がそれぞれ 28 と 32 と 27 の酸素や窒素やシアン化水素は宇宙に脱出することなく地球に残存して大気の主成分を構成しました。さらに、水もほとんど脱出することなく地球に残りましたが、地表の環境では水は液体の状態で主に存在しますから、海が地球の 70％を覆う豊かな水の惑星になったと思われ、太陽からの適当な距離と適当な質量を持つという 2 つの偶然が大量の水に恵まれた地球を形作りました。地球上ではカルシウムイオンが多量に溶け込んだ海の中に二酸化炭素は溶
けて炭酸カルシウムとして沈殿しましたから、大気の主成分が二酸化炭素の金星や火星と異なり、長年の間に大気中では約 300ppm の濃度で平衡に達していました。
前章までに見てきたように、二酸化炭素は有用な気体として利用されていましたが、害毒を示すものとしては認識されていませんでしたから、ほとんど大気中の濃度を測定す
ることがありませんでした。二酸化炭素の排出は日常生活に密接に関係していますから、都市部では濃度が高く、経済的な景気の変動にも大きく影響されます。そのため地球上の人里離れ海に囲まれた各地で大気中の二酸化炭素の濃度が定期的に測定されるようになりました。1950 年以降にハワイ州マウイ島や宮城県綾里や南鳥島で測定された二酸化炭素の濃度が世界気象機関や気象庁から報告されていますので、それらの平均値を青色の丸印で
図 7-1 に示します。これらの測定値を表す近似式の値も青色線で図 7-1 に示しましたが、これにより測定値の無い過去 10 年間と近未来の 10 年後の濃度も推定できるものと思われます。この図から明らかなように過

実測値
近似式値
脱炭素40
脱炭素40％予測値
40％予測値
脱炭素50
脱炭素50％予測値
50％予測値
脱炭素75
脱炭素75％予測値
75％予測値ppm

去 60 年間に大気中の二酸化炭素濃度

400は約 320ppm から 1.3倍増加しており、

350

増加速度が上向いていることも認められます。
火を熾すことは

300
1940

1960

1980

2000

2020 西暦

図 7-1 大気中の二酸化炭素濃度と脱炭素効果予測
大気中の二酸化炭素濃度と脱炭素効果予測

人類以外の動物に75

は真似のできない知識と技術で、人類が霊長類と自称して差別してきた文明の根幹をなすものです。しかし、長年にわたり人類は植物が二酸化炭素と水と太陽の光で生合成した葉や枝や幹などを燃料としていましたから、大気中の二酸化炭素の濃度に変化を齎すことがありませんでした。17 世紀に英国で起こった産業革命の世界中への展開により、石炭などの化石燃料の燃焼によるエネルギーの利用が飛躍的に増大しましたが、それとともに二酸化炭素が大量に排出されました。資源エネルギー庁の資料を基にした図 7-2 に示すように、
近年は石炭の他に石油や天然ガスもエネルギーの発生源として用いられるようになりまし
たから、これらから放出された大量の二酸化炭素が大気中の濃度を押し上げているものと考えられています。全世界の石炭や石油や天然ガスの消費量をもとに算出された二酸化炭
素の排出量の推定値が日本などの世界の 30 か国が加盟する世界エネルギー機関（IEA）から報告されています。図 7-3 に赤色の丸印で示した推定値から、1950 年には全世界で6000Mt（6x1012kg）の二酸化炭素が排出されていましたが、その後の 70 年間に約 6 倍に排出量が増加して 2019 年には 37600Mt（3.76x1013 ㎏）が排出されたと推定されています。中東戦争やオイルショックなど各国の政策や経済の情勢の変化の影響を受けてグラフが多少踊っていますが、二酸化炭素の排出量の増加傾向を図 7-3 の赤色線で示すような近似式により過去から未来まで考えてみます。

Mt
12000

地球の全大気の重10000

量 は 5000000000Mt

8000（5x1018kg）、比重は6000

1.251kg/m3 と 見 積 も4000られていますから、

2000

2019 年に排出された二酸化炭素は大気中01965と算出できます。し炭素の濃度は前年に

石炭

1975

1985

1995

2005

2015 西暦

Mt
40000

かし、全世界の 2020年の大気中の二酸化石油

図 7-2 化石燃料の消費量の二酸化炭素の濃度を約 5ppm 押し上げる

天然ガス

30000

推定実測値
近似式値

20000

比べて 2ppm しか増加
していません。大気
中の濃度を算出する
この方法により図 7-3の近似式の曲線は図

10000
0
1940

1960

1980

2000

図 7-3 二酸化炭素排出量の変化
二酸化炭素排出量の変化

7-4 の緑色線で示すよ
762020 西暦うな曲線に書き換えられます。
第 3 章の「大気中に二酸化炭素ののの少ない地球」の節で見てきたように、ヘンリーの法則によれば式 3-5 に示すように大気中の二酸化炭素の圧力に比例して二酸化炭素が水に溶け込むと考えられます。大気中の気体の圧力は濃度に比例し全体が 1 気圧（760mmHg）
を保ちますから、2020 年の二酸化炭素の圧力は 315x10-6 気圧（0.239mmHg）と考えることができます。また、地表の約 70％を占める海の面積は 360000000km2（3.6x1014m2）と見積もられており、波ppm

や対流などにより

8

ヘンリーの法則による限界
推定実測吸収量
推定排出量

海水が攪拌して気体の溶解に影響する深さを 5m と仮定

64

し ま す と 式 3-5 から、大気中の濃度

2が 8.58ppm 下がる量

0の二酸化炭素が海

1940に溶けて海水中の

1960

1980

2020 西暦2000

図 7-4 海が吸収する二酸化炭素量

カルシウムイオンにより沈殿してゆくと考えられます。二酸化炭素の海水に溶けて吸収す
る量は大気中の濃度に比例しますから、地球全体が吸収出来る二酸化炭素量が図 7-4 の青色線に示すように示されます。
このように大気中の二酸化炭素の濃度は人為的な排出量で増加し、海の水に溶けて吸収されて減少しますから、n 年の二酸化炭素の大気中の含有量を Dn、人為的排出量を Hn、海に溶けて減少する量を An とするとき式 7-1 のように纏めることができます。濃度 Dn と排出量 Hn に実測値を代入しますと割合 An が求められます。海に吸収される量 An はヘンリーの法則により大気中の二酸化炭素の含有量に比例しますから、式 7-2 のような関係になります。含有量 Dn と海に溶けて減少する吸収率 Rn の関係は図 7-5 の青色線で示すようになり、赤色線で示す近似式が式 7-3 に示す相関係数 0.9991 の 2 次関数で表されます。ここで求めた赤色線の近似式と二酸化炭素の濃度の近似式を組み合わせますと海に溶けて減少する量も近似できますので、図7-4 に赤色線で示します。図 7-4

吸収率
0.6%

の青色線で示すヘンリーの法則をもとにした海水の吸収率に対して、式 7-3 で求められる実際の吸収率 Rn は図 7-4 の赤色線で示されるものでその割合は 5～30％と見積もられます。海が吸収できる限界量に対して吸収さ

0.4%
0.2%

吸収率
値

0.0%
300

350

400

濃度(ppm)濃度

図 7-5 海水中などへの吸収係数77れている実際量のかなり少ないことがわかります。

‫ܦ‬௡ାଵ = ‫ܦ‬௡ + ‫ܪ‬௡ − ‫ܣ‬௡

式 7-1‫ܣ‬௡ = ܴ௡ ∙ ሺ‫ܦ‬௡ + ‫ܪ‬௡ ሻ

式 7-2

ܴ௡ = −9.44 × 10ି଼ ‫ܦ‬௡ଶ + 0.000109‫ܦ‬௡ − 0.0233

式 7-3

式 7-1 と式 7-2 と式 7-3 をもとにすれば、仮定した排出量 Hn に対して大気中の二酸化炭
素の濃度 Dn の変化が仮想できると思われます。脱炭素運動により 2000 年以降の二酸化炭
素の人為的な排出量が半減したと仮定しますと、大気中の濃度はほとんど増加の見られな
い図 7-1 の黄色点線で表されるように算出されます。また、脱炭素の努力により排出量を25％まで減らすことができれば、図 7-1 の赤色点線のように大気中の濃度が減少に転じることを示しています。
第 3 章の「大気中に二酸化炭素の少ない地球」の節で見てきたように、地球誕生から
45 億年の間に大気中の二酸化炭素は石灰石や大理石などの堆積岩として固定化され、大気中に含まれている二酸化炭素の濃度は総量が一定値の 1.8 x 1015 kg に止まって平衡に達していました。産業革命以後に石炭や石油などの化石燃料を大量に燃やして人類は大量の二酸化炭素を排出してエネルギーを浪費する生活を始めました。海水中には多量のカルシウ
ムやマグネシウムがイオンとして溶け込んでいますから、炭酸塩として固化する能力を未だ充分に残していますが、この 2 本の曲線の比較から炭酸塩として固化による自然浄化の速さが人類のエネルギーの浪費による二酸化炭素の排出量に追い付きません。図 7-1 に点線で示したように人類のエネルギーの浪費により排出される二酸化炭素が現在の半量以下に抑えられれば、大気中に含まれる二酸化炭素の濃度は減少に向かうと考えることができます。このように考えてくると人類がエネルギーを浪費する生活で排出している大量の二酸化炭素も遠い将来には産業革命以前の大気中の濃度に戻りますが、一時的に地球を大きく汚染することが危惧されます。
1 モル当たりの熱量の値で表されている燃焼熱は化学的な視点では極めて便利で理解し易い単位ですが、1 モルの重さも体積も化合物により異なります。日常生活では燃料の液化天然ガス(LPG)や自動車用ガソリンや灯油や軽油や A 重油や石炭は通常 kg などの重さやL などの体積で商取引されていますから、1 モル当たりの熱量の値でそれらの発熱量を生活感覚で比較するときには不便です。そのため日本国内の液化天然ガスと自動車用ガソリ
ンと灯油と軽油と A 重油と石炭について 2018 年の 1kg 当たりのそれぞれ平均店頭価格と発熱量と二酸化炭素発生量を表 7-1 に纏めました。この比較から取り扱い難い固体の石炭は価格が安く二酸化炭素の発生量が約 2 倍多いことが分かります。液状の石油類は二酸化炭素の発生量がいずれもほぼ同じですが、取り扱い易いガソリンが極めて高価です。天然
ガスは価格の面でも二酸化炭素発生量でも優れた化石燃料ですが、気体であるために輸送にパイプラインや液化設備や低温高圧の容器からなる輸送船など特殊な施設を要するため
78

に取り扱いに表 7-1 1 ㎏の燃料の性質

制限がありま燃料

発熱量kcal/kg

石炭
天然ガス
A 重油
軽油
灯油
ガソリン

6355
15332
10614
11129
11098
11170

す。その上、
石炭は野積みも可能で特別の貯蔵施設を必要としませんが、石油類は地震や風水価格(2018)\/kg\/kcal
11.8
54.3
75.4
83.1
88.9
176.2

0.00190.00350.00710.00750.00800.0158

CO2 発生量mg/kcal
kg/kg
3.67
577
2.76
180
3.19
300
3.11
280
3.11
280
3.09
276

害に耐える貯蔵タンクを必要としますし、天然ガスは低温で高圧のタンクを必要とします。
このように考えてきますと、石炭は極めて安価なエネルギー源ですが、多量の二酸化炭素を放出します。石油は高価でしかも二酸化炭素をそれなりに放出します。大規模にエネル
ギーを消費する場合には、気体燃料に特有の施設の経費が割安になりますから、天然ガス
は二酸化炭素の発生も少なく安価なエネルギーと考えることができます。
2018 年に世界中で燃やされた化石燃料は石炭 5846.7Mt と石油 4462.1Mt と天然ガス
2713.7Mt でしたが、このうちで石炭をすべて天然ガスで置き換えますと新たに 2423Mt の天然ガスが必要になります。この置き換えにより、約 62.6 兆円の経費増を伴いますが14800Mt の二酸化炭素の減少が可能になります。2018 年の二酸化炭素の排出量は 37597Mtと推定されていますから、約 40％の脱炭素化が進行することになります。2000 年にこの置き換えが開始したと仮定しますと、図 7-1 の緑色の点線のように若干二酸化炭素の濃度増加が抑えられます。近年の技術革新により、回収が難しいとされてきた天然ガスも効率的に採掘できるようになり、天然ガスの技術的可採埋蔵量は 803 兆 m³と推定されています。しかし、石炭から天然ガスへの置き換えはエネルギー価格の上昇ばかりでなく、石炭産業を生業とする国や地域や人々を犠牲にしますから、必ずしも一朝一夕にして可能になるとも思えません。
太陽系の金星と地球と火星の 3 個の惑星は、45 億年前に同じように誕生しましたから、地殻の元素組成も大気の組成もほとんど類似していたものと考えられます。しかし、地球は潤沢なエネルギーを常に供給してくれる太陽から適当に離れた距離を周回する適度の大きさを持つ天体であったために、水素とヘリウムだけを宇宙の彼方に失いましたが多量の水や窒素や酸素を保持することができました。海に覆われた地球では水を介して二酸化炭素が火成岩中に多量に含まれている酸化カルシウムと結合して炭酸カルシウムとして沈殿したため、長い年月の間に地球の大気中の二酸化炭素濃度が減少していったと考えることが出来ます。このような極めて多くの偶然が重なって、地球という二酸化炭素が少ない水の惑星が生まれたことを神に感謝すべきではないでしょうか。

79

水素は脱炭素に有効？
水素は脱炭素に有効？
石油類には種々の飽和炭化水素が含まれていますが、それらの炭化水素は 11～12kcal/gの熱エネルギーを放出して二酸化炭素と水に酸化されます。この熱エネルギーで自動車を動かし、発電機を回して電力に変えています。しかし、海の中で炭酸カルシウムなどへの変換による浄化作用が人為的な二酸化炭素の大量の排出に追い付きません。大気中に蓄積しつつある二酸化炭素の増量が温室効果を生み、地球温暖化に繋がっているのではないかと考えられて、脱炭素化がこの問題の有効な解決策と考えられています。天然ガスの主成
分はメタンですから、二酸化炭素の発生量の割合が少なく有効な脱炭素化の方法と考えられますが、前節で見てきたように石油や石炭などの燃料を天然ガスで置き換えることは現在かなりの経費の増大を招きます。表 4-4 に掲げたように水素の燃焼熱が 34.0kcal/g（68kcal/mol）で、13.2kcal/g（211kcal/mol）のメタンと比較して水素の発生するエネルギーが 2.5 倍ほど大きく、しかも二酸化炭素を全く発生しません。そのため最も有効な脱炭素化策として提案されています。
第 3 章の「地球上には大量の水」の節で見てきたように、誕生間もない 45 億年前には地球上も水素分子で被われた非常に高い還元状態の環境で、酸素は水に還元されてしまい
大気中にはほとんど存在していませんでした。しかし、長い時間の間に軽くて拡散し易い
水素は地球から次第に宇宙の彼方に飛散してゆきました。水素が無くなるとともに、わず
かながら水の分解する反応が進行しましたが、このような分解で生じた水素まで宇宙に散逸してゆき、徐々に大気中の酸素の割合が高くなって地球は次第に酸化状態の環境になってきました。現在の地球の大気は表 1-1 に示すように約 77％の窒素と約 20％の酸素で構成され、水素は非常に微量な 0.5ppm しか含まれていません。地球上に大量に存在し、水素原子を多く含む物質は水と石油や天然ガスに含まれる炭化水素だけに限られますから、脱炭素化策の燃料となる水素は水あるいは炭化水素から製造しなければなりません。
燃焼熱などの反応熱が結合エネルギーの総和にほぼ一致しますから、反応の経路や反応条件に関わらず系 A から系 B への反応熱は関与する素反応の反応熱を代数的に組み合わせることにより求められます。この関係を Hess は原系（系 A）から生成系（系 B）までの反応熱の総和を含む熱化学方程式としてまとめました。純粋の水はあまり電導性がよくありませんが少量の硫酸を電解質として加えた希硫酸は電流をよく通すようになります。この希硫酸は水素陽イオンと硫酸イオンに解離していますが、ここに電極を装着して発電所で発電した電流を通電しますと、図 4-5 に示すように水素陽イオンに電子が強制的に送り込まれて還元反応が進行し、陰極で水素が発生します。同時に水から電子が引き出されて水素陽イオンとともに陽極では酸素が発生します。このとき希硫酸に電流を流すことにより酸素と水素が 1： 2 の割合で発生する水の電気分解が進行し、硫酸は触媒として働き全く反応の収支には関与しないことが分かります。この水の電気分解を熱化学方程式で表しますと図 7-6 の黒色文字のようになり、水から 1mol の水素を調製するのには 68kcal の電気エネルギーを必要とします。

80

(1)
(2)

C + (2-2y)H2O + yO2 = CO2 + (2-2y)H2 + (136y-41)kcal/mol
C8H18 + (2y-16)H2O + yO2 = 8CO2 + (25-2y)H2 + (136y-378)kcal/mol
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 211kcal/mol
H2 + 0.5O2 = H2O + 68kcal/mol
C + 0.5O2 = CO + 27kcal/mol
CO + 0.5O2 = CO2 + 68kcal/mol
図 7-6 水蒸気改質法を表す熱化学方程式
水蒸気改質法を表す熱化学方程式

また、図 6-2 に纏めた水蒸気改質法の変化を石炭の主成分の炭素を例に示しますと図 7（1））の熱化学方程式で表されます。方程式を基に連立方程式を解きま6 の青色文字で示す（
すと酸素を加えないとき（y＝0）には反応熱が－41kcal/mol となり、大きな吸熱を伴う反応と考えられ、通常の条件では反応が進行しません。この水蒸気改質法においてガソリンの主成分のオクタン（C8H18）に約 3 倍 mol の酸素を加えますと、一部オクタンが燃焼して発熱しますから、図 7-6 の赤色文字で示す（（2））の熱化学方程式のように発生する水素の量は減りますが、わずかに発熱しながら反応が進行します。1g ずつの炭素とオクタンの完全燃焼に要する酸素の量を 100％としたときの酸素の量の変化による、水蒸気の存在下これらの燃料の水蒸気改質法における水素の生成量と反応熱を図 7-7 のそれぞれ実線と点線で示しました。この図からも明らかなように、加える酸素の量を増やせば温度が上がり反応が速やかに進行しますが、水素の収量が減少します。逆に酸素を減らせば温度が下がり反応が遅くなりますが、水素を多量に生成します。
図 7-7 から読み取れるように 1g の炭素を用いる水蒸気改質反応において 1.5L(30％)未
満の酸素しか加えないと、吸熱反応ですから反応が容易には進行しませんが、1.5L 以上の

g
3
kcal
2

10

1

5

0

0

-1

H2O
CO2
H2
反応熱
燃焼熱

H2O
CO2
H2
反応熱
燃焼熱

40%

60%

-5

-2
0%

20%

80%

-10
酸素量

図 7-7 炭素（実線）とオクタン（点線）の水蒸気改質
炭素（実線）とオクタン（点線）の水蒸気改質法
水蒸気改質法における酸素の影響
81酸素を加えますと水素を約 2.6L 発生します。1g のオクタンに 2L(23％)以上の酸素を加えますと発熱を伴い自働的に反応が進行し、水素を約 3.8L 発生します。これらの反応において図 7-7 の赤色線で示すように発生する二酸化炭素の量は常に 1g ずつの炭素とオクタンを完全燃焼したときに発生する量に等しく変化がありません。この酸素を加えるときの水蒸気改質法の傾向を考慮に入れて、工業的に水蒸気改質法で水素を生産するときに、加える酸素の量を調節して生産効率や触媒の効率などによる反応装置を適性温度に制御します。
1g ずつの炭素とオクタンの水蒸気改質反応で発生する水素を燃焼したときに発生するエネルギーも図 7-7 に黄色の実線と点線で合わせて示しました。これらの水蒸気改質反応
は熱化学方程式で考えてきましたから、図 7-7 に緑色線で示した反応熱と発生した水素の燃焼熱の総和はそれぞれ炭素とオクタンを完全燃焼したときに発生する燃焼熱に常に等しくなり、エネルギー保存の法則が成り立つように見えます。しかし、これらの熱化学方程式に示したように、炭素やメタンや水素は示された量の燃焼熱を放出しますが、その放出した熱エネルギーの一部分が実際には周囲の空気や反応容器を温めることに消費されます
から、熱化学方程式が成り立つ種々の素反応の組み合わせも実際には等式で表される方程式にはなりません。熱化学方程式はあくまで熱の収支が理想的になされる熱効率 100％を前提にしていますが、実際の複雑な系では熱効率は常に 100％に届きませんから、反応の進行につれて熱量の損失が起こり不等式で表される関係になります。このように Hess の提唱した熱化学方程式は連立方程式を解くだけで多くの反応の熱的な収支がわかりますから、容易に進行する発熱反応や強制的な反応条件を要する吸熱反応などの反応の全体像を把握できるばかりでなく、反応条件の詳細や反応に加える触媒や補助剤の有無や役割を検討するために役立ちます。
現在の地球上で水素原子を多く含む供給可能な物質は水と石油や天然ガスに含まれる炭化水素だけに限られますから、水素は水蒸気改質法あるいは電気分解により水あるいは炭化水素から製造しなければなりません。しかし、熱化学方程式で明らかなように、製造される水素の持つエネルギー量は製造するために要するエネルギー量より大きくなることが不可能です。しかも、水蒸気改質法ではそのエネルギー源は炭素あるいは炭化水素ですから、図 7-7 の赤色線で示すように完全燃焼によるときと同量の二酸化炭素を発生します。
水素製造のための発電所や水蒸気改質法による水素製造施設を人里離れた地域に集約して、副生する二酸化炭素を大気に拡散することなく処理すれば、人口集約地の二酸化炭素による汚染を抑えることはできます。
水素は脱炭素化の最も有効な燃料として脚光を浴びていますが、水素ガスは沸点が極めて低く液体や固体の状態で取り扱うことが困難と考えられ、かなり高い爆発性を持つため取り扱いの難しい気体です。一般に広く普及している 7000L 用のボンベは 53 ㎏ですから、ボンベ 1 本に充填しうる燃焼熱 34.0kcal/g の水素は 21200kcal の燃料となり、実質的な水素の燃焼熱は 0.4kcal/g と概算できます。比較のために約 3 ㎏のガソリン携行缶に入れた
20L のガソリンは総重量が 19kg で 186000kcal の燃料になり、実質的なガソリンの燃焼熱は82

9.8kcal/g と概算できます。このような水素のｇ当たりの小さな燃焼熱は自動車などの移動を伴う施設や機械の燃料には適していないことを意味します。このように考えてくると、水素は脱炭素化策の燃料としてその実用化には多くの難問が予想されます。

電力は脱炭素に有効？
電力は脱炭素に有効？
日本国内の平均発電量は図 7-8 に示すように東北大震災以前には約 1.15 兆 kwh で、その内訳は水力と火力と原子力 が そ れ ぞ れ 8.3 ％ と

億kW/h

10000

65.4％と 25.1％でしたが、津波による福島原子力発電所の事故により火力発電に

8000

水力
石炭
天然ガス
石油等
原子力
新エネ等

6000

よる割合が 88.6％に急増しました。風力や潮力や太陽光や地熱などの新しい発電方法による量は 2.2～8.1％に過ぎませんから、石油や石炭による火力発電に大きく依存しています。

4000
2000
0
1970

1980

1990

2000

2010

西暦

図 7-8 日本の発電事情

現在稼働している火力発電のエネルギー効率は約 40％と報告されています。しかも、大電力を発電している発電所が茨城県の鹿島など都心まで遠く 離れており、銅線を通して送電しています。銅は比重が 8.93g/cm3 と重く、電気抵抗が 17.3Ω/cm2 ですから、地震や強風などの自然災害への対応を考え合わせますと、高価で重い銅線を支えるためには非常に堅牢な鉄塔が必要になります。また、電圧を高くすれば電流量が小さくなりますから大電力を送電しても Joule 熱として損失する電力を抑えられますが、強い磁場の発生に伴い周囲に電波障害をもたらし、湿度や塩害による大地への放電や漏電などの電力の損失が大きくなります。長距離を送電する場合にはこれらの種々の要素に加えて、電線の素材となる銅の価格や発電に要する燃料の価格などの経済性も絡み合って現在の送電技術が用いられていますが、経済環境の変化や技術の進歩によりさらに送電技術も変化して行くことでしょう。言い換えれば現況の電力は多量の二酸化炭素を放出して生産されていますから、エ
ネルギー保存の法則と経済効率を考えれば電力を使うよりも直接石油や石炭を燃焼させて利用する方が二酸化炭素の発生量を抑えられると結論されます。
電力は瞬時に輸送できる便利なエネルギーですが、貯蔵することがかなり難しいエネ
ルギーです。昼と夜、夏と冬で太陽光発電の能力が著しく異なり制御ができませんし、風
力発電も風任せです。日本の国土には水力発電所を造る余地があまり残っていないようです。原子力発電は送電開始まで長時間を要し、一度発電が始まりますと大量の一定な電力が継続的に発電されます。しかも、チェルノブイリや福島の原子力発電所のように一度事83

故が発生しますと対処不可能になり膨大な被害を伴いますから、電力の供給を全面的に原子力発電に依存することに不安を感じます。火力発電は発電の制御が容易で、昼と夜や夏と冬で変化する電力需要に比較的容易に対応できますが、常に二酸化炭素の発生を伴います。このような種々の発電方法の特徴を考えますと、火力発電は二酸化炭素の発生による大気汚染の恐れがありますが、それに代わる発電方法が未だ開発されていませんから、全廃することは不可能に思われます。
近年、火力発電所や水蒸気改質による水素製造施設で、集中的に大量発生する二酸化炭素を冷却などの方法で分離濃縮し、地中深くに液状の二酸化炭素として埋蔵する方法が試みられています。図 2-7 の二酸化炭素の状態図で明らかなように二酸化炭素は約 7MPa
(70 気圧)で液体あるいは超臨界流体になり体積を縮小しますから、一時的な貯蔵が可能と思われます。しかし、2019 年に全世界の二酸化炭素の排出量が 37600Mt(3.76x1013 ㎏)です
から、地球全体の脱炭素の方法にはなりえません。その上、第 3 章の「地中から湧き出す
二酸化炭素」で見てきたカメルーン共和国のニオス湖からの二酸化炭素の噴出のように、突然の衝撃により地中に埋蔵した二酸化炭素が噴出する事故を完全に防げるか疑問が残ります。

水に支配される地球の気候と自然
火の上に架けた薬缶の水は次第に熱くなり 100℃で煮立ちますが、火から下ろせば次第に冷めてきます。沸騰しているお湯は薬缶が空になるまで 100℃で沸騰し続けます。同じように液体の温度は外部からエネルギーが加わることにより上昇し、放出することにより降下します。1g の水を 1℃上げるために必要なエネルギーを 1cal と 1896 年にエネルギーの単位として定義しており、熱容量は 1g の物質を 1℃上げるに要するエネルギー量で表します。熱容量の小さな物質では温度が急激に変化しますが、熱容量の大きな物質ではその変化はゆるやかになり、外部から影響するエネルギーが大きくてもその温度の変化は小さくなります。その上、融解熱に相当するエネルギーが外部へ放出されるときに、融点にある液体の物質は固体の状態に変化してゆき、完全に固体になるまでは温度が変化しません。
また、気化熱に相当するエネルギーが外部から加わるときも、液体物質が完全に気体の状態に変化するまでは物質の温度は沸点で一定します。逆に、気体物質は気化熱に相当する
エネルギーを放出して液化し、固体が液体に状態の変化をするときには融解熱に相当する
エネルギーを必要とします。そのため大きな融解熱や気化熱を持つ物質は多少のエネルギーの増減ではその状態の変化は一部分に限られますから、液体の状態は沸点を上限に融点を下限に保たれ、容易に気体または固体に完全に変化することがありません。水の融解熱と気化熱と熱容量の値が非常に大きいため、外部から受けるエネルギーの影響による水温の変化が緩やかで、水は凍結したり蒸発したりすることが非常に困難で、0～100℃の水温の液体の状態を維持します。

84

多くの偶然が重なって地球上には 1.4x1018t の水が残りましたので、地球の 70.8％は海で覆われています。他方、地球は毎日 1 回の周期で自転していますから、昼間は太陽エネ
ルギーを受けることができますが、夜間は全く太陽エネルギーが供給されません。当然、昼間は温度が上昇し、夜間は放熱しますから温度が低下します。地表を覆っている種々の物質の 1mL 当たりの熱容量を表 7-2 にまとめておきました。陸地を構成している土や種々の岩石の熱容量は水の熱容量と比較して約半分しかありませんから、海よりも陸地は 2 倍の速さで温度が変化します。昼間の太陽のエネルギーを受けて陸地は海上よりも高い温度まで暖められますから、陸地に接する空気も暖められて膨張します。膨張した空気は軽くなり対流を起こして上空に浮き上がりますから、そこに生じた空間を埋めるように海上の空気が流れ込んできます。反対に、夜間は海上と比較して陸地の温度が大きく降下しますから、陸地では上空の空気が沈むように逆方向

表 7-2 種々の物質の熱容量
種々の物質の熱容量の対流が起こり、海の方へ吹出します。結果として昼間は海から陸地に向かって海風が吹き、物質

夜間は陸地から海に向かって陸風が吹きます。

コンクリート0.5208そして、朝夕にそれぞれ陸地と海上で温度変化

アスファルト0.2860の逆転が起こりますから、そのときは風が止ま花崗岩

0.5400る凪となります。余談ながら、アスファルトの砂岩

0.4500

熱容量は水の 30％にも満たないと見積もられて石灰石

0.5902いますから、都会の舗装道路の表面の温度変化

土0.4928はさらに速いものと思われます。

水

1.0000熱容量(cal/mL･deg)

地球は地軸が 23.44°傾いたままで太陽の周りを公転していますから、太陽から送られてくるエネルギーの量が時間によっても季節によっても地域によっても大きく変化します。
東京において夏至の太陽エネルギーが冬至の太陽エネルギーの 1.9 倍まで強くなるように、北半球では冬は太陽から供給されるエネルギーが小さく、夏は大きなエネルギーが供給されます。そのため、昼夜で海風と陸風が交互に吹くように、夏は太平洋からユーラシア大陸へ海風の吹く夏型の気圧配置となり、冬は大陸から太平洋の方向に陸風が吹く状況の西
高東低の気圧配置になります。
太陽から地球に送られてくるエネルギーは毎秒 1x1013kcal と見積もられていますが、誕生以来 45 億年の間に地球は熱的に平衡の状態に達しましたから、現在では全く同量のエネ
ルギーを輻射熱として地球の外に放出するようになっています。しかし、太陽も生きていますから、多くの黒点が発生したりして短期的には活発に活動し、多くのエネルギーが太陽から地球に送られてくることもあります。そこで、太陽の活動が急に活発になり 2 倍のエネルギーが 1 年間地球に送られてきて海の水を暖めたと仮定しますと、海の水が約 0.2℃
上昇すると計算されます。水の気化熱と融解熱は非常に大きいために、この仮定に基づく計算では海の水が完全に蒸発するためには約 2800 年を要します。反対に太陽からのエネル
ギーが全く供給されなくなっても、完全に海が凍結するためには約 450 年を要します。
85

太陽の活発な活動により供給されるエネルギーの変化は多く見積もっても 10％程度しか増減しませんから、太陽から送られてくる毎秒 2x1013kcal のエネルギーが 1 年間海の水を温め続けるということは極めて乱暴な仮定ですが、それでも海の水の温度は 0.2℃しか変化
しないことになります。さらに、海の水が全て水蒸気になって蒸発することも、氷になって凍結することも全く考えられません。当然、海の水は 0℃以下に下がることも 100℃より高温になることもほとんど有りませんから、地球は温暖な気候を保つことができます。水が大きな熱容量と融解熱と気化熱を持つ液体ですから、大量の水で地球を覆っている海は気候に大きな影響を与えているばかりでなく、地球上の気温を一定に保つように調節する
緩衝効果を持っています。

二酸化炭素は温室効果ガス？
二酸化炭素は温室効果ガス？
絶対零度（0K、—273.15℃）では原子の運動が完全に停止すると定義されていますから、
通常の気温では分子を構成している原子は常に運動していると考えることができます。原子は低温では動きが小さく、エネルギーを受け取ると動きが大きくなり温度が上昇します。
逆に高温で激しく運動している原子はエネルギーを放出して次第に温度が下がるとともに動きが小さくなります。原子が蠢くときに要するエネルギーは熱容量と呼ばれ、物質の温度を 1℃上げるに要するエネルギーで表します。昼間は太陽のエネルギーを受けて温度が上り、夜間は受けませんから下がりますが、海と陸では熱容量が異なりますから温度変化の状況は多少異なります。同じように地球を覆っている大気を構成している種々の気体もそれぞれ異なる大きさの熱容量を持っていますから、気温の変化にそれぞれの気体は異なる影響を示します。物質の量が多ければ多くのエネルギーを必要としますから、表 7-2 の
黄色地に示す 1g 当たりの値のように基準になる量でその熱容量を比較します。気体の場合には 1 mol の気体はすべて同じ体積を持っていますから、表 7-2 の水色地には 1mol の気体
を 1℃上げるに要するエネルギー量も掲げておきます。この表から明らかなように、単原
子分子は蠢いても結合がありませんから相互作用がなく小さな熱容量を示します。2 つ以上の原子からなる分子ではそれらの原子が互いに独立して蠢きますから、原子を結び付けている結合が伸縮したり、結合角が角度を変えたりします。
このように原子は常に運動していますから、種々の結合は表 2-1 に掲げた結合距離の値
を中心にわずかながらもぞもぞと原子が蠢きます。結合エネルギーを表す図 2-1 の赤色線が極小となる結合距離が最も安定な状態ですから、結合軸に沿って僅かに動いて結合が伸びたり縮んだりするためにはエネルギーの供給を要します。同じように 3 つ以上の原子が互いに結合するときに生じる結合角も、エネルギー的に最も安定な角度から開いたり狭まったりするときにもエネルギーの供給を要します。この結合距離の伸縮運動や結合角の変角運動が影響して、結合数の多い気体分子は大きな熱容量を示しています。多くの原子が
表 2-1 に掲げたように 50～150kcal/mol の結合エネルギーで結ばれた分子において、それらの原子が蠢くときに生じる結合距離の伸縮運動や結合角の変角運動に要するエネルギーは86

1～11kcal/mol と測定されています。
Plank の定数を h とするときフォトン 1 つの持つエネルギーが電磁波の振動数νに比例
し、振動数は真空中では波長に反比例しますから、真空中の光の速さと波長をそれぞれ cおよびλとしますと式 5-1 が書き換えられ、電磁波の持つエネルギーが波長の短いほど大きいことも導かれます。実際、共有結合が 200 nm～600nm（2x10-7～6x10-7m）の波長の紫外線や可視光線を吸収してエネルギーの供給を受けますと結合の開裂を引き起こしますし、
1m～30m（1 x10-6～3x10-5m）の波長の赤外線を吸収して結合の伸縮や結合角の変角の運動をします。熱エネルギーや光エネルギーの供給により引き起こされた伸縮運動や変角運動が減衰するときには、分子はその運動に相当する熱エネルギーや光エネルギーを放出します。紫外線や可視光線から赤外線まで広い波長領域の光が太陽から地上に降り注いでいますから、日向ぼっこをすれば身体を構成している水など種々の分子が赤外線を吸収して伸縮運動や変角運動を引き起こし、その運動が小さくなる時放出する熱エネルギーや光エネルギーで身体が温まります。
二酸化炭素は図 2-5 に示すように炭素＝酸素結合で直線状に結ばれた分子構造をしていますから、原子の蠢きにより 0.116nm の結合距離から伸びたり縮んだりする伸縮運動による 4.26m（4.26x10-6m）と 7.46m（7.46x10-6m）の波長の赤外線と直線状の構造からの折れ曲がりの変角運動による 15.0m（1.50x10－5m）の赤外線を吸収します。また、水は図 26 に示すように 2 本の酸素―水素結合が 104.45 度く
くの字型に曲がった分子構造をしていますから、原子の蠢きにより 0.096nm の結合距離からの伸縮運動による 2.74m（2.74x10-6m）と 2.66m（2.66x10-6m）の波長の赤外線と、くくの字型に曲がった構造からの変角運動による 6.27m（6.27x10－6m）の赤外線を吸収します。また、メタンはm（3.30x10-6m）とm（3.4x10-6m）に伸縮運動、m（6.60x10-6m）とm（7.70x10-6m）に変角運動に相当する赤外線吸収が観測されます。通電して赤熱したニクロム線や燃え盛る備長炭は広い波長領域の赤外線を強く輻射していますし、人間の身体からも陽だまりのベンチからも赤外線は輻射しています。このような広い波長領域の赤外線のうちで、二酸化炭素も水蒸気もメタンもそれぞれ固有の波長の赤外線を吸収して伸縮運動や変角運動をします。
濃度の高い窒素と酸素の熱容量が大気の熱容量の大部分を占めていますが、水の蒸気
圧が温度により大きく変化しますから、それにつれて水蒸気による影響も変化します。年
平均湿度は東京で 66％、サハラ砂漠に近いニジェールのビルマやエジプトのアスワンでも23％と観測されています。これらの観測結果から、地球の各地では年平均湿度が約 40～60％と考えられます。このことを考慮して湿度 50％の空気 1m3 の熱容量を、地球を取り巻く大気に含まれる主な気体の成分比と熱容量と温度から求めて図 7-9 に纏めました。大気中の成分比に大きな差がありしかも熱容量にそれほど大きな違いがありませんから、大気を構成するそれぞれの気体の熱容量には桁違いに大きな差があります。すべての成分の熱容量を一つに纏めるために縦軸を対数目盛で表していますから、図 7-9 は概観の掴み難い
グラフになっています。気温 20℃においては湿度 50%の空気の熱容量は 296cal/m3 で、成87

分比の高い窒素と酸素の熱容量がそ

cal/m3100.0000

れぞれ 79％と 19％

10.0000を占めています。
水蒸気とアルゴンと二酸化炭素とネオンの熱容量がそ

合計
N2
H2O
O2

1.0000Ar

0.1000CO2
Ne

0.0100

He

れ ぞ れ 1.5 ％ と0.0010CH4

0.69 ％ と 0.04 ％ と0.0001H20.001 ％ を 占 め 、 そ

-20

0

20

40

60

℃

80

図 7-9 1m3 の空気中の各気体の空気中の各気体の熱容量
気体の熱容量れ以外のヘリウム
や水素やメタンは 1ppm 以下です。大気中には表 7-3 に掲げた種々の気体を含んでおり、
約 300cal/m3 の空気の熱容量により、地表から輻射した赤外線を吸収して地球外にエネル
ギーが逃げ去ることを抑える温室効果を示します。
太陽から地球に送られてくるエネルギーは毎秒 1x1013kcal と見積もられていますが、地球を取り巻く宇宙空間と比較して地表はかなり高い温度に温まっています。誕生以来 45 億
年の間に地球は熱的に平衡の状態に達しましたから、現在では全く同量のエネルギーを輻
射熱として地球の外に放出するようになっています。第 3 章の「大気中に二酸化炭素の少ない地球」の節で見てきたように、地球誕生から 45 億年の間に大気中の二酸化炭素は石
灰石や大理石などの堆積岩として固定化され、大気中に含まれている二酸化炭素の濃度も総量が一定値の 1.8 x 1015 kg に止まって

表 7-3 種々の気体の熱容量(20℃
種々の気体の熱容量 ℃)

平衡に達していました。産業革命以後に
石炭や石油などの化石燃料を大量に燃や

物質

分子量

して人類は大量の二酸化炭素を排出してH2

エネルギーを浪費する生活を始めましcal/g･deg

cal/mol･deg

2

3.4287

6.857

He

4

1.24254.970

た。海水中には多量のカルシウムやマグ

CH4

16

0.54488.717

ネシウムがイオンとして溶け込んでいま

NH3

17

0.50278.546

すから、炭酸塩として固化する能力を未

H2O

18

0.46558.379

だ充分に残していますが、炭酸塩として

Ne

20

0.24854.970

固化による自然浄化の量が二酸化炭素のCO

280.24836.952

排出量より少ないために人類のエネルギ

N228

0.2426

6.793

ーの浪費に追い付きません。

O2

32

0.19256.159

図 7-1 に青色線で示したように人類のAr

40

0.12444.970

エネルギーの浪費により排出される二酸

CO2

44

0.20158.866

化炭素は年々蓄積されて、大気中に含ま

SO2

64

0.14359.182

れる二酸化炭素の濃度は毎年約 2ppm ず

Cl2

71

0.11898.444

88

つ増加しています。この毎年の二酸化炭素の増加による温室効果は大気の温室効果の約2.7ppm に過ぎません。水蒸気の濃度が温度の上昇とともに大きく変化しますから、それに連れて図 7-9 の水色線で示すように熱容量も大きくなり温室効果が増大します。1℃の気温の上昇による 0.16％（1600ppm）の温室効果の増大に比べて、二酸化炭素の濃度の増加による温室効果は微々たるものと思われます。このように考えてくると人類がエネルギーを浪費する生活で排出している大量の二酸化炭素も遠い将来には産業革命以前の大気中の濃度に戻ると期待されますが、一時的に地球を大きく汚染することが危惧されます。しかし、エネルギーの浪費による気温の上昇は図 7-9 の水色線で示すように大気中の水蒸気量を増加させて温室効果を増大しますから、地球の温暖化に拍車をかけます。

89

8. 脱炭素で脱炭素で地球環境を守れる
地球環境を守れる？
れる？
二酸化炭素は地球を
二酸化炭素は地球を壊さない
多くの植物は太陽光による水から酸素への分解反応で生まれた還元する能力により、二酸化炭素と水からブドウ糖を生産します。植物の中で起こる非常に複雑な光合成の反応で生産されたブドウ糖が二酸化炭素と水に分解するときには 674kcal/mol の化学エネルギ
ーを放出します。この光合成で生産したブドウ糖を基本骨格に持つセルロースの形で植物は幹や枝や葉などの組織を形作っていますし、でんぷんや糖類などの炭水化物としてエネルギーを備蓄しています。でんぷんや糖類やセルロースなどのブドウ糖を母核とする炭水化物を大気中の酸素により二酸化炭素まで酸化分解し、その時発生するエネルギーが多くの植物や動物の生命活動を維持するための活力に当てられています。人間などの哺乳類は呼吸することにより肺を通して、この酸化分解に必要な酸素を吸収し、同時に二酸化炭素を排出しています。植物を栄養源とする大部分の微生物や動物も植物の備蓄したでんぷん
や糖類やセルロースを分解し、その時発生するエネルギーを活力にして生命活動を維持しています。光エネルギーで水を分解して二酸化炭素からブドウ糖を生合成し供給してくれる植物が全ての生物の食べ物を供給してくれる唯一の頼りなのです。このように全ての生物の食べ物の素になるブドウ糖の原料は二酸化炭素と水ですが、その二酸化炭素は無色無臭の気体で大気中にわずかに約 0.03％（300ppm）しか含まれていませんから日常生活においてほとんど注目されませんでした。
自然界では山火事がしばしば発生しますが、多くの動物が山火事の折にはただ逃げ惑うのに対して、人類はこの山火事を恐れることなくその原因となる摩擦熱から人為的に火を熾す技術を習得しました。火傷や二酸化炭素による窒息死などの失敗経験をもとに、人類は火を熾して寒さを凌ぎ、襲ってくる動物の攻撃を防ぎ、山を焼いて農耕に利用してきました。枯草や材木などの燃料を高温に加熱しますと大気中に含まれる酸素と急激に酸化分解反応して、二酸化炭素を生成するとともに大量の熱エネルギーを発散します。この高温における酸化分解は燃焼と呼ばれて、人類はその制御の技術を会得し熱エネルギーを自由に利用できるようになりました。焚火の火を利用して銅を製錬し、青銅製の精巧な道具を作ることができましたから、獰猛な獣も敏捷な鳥類も人類の餌食にすることができました。さらに、高温の火を利用することが工夫されて初めて鉄器が作られましたから、性能の高い道具や武器を利用できるようになりました。物を燃やして動力に変換する技術をWatt が開発して、産業革命を引き起こしました。Nobel が物を短時間に激しく燃やす技術の開発に成功しましたが、その強力な破壊力は土木技術の向上ばかりでなく武器弾薬の進歩に繋がりました。Siemens らの多くの発明は物を燃やすことにより電気を生み出し、あらゆる面で便利で豊かな日常生活を可能にしました。
燃焼により排出される二酸化炭素は日常生活の中に広く利用されています。不慮の火
災を鎮火させる消火器に広く用いられています。硫安や塩安に代わる代表的な窒素肥料の90

尿素肥料の原料はアンモニアと二酸化炭素です。水で練ったセメントに二酸化炭素が反応して炭酸カルシウムに変化し漆喰やコンクリートの強度を高めます。食塩を反応させてガラスの原料となる炭酸ナトリウムを製造したり、水酸化ナトリウムを合成しています。二酸化炭素が水に溶けて生成する炭酸水は人間の各組織に刺激を与えますから、飲料して消化器官の調子を整えたり、入浴剤として血行の促進を促しています。二酸化炭素無くしてはビールもシャンパンも気が抜けて美味しくありません。パンやクッキーを膨らませるのも二酸化炭素の役目です。大量の二酸化炭素を冷やして固体にしたドライアイスは非常に便利な冷媒ですし、超臨界流体は将来が大いに期待される溶媒となるでしょう。
人為的に物を燃やすことによって熱を自由に生活に利用できるようになりましたから、火を使いこなすことにより初めて人類は多くの動物から差別できる文明を備えたと思われます。人類が言語や文字や道具や農耕などの文明を持っているために霊長類と名乗って威張っていますが、物を燃やすことこそが他の生物から優位に立つことのできた知識であり技術であり、文明の発展の基礎となるものです。人類の歴史の過程で、有効にしかも大量に火を使うことが天下を制し、生活の向上に繋がりましたから、人類は競って火遊びをするようになりました。結果として地球を征服したと思いあがっている人類はその本来の身体能力を補うように、石油や石炭をどんどん燃やして地球狭しと動き回り、生活環境を快適にすべく夏は厚着をして冷房下に事務を執り、冬は暖房した部屋でアイスクリームを食
べ、昼間のように煌々と灯りを点して昼夜の別なく活動しています。人類が夢中になっている火遊びで、2019 年には 37600Mt（3.76x1013 ㎏）の二酸化炭素が排出されましたので、その大量の二酸化炭素が地球温暖化を招き地球を破壊するのではと危惧するようになりました。自然の摂理に反するようなこの人類の驕りと贅沢が気温の上昇をもたらし、ひいては度重なる天変地異を引き起こす原因となっているのかもしれません。もし人類の贅沢が
気温の上昇、大気の汚染、自然の破壊などを引き起こし、これらの変化を原因とする天変
地異が地球環境の破壊に繋がるものであれば、由々しき問題と考えなければなりません。
盛者必衰の自然の摂理に従えば、火を使いこなすことにより霊長類と名乗って最も高等に進化した生物と思いあがっていますが、その火を使う技術と知見が人類を滅ぼす最も強力な仇として働くと考えられます。
近年世界各地に頻発する酷暑や砂漠化や大水害が大量に排出している二酸化炭素に起因する地球温暖化によるものではないかと危惧するようになりました。二酸化炭素を排出することなく大量のエネルギーを得るために、水素を燃料にする方法が提唱されています。
火力発電に頼らず、風力や太陽光や地熱や潮力による発電も考えられていますが、原子力発電に脚光が当たるようになってきました。これらの火力に頼らないエネルギーに代替えする脱炭素化が声高に叫ばれるようになってきました。著者は地球上の多くの異常な気象現象が二酸化炭素の大量排出に一元的に起因していると考えてよいか化学の知識で独善的に検証してみました。
産業革命以降に大量に排出されてきた二酸化炭素がそのまま大気中に残るか検証した

91

ところ、確かにわずかずつ大気中の二酸化炭素濃度は増加していますが、約 2.3％が海に溶けて吸収されているように概算できます。その上、現在の排出量を約半分に減量すれば大気中の濃度は増加しなくなると算定されました。現在用いられている燃料のうち石炭を天然ガスで代替えしますと経費が多くかかるようになりますが、40％ほど二酸化炭素の発生が抑えられますから、大気中の二酸化炭素の濃度の増加がかなり抑えられると見積もられます。燃料を水素に置き換える方法は局所的には確かに二酸化炭素の排出を抑えられま
すが、水素の製造の折に多量の二酸化炭素が排出されます。この水素を燃料とする方法は危険を伴い決して優れた解決法とは思われません。電力を代替えのエネルギーとする方法
も、チェルノブイリや福島の原子力発電所のような事故の発生が危惧される原子力発電に依存することに不安を感じられ、火力発電なしには成り立たないように思われます。このように種々の代替え法により二酸化炭素を減量することはかなり困難に思われます。
人類のエネルギーの浪費により排出される二酸化炭素は年々蓄積されて、大気中に含まれる二酸化炭素の濃度は毎年約 2ppm ずつ増加しています。この毎年の二酸化炭素の増加による温室効果は大気の温室効果の約 2.7ppm に過ぎません。気温や湿度の上昇による
大気中の水蒸気の増量による約 2％の温室効果の増大に比べて、二酸化炭素の濃度の増加による温室効果は微々たるものと思われます。このように考えてくると脱炭素化はあまり大きな意義のあるものとは思われず、人類がエネルギーを浪費する生活で排出している大量の二酸化炭素も遠い将来には産業革命以前の大気中の濃度に戻ると期待されますが、一時的に地球を大きく汚染することが危惧されます。しかし、エネルギーの浪費による気温の上昇は大気中の水蒸気量を増加させて温室効果を増大しますから、地球の温暖化に拍車をかけます。

地球の地球の宿命に従うこと
宿命に従うことこそに従うことこそ最善策
こそ最善策
太陽系には 9 個の惑星が太陽を中心に公転しており、我々の地球は内から 3 番目の軌道を公転しています。この 9 個の惑星のうち、最も内側と外側の軌道を公転している惑星
は余り性質がはっきりしていませんが、地球に近い金星と火星は大きさも密度も地球と類似していますし、それらの外側に公転している木星と土星と天王星と海王星の 4 つの惑星
は体積が大きく、太陽と同じようにかなり小さな密度を持っています。このことから、内側の軌道を公転している金星と地球と火星の 3 つの惑星は、45 億年前に同じように誕生した兄弟星と考えられます。地球は金星と同じ程度の質量を持っていますから同じ程度の脱出速度を持っていますが若干外側の軌道を周回していますから、太陽から受ける熱や光などの輻射エネルギーが半分ほどしかなく、大気の温度が低いために、金星や火星より小さな脱出分子量 Me を示しています。地球が太陽からの適当な距離と惑星質量を持っていることから、水素やヘリウムなどの分子量の小さな分子は宇宙の彼方に飛び去ってしまいま
したが、分子量約 30 の酸素や窒素やシアン化水素は宇宙に脱出することなく地球に残存して大気の主成分を構成しました。さらに、水もほとんど脱出することなく地球に残りま92

したが、地表の環境では水は主に液体の状態で存在しますから、海が地球の 70％を覆う豊かな水の惑星になったと思われ、太陽からの適当な距離と適当な質量を持つという 2 つの偶然が大量の水に恵まれた地球を形作りました。地球上で最も高いところは海面から8848.48m のエベレストの頂上ですし、最も低いところが海面下 10983m のマリアナ海溝です。地球の平均半径 6371 ㎞と比較して、これらの凸凹は 0.2％以下に過ぎませんから地球
はほぼ球体と見ることができます。そのため、誕生以来 45 億年の間自転軸が公転軸に対して 23.4 度傾いたまま毎日 1 回自転を繰り返し続けています。太陽に対するこれらの関係
は地球に定められた宿命です。
この宿命により昼と夜や夏と冬の周期で強弱を繰り返しながら地球上のすべての地域に満遍なく太陽の光と熱が降り注いでいます。地表では常に 1 気圧（約 1000hPa）の大気圧と 9.81N（9.81 ㎏･ｍ/s2）の引力が働いています。豊富に残った水により地球の気温は 0～100℃から決して外れない温暖の気候を持つ平和な惑星でいられます。液状の水は化学反応を促進する溶媒の働きをしますから、種々の物質が生成し複雑な組織を構成してきました。大気中に多量に存在していた二酸化炭素は水に溶けてカルシウムイオンと反応し、炭酸カルシウムとして沈殿し石灰石や大理石の形で地中に固定しましたから、大気中にはわずかに 300ppm しか含まれなくなりました。シアン化水素が水の中で 5 分子縮合してアデニンを生成して、生物の最も大切な遺伝情報を伝える DNA の基本を構築しました。太
陽光のエネルギーで二酸化炭素と水からブドウ糖を作りました。ブドウ糖の分解物に地中のアンモニアを加えて種々のアミノ酸からタンパク質に展開し、分解物の酢酸から種々の脂肪酸やグリセリンを作って脂肪に変換しました。これらの種々の物質が水の中で集合して生物を組織しましたから、全ての生物は太陽に対して地球の持つ宿命に定められた組織です。昼間は活動し夜休むものと逆に夜活動して昼間は休む生活のリズㇺを持つようにす
べての生物は太陽の動きに従っています。同じように春夏秋冬に合わせて動物も植物も生活しています。
人間は霊長類と自称して威張っていますが所詮生物の一種に過ぎませんから、地球の持つ宿命を外れることはできません。地表から 100ｍ高くなるごとに大気圧が 1％低くな
りますから、約 3800m の富士山頂では大気圧は約 38％ 低い 630hPa です。地球の持つ宿命により、多くの人間は大気圧が 1 気圧（約 1000hPa）の環境に順応していますから、富士山やアルプスの山々の山頂では鼻血や頭痛を伴う高山病になります。常に 9.81N の万有引力の環境に順応している人間が無重力の宇宙船に長く滞在しますと、帰還後には歩行もできないほどに足腰の筋肉が退化してしまうそうです。オリンピックの記録は人類が最も合理的に生活できる肉体的な能力の限界を示しています。10m/s（36km/h）の速度が人間の移動できる最速ですし、重量挙げの世界記録は 265 ㎏で、平均的には体重の約 2 倍の重さの物までを持ち上げられる「火事場の馬鹿力」を備えています。このように人間も地球の持つ宿命に順応した能力を備えていますが、この能力以上のことを行うためには他からのエネルギーの助けを必要とします。

93

太陽が天上に来る頃に起き出して活動を開始し、夜半過ぎに床にはいる日常が現代の生活です。真冬にキュウリやトマトのサラダを食べ、苺のショートケーキでクリスマスを楽しみ、真夏に冷たいビールで気炎を上げています。夏は厚着をして冷房下に事務を執り、冬は暖房した部屋でアイスクリームを食べ、昼間のように煌々と灯りを点して昼夜の別なく活動しています。音速に近い速さで太平洋を横断してアメリカへ旅行したり、テレビ電話で 1 時間以上もヨーロッパの友達とおしゃべりしています。このような日常生活は明らかに地球の持つ宿命から逸脱したもので、宿命に則った生活に改めればかなり大量のエネ
ルギーが節約でき、地球の温暖化や大気汚染などを抑えることができると思われます。
本書では地球の温暖化や大気汚染などの地球を破壊する危険を回避するため提案されている脱炭素化の種々の方策を独善的に検証してきました。脱炭素化に密接に関係する二酸化炭素の性質や日常生活との関係なども検討しました。その結果、地球の宿命に従って日常生活を過ごすことが地球を悲劇的な破壊から守る最善策と思います。地球の持つ宿命について改めて見直すきっかけになれば、本書は意義を持つことになると思われます。さらに本書が幸せな人生を考えるための基礎知識を深める上で貢献できればよいと思ってい
ます。

94

索引

あ

宇田川榕菴 ................................................. 28
宇宙線 ........................................................ 46

Einstein ..................................................... 46
亜鉛 ............................................................ 40
Aspdin ........................................................ 70

海風 ............................................................ 85
海の面積..................................................... 77
運動エネルギー .............................. 15, 16, 23

アセタール...................................... 22, 53, 54

えアセチル補酵素 ........................56, 57, 58, 67
アセトアルデヒド ........................... 52, 56, 62

ATP .................. 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 66

圧力 ............................................................ 29

ADP .... 47, 49, 50, 51, 53, 54, 56, 57, 58, 59,

アデノシン.................................................. 56

60, 61, 62, 66

アボガドロ数 .............................................. 15

エステル..................................................... 56

アミン ................................................... 22, 26

エステル結合 ............................................. 57

アルカリ金属 .............................................. 35

エタノール ................... 13, 22, 26, 50, 52, 61

アルコール........................................ 5, 22, 52

X 線回折 ..................................................... 12

アルコキシ基 .............................................. 52

NADPH .... 47, 49, 50, 51, 53, 54, 56, 57, 58,

アルデヒド 22, 23, 26, 39, 44, 50, 51, 53, 54,
55, 56, 61, 62

59, 60, 61, 62, 66
NADP 陽イオン .... 47, 49, 50, 54, 56, 57, 59,

アルドール反応 .......................................... 52

60, 61, 62, 66

Arrhenius................................................... 43

エネルギー不滅 .......................................... 42

アンモニア...................................... 22, 25, 26

塩安 ...................................................... 67, 90

い塩化カルシウム .......................................... 73
塩化水素....................... 11, 12, 13, 22, 28, 39

硫黄 ................................................ 24, 25, 28
イオン ........................................................... 9
イオン化ポテンシャル .............34, 35, 36, 37
イオン結合...................................... 12, 14, 15
イオン性 ............................................... 23, 54
異性化 ......................................................... 56

塩化ビニル ................................................. 72
塩化物 ........................................................ 29
塩基性 ........................................................ 52
塩素 ............ 11, 12, 22, 28, 30, 39, 71, 72, 73
エンタルピー ..................... 15, 41, 42, 43, 44
エントロピー ............... 16, 41, 42, 43, 44, 46

一酸化炭素.................................................. 26

お陰イオン .......................12, 28, 30, 35, 36, 38

う

オキザロ酢酸 ............................................. 57
Ostwald ..................................................... 68

Wöhler.................................................. 66, 67

オストワルド法 .......................................... 68

95

オゾン層 ..................................................... 72

希ガス元素 ..................................... 35, 36, 38

温室効果 .............................80, 86, 88, 89, 92

気化熱 ............................................ 84, 85, 86

かGibbs ......................................................... 42
Cameron .................................................... 24

外殻電子 ......................................... 35, 36, 37
解離 ................................................ 51, 52, 80
Gauß........................................................... 25
化学エネルギー ................................ 5, 59, 90
可逆反応 ..................................................... 29
可逆平衡 ............................................... 29, 51
角砂糖 ......................................................... 55
隔膜法 ......................................................... 71
化合物 ......................................................... 10

吸収 .............................. 46, 47, 48, 49, 54, 58
吸収率 ........................................................ 77
吸熱反応..................................................... 43
共鳴 ............................................................ 52
共鳴安定化 ........................................... 47, 49
共役 ............................................................ 48
共有結合................. 10, 11, 12, 13, 14, 46, 50
金星 ............ 23, 24, 25, 26, 27, 30, 75, 79, 92
金属結合..................................................... 15

可視光線 ..................................................... 46

く

火星 ................. 23, 24, 25, 26, 30, 75, 79, 92
火成岩 ............................................. 27, 30, 79

Coulomb .................................................. 9, 34

化石燃料 ............................................... 78, 88

クーロンエネルギー .................................. 34

ガソリン ..................................................... 38

クーロン力 ................................................. 35

活性化エネルギー ....................................... 42

クエン酸..................................................... 57

褐藻類 ......................................................... 49

クエン酸サイクル ...................................... 57

火薬 ............................................................ 68

日下部実..................................................... 31

カリウム ......................................... 28, 30, 66

くの字型..................................................... 14

カルシウム............. 28, 29, 30, 49, 78, 79, 88

グリセルアルデヒド .................................. 53

カルバミン酸 .............................................. 67

グルコピラノース ...................................... 54

カルボン酸...................................... 52, 53, 55

グルコフラノース ...................................... 54

カルボン酸陰イオン ................................... 52

クロロフィル ............................................. 48

還元 ..........................5, 49, 53, 54, 57, 59, 90

け

還元型ビタミン B2 ..................................... 57
還元状態 .........................5, 40, 46, 47, 49, 58

結合エネルギー . 9, 10, 15, 22, 43, 52, 62, 80,86

還元電位 ................ 40, 47, 48, 49, 50, 51, 58
還元反応 ... 36, 38, 39, 40, 41, 47, 49, 57, 58,
59, 61, 62, 65, 66, 80
環構造 ................................................... 53, 55
乾留 ...................................................... 64, 65

結合距離 ............................ 10, 14, 15, 86, 87
結合双極子モーメント ......................... 13, 14
煙... .............................................................. 6
嫌気性生物 ................................................. 60
原子 .............................................................. 9き気化 ............................................................ 16

原子核 .................................. 9, 11, 34, 35, 37
元素記号............................................... 28, 37

96

元素組成 ...................................24, 26, 28, 79

43, 44, 45, 46, 47, 49, 50, 53, 55, 58, 59,
60, 61, 62, 68, 75, 79, 80, 81, 90, 92

こ

酸素原子......................... 9, 14, 22, 29, 38, 40
高温 ............................6, 7, 39, 43, 44, 45, 90
好気性生物.................................................. 60

酸素発生複合体 .......................................... 47
3 態............................................................. 16

光合成 ............................................... 5, 60, 90

し酵素 ..........................................56, 59, 61, 62
酵母菌 ............................................... 5, 61, 62

シアン化水素 ................................. 26, 75, 92

コークス ......................................... 39, 65, 66

Siemens ................................................. 7, 90

黄金色 ......................................................... 66

四塩化炭素 ................................................. 13

コンクリート ............................70, 71, 85, 91

紫外線 ........................................................ 46

さ

σ結合 .................................................. 11, 22
自然の摂理 ............................................. 7, 91

サイコロ ..................................................... 55
酢酸 ....................... 22, 50, 51, 52, 56, 57, 62
酢酸発酵 ............................................... 62, 63
殺菌剤 ......................................................... 72
殺虫剤 ......................................................... 72
錆び ...................................................... 37, 40
酸化 ..............................13, 25, 27, 49, 54, 59
酸化カルシウム ........................30, 70, 71, 72
酸化剤 ............................................. 38, 39, 59
酸化状態 .... 27, 38, 39, 40, 47, 48, 58, 60, 80
酸化数 .............. 38, 39, 40, 41, 44, 60, 61, 62
酸化鉄 .......................................37, 39, 66, 68
酸化電位 ..................................................... 58
酸化・還元反応 .............................. 40, 61, 62
酸化反応 ... 36, 37, 38, 39, 40, 44, 47, 53, 55,
56, 57, 58, 62, 65, 66
酸化分解 .....................5, 6, 55, 56, 58, 59, 90
産業革命 .. 5, 7, 65, 76, 78, 88, 89, 90, 91, 92
3 原子分子 ............................................ 17, 18
3 重結合 ...................................................... 11
三重点 ......................................................... 19
酸性 ...................................................... 29, 52
酸性度 ......................................................... 51
酸素 5, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 38, 39, 40, 41,

漆喰 .................................... 70, 71, 72, 73, 91
シトクロム ................................................. 48
脂肪 ............................................................ 57
ジメトキシメタン ...................................... 23
自由エネルギー .................................... 22, 42
自由エネルギー変化 ................ 43, 51, 52, 58
周期表 .................................................. 37, 38
重合 ............................................................ 59
縮合反応............................................... 52, 57
宿命 ................................................ 92, 93, 94
主量子数......................................... 35, 36, 37
消化 ...................................................... 56, 59
消火器 .................................................. 45, 90
消化器官..................................................... 59
消火剤 ........................................................ 44
硝酸塩 ........................................................ 29
盛者必衰............................................. 6, 7, 91
硝石 ............................................................ 68
醸造酒 ........................................................ 61
衝突の機会 ................................................. 51
鍾乳洞 ........................................................ 30
Jones.......................................................... 15
食塩 ................................................ 71, 72, 73
触媒 ............................................................ 57

97

そ伸縮運動 ............................................... 86, 87
真鍮 ............................................................ 66
振動数 ................................................... 46, 87

す水酸化カルシウム ................................. 70, 71
水酸化ナトリウム ...............71, 72, 73, 74, 91
水酸基 ............................................. 51, 53, 54
水蒸気圧 ....................................................... 4

双極子モーメント .................... 12, 13, 14, 29
相対湿度....................................................... 4
速度 .................................... 15, 25, 26, 34, 60
速度定数..................................................... 43
素反応 ........................................................ 80
Solvay ........................................................ 72
ソルベイ法 ........................................... 72, 73

た水蒸気改質..........................65, 68, 81, 82, 84
水素 .... 24, 25, 26, 36, 38, 39, 40, 41, 44, 50,
55, 59, 68, 75, 79, 80, 82, 92
水素イオン.................................................. 30
水素原子 .........................9, 11, 12, 13, 14, 38
水素陽イオン ......................12, 29, 40, 47, 52
錫... ............................................................. 65
スペクトル............................................ 46, 49

せ正規分布 ..................................................... 25
製鉄 ................................................ 39, 41, 66
静電的な引力 ........................9, 10, 11, 12, 15

タール ...................................... 23, 53, 54, 65
大気中の濃度 ............... 75, 76, 77, 78, 89, 92
堆積岩 ............................................ 27, 28, 30
太陽系 ............................................ 24, 79, 92
焚火 ............................................ 7, 65, 69, 90多原子分子 ................................................. 13
脱出速度....................... 23, 24, 25, 26, 75, 92
脱出分子量 ......................... 25, 26, 27, 75, 92
脱水反応..................................................... 57
脱炭酸反応 ................................................. 57
脱炭素 ... 7, 75, 78, 79, 80, 82, 83, 84, 90, 91,
92, 94静電的な力.............................................. 9, 34
青銅 .................................................. 7, 65, 90
舎密開宗 ..................................................... 28
製錬 .................................................. 7, 65, 90
赤外線 ............................................. 46, 87, 88
石炭 .. 6, 7, 39, 65, 66, 68, 76, 78, 79, 80, 81,

脱離反応......................................... 22, 23, 54
炭化水素..... 28, 39, 43, 64, 65, 66, 72, 80, 82
単結合 ............................................ 11, 22, 54
単原子分子 ............................... 16, 17, 18, 86
炭酸 ..... 22, 23, 29, 30, 32, 49, 50, 51, 52, 53,
54, 57, 65, 67, 69, 73, 74

83, 88, 91, 92
石炭ガス ..................................................... 65
石油 ... 6, 7, 68, 76, 78, 79, 80, 82, 83, 88, 91
石油コンビナート ....................................... 68

炭酸イオン ............................... 29, 30, 49, 51
炭酸塩 ............................................ 29, 78, 88
炭酸カルシウム ..... 29, 30, 49, 69, 70, 71, 72,
75, 79, 80, 91, 93

石灰石 .......................................30, 49, 78, 88
絶対零度 ..................................................... 86
セメント .......................69, 70, 71, 72, 73, 91
セルロース........................5, 6, 55, 59, 64, 90
遷移状態 ............................................... 42, 43

炭酸水素イオン .............................. 29, 30, 50
炭酸水素塩 ................................................. 29
炭酸水素カルシウム ............................ 29, 30
炭酸泉 .................................................. 32, 73

98

炭酸同化反応 .................................... 5, 53, 54

電子対 ........................................................ 52

炭酸ナトリウム .............................. 72, 73, 91

電子の偏り ......................... 11, 12, 13, 14, 15

炭水化物 ...... 5, 53, 55, 56, 60, 64, 65, 66, 90

電子の遣り取り .................................... 38, 40

炭素 ................. 38, 39, 43, 44, 45, 55, 57, 61

電磁波 ........................................................ 46

炭素原子 .............................22, 29, 50, 53, 54

電導性 .................................................. 40, 80

単体塩素 ......................................... 71, 72, 73

天然ガス................. 68, 76, 78, 79, 80, 82, 92

タンパク質............................................ 57, 59

でんぷん......... 5, 6, 55, 57, 59, 60, 61, 74, 90

短波長 ......................................................... 46

ちと
銅... ................................ 7, 40, 65, 66, 83, 90

地球温暖化............................................ 80, 91

糖質 ............................................................ 59

窒息死 ..................................................... 7, 90

灯油 ............................................................ 78

窒息消火 ..................................................... 45

糖類 .................................. 5, 6, 55, 60, 61, 90

窒素原子 ..................................................... 48

突沸現象..................................................... 32

中性子 ..................................................... 9, 34

ドライアイス ..................... 14, 18, 19, 25, 91

超臨界流体....................18, 19, 20, 21, 84, 91

な直線構造 ..................................................... 14
チリ硝石 ..................................................... 68

凪... ............................................................ 85
ナトリウム ........................................... 28, 30てに出会いの反応 .............................................. 51
DNA ..................................................... 67, 93
DDT ............................................................ 72
呈色反応 ..................................................... 30

ニオス湖......................................... 31, 32, 84
2 原子分子 ................................ 12, 16, 17, 18
二酸化炭素 13, 14, 26, 27, 29, 30, 31, 38, 39,

鉄... ...........................7, 24, 38, 39, 40, 58, 90

41, 43, 45, 49, 50, 51, 52, 55, 56, 57, 58,

鉄錆 ............................................................ 37

61, 62, 78, 88

鉄の金属 ..................................................... 37
電位差 ................................................... 40, 47

二酸化炭素発生量 ...................................... 78
2 重結合 .... 11, 22, 23, 29, 46, 48, 50, 51, 52,
53, 54, 58

点火 ................................................ 39, 43, 55
電荷 ..........................................11, 12, 14, 15
電解質 ................................................... 40, 80
電荷の偏り.................................. 9, 12, 13, 14
電気陰性度.................................................. 14
電気分解 ................ 40, 41, 71, 72, 73, 80, 82
電子 9, 10, 11, 12, 13, 15, 34, 35, 36, 37, 38,

乳酸 ............................................................ 58
乳酸菌 ............................................ 60, 61, 62
乳酸発酵............................................... 61, 62
Newton .................................... 15, 23, 34, 46
尿素合成法 ..................................... 66, 67, 68
2 量化 ......................................................... 52

ね40, 41, 46, 47, 48, 49, 50, 52, 80
電子親和力...................................... 35, 36, 38

熱化学方程式 ..................... 73, 74, 80, 81, 82

99

熱容量 .................................84, 85, 86, 87, 88

pKa ............................................................ 52

熱力学の 3 法則 .......................................... 42

PCB ........................................................... 72

燃焼 6, 34, 38, 39, 40, 43, 44, 45, 50, 58, 64,

光エネルギー ............................................. 55

66, 76, 81, 82, 83, 90

火消し壺..................................................... 45

燃焼熱 .. 39, 41, 43, 44, 50, 51, 58, 78, 80, 82

ビタミン B2 ................................................ 57

燃料 ....................................38, 39, 43, 44, 45

漂白剤 ........................................................ 72の表面積 ........................................ 4, 16, 17, 18
ピルビン酸 ................... 56, 57, 58, 60, 61, 62

農薬 ............................................................ 72
Nobel ...................................................... 7, 90

はHaber ......................................................... 68
ハーバー法.................................................. 68

広口試薬瓶 ................................................... 6
火を熾す......................... 7, 38, 39, 64, 75, 90
火を使いこなす ...................................... 7, 91
備長炭 .................................................. 64, 87
頻度因子..................................................... 43

ふ

灰 55, 64, 66
灰... ............................................................. 39
配位結合 ..................................................... 48
π結合 ............................................. 10, 11, 22
排出量 .................... 76, 77, 78, 79, 84, 88, 92
ハイドロキノン .......................................... 48
波長 ...................................................... 46, 49
発酵 ...................................................... 61, 68
発熱反応 .......................23, 43, 48, 51, 70, 82
発熱量 .......................................43, 69, 78, 79
パラジクロロベンゼン ............................... 72

ファンデルバアルス力 ............................... 15
フェノール ................................................. 13
フェレドキシン .......................................... 49
フォトン..................................................... 46
付加反応....................... 22, 23, 29, 53, 54, 57
輻射 .................................... 24, 25, 26, 75, 92
ブタン酸............................................... 22, 50
物質不滅..................................................... 42
沸点 ...................................................... 17, 84
ブドウ糖 5, 22, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56,

ハロゲン元素 .............................................. 36
パン ...................................................... 39, 44
反応温度 ..................................................... 43
反応座標 ..................................................... 42
反応速度定数 .............................................. 43
反応溶媒 ..................................................... 21
万有引力 ............................................... 23, 26
万有引力定数 ........................................ 23, 25

57, 58, 59, 60, 61, 62, 64, 66, 90, 93
プラスティック .......................................... 72
プラストキノン .......................................... 48
プラストシアニン ...................................... 48
Plank ................................................... 46, 87
プランクの定数 .......................................... 34
Brønsted .................................................... 51
分解反応.. 5, 6, 40, 41, 56, 58, 60, 61, 62, 67,

ひ火遊び ..................................................... 7, 91
BHC ........................................................... 72

69, 71, 72, 90
分子 ........................................................ 9, 57
分子間力....................... 15, 16, 17, 18, 19, 20
分子吸光係数 ............................................. 48

100

め

分子双極子モーメント ......................... 13, 14
分子の数 ............................................... 12, 13

メタン . 13, 14, 19, 23, 25, 26, 38, 39, 43, 44,

分子量 .......................................15, 16, 25, 26へ平衡状態 ......................................... 22, 30, 54

50, 72, 80, 82, 87, 88
綿火薬 ........................................................ 68
Mjendjeljejev ............................................. 38

も平衡定数 ..................................................... 43
平衡反応 .... 23, 27, 29, 43, 52, 56, 60, 65, 69
Hess............................................................ 80
ヘム ............................................................ 48

Morse ........................................................... 9
木炭 ................................................ 39, 41, 66
モルタル............................................... 70, 71

ヘモグロビン .............................................. 58

やヘリウム .......................24, 25, 26, 75, 79, 92
変角運動 ............................................... 86, 87

火傷 .................................................. 7, 56, 90

ベンゼン ............................................... 47, 49

山本博志..................................................... 20

Henry ......................................................... 28

ゆヘンリーの法則 ..................28, 29, 31, 32, 77
融解熱 ............................................ 84, 85, 86

ほ有機物 .................................................. 50, 66

芳香族 ................................................... 47, 49

融点 ............................................................ 84

飽和水蒸気圧 ................................................ 4

誘電率 .................................................... 9, 34

ポートランドセメント ............................... 70

ユビキノール ............................................. 58

補酵素 ......................................................... 57

ユビキノン ................................................. 58

補色 ...................................................... 46, 49

よ炎... ......................................................... 7, 55
ポリハロメタン .......................................... 72
ホルムアルデヒド ...............23, 50, 51, 53, 55

陽イオン........... 11, 12, 28, 30, 35, 36, 37, 38
溶液 ...................................................... 29, 30
溶解度 ............................................ 23, 29, 30

ま溶鉱炉 .................................................. 39, 66

薪... ............................................................. 45

陽子 ...................................... 9, 34, 35, 36, 37

摩擦熱 ........................................................... 6

溶媒 ...................................................... 71, 72

末梢循環障害 .............................................. 33

葉緑素 ............................................ 47, 48, 49

み水の惑星 ...................................26, 75, 79, 93

むり
陸風 ............................................................ 85
理想気体定数 ........................... 15, 25, 43, 74
理想気体の状態方程式 ............................... 15

無機物 ......................................................... 66

硫安 ...................................................... 67, 90
Rydberg ..................................................... 34

101

ろ

臨界点 ............................................. 20, 21, 32

れろうそく........................................... 6, 38, 64

わ

励起状態 ..................................................... 46
Lenard........................................................ 15

Watt ....................................................... 7, 90

錬金術 ......................................................... 66

102